水電站一次調頻與監控系統有功功率調節協調控制建模與仿真

熊小峰，方 飚，秦毓毅，黃安多，高 峰，楊亞蘭

(國網四川綜合能源服務有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

西南電網中水電的裝機容量占比高達2/3，電網異步運行后的系統慣量變小及抗擾動能力變差，再加之水電機組特有的水錘效應等問題，電力系統存在著低頻振蕩的風險[1-2]。頻率穩定是衡量電力系統穩定性的一個重要指標，目前四川大容量的水電機組都是采用了小網模式的控制參數，以此減弱發電機組調速器系統的調節速度來降低系統低頻振蕩的風險[3- 4]，因此電力系統對發電機組一次調頻以及二次調頻的調節能力就有了更高的要求，希望在機組一次調頻動作的時候，也可以通過二次調頻來調整負荷穩定頻率，對水電機組一次調頻和監控系統有功功率調節實現合理的協調配合控制邏輯和策略就顯得至關重要[5]。

目前對水電機組的系統建模基本上在調速器側進行，即開度控制方式下進行系統[6-7]建模工作，主要測試導葉開度對發電機組有功功率的影響，進行試驗時需要監控系統側退出功率控制模式，將負荷控制的權限交到調速器系統側進行驗證。但機組大部分時間運行的是監控系統下的功率控制模式，進行監控系統有功功率控制模式系統建模和參數測試，能夠更好的表征機組的實際運行狀態，且電力系統穩定計算時也需要充分考慮監控系統功率調節模型參數的影響，所以此項工作具有重要的價值和意義。此外，針對水電站一次調頻與監控系統有功功率調節協調控制模型進行仿真分析，便于運維人員更好的運行監控和參數優化，同時也可以為自動發電控制提供一個模型參考，為實現更加優化的水電機組負荷控制邏輯提供一個參考和應用。

本文對現有水電機組有功功率控制策略進行分析，并對水電機組一次調頻和監控系統有功功率調節協調控制系統進行分環節建模和參數實測，主要包括監控系統的有功功率控制模型、調速器系統電氣模型、導葉液壓執行機構和原動機模型，最后提出水電站一次調頻與監控系統有功功率調節協調控制策略，并通過建模仿真驗證了策略的正確性。

1 水電機組有功功率控制策略分析

水電站有功功率控制包含調速器和監控2個子系統，調速器系統直接控制導葉液壓執行機構，能夠最快的感知機組的運行狀態，并及時做出相應的處理和反應，發電機組、電力系統的安全可靠運行以及電網的電能質量都與水輪機調速器系統的性能好壞密切相關。監控系統是調速器系統的上一級控制系統，優先級高于調速器系統，監控系統向調速器系統下發開度或者功率控制指令，調速器系統接收到該指令后，完成相關的動作和控制要求。廠級AGC、電網調度部門給機組下發的負荷控制指令也是部署在監控系統側的，由此可見調速器系統和監控系統都是水電機組的核心系統，系統間的協調配合對于機組的穩定運行有著至關重要的作用。水電機組有功功率控制的方式主要有3種情況，其控制框圖如圖1所示。

圖1 水電機組調節系統模型

第一種方式是調速器系統的開度控制方式，主要是在調速器側實現，對開度控制方式下的控制參數進行設置。在此種模式下，可以在調速器側進行導葉開度[8]指令的生成，考慮到運行監控人員能夠更好的監控機組的生產運行，調速器和監控系統間實現增減負荷脈沖信號的交互，從監控上點擊增減負荷的脈沖信號，就可以控制負荷的增減。

第二種方式是調速器系統的功率控制方式，主要也是在調速器側完成，設置調速器側功率控制模式[9]的PID調節參數實現負荷的控制，負荷設定值的生成可以在調速器系統側生成，也可以在監控系統側生成并通過系統間的信號交互傳到調速器側，以此獲取水電機組的負荷指令值。由于整個模擬量控制回路不斷的調整和計算，會導致水電機組的導葉在小范圍內不斷的動作，加上水電機組的水錘效應，不利于抑制水電機組出現的低頻振蕩問題，因此該方式使用較少。

第三種控制方式是有功功率閉環調節在監控系統側實現，而調速器只接收監控系統側的導葉開度增減脈沖指令。此種方式利于運行人員的監視，能夠及時根據機組運行情況優化控制參數，調速器系統相當于提供一個通道。該控制方式可以很好的避免導葉頻繁動作問題，同時通用性較強，目前大部分水電站均采用這種控制方式。

2 監控系統有功功率調節建模及仿真

監控系統有功功率調節由監控系統側完成有功功率的閉環負反饋控制，生成調節負荷的導葉增減脈沖信號，調速器側則是最基本也是最可靠的開度控制方式。而中間的橋梁則是兩個系統間的信號交互，用硬接線的方式連接以保證信號交互的高效可靠。在監控系統有功功率控制模型中，最為重要的是功率比例調節器和脈沖寬度調制模型(PWM)。脈寬調制即脈沖信號發生器，輸入功率比例調節器作用之后的指令，輸出調節負荷的導葉增減脈沖信號[10]，此信號送到調速器側控制導葉給定指令的增、減導葉信號。在MATLAB Simulink中進行模型搭建和仿真分析，建模如圖2所示。

圖2 增減導葉脈沖信號模型

從仿真模型中可以看出，增導葉、減導葉脈沖信號是自動切換的，切換的條件是負荷調節的偏差值，也就是負荷指令給定值和機組實際負荷值的差值，如果偏差為正，此時應該增加負荷，自動切換到增導葉脈沖信號一路。如果負荷控制的偏差值為負數，則需要進行降負荷的調整，那么就自動切換到減導葉脈沖信號的一路。數字脈沖寬度調制是模擬量控制的一種重要方式，信號不需要進行數模轉換，信號轉化為數字形式保存且能將噪聲的影響降低到最小值。只有當噪聲的影響大于高低電平相互切換的強度值時，才會對數字信號產生一定的影響，就PWM與模擬量控制而言，其中一大優點就是加強對噪聲的抵抗能力，使得所需的數字信號更加穩定，在水電機組負荷控制中，采用數字脈沖調節的方式產生導葉的增減脈沖，導葉不會頻繁的來回動作，也能夠有效的降低水輪機水錘效應的影響，其仿真結果如圖3所示。

圖3 增減導葉脈沖信號仿真

值得注意的是，增、減導葉脈沖信號生成之后送到了接收端，在接收端通過信號采集方式將數字信號還原成模擬形式，調速器系統作為接收端接收導葉增減脈沖指令，然后根據對應的脈沖信號再生成導葉開度指令給定值。該部分主要是導葉指令積分器的模型和限幅模塊，模型輸入是監控系統側送到調速器側的增減導葉脈沖信號。如果接收到的是增導葉脈沖信號，那么利用積分作用對信號進行加法處理，也就在脈寬時間內，增加了導葉的開度給定指令，反之則減少導葉的開度給定指令。特別重要的是，每一次導葉開度給定指令變化時，其變化大小取決于脈沖信號的寬度以及調整步長。在這里需要指出，脈沖信號的調整步長是需要調速器系統側和監控系統側一一對應的，并且設置為一致來進行測試。而且該步長的設置還和兩個系統的掃描周期有關，本系統中調速器系統的掃描周期為10 ms，而且在一個掃描周期內導葉的動作開度為0.05%，在本次仿真模型中，掃描周期為100 ms，那么一個掃描周期內導葉的動作開度為0.5%。同時增減導葉的開度指令大小與脈沖信號的脈寬時間有關，如果脈寬持續時間越長，導葉動作的量就越大，反之則導葉的動作量就越小。目前大部分調速器系統的掃描周期精度是高于監控系統側的掃描周期精度的，如果監控系統的掃描周期精度不夠的話，會出現若某一次導葉增減脈沖信號時間很短時，系統將無法識別到該脈沖信號，如圖4所示。

圖4 部分導葉增減脈沖信號失真

從圖4中可以看出，在監控系統脈沖信號的脈寬時間較短時，監控系統已經生成了增導葉脈沖信

號，但是導葉的開度指令卻無法接收到這個指令，所以監控系統和調速器系統的掃描周期需要對應匹配，這樣才能更高精度的實現負荷調整。理想狀態下是脈沖信號的脈寬時間大于系統設置的掃描周期精度，例如監控系統的掃描周期精度為100 ms，但是某一次脈沖信號的脈寬時間小于100 ms，就可能出現信號丟失現象而無法識別。

3 調速器系統電氣部分建模及仿真

為驗證調速器電氣部分的模型和參數，需要分環節進行測試，在MATLAB Simulink中搭建其控制仿真模型如圖5所示。將監控系統側的有功功率調節方式退出，由調速器系統側進行負荷控制，在這個部分主要進行PID控制回路的校驗，包括比例作用、積分作用及頻率死區的校驗。

圖5 調速器電氣部分仿真模型

首先進行比例作用的校驗，此時將積分系數、微分系數設置為0，完全驗證比例作用是否和實際參數一致，此外還需要將永態轉差系數bp設置為0，將頻率死區設置為0。最后將比例系數設置為5，現場采集的數據如圖6所示。

如圖6所示，將頻率由50 Hz階躍至50.2 Hz，記錄頻差以及主環PID輸出的實時波形，根據波形和試驗數據可以直接計算出實際過程的比例系數大小。

圖6 比例作用校驗的試驗數據錄波

(1)

實測表明設置的參數和實際采集的數據算出來的參數是一致的，并且控制在誤差范圍之內。接下來進行積分作用的校驗，為了完全獨立的驗證積分作用大小，將比例系數設置為0，同時將死區以及永態轉差系數設置為0，積分系數設置為5，現場采集的實時數據如圖7所示。

圖7 積分作用校驗的試驗數據錄波

如圖7所示，將頻率由50 Hz階躍至49.9 Hz，記錄頻差以及主環PID輸出的實時波形，根據采集到的波形和試驗數據可以計算出實際積分系數的大小

(2)

實測表明設置的積分作用的參數和現場實際采集的數據計算出來作用是一致的，在此環節中，并沒有讓微分作用起作用，因為微分作用容易導致系統振蕩，因此將微分系數Kd設置為0。最后進行調頻死區的校驗，根據相關標準規范要求，水電機組的一次調頻死區為0.04 Hz，將調速器的一次調頻死區設置為0.04 Hz，再進行頻率階躍擾動試驗和數據記錄，試驗時進行了頻率負向擾動的測試，采集的波形和數據如圖8所示。

圖8 死區作用校驗的試驗數據錄波

從圖8可以得出，當機組頻率從50 Hz開始，逐漸減低信號源頻率，當頻率為49.960 Hz時，導葉動作不明顯，當變化量超過-0.042 Hz后導葉動作明顯，頻率正向擾動試驗時動作結果亦是如此，試驗測試表明實際死區與設置死區相符合，將試驗測試獲取到的控制參數設置到搭建的模型中進行分析，其仿真結果如圖9所示。

圖9 調速器電氣部分仿真測試

完成了對調速器系統電氣部分的參數實測和仿真，接下來將對導葉執行機構以及原動機模型進行建模和分析。

4 液壓執行機構和原動機模型建模及仿真

4.1 執行機構模型建模及仿真

對水輪機調速器系統的執行機構進行建模和仿真校驗，首先需要對導葉進行全開和全關試驗，以確定導葉的全開時間及全關時間。值得注意的是，進行導葉的全開全關試驗時需要直接設置導葉開度指令的總出口，取消開度指令給定的速率限制條件，直接測試的是執行機構油動機的動作特性。根據采集的數據可以得出導葉的關閉速度，其最大關閉速度為8.77%/s，最快關閉時間11.4 s全關。根據導葉的全開試驗采集的波形和數據可以計算得其開啟速度，最大開啟速度為6.71%/s，14.9 s全開。

接下來進行導葉的階躍擾動試驗，以測試油動機速度限制沒有時的電液伺服系統特性，根據測得的特性來擬合得到其PID控制器的參數，其中導葉50%～55%小階躍擾動和70%～50%大階躍擾動的動作曲線如圖10所示。

圖10 導葉階躍擾動曲線

為辨識得到液壓系統的PID控制參數，在MATLAB Simulink中對此部分進行建模，搭建其控制模型如圖11所示，將導葉的全開、全關時間，比例系數，積分系數以及一階慣性時間等參數設置到搭建的控制模型中進行仿真測試，以驗證控制參數是否符合實際情況。

圖11 導葉執行機構仿真模型

在搭建的模型中對導葉階躍的曲線進行仿真分析，以獲得執行機構液壓系統的相關控制參數，其中導葉的小階躍、大階躍仿真對比測試結果如圖12所示。

圖12 導葉階躍曲線與仿真曲線對比

對比實測曲線和仿真曲線結果可以得出，搭建的導葉液壓執行機構的模型能夠表征導葉的實際動作情況，仿真的數據與現場實際測試的數據在合理的誤差范圍內。

4.2 原動機模型建模及仿真

水電機組功率和導葉的非線性關系可以用分段線性的模型來表示，在實際進行測試的時候用功率

來近似表示進水流量，其搭建的仿真模型如圖13所示。

圖13 水輪機仿真模型控制示意

搭建的水輪機模型中輸入信號為導葉開度，輸出的信號為水輪機的流量，在這里直接用機組的發電功率來表示流量，搭建的模型用三段線性函數。同時通過導葉階躍擾動試驗可以確定水輪機模型的水錘效應時間常數為-0.36和0.18，根據試驗測試數據可以得出導葉變化到機組有功功率發生變化的純遲延時間約為0.3 s，水輪機模型的仿真測試如圖14所示。

圖14 水輪機模型的仿真測試

從圖14中可以看出搭建的水輪機模型與實際測試的數據相符合。

5 協調控制部分建模及仿真

目前水電機組缺乏合理的一次調頻和監控系統有功功率調節協調控制策略，導致二者之間不能很好的配合，不能滿足實際生產需要和規范要求，主要有3種情況。第一種情況是監控系統投入有功功率控制，但一次調頻動作使發電機組的實際功率發生變化[11]，而監控系統的有功功率指令還保持之前的數值，通過功率調節作用將機組負荷拉回，反調節現象抵消了一次調頻的作用。第二種情況是當一次調頻動作的時候，由于一次調頻優先級高，監控系統功率控制閉鎖，有功功率負荷給定指令跟蹤當前實際負荷，這樣雖然可以避免被反調節，但是當一次調頻動作結束之后，有功功率的負荷指令卻發生了變化，更為重要的是由于閉鎖導致功率無法調節[12-13]，輸入新的有功功率指令不起作用。第三種情況是當一次調頻動作期間，如果需要進行負荷調整，下發新的有功功率指令，可以執行新的負荷控制指令，權限再次交到監控系統手中進行調節，但是一次調頻和監控系統有功調節控制優先級不明確，無法有效分析一次調頻的作用。

為了解決上述不協調的問題，提出了水電站一次調頻與監控系統有功功率調節協調控制策略，即在監控系統有功功率控制中疊加一次調頻作用的功率修正值，從而實現機組在一次調頻動作期間，監控系統功率控制能夠識別到調頻特性。水電機組在一次調頻動作期間，不會閉鎖監控系統的有功功率控制指令，當機組接收到新的負荷指令時也可以執行新的負荷指令。同時當監控系統投入有功功率調節時不會限制機組一次調頻的正常調節，進行調頻作用的功率修正值直接疊加，可以使機組一次調頻和監控系統有功功率控制指令同時動作，二者相互獨立，且調頻疊加作用不影響原有一次調頻及監控系統有功功率調節速度及幅度。上述優化設計使發電機組具備更加完善的一次調頻功能且性能指標滿足相關標準要求，優化后的調節控制框圖如圖15所示。

圖15 協調控制優化后調節框

需要注意的是，在調速器側的一次調頻功能使用的是發電機組頻率信號，基本上是調速器系統A、B套各一個，但相關標準要求重要的模擬量信號需要3個，進行三取中以保證信號的穩定且3個信號配置在不同的卡件上。將一次調頻作用量疊加到監控系統功率控制上時，需要1個頻率信號，這里采用機組頻率信號以保證和調速器側一次調頻作用所采用的頻率信號相匹配。由于部分監控系統側并沒有配置機組頻率信號，需要采取方法解決這個問題，有以下4種解決方法：①就地接線或者從中途端子排并聯引到監控系統轉速卡上，這種方法會增加轉速卡成本。②從調速器系統側以通信的方式機組頻率信號到監控系統側，但水電機組的調速器和監控系統是兩個完全獨立的系統，通信方式不能保證信號的快速可靠。③將調頻疊加作用的功率修正值計算在調速器側完成，通過模擬量進行傳輸，此種方法不利于控制邏輯的優化和運行人員的監控。④通過硬接線的方式，將調速器側的機組頻率信號轉化為4～20 mA模擬量信號傳到監控系統側，此種方法方便高效，同時精度也能滿足生產控制的要求。在這里采用第4種方式使得監控系統側獲取發電機組的機頻信號，用于一次調頻作用的功率修正值計算，接下來將會對一次調頻疊加量的功率修正值進行分析，在MATLAB Simulink中搭建的仿真模型如圖16所示。

圖16 一次調頻疊加量的功率修正仿真模型

水電機組調速器側的控制方式有大網、小網模式，且這兩種控制模式[14]的運行參數和調節速度不一樣。需通過調整一次調頻疊加量的功率修正值的調節速度以匹配是大網模式還是小網模式，這里主要通過設置調頻疊加量功率修正值的一階慣性時間大小來匹配控制方式。通過仿真分析可以得出，在頻率偏差大于一次調頻死區之后，一次調頻動作的響應時間小于4 s，并且從功率值變化量看，機組負荷的增量在15 s內達到調頻作用功率修正目標值的百分之九十，在30 s內達到調頻作用功率修正目標值的穩態，滿足兩個細則中對一次調頻控制指標的要求，其協調控制模型仿真測試結果如圖17所示。

圖17 協調控制模型仿真測試

6 結 論

針對水電站一次調頻和監控系統有功功率調節之間的不協調問題，對控制系統各個環節進行建模仿真分析及驗證，并提出一次調頻與監控系統有功功率調節協調控制策略。在傳統調速器系統建模的基礎上，增加了監控系統的有功功率控制模型，對其中脈沖寬度調制模塊及系統間的掃描周期精度問題進行了深入分析，發現監控系統和調速器系統的掃描周期不匹配會影響負荷調節精度，甚至出現脈沖信號丟失導致導葉拒動。此外，本文提出水電站一次調頻與監控系統有功功率調節協調控制策略，并在大網、小網不同控制模式下進行了建模仿真，驗證了控制策略的正確性。該方法已在四川部分水電站應用，測試表明優化后的協調控制邏輯能夠滿足相關標準規范及電網調度的要求。

水電機組的系統建模工作主要是針對調速器系統的建模，并未涉及監控系統側的有功功率調節模型，而監控系統與調速器系統的協調配合對負荷調節具有重要的意義，因此未來的系統建模工作有必要計及監控系統有功功率控制模型。此外，目前四川省內大部分水電機組存在一次調頻和監控系統有功功率調節不協調問題，進一步深入研究相應協調控制策略的優化具有重要的工程應用價值。