轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量影響因素研究

黃燦成

（大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

一次調頻（Primary Frequency Regulation，縮寫PFR）是有效保證電網頻率維持穩定的重要手段[1]，發電機組配備的一次調頻功能可抑制大負荷擾動引起的頻率波動[2]，同時對短時電網負荷波動調節能減少二次調頻動作，穩定電網頻率、優化系統調度。因此，一次調頻被國家監管局列入并網發電機組必須提供的基本輔助服務之一[3]。而又由于水電機組具有調節過程簡單、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對電力系統的安全穩定有重大影響。為了規范各水電運行企業一次調頻運行管理，電力監管部門也制定了詳盡的考核辦法對水電機組實際一次調頻運行情況進行統計和考核[4-6]。

目前關于水電機組一次調頻的研究大多集中于調速器控制策略[7-9]、一次調頻試驗及性能優化[10-11]、水電機組一次調頻特性對電網的影響以及一次調頻與AGC協調動作[12-15]等方面，所得成果也頗為豐碩，與此同時，實際運行中盡管一次調頻試驗的性能指標均滿足相關標準文件的要求，但水電機組一次調頻貢獻電量達不到電力監管部門要求的情況仍較為普遍，這不僅極大地影響源網協調，也對水電企業的電量經濟效益產生較大的損害。

本文通過數值仿真，對轉槳式水輪發電機組一次調頻積分電量的影響因素進行分析研究，建立包括調節器、電氣液壓隨動系統、水輪機模型及參數，通過仿真計算，找尋控制規律，力圖指導、改進一次調頻運行管理質量，提高機組一次調頻貢獻電量合格率。

1 仿真模型及貢獻電量計算方法

1.1 轉槳式水電機組一次調頻仿真模型

建立的轉槳水電機組一次調頻仿真模型包括調節器和電氣液壓隨動系統、水輪機3部分。調節器模型選取國內水電機組廣泛應用的并聯PID控制的電子調節器、電氣液壓模型選取電力系統常用的PSD-BPA中的標準化模型、水輪機模型選擇轉槳式水輪機模型[16-21]，3部分模型分別如圖1、圖2、圖3所示。圖1中Δω為調速系統輸入頻差、Ef為一次調頻人工頻率死區、KP為調速器的比例系數、KD為調速器的微分系數、T1V為調速器的微分時間常數、KI為調速器的積分系數、bp為調速器開度閉環模式下的永態差值系數；EP為功率調節死區；Ey為開度調節死區；ep為調速器功率模式功率調差系數；PIDMIN為調節器輸出下限，PIDMAX為調節器輸出上限。圖1所示模型各開關連接位置表示調速器處于開度閉環模式且可投入一次調頻。

圖2 電氣液壓隨動系統模型

將圖1～圖3模型順序相連即可組成軸流轉槳式水輪發電機組一次調頻仿真模型。可在模型輸入端模擬頻差信號Δω使調節器模型輸出YPID控制信號，電氣液壓隨動系統模型根據YPID信號模擬導葉、槳葉開度的動作情況，電氣液壓隨動系統模型輸出的導葉、槳葉開度信號進入轉槳式水輪機模型可得到仿真功率。各模型參數可通過現場實測和模型參數辨識獲取。

圖1 調節器模型

圖3 轉槳式水輪機模型

1.2 一次調頻貢獻電量計算方法

電力監管部門對發電機組一次調頻貢獻電量的考核評價是評價參與一次調頻機組在一次調頻動作期間的實際積分電量（QSJ）占對應時間段的機組一次調頻理論積分電量（QJS）的比例GHI是否達到規定值，即GHI=QSJ/QJS。QSJ、QJS計算方法如下：

（1）、（2）式中，t0為電網頻率越過機組一次調頻動作死區時刻，即為開始計算積分電量的起始時刻；tt為計算積分電量結束時刻（通常為電網頻率進入一次調頻動作死區時刻，一般最長為t0+60 s）；Pt為機組一次調頻動作期間t時刻實發有功功率；P0為t0時刻機組實發有功功率；ft為一次調頻動作時段內t時刻實際電網頻率；Ef為機組調速器設定的一次調頻死區（一般不大于0.05 Hz）；Pr為參與一次調頻機組的額定功率；fr為電網額定頻率；ep為機組功率調差系數（一般取值為4%）。

2 一次調頻貢獻電量影響因素分析

為進一步研究水電機組一次調頻貢獻電量的影響因素，選取某水電廠單機額定出力150 MW的軸流轉槳式水輪發電機組為例進行數值仿真分析。該機組主要參數信息如下：水輪機型號為ZZA813a-LH-1040、額定水頭19.5 m、最低水頭8.65 m、最高水頭31.5 m、額定轉速62.5 r/min。發電機型號為SF150－96/15640、額定容量 150 MW/171.4 MVA，正常并網時調速器工作于開度閉環模式。其調速系統電氣液壓隨動系統及水輪機主要模型參數見表1。

表1 電氣液壓隨動系統及水輪機模型主要參數

因對水電機組一次調頻性能進行測試時，一般選擇在某一穩定工況點進行有效頻差變化不低于0.1 Hz的擾動頻率[22-23]，所以本文主要以上述模型及參數為基礎，模擬在31.5 m水頭下，初始導葉開度為75%時+0.15 Hz的階躍頻差作為水電機組模型的輸入，不同調速器參數以及不同水頭協聯關系下的轉槳式水電機組一次調頻過程，計算不同調速器參數和水頭工況下的一次調頻貢獻電量比例并分析變化趨勢。

2.1 調速器參數對貢獻電量的影響研究

在調速器開度閉環模式下一次調頻可調整的參數通常有人工頻率死區Ef、永態轉差系數bp、比例系數KP、積分系數KI、微分系數KD。

2.1.1 人工頻率死區Ef對貢獻電量的影響

置調速器參數bp=0.04、KP=8、KI=8、KD=0時，不同Ef下一次調頻貢獻電量比例的計算結果如圖4所示。隨著Ef的增大，轉槳式水電機組一次調頻貢獻比例呈線性遞減規律。如圖4所示，當Ef取值為0.01 Hz時一次調頻貢獻比例為1.504，將Ef增大至0.05 Hz時一次調頻貢獻比例僅為0.981。

圖4 不同Ef一次調頻貢獻電量比例變化趨勢

從圖5仿真計算的結果來看，人工頻率死區Ef越小，實際上相當于增大了有效頻差，一次調頻動作有功功率變化幅度越大，一次調頻貢獻電量也就越大。但是，人工頻率死區的減小，勢必增加機組一次調頻動作次數，增加調速器機械部分的往復動作次數，在一定程度上會增加機械部分疲勞，影響設備壽命。所以Ef不宜設置過小，一般按照相關的標準文件要求設置為0.04～0.05 Hz即可。

圖5 不同Ef一次調頻有功功率動作過程

2.1.2 永態轉差系數bP對貢獻電量的影響

置調速器參數Ef=0.05、KP=8、KI=8、KD=0 時，不同bP下一次調頻貢獻電量比例的計算結果如圖6所示。隨著bP的增大，轉槳式水電機組一次調頻貢獻比例隨之減小，并呈下拋物線狀。如圖6所示，當bP取值為0.01時一次調頻貢獻比例為6.10，將bP增大至0.05時一次調頻貢獻比例減小為0.79。變化幅度非常大。

從仿真計算的結果來看，減小永態轉差系數bP，可較大幅度的提高一次調頻貢獻電量比例。但是，考慮到電網系統運行的穩定性，bP需按照各區域電網相關標準文件要求設定，一般設置為0.04。

2.1.3 比例系數KP對貢獻電量的影響

置調速器參數Ef=0.05、bP=0.04、KI=8、KD=0時，不同KP下一次調頻貢獻電量比例的計算結果如圖7所示。隨著KP的增大，轉槳式水電機組一次調頻貢獻比例隨之微弱增大，并呈現線性規律。如圖7所示，當KP取值為3時一次調頻貢獻比例為0.972，將KP增大至15時一次調頻貢獻比例也僅為0.992，僅增長0.02。

從圖8仿真的一次調頻有功動作過程曲線的結果來看，比例系數KP越大，其有功反調值越大，但達到穩定值也越快；因有功反調值越大，積分電量越小；而調節過程越快達到有功穩定值，積分電量越大。故增大比例系數KP雖對轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例有一定的增長，但增長的幅度較小。

置調速器參數Ef=0.05、bP=0.04、KP=8、KD=0 時，不同KI下一次調頻貢獻電量比例的計算結果如圖9所示。隨著KI的增大，轉槳式水電機組一次調頻貢獻比例隨之增大，并呈上拋物線狀。如圖9所示，當KI取值為3時一次調頻貢獻比例為0.914，將KI增大至15時一次調頻貢獻比例增大至0.998，增長了0.083，較比例系數的增長幅度大。

圖9 不同KI下一次調頻貢獻電量比例變化趨勢

從圖10仿真的一次調頻有功調節過程來看，隨著KI的增大（3增加至15），轉槳式水電機組一次調頻有功調節過渡過程大幅加快，有功功率達到穩定值的時間較大幅度變短。故增大積分系數KI可以較增大Kp更有效提高轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例。

圖10 不同KI一次調頻有功動作過程

2.1.5 微分系數KD對貢獻電量的影響

置調速器參數Ef=0.05、bP=0.04、KP=8、KI=8時，不同KD下一次調頻貢獻電量比例的計算結果如圖11所示。隨著KD的增大，轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例隨之呈現線性微弱減小的規律。如圖11所示，當KD取值為0時一次調頻貢獻電量比例最大，為0.981，將KD增大至15時一次調頻貢獻電量比例僅為0.972，變化幅度微弱。

圖11 不同KD一次調頻貢獻電量比例變化趨勢

且從圖12仿真計算的結果來看，當KD分別置為 3、6、9、12、15 時，仿真所得的轉槳式水電機組一次調頻調節過程有功功率曲線幾乎重合，即KD對一次調頻過渡過程影響較小。綜上可見，積分系數KD對轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例影響較小，故在實際運行中一般把KD設置為0。

圖12 不同KD一次調頻有功動作過程

2.2 水頭對一次調頻貢獻電量的影響

置調速器參數Ef=0.05、bP=0.04、KP=9、KI=8、KD=0時，不同水頭下一次調頻貢獻電量比例的計算結果如圖13所示，轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例與水頭高低關聯性不大。當水頭為8.65 m時一次調頻貢獻電量比例為1.717，水頭為16 m時一次調頻貢獻電量比例為3.597。水頭為21 m時一次調頻貢獻電量比例為3.573，水頭為31.5 m時一次調頻貢獻電量比例為0.982。

圖13 不同水頭一次調頻貢獻電量比例對比

由于在導葉初始開度為75%時+0.15 Hz的階躍頻差影響下，各水頭下調速器控制導葉開度變化是一致的，但是結合圖14分析，其槳葉開度變化是有差異的：16 m水頭時，槳葉開度隨導葉開度變化的幅度最大（槳葉開度由12.6%關至5.6%，變化了7%），因此其一次調頻貢獻電量比例最大；31.5 m水頭時，槳葉開度隨導葉開度變化的幅度最小（槳葉開度由97.6%關至96.6%，僅變化1%），因此其一次調頻貢獻電量比例最小。即轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例的大小與水頭的高低無直接關系，而是與各水頭下的導葉、槳葉協聯關系相關，協聯關系曲線越陡，一次調頻貢獻電量比例越大。

（2）撰寫技術指導原則規定，抗菌藥說明書中應“提供抗菌藥體外敏感性試驗結果。敏感性試驗資料應包括試驗方法、敏感性試驗結果解釋標準和質量控制。”我國的說明書沒有提供這方面的完整資料，而英文說明書則較完善地提供了這方面的資料。

圖14 不同水頭下導葉槳葉協聯關系圖

2.3 一次調頻動作時長對貢獻電量的影響

在31.5 m水頭下，置調速器參數Ef=0.05、bP=0.04、KP=9、KI=8、KD=0時，不同一次調頻動作時長（積分計算時長）的一次調頻貢獻電量比例的計算結果如圖15所示。一次調頻貢獻電量比例隨著一次調頻動作時長（積分計算時長）的增大而增大，呈弧形變化。當一次調頻動作時長為10 s時，其一次調頻貢獻電量比例為0.323，當一次調頻動作時長為15 s時，其一次調頻貢獻電量比例為0.558，當一次調頻動作時長為30 s時，其一次調頻貢獻電量比例為0.838，而當一次調頻動作時長為60 s時，其一次調頻貢獻電量比例則增加至0.982。

圖15 不同動作時長一次調頻貢獻電量比例對比

上述數據變化趨勢表明轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例隨著一次調頻動作時長（積分計算時長）的影響較大，一次調頻動作時長越大一次調頻貢獻電量比例越大。

3 結論

本文通過建立轉槳式水電機組模型開展了一次調頻貢獻電量的影響因素的分析研究。主要結論如下：

（1）減小一次調頻人工頻率死區Ef、減小永態轉差系數bP均可有效增加轉槳式水電機組的一次調頻貢獻電量比例。減小一次調頻人工頻率死區Ef，轉槳式水電機組一次調頻貢獻比例呈線性遞增規律；增大永態轉差系數bP，轉槳式水電機組一次調頻貢獻比例隨之減小，并呈下拋物線狀。但考慮到一次調頻動作頻繁對設備壽命的影響以及對系統穩定性的影響，不宜將這兩個參數值設置過小。

（2）增大KP、KI，轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例均增大，但KI對一次調頻貢獻電量比例影響較大。隨著KP的增大，轉槳式水電機組一次調頻貢獻比例隨之線性微弱增大；隨著KI的增大，轉槳式水電機組一次調頻貢獻比例隨之增大，并呈上拋物線狀。

（3）積分系數KD對轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例影響較小，且當KD取值為0時一次調頻貢獻電量比例最大，故在實際運行中一般把KD設置為0。

（4）轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例的大小與水頭的高低無直接關系，而是與各水頭下的導葉、槳葉協聯關系相關，協聯關系曲線越陡，一次調頻貢獻電量比例越大。

（5）轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量比例隨著一次調頻動作時長（積分計算時長）的影響較大，一次調頻動作時長越大一次調頻貢獻電量比例越大。

綜上，本文研究明確了調速器參數和水頭、一次調頻動作時長對轉槳式水電機組一次調頻貢獻電量的影響規律。在生產實踐中，可以此為指導優化轉槳式水電機組一次調頻運行質量，提高一次調頻貢獻電量達標率。