水電機組一次調頻PID參數全水頭適應性研究

馬小雯，艾遠高，余志強，翟玉杰

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌443133）

電網頻率是非常重要的電網特征參數，監視和控制電網頻率在規定范圍內變化，是電網調度的主要任務之一[1]。一次調頻是指當電網頻率超出規定范圍（即一次調頻死區）后，電網中參與一次調頻的各機組自動地調節有功出力，使電網達到新的平衡，從而快速穩定電網頻率的功能[2]。水電機組在電力系統中主要承擔調頻、調峰任務，與火電機組相比，具有調節過程簡單、負荷調節速率快、調節幅度大、穩定性好、經濟等優點，因此水電機組一次調頻功能對整個電力系統安全運行起著非常重要的作用[3]。

不同水頭下，滿足一次調頻性能指標的PID參數不同，需要將PID參數與水頭適應性進行關聯。本文在某巨型水電站變水頭機組一次調頻試驗的基礎上，對一次調頻參數在全水頭范圍內的適應性進行探究，以滿足機組在不同水頭的一次調頻性能要求，為巨型電站一次調頻控制策略制定提供理論支撐，對滿足電網運行需求、實現最優控制具有重要意義。

1 水電機組一次調頻性能指標要求

水電機組一次調頻技術指標[4]有：永態轉差系數bp不大于4%（或調差率ep不大于3%）；轉速死區ix設為0.04%；調頻死區不大于±0.05Hz；一次調頻的功率調整幅度應考慮對機組的最大和最小負荷限制和避開振動區與空化區運行。一次調頻階躍響應的要求：

開度模式。一次調頻開度響應滯后時間thx應不大于2s；接力器位移達到90%目標值的上升時間t0.9應不大于12s；開度調節達到穩定所經歷的時間ts不大于24s。

功率模式。一次調頻功率響應滯后時間thx，對于額定水頭50m及以上的水電機組，不大于4s；機組有功達到90%目標值的上升時間t0.9應不大于15s；功率調節達到穩定所經歷的時間ts不大于30s。

2 機組調節控制系統模型及一次調頻功能優化

水電站機組一次調頻對電網的作用和貢獻可想而知，一般水電站庫水位受庫容季節的調節而變化，機組實際水頭也隨之而變。為保證機組的調節品質滿足電網穩定要求，確保機組在不同水頭下安全穩定運行的情況，對機組一次調頻功能及PID結構需進行優化。

2.1 開度模式下的一次調頻功能

如圖1所示，為開度模式的調速器PID結構，采用PI控制規律。將機組頻差、導葉開度給定與反饋的偏差，共同輸入PID調節器，計算開度調節量，變更機組負荷。功率給定實時跟蹤機組實際功率，不參與閉環負荷調節，以保證由開度模式切換到功率模式時實現無擾動切換[5]。當一次調頻動作時，調節系統采用一次調頻動作時開度模式下的PID參數。

圖1 開度模式下的PID框圖

調速器采用限制機組頻率的方式實現功率限幅。當一次調頻動作時，PID輸入的機組頻率將限制在一定范圍內（默認值為50.2～49.8Hz）；當一次調頻動作復歸時，PID輸入的機組頻率沒有限幅環節。功率限幅環節可以通過程序進行投退。

2.2 功率模式下的一次調頻功能

如圖2所示，為功率模式的調速器PID結構，采用PI控制規律。有功反饋與有功給定輸入信號，經過功率-開度協聯關系曲線后，轉化為開度信號，乘以bp，輸入PID環節。由于調節量為開度，無法直接得出真實調節功率，因此，AGC功率限制線無法限制調速器在一次調頻動作態時調速器收到的真實功率給定。

圖2 功率模式下的PID框圖

由于功率-開度協聯曲線與水頭協聯，調差率ep通過功率-開度協聯曲線和bp折算而成，且隨水頭變化而變化。某電站機組水頭變化范圍為71m至110m，高、低水頭相差較大，因此機組在不同水頭下，使用同一組PID參數，其開度調整量對應的功率調整不同，無法保證調節過程都滿足一次調頻性能指標。當一次調頻動作時，功率模式下設置了兩組PID參數，一組為固定PID參數，一組為與水頭關聯的查表參數。

功率模式采用限制機組頻率的方式實現功率限幅，與開度模式功率限幅功能相同。

3 一次調頻有水試驗與PID參數適應性探究

試驗前，在做好安全措施前提下，解下調速器PT測速信號，接入發頻儀，使機組在閉環狀態運行。階躍變化輸入的測量頻率，對機組頻率、導葉開度、有功功率等參數進行錄波。本文以某700MW機組為例，在50Hz的基礎上，利用發頻儀分別輸入±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2Hz等階躍頻率信號，每個信號持續40s，以檢測調節系統響應行為。機組在高水頭（109.6m）的一次調頻有水試驗，試驗條件如表1所示。本次試驗在78.1m水頭下進行，采用109.6m水頭的PID參數以驗證其適應性。

表1 高水頭（109.6m）的一次調頻有水試驗條件

3.1 開度模式

在水頭為78.1m時，以-0.1Hz階躍為例，當模擬頻率階躍-0.1Hz時，頻差為-0.05Hz，PID參數為Kp=10，Ki=4.5，Kd=0。試驗過程中，-0.1Hz階躍擾動的響應波形如圖3所示，一次調頻指標如表2所示。由表2可知，在-0.1Hz（含死區）擾動試驗中，響應滯后時間0.765s，90%上升時間11.303s，調節時間22.375s，滿足行標。實際轉差率為4.031%，與設定值4%基本一致。因此，該PID參數可以滿足一次調頻性能指標要求。

圖3 開度模式-0.1Hz階躍擾動的響應波形（功率/MW，時間/s）

在開度模式下還進行了+0.1Hz、±0.2Hz、±0.25Hz的階躍擾動試驗，調節性能滿足一次調頻指標，高水頭采用的PID參數在當前水頭下基本適用，水頭對階躍擾動影響較小。

表2 開度模式頻率-0.1Hz階躍擾動一次調頻指標

3.2 功率模式

在109.6m水頭時，以+0.1Hz階躍為例，當模擬頻率階躍+0.1Hz時，頻差為+0.05Hz，PID參數為Kp=12，Ki=2.8，Kd=0。試驗過程中，+0.1Hz階躍擾動的響應波形如圖4所示，一次調頻指標如表3所示。由表3可知，在+0.1Hz（含死區）擾動試驗中，響應滯后時間1.97s，90%上升時間13.11s，調節時間21.328s，轉差率小于3%，滿足行標。

圖4 Kp=12，Ki=2.8，Kd=0，高水頭（109.6m）功率模式+0.1Hz階躍擾動的響應波形（功率/MW，時間/s）

表3 高水頭（109.6m）功率模式的頻率+0.1Hz階躍擾動一次調頻指標

在78.1m水頭時，仍采用該PID參數進行+0.1Hz階躍擾動試驗。試驗過程中，響應波形如圖5所示，一次調頻指標如表4所示。

由表4可知，在+0.1Hz（含死區）擾動試驗中，90%上升時間大于15s，調節時間大于30s，低水頭下采用該參數，調節性能遲緩，不滿足行標，需要重新對PID參數進行調整。

3.3 一次調頻試驗存在的問題及對策

由前述可知，在開度模式下高水頭的PID參數基本適用于低水頭，但在功率模式下高水頭采用的PID參數不適用于低水頭，一次調頻試驗結果如表5所示。由于在功率模式下，功率-開度協聯曲線與水頭協聯，調差率ep經功率-開度-水頭協聯曲線和bp折算而成，當水頭發生較大變化時，使用同一組PID參數，其開度調整量對應的功率調整量不同，因此高水頭采用的PID參數在低水頭時會造成調節性能遲緩，無法滿足行標。

圖5 Kp=12，Ki=2.8，Kd=0，水頭 78.1m 功率模式+0.1Hz階躍擾動的響應波形（功率/MW，時間/s）

表4 水頭78.1m功率模式的頻率+0.1Hz階躍擾動一次調頻指標

表5 低水頭（78.1m）下一次調頻試驗結果

對此，功率模式下，可根據不同水頭下選擇不同PID參數，以滿足一次調頻性能指標。電站依據調速器PID結構，建立了水輪機調節系統仿真模型，模擬機組在不同工況下的一次調頻過程與實測機組調節品質進行比較，以期獲得調節性能良好的PID參數。

4 結語

本文對某巨型水電站700MW水電機組的一次調頻階躍擾動試驗進行了分析，討論高水頭的PID參數在低水頭時的適應性。開度模式下高水頭的PID參數基本適用于低水頭；功率模式下，由于機組高、低水頭變化幅度較大，一組固定的PID參數無法滿足一次調頻要求，因此需要投入與水頭協聯的PID參數，即適應式變參數PID，在不同水頭下選擇不同PID參數，以滿足一次調頻全水頭適應性需求。