混流式水電機組一次調頻性能指標試驗研究

黃燦成

(大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

一次調頻(PFR)是保證電網頻率穩定的重要手段[1]，發電機組一次調頻功能可以有效抑制大負荷擾動造成的頻率波動[2]，其對短時間電網負荷波動的調節可減少二次調頻的動作，優化系統調度、穩定電網頻率。因此，一次調頻被列入并網發電機組必須提供的基本輔助服務之一。由此可見發電機組一次調頻是電網大功率擾動后保障頻率穩定的基礎資源和關鍵措施，若系統一次調頻能力有效提升，將降低系統安全風險和大量切負荷的社會影響。為此，中國南網電網提出對所轄區域電廠采取措施保障和提升發電機組一次調頻能力以確保電網負荷、頻率運行安全穩定。

目前關于水電機組一次調頻的研究大多為調速器一次調頻控制程序分析與參數優化或者一次調頻與AGC協調動作等方面[3-8]。然而，水電機組一次調頻能力的大小還受水電機組自身特性及調速器控制模式差異的影響，部分工況下一次調頻性能不滿足電網調度的相關要求。因此本文以某水電機組一次調頻試驗數據為例，分析試驗數據指標不合格的原因，為混流式水電機組更好地服務電網提供參考，同時也為電網優化水電機組一次調頻制度要求提供參考。

1 一次調頻試驗

1.1 一次調頻試驗內容與性能指標

依據中國南網電網公司機組一次調頻試驗及性能指標要求及《南方區域發電廠并網運行管理實施細則》[9]機組一次調頻試驗及性能指標要求主要包括：①機組一次調頻試驗項目應包括死區測試、限幅測試和動態性能測試；②試驗工況應包含60%、75%、90%、100%額定有功功率四個工況，機組測試工況點應避開機組強振動區等非推薦性運行區。需對機組不同水頭下的一次調頻性能驗證的，應測試不同水頭下一次調頻性能；③機組調速系統遲緩率ix(電液調節型)：單機容量≤10萬kW，遲緩率小于0.15%；單機容量10～20萬kW(包括20萬kW)，遲緩率小于0.1%；單機容量>20萬kW，遲緩率小于0.07%；④水電機組轉速不等率(永態轉差率)不高于 4%；⑤當電網頻率變化達到一次調頻動作值到機組負荷開始變化所需的時間TPH為一次調頻的響應滯后時間，應小于或等于3 s；⑥水電機組達到目標負荷幅度ΔP的90%的時間T90不大于15 s；⑦機組響應目標PTM完全響應時間TTP不大于30 s；⑧水電機組自頻率變化超出一次調頻死區開始到發電負荷達到穩定，且以后不再越出額定功率±1%范圍所需時間TS應不大于45 s。其中：

(1)

(2)

式中：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(一般為0.05 Hz)；fr為電網額定頻率；ep為機組功率調差系數(取值為4%)；Pr為參與一次調頻機組的額定功率。

1.2 試驗分析

為進一步分析水電機組的一次調頻試驗性能指標，選取某水電廠單機額定出力700 MW的混流轉槳式水輪發電機組的一次調頻實測數據進行分析。該機組主要參數信息如下：水輪機型號為HLS152-LJ-790、額定水頭140 m、最低水頭97 m、最高水頭179 m、額定轉速107.1 r/min。發電機型號為SF700-56/16090、額定容量700 MW/777.8 MVA；調速器型號為HGS-X20，調節控制規律為并聯PID調節，正常并入大電網時調速器的控制模式為開度閉環調節模式。其調速系統調節器傳遞函數框圖如圖1所示。

1)調速系統測頻回路校準。測頻分辨率對水電機組的一次調頻動作響應及積分電量考核均有較大影響，現場實測分辨率為0.001 Hz，符合《水輪機調節系統并網運行技術導則》[4]的要求。

2)調速器綜合固有死區(遲緩率)測定試驗。水輪發電機組調速系統一次調頻試驗的頻率死區通常設定為±0.05 Hz，但是在試驗過程中經常發現人工死區設定為±0.05 Hz時，實際電網頻率與50 Hz的偏差絕

圖1 調節器傳遞函數框圖

對值大于0.05 Hz時導葉或者有功才有響應。這是因為調速系統存在固有死區，所以在進行機組一次調頻試驗時，需要測定機組調速系統的綜合固有死區。實測機組遲緩率為0.006%，滿足要求。

3)設定頻率死區驗證試驗。為了使機組在電網頻率越過一次調頻動作死區時能準確動作，同時使機組一次調頻不至于過早動作，需要在測定的調速器綜合固有死區的基礎上，設置一個人工頻率死區，使機組一次調頻的頻率死區不大于±0.05 Hz。試驗驗證了調速系統一次調頻動作人工死區設為±0.047 Hz，滿足要求。

4)動態響應性能試驗。機組一次調頻動態響應性能決定了當電網頻率越過頻率死區時，機組朝著頻率恢復方向的變負荷的速率及幅度，是電網對機組一次調頻要求的關鍵指標。試驗結果：①測試的大部分工況下機組的一次調頻負荷調整幅度均達不到理論變化幅度，也就使得機組在這些工況下的一次調頻負荷響應速率不滿足要求；②測試的工況下一次調頻負荷響應滯后時間最大為1.17 s，滿足要求；③電網頻率變化超過機組一次調頻死區時開始至機組實際出力達到穩定值的時間最大為14.17 s，滿足要求；④通過計算不同頻差下導葉的實際變化值，可知該機組參與一次調頻的負荷變化幅度未加以限制，滿足相關要求；⑤實測轉速不等率(永態轉差率)bp均不大于4%，滿足要求，見表1。

5)一次調頻與AGC聯合調整試驗。因一次調頻動作使機組有功改變后，調速器反饋至監控的有功功率值和AGC計算有功給定值會存在偏差，當偏差值超出設置的有功死區時，此時機組實際功率與AGC調整目標值不一致，AGC就對機組起調節作用。試驗驗證機組一次調頻與AGC聯合調節關系處理得當，兩者同時動作時不會產生混亂。

6)跟蹤響應運行試驗。試驗驗證了當網頻越過設定的死區時，機組一次調頻動作響應是正確的。

表1 機組一次調頻負荷響應試驗數據

2 案例分析

由前文的機組一次調頻試驗情況可知，機組的一次調頻動態響應性能不能完全滿足電網的要求。以下分析水電機組的響應特性和電網對水電機組一次調頻要求。

2.1 響應特性分析

為驗證機組108 m與130 m水頭下的負荷特性，進行了這兩個水頭下的帶負荷試驗。試驗得出機組在108 m與130 m水頭下的導葉開度與有功功率關系見圖2，試驗結果表明因兩個水頭下的水輪機工作水頭未到額定工作水頭，在這兩個水頭下在最大導葉開度下均帶不到額定負荷。因此在這兩個水頭下，均不能滿足電網要求的100%額定有功功率工況下開展一次調頻試驗的條件。

圖2 不同水頭下導葉與有功功率關系圖

而為分析試驗工況下機組的一次調頻負荷調整幅度均達不到理論變化幅度的原因，首先需要明確機組在一次調頻時的動作響應是否正常。該機組調速系統工作在開度閉環模式，即一次調頻動作時機組對電網頻率的響應是以開度變化作為調整目標的，即相應的頻差在固定的永態轉差系數bp下機組變化相應的導葉開度。結合表1中開度變化情況，表明機組一次調頻調節規律是正確的。

而在機組一次調頻調節規律正確的情況下，機組一次調頻調節性能達不到電網要求的理論動作幅度。為說明這個問題，需進一步分析開度閉環模式下水電機組導葉開度與有功功率的關系。為分析機組在不同水頭下一次調頻動作變化相同導葉開度時機組有功變化的情況，定義機組在108 m水頭時導葉開度由60%變化至70%有功功率與導葉開度的比值為k1、導葉開度由70%開啟至80%(或由80%關至70%)有功功率與導葉開度的比值為k2；機組在130 m水頭時導葉開度由60%變化至70%有功功率與導葉開度的比值為k3、導葉開度由70%變化至80%有功功率與導葉開度的比值為k4；由圖2可明顯看出，k1>k2、k1>k3，說明不同水頭下水電機組變化相同的導葉開度，其有功功率變化幅度是不一樣的；在同一水頭下，在不同導葉開度范圍下水電機組變化相同開度，其有功變化幅度也是不一樣的。這是因為水電機組有功功率與水輪機工作水頭、導葉開度(對應當前水頭下的流量)以及效率的函數存在式(3)所示的關系[10]，所以同一導葉開度在不同水頭下對應的有功功率不同。

P=9.81QHηt

(3)

式中：P為有功功率，kW；Q為水輪機流量，m3/s；H為水輪機工作水頭，m；ηt為水輪發電機組效率。

經過以上分析可知水電機組調速器工作于開度模式時，此調節模式下一次調頻調節量以導葉開度為調節量進行閉環控制計算的，而導葉開度調節量僅依據一次調頻調節有效頻差進行計算，沒有考慮水頭因素的影響，即任何水頭下都以相同導葉開度調節量進行控制計算。故一次調頻在不同水頭不同頻差下的有功功率調節量存在較大差異。且水電機組在偏離設計水頭的低水頭下運行時水輪機效率低，再加上低水頭因素影響導葉開度(流量)變化對有功變化影響變小，故一次調頻有功動作幅度無法達到電網要求的理論動作幅度。

2.2 規程分析

當前電網對水電機組的一次調頻要求是單純的考慮有功功率動作幅度和變化趨勢，但這些都僅僅是從電網的負荷頻率需求的角度出發的，沒有周全的考慮水電企業的實際情況，故在一定程度上忽視了開度控制模式下水電機組一次調頻調節動作的特性。當前在南方電網區域內還有較多的水電機組調速系統是工作在開度閉環模式的，在開度控制模式下，根據《水輪機調節系統并網運行技術導則》應以開度變化趨勢進行定量分析。

3 改進方法

3.1 水電企業側

若電網保持當前的對水電機組一次調頻性能指標要求不變，為使機組達到要求的性能指標，水電企業可對機組調速系統進行以下的改造/改進：

1)將調速器改造，使機組調速器工作于功率閉環調節并重新試驗選擇合適的一次調頻參數；這樣，機組的一次調頻將是以有功功率作為調整目標。

2)對調速器一次調頻程序進行優化，在一次調頻動作計算導葉開度調整量時，考慮各水頭下的導葉開度與有功功率關系因素，使一次調頻動作時一次調頻開度調整量乘以不同的系數，以適當放大導葉開度調整量，以達到增加有功調整幅度。

3.2 電網側

對于調速系統工作于開度閉環的水電機組而言，當水輪機工作于不同的水頭時其出力特性是有較大差異的。故建議電網企業在制定相關一次調頻標準時可增加以下考量：

1)充分尊重水電機組當前的運行特性規律，不宜一味的要求水電機組在一次調頻動作時加快響應速度和響應幅度，因為這在一定程度上反而可能會造成電網的不穩定；

2)機組調速系統工作于開度控制模式的，增加以開度變化趨勢進行定量分析評價的一次調頻響應指標；如保持當前的一次調頻有功響應指標不變，需給予水電企業充足的設備改造時間周期。

4 結 語

開度閉環模式下的混流式水電機組，其一次調頻開度調整量僅依據一次調頻有效調節頻差計算，未考慮水頭和其他因素的影響，故一次調頻在不同水頭下的有功功率調節量存在較大差異，從而造成在某些水頭下其一次調頻調整幅度達不到電網要求的理論調整幅度。為使混流式水電機組一次調頻性能完全達到要求，需要對調速系統進行優化或者改造。但從另一個角度來看，電網企業在制定對混流式水電機組的一次調頻性能指標要求時，也未充分考慮水電企業的現狀，所制定的一次調頻性能指標偏于嚴格。