江西省水電機組一次調頻性能優化關鍵技術研究

齊聰，蒙淑平，鄢波，何鈞，吳道平

（1.中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西 南昌 330096；2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年來，江西電網負荷增長較快，但電源結構相對單一，常規能源發電占比較大。特高壓入贛后，江西電網作為典型的特高壓受端電網，一方面直流閉鎖容易導致大量功率缺額帶來電網低頻的問題；另一方面本地機組開機減少，使得電網的調頻能力下降。江西電網的穩定特性將逐步從熱穩定和功角穩定問題轉變為電網頻率穩定問題。所以，發電機組調頻功能的有效投運對于保障江西電網有功平衡和頻率穩定有著尤為重要的意義[1]。水電機組由于開停機迅速、帶負荷速度快、頻繁啟停機不會消耗過多的能量等優點，在江西電網承擔著主要的調頻任務。

華中電網為了提高供電質量，分別制定了《華中區域發電廠并網運行管理實施細則》和《華中區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》，其中對水電機組的一次調頻的投入率、調節指標的考核標準進行了嚴格的規定。通過對江西省內統調水電機組的調查，發現大部分水電機組的一次調頻性能指標與“兩個細則”存在較大的差距。因此，提高江西省統調水電機組的一次調頻性能是當前亟待解決的迫切問題。

1 江西省內水電機組一次調頻問題研究

目前，江西省大部分水電機組均設計有一次調頻功能，但根據省內統調水電機組一次調頻性能測試情況來看，機組一次調頻性能并不理想。其中，存在兩個最突出的問題。

1.1 一次調頻控制結構設計存在問題

江西省內水電機組的一次調頻功能均設計為由機組的調速系統來實現。機組一次調頻主要體現在當系統頻率變化超過調節系統的頻率死區Ef時，水輪機調節系統將根據頻率靜態特性（調差特性）所固有的能力，按整定的永態轉差系數bp自行改變導葉開度，從而控制改變機組有功功率，進而實現調節電網頻率的行為。通用的一次調頻控制結構[2]如圖1所示。

圖1 省內通用的一次調頻控制結構框圖

其中：Cf－頻率給定（50 Hz）；f－機組實測頻率；Cy－開度給定（監控系統來）；Ef－人工頻率死區；Kp、KI、Kd－控制參數；bp－永態轉差系數。

調速器根據頻差做出開度調節，由導葉變化引起機組功率變化，一次調頻實際的調節對象是導葉開度，但導葉開度引起的有功變化的過程容易受到水頭變化、水力、機械等因素的干擾，現有的控制結構要滿足一次調頻積分電量的考核要求，本身就存在“先天不足”；再加上華中電網“兩個細則”中對一次調頻的考核指標主要是采用的是“積分電量”，積分電量用來表征頻差、機組有功在時間軸上的累積關系，關注的是頻率及機組實發功率，沒有導葉開度的體現。因此，電廠實際的調節過程和電網要求的目標不一致，實際體現出來的調頻實際效果顯然不會理想。

而且，和火電廠不同，水電機組的一次調頻性能除了要求機組負荷變化速度外，還受到水錘效應的影響。水錘效應的大小，影響了一次調頻考核積分電量。但是，目前江西省內水電機組的一次調頻設計均未考慮水錘因素及積分電量因素影響。

1.2 現有增強型調頻算法存在問題

通過江西省內統計數據分析，水電機組一次調頻動作大部分發生在調頻死區附近，由于參與計算的頻差較小，相應地機組有功變化值不大。目前，江西省很多水電機組為了滿足華中電網“兩個細則”的考核要求，將算法改為增強型調頻算法。

增強型調頻算法[3]通過改進機組的一次調頻死區特性，將死區值計入功率調節量，當偏差超過調速系統設置的一次調頻死區后，不減去頻率死區，直接進行后續計算，從而達到提高一次調頻的響應特性的目的，其計算框圖如圖2所示。

圖2 增強型調頻算法死區計算框圖

但是實際運行中，我們發現增強型調頻算法忽略了調頻死區附近的非線性動力學行為，在調頻動作開始時有階躍變化，若系統頻率長時間運行在人工頻率死區附近，一次調頻會發生頻繁動作與復歸，此時會造成調速系統液壓執行機構的頻繁動作，不僅加重元器件的磨損，而且容易導致機組功率發生間歇性波動，嚴重時可能會引起電網的功率震蕩，從而影響電網的安全穩定運行，詳見圖3。

圖3 常規調頻與增強型調頻動作效果對比

圖3是模擬電網頻率在死區附近頻繁的擾動，常規調頻與增強型調頻動作對比圖。隨著頻率在死區附近反復波動，普通型一次調頻調節量變化不大；而增強型一次調頻算法始終有1~2 MW左右的功率波動，且其波動幅度逐漸漂移。造成波動幅度大的原因是增強型一次調頻算法的階躍響應，導致調節開始時動作值階躍變化，在一次調頻復歸時，又形成反方向的階躍反調效果，且功率波動幅度大大高于普通型一次調頻算法。幅值的漂移現象是一次調頻頻繁動作、復歸，由于參與調節的液壓執行機構死區和調節速度差異累計而造成的。

2 水電機組一次調頻性能優化技術研究

為保證水電機組的一次調頻性能指標，需要水電機組在一次調頻動作時具有較快的調節速度、較短的響應時間及較大的調節深度。文中針對江西省內水電機組一次調頻存在問題，擬從以下調節速度和調節深度兩方面開展水輪機組一次調頻性能關鍵技術研究。

2.1 水電機組一次調頻控制結構優化研究

改善一次調頻動態性能指標，即一次調頻響應滯后時間及調節速度，首先需要優化機組一次調頻控制結構優化，減小機組水錘效應。江西省大部分水電機組采用的是以導葉為控制目標的調節方式，而電網關注一次調頻指標是功率，水電機組一次調頻控制結構首先需要解決這個問題。

水電機組一次調頻控制結構優化調整的原則是“將一次調頻的調節對象從導葉開度修改為機組有功功率指令”，由水電機組功率調節器進行閉環調整。由于考核細則和實施標準中，對水電機組一、二次調頻的調節速度和精度要求不一致，一次調頻要求速度更快，而二次調頻相對來講要求調節精度更高，可以將機組一次調頻功率調節器和二次調頻功率器分開，兩者獨立設置，互不影響。

為了減少水錘的影響，需要在導葉初始開啟及關閉時相對減慢導葉動作速度。可以通過一次調頻功率調節器PID“變參數”的調節手段，實現三段閉環速率。在初始t0階段，采用較小的Kp、Ki值，使初始調節速度減慢；在中段t0-t1時，加大Kp、Ki值，使導葉調節速度加快；在后段，減小Kp值，Ki值保持適當，相當于“踩剎車”，減少超調量，可適當提高調節精度。為了加快機組一次調頻調節速度，可以借鑒前饋控制的思路，將原有的“一次調頻導葉控制量”作為調節前饋作用到導葉執行機構上。由于導葉執行機構與水機做功流量不是線性關系，可以將“導葉—流量”自適應回路加到前饋量上。

具體的水電機組一次調頻控制結構優化如圖4所示。

圖4 水電機組一次調頻控制結構優化示意圖

2.2 改進型增強一次調頻算法研究

增強型一次調頻算法實質是采用零死區或小死區的方式參與一次調頻，提高了機組的一次調頻貢獻電量，減少了電網調頻考核。但從實際的運行效果來看，階躍型沖擊信號將影響電網的調節穩定性。

本節將研究一種改進型增強一次調頻算法，采用了基于動態調頻死區的設置方法，既能有效提升水電機組參與一次調頻的調節深度，減少水電機組因一次調頻考核所造成的經濟損失，又避免了原有增強型調頻算法導致的階躍變化造成的電網沖擊，保證電網安全穩定運行。

本算法的核心是原有的一次調頻死區Ef分開，分為一次調頻動作死區Efa、一次調頻復歸死區Efr和一次調頻的計算死區Efc。

動作死區Efa根據華中電網“兩個細則”及相關標準設定，決定水電機組一次調頻響應的起始點，如果調速器檢測到水電機組實際的頻差|Δf|超過動作死區，則一次調頻動作，從而保證水電機組一次調頻準確性。

復歸死區Efr決定水電機組一次調頻響應的停止點，當水電機組一次調頻功能投入且動作后，如果調速器檢測到水電機組實際的頻差|Δf|小于復歸死區時，則一次調頻停止動作。復歸死區可以減少機組在一次調頻死區附近反復震蕩。

計算死區Efc采用動態柔性跟蹤的方式，保證水電機組一次調頻過程的調節深度，削弱水擊反調和階躍沖擊所帶來的調節不穩現象，體現了水電機組一次調頻的響應性能。

Efc的跟蹤公式：Efc=（1－k1×k2×t）×Efa

k1、k2－頻率死區調節系數；

t－頻率死區調節時間，t=0…T，T為頻率死區調節總時間，T一般可取3 s-8 s。t的初值為0，當t=T時，Efc=1－k1×Efa。

以某水電機組為例，設定水電機組動作死區Efa=0.05 Hz；復歸死區設定為Efr=0.045 Hz；跟蹤時間T取值8 s，則k2=0.125，調節系數k1取1，則最終跟蹤公式為Efc=（－0.006 25t+0.05）Hz。改進型增強一次調頻算法動作效果如圖5所示。

圖5 改進型增強一次調頻算法效果對比圖

2.3 基于“積分電量動態滾動校正”的一次調頻優化方法研究

華中電網“兩個細則”對水電機組一次調頻的考核主要是采用“積分電量”[4]的考核方法，而現有的調速器調頻內部程序算法主要是依據頻差—永態轉差系數函數進行調整，并沒有考慮機組實際的一次調頻動作效果。本方法引入“積分電量動態校正”的理念，與常規的一次調頻方案相結合，針對考核細則進行一次調頻動作過程中的動態調整，提高了機組一次調頻的動作達標率，從而達到改善一次調頻指標的目的。

該方法的核心是計算“積分電量”指標。積分電量k（實際占比）計算模塊如圖6所示。

圖6 “積分電量”計算模塊圖

積分電量指標k實時計算，滾動存儲，在實際工程應用時，可1 s-2 s計算一次。由于一次調頻在“小頻差”范圍內動作時，積分電量值比較小，時間短，不易進行校正，且由于電網對大頻差擾動要求更加嚴格，所以“積分電量動態校正”主要用于大頻差（大于0.08 Hz）一次調頻動作。具體的實施步驟如下所示。

第一步：獲取水電機組實際頻差Δf，若實際頻差的絕對值大于0.08 Hz，則判斷為大頻差一次調頻動作動作，反正不動作。

第二步：設置延時時間T。如果T s，一次調頻復歸，則不動作。否之，進入第三步。設置延時時間是為了防止一次調頻頻繁動作造成積分電量往復校正。

第三步：判斷當前實時積分電量指標k1。如果k1>0.6。則不動作。進入第五步。否之，進入第四步。

第四步：計算積分電量補償值ΔP1。并將ΔP1疊加到一次調頻動作量中，由調節系統快速調節。

ΔP1=α×|He-Hi|/Δt

He—當前時刻理論積分電量；

Hi—當前時刻實際積分電量；

α—補償電量調整系數（0<α<1）

第五步：等待時間Δt。如果一次調頻動作時間t>60 s或者本次調頻動作結束，則復歸。否則，重新進入實時積分電量指標k1判斷。進入第三步。

基于積分電量動態校正的一次調頻優化方法針對華中電網“兩個細則”的考核指標進行了優化，提高了機組一次調頻的動作達標率，從而達到改善機組一次調頻性能指標的目的。

3 應用實施效果

以江西省內某臺水電機組為例。采用水機調節系統通用的并聯PID控制的電子調節器模型。機組參數如表1所示。

表1 某水電機組調節系統控制參數設置

用頻率發生器模擬頻率fg輸出，在該機組上分別應用優化前和優化后的一次調頻控制策略，進行一次調頻動態指標分析，結果如表2所示。

表2 某水電機組優化前后一次調頻算法動態過程性能指標對比

從表2可以看出，經優化后機組調頻性能有了較大提高，且貢獻電量指標有明顯的增長，完全滿足華中電網“兩個細則”的考核要求，從而驗證了優化措施的可行性和有效性。

4 結語

文中根據華中電網“兩個細則”中對于水電廠一次調頻的要求，分析江西省內機組一次調頻存在的典型問題，圍繞一次調頻控制結構優化設計及改進型增強一次調頻算法研究兩個關鍵點，針對性的提出了水電機組一次調頻性能優化方法。從現場試驗及實際運行效果來看，優化改造的效果良好，對于同類型水電機組具有一定的借鑒作用。