水火電機組調速器死區對超低頻振蕩的影響分析

范成圍

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著渝鄂背靠背工程的投運，西南電網與西北、華中、華東3個區域電網異步互聯，使得四川的電源結構性矛盾更為突出[1]。四川電網水電裝機總量大、占比高，水電機組調節性能、動態特性的好壞嚴重影響電網的穩定性。系統轉動慣量顯著減小，系統頻率波動將明顯加劇，這對系統頻率調節策略提出了更高要求。

近年來，異步聯網系統振蕩現象逐步顯現，國內外電網發生了多起超低頻率振蕩事件[2]。現有研究發現，水輪機是造成超低頻振蕩發生的主要原因[3-5]。調速器成為控制水輪機動作特性的關鍵元件，優化參數設置是解決超低頻振蕩問題的有效手段。

系統頻率穩定與調速器一次調頻性能密切相關[6]，為提升高水電占比電網在超低頻段的阻尼水平，需要減小調速器PID參數[7]；然而，過小的調速器參數將顯著降低一次調頻性能，不利于大擾動后頻率恢復，系統高頻和低頻風險突出[8]。故調速器PID參數需要在一次調頻性能和超低頻振蕩抑制兩個矛盾的目標中平衡。

除了控制參數以外，調速器的死區對系統的調頻能力影響不可忽略。死區既是調速系統機械環節中不可避免的環節，同時也是避免調速器頻繁動作的主要手段。如果能夠合理設置死區，則可以實現抑制超低頻振蕩的目的，同時也能維持系統調節頻率超限的能力。因此，下面針對四川電網水電占比高的特性，分析水、火電機組的調速器死區對超低頻振蕩的影響。

1 超低頻振蕩機理分析

由于水的慣性，導致在水輪機導葉開度變化時，流量不會立即變化。在水輪機導葉變化初期，有功功率初始沖擊與導葉位置變化的方向相反：開啟導葉時，因壓力降低導致功率下降；關閉導葉時，因壓力增加導致功率上升。水輪機功率最終按水錘時間常數Tw逼近導葉控制指令，如式(1)所示。

ΔPm(t)=[1-3e-(2/Tw)t]ΔG

(1)

式中:ΔPm為水輪機機械功率;ΔG為導葉控制指令對應的功率。

水輪機的上述特性導致其成為“非最小相位系統”，在系統解列或水電機組孤立運行期間，可能因水輪機控制不穩定導致超低頻振蕩現象。

調速器和原動機組成的系統如圖1所示。

圖1 調速器、水輪機聯接模型

典型水輪機調速系統總體簡化模型可表示為

(2)

式中:ΔTm為水輪機調速系統輸出機械轉矩;ΔPE為電磁功率;Δω為頻率偏差量;KP、KI為PID控制器中比例系數和積分系數;TR為調速器控制時間常數;T為水輪機伺服系統時間常數。

對特定的振蕩頻率，有

ΔTm=GGOV(jωd)K(-Δω)=-α∠β·Δω

(3)

式(3)將機械轉矩ΔTm表示為調速系統傳遞函數GGOV(jωd)K和頻率偏差Δω的乘積，用α簡化表示。調速系統產生的移相角β隨頻率的變化而變化。針對超低頻振蕩的頻率區間，移相角β運行在負阻尼區間。水電調速系統在低頻段具有明顯的相位滯后效應，典型參數下水電機組調速系統在低頻段范圍內均提供負阻尼。

2 四川電網典型調速器系統

調速器和原動機系統的傳遞函數為

G=G調速G水、汽輪機

(4)

ΔPm=DGΔω+KGΔδ

(5)

式中：ΔPm為原動機機械功率變化；Δw為轉速偏差；Δδ為功角變化；DG為阻尼轉矩系數；KG為同步轉矩系數。

由ΔPm與Δω之間的傳遞函數可知，DG>0時發電機將向系統提供正阻尼。分析水輪機調速系統及原動機開環傳遞函數的阻尼特性，將調速系統提供的轉矩在ω軸上的投影(即調速系統提供的阻尼轉矩分量)定義為調速系統的阻尼系數，借此評估調速系統的阻尼性能。

四川電網主要包括水電和火電兩種能源。在PSASP數據模型中，火電機組調速器模型主要為4型，水電機組調速器模型主要為7型，且僅有開度模式。所有傳遞函數的參數都展示于模型框圖中，詳細信息參考PSASP用戶手冊[9]。

1) 4型汽輪機調速器模型

4型調速器由電液調節系統、電液伺服機構、汽輪機模型、主汽壓力變化模型組成。

圖2為忽略功率信號、只考慮轉速信號時的電液調節系統。該系統采用負荷反饋控制，頻率偏差Δω到閥門開度PCV的傳遞函數可表示為

(6)

圖2 電液調節系統

圖3為以PCV為輸入、PGV為輸出的電液伺服機構，其傳遞函數為

圖3 電液伺服機構模型

(7)

圖4為汽輪機模型框圖，其傳遞函數為

(8)

圖4 汽輪機模型

2) 7型水輪機調速器模型

7型調速器包含調節系統、液壓系統以及水輪機模型。附加調節方式為開度模式，調節系統的模型框圖如圖5所示。

圖5 調節系統

調節系統傳遞函數為

(9)

液壓系統的模型框圖如圖6所示，其傳遞函數為

(10)

圖7為考慮水錘效應的水輪機模型，其傳遞函數為

(11)

圖6 液壓系統(含執行機構)模型

圖7 水輪機模型

以上兩種調速系統是四川電網中的典型調速模型，下面將其作為重點，研究對應的死區配置對超低頻振蕩的影響。

3 算例分析

3.1 仿真模型

忽略網絡和負荷特性，利用頻率響應模型研究多機電力系統的超低頻振蕩問題是較為常用的方法[10-11]。針對四川電網的水、火電混合系統特性，在Simulink平臺上建立如圖8所示的單機帶兩臺調速器的頻率響應模型，以研究不同能源機組的死區如何影響超低頻振蕩。

圖8 單機兩調速器系統

忽略系統網損，考慮負荷頻率調節效應和發電機阻尼系統后，圖8中等值發電機的傳遞函數為

(12)

式中：TJ為發動機的轉動慣量；Ds為發電機阻尼系數與負荷頻率調節效應系數之和。

7型水輪機調節系統采用PI控制。忽略伺服系統微分和積分環節，結合典型仿真數據，調速系統傳遞函數可以簡化為

(13)

對于實際電網仿真，4型汽輪機通常考慮高壓蒸汽和中間再熱蒸汽容積效應，調速器保留調差特性，伺服系統忽略微分和積分控制，結合四川電網典型仿真數據，調速系統傳遞函數可以簡化為

(14)

仿真參數設置如下：

1)發電機Ggen參數為TJ=10.0s，DS=0.4；

2)水輪機Ght及其調速器Ghgov參數為KP=0.5，KD=0.7，KI=1，TW=1，TGH=0.2，bP=0.04；

3)汽輪機Gst及其調速器Gsgov參數為R=0.030 3，TG=0.2，FHP=1，TRH=10，TCH=12。

另外，設置b1和b2分別為水輪機調速器和汽輪機調速器的死區，通過改變死區的大小，測試在不同的擾動輸入下，死區對頻率振蕩的影響。

3.2 死區大小影響分析

所建立的系統由1臺火電機組和1臺水電機組構成，分別以不同的死區配置進行仿真，將擾動由小到大按步長0.000 1增加，直到系統首次出現發散的振蕩波形，記錄此時的擾動大小，以此作為該死區配置下的臨界擾動大小。當擾動大于臨界擾動時，系統不穩定；當擾動小于臨界擾動時，系統穩定。算例中水、火電機組調速器死區分別為0.007 pu和0.005 pu時(基于50 Hz)，以不同幅值的擾動大小測試系統，發現當擾動幅值在0.020 0時，激發出收斂的波形，系統是穩定的；而當幅值增加到0.020 1時，波形發散，系統失穩。如圖9所示。所以0.020 1即是該死區配置下的系統臨界擾動值。用同樣的方法測試不同死區配置的仿真，結果如表1所示。

圖9 頻率分析的系統等值模型

以算例1作為基準，將其他算例的結果與之進行比較，分析討論死區對系統穩定性高低的影響。

表1 不同死區的臨界振幅值

1)水、火電機組死區獨立影響

以算例1為基準，將算例2(單獨增加水電死區)和算例3(單獨增加火電死區)的結果與之比較，可以看出：兩者死區的增加都增加了臨界擾動的大小；并且臨界擾動對水電機組調速器的死區更為敏感，同樣增加0.001 pu的死區大小，算例2的臨界擾動增幅更大。

2)共同改變死區

將水、火電機組調速器死區同時增加(算例4)或同時減少(算例5)，臨界擾動的幅值也隨之增大或減小。臨界擾動幅值與死區大小的變化正相關。

3)相互反向改變死區

將水、火電機組調速器相互以相反方向改變死區大小，其中算例6中水電死區減少、火電死區增加，其臨界擾動比算例1減小；而算例7中水電死區增加、火電死區減少，其臨界擾動比算例1更高。相比算例1，算例6和算例7中水、火電機組調速器死區值的改變量絕對值相同。結果證明，增加水電死區、減少水電機組的調頻參與度，同時減少火電機組死區、增加火電機組的調頻參與度，對系統的頻率振蕩有較好的抑制作用，同時也保持了系統的頻率調節能力。

4 結 語

調速器死區對超低頻振蕩的抑制作用比較明顯，死區越高則系統發生超低頻振蕩的風險越低。但不同能源機組的調速器死區對于超低頻振蕩的抑制效果不同。通過調節水電機組的調速器死區能夠明顯改變使系統發生頻率振蕩的擾動幅值，而火電機組則效果較弱。綜合來看，不論單獨提高某種機組還是共同提高水、火電機組死區，都可以達到抑制超低頻振蕩的目的，但相應卻可能減少系統的調頻能力；由于水、火電機組對超低頻振蕩的影響存在差異，可以通過提高水電機組死區、降低火電機組死區的方法，達到抑制振蕩和保持調頻能力的平衡。合理配置調速器死區，實現不同調頻手段的優化控制，是利用死區設置抑制超低頻振蕩的有效手段。