云南電網異步運行后大型水電機組一次調頻過程中積分電量的計算

王浩，何常勝

（云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南 昆明 650217）

0 前言

云南電網異步運行期間，各大型水電機組均采用較小的調速系統一次調頻參數，調頻時間變慢，且一次調頻動作更為頻繁。機組在一次調頻調節過程當中，其實際積分電量會受調速系統一次調頻參數、頻率變化量等因素的影響而不達標，各水電廠也因此頻繁受到考核。

本文以云南某大型水電機組的一次調頻過程為例，對其實際積分電量和理論積分電量展開研究，從機組實際運行現狀出發揭示其原因，并對兩個細則輔助服務一次調頻考核的完善提出建議。

1 試驗過程

某水電站立軸混流式機組，單機容量700 MW，額定水頭197 m，一次調頻頻率死區0.05 Hz，水輪機調節系統調差率ep=4%，調速系統控制模式為功率模式。

試驗水頭217.8 m，機組帶525 MW 負荷運行，單機AGC 退出，通過外接試驗設備對調速器施加±0.07 Hz、±0.08 Hz、±0.15 Hz 頻率階躍信號，記錄機組頻率、導葉開度、有功功率波形。如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 功率模式下525 MW負荷時±0.07 Hz頻率階躍錄波圖

圖2 功率模式下525 MW負荷時±0.08 Hz頻率階躍錄波圖

圖3 功率模式下525 MW負荷時±0.15 Hz頻率階躍錄波圖

該電站調速系統采用功率模式，以實際功率作為反饋量進行調節，從圖1 可以看出，當頻率階躍為±0.07 Hz 時，超過頻率死區0.02 Hz，頻差較小，理論有功功率的動作量也較小，而實際機組功率是在功率死區范圍內的波動值，機組功率的波動性使其作為反饋量會影響到一次調頻的精度，使得導葉開度的動作量及調節的速率變慢，有功功率的響應及調節速率較慢。

當頻率階躍為±0.08 Hz 及±0.15 Hz 時，頻差相對較大，理論有功功率和導葉的調節量較大，動作效果更為明顯，從圖2 和圖3 也可以看出，導葉開度及有功功率的響應及調節速率明顯加快。

2 積分電量計算

2.1 積分電量計算

理論積分電量按如下公式進行計算：

其中，Qr為理論積分電量（ 單位：kW·h）；Δf為頻率偏差；Pr為機組額定功率（單位：kW）；fr為額定頻率；ep為水輪機調節系統調差率。

通過將錄波數據中的頻率試驗數據導入Matlab 軟件中，利用上述公式計算理論積分電量。

實際積分電量按如下公式進行計算：

其中，Qt為實際積分電量（ 單位：kW·h）；t0為頻率偏差超過頻率死區的時刻；Pt為機組實時功率（單位：kW）；P0為t0時刻機組有功功率（單位：kW）。

通過將錄波數據中的時間和有功功率試驗數據導入Matlab 軟件中，計算當實際有功功率開始變化至穩定時的功率積分量。

2.2 積分電量的計算結果

3 結果分析

3.1 一次調頻考核依據

南方區域“兩個細則”（2020 版）中根據系統頻率波動頻次及頻差大小，分小擾動和大擾動分別進行考核，頻差界限取0.06 Hz。

對小擾動，在一次調頻評價考核周期內，僅考核一次調頻實際出力變化量與系統頻率偏差數值的正負號是否匹配，若高頻減出力或低頻增出力，則記為合格。

對大擾動，采用分段考核方式，以2 min為一個考核時段，當系統頻率超出一次調頻死區30 s、60 s、120 s 以內時，若實際出力變化量與系統頻率偏差數值的正負號相反（高頻減出力或低頻增出力）且一次調頻實際動作的積分電量與理論動作積分電量的比值分別大于30%、50%、80%，統計為合格。

3.2 積分電量計算結果分析

由公式（1）（2）可以看出，理論積分電量隨頻差而改變，實際積分電量是機組有功功率隨時間的積分值。

以給定頻率擾動+0.07 Hz 為例，由圖4 可以看出機組理論積分電量為一條直線，而實際積分電量是與直線偏差較大的曲線。一方面，這是由于水電機組的調節系統有較強的滯后性，水錘現象導致的功率反調使得水電機組一次調頻過程中存在功率響應滯后現象，其時間通常為頻率發生擾動后的1～3 s；另一方面，頻率擾動量較小，對于功率控制模式的機組，其導葉調節速率較慢也會影響功率的調節，這就導致在一次調頻期間，機組實際積分電量與理論積分電量會有較大偏差，由表1 可以看出，頻率擾動+0.07 Hz 時實際積分電量的占比在30 s、60 s、120 s 時分別為10.02%、28.77%、65.62%，不滿足“兩個細則”考核標準。

表1 頻率上階躍時積分電量計算結果

圖4 功率模式下525 MW負荷時頻擾+0.07 Hz

當給定頻率擾動增大為+0.08 Hz、+0.15 Hz 時，雖然實際積分電量在一次調頻初期也會受到影響，但相較于+0.07 Hz 時，隨著頻差的增大，導葉開度及有功功率的響應及調節速率明顯加快，從圖5、圖6 可以看出機組實際積分電量曲線更趨近理論積分電量，也更接近直線。由表1 可以看出，+0.08 Hz 時，實際積分電量的占比在30 s、60 s、120 s 時分別為38.77%、53.46%、70.06%；+0.15 Hz 時，分別為57.26%、72.61%、84.16%，基本滿足“兩個細則”考核標準。

圖5 功率模式下525 MW負荷時頻擾+0.08 Hz

圖6 功率模式下525 MW負荷時頻擾+0.15 Hz

隨著頻率擾動量的增大，實際積分電量的占比是逐漸提高的。當頻差為0.08 Hz 及以上時，機組實際積分電量基本滿足“兩個細則”考核標準。當頻差為0.06 Hz～0.08 Hz 之間時，由于一次調頻參數和機組調節系統自身的滯后性，在此頻差段內，機組實際積分電量一般很難滿足“兩個細則”考核標準。

4 結束語

云南電網異步運行后，水力發電機組一次調頻動作更為頻繁，電網頻率波動在±0.07 Hz以內為主，偶爾會超過±0.1 Hz，且一次調頻持續時間較短，一般在30 s 以內。而且電網時刻存在無規律的功率波動，在一次調頻調節量較小的情況下，也會影響一次調頻積分電量。現各大型水電機組調速系統均采用較小的一次調頻PID 參數，特別是在頻擾較小的一次調頻動作時，機組的有功調節速率更慢，導致電廠一次調頻積分電量不滿足“兩個細則”考核標準要求。

目前大型水電廠機組運行時，一次調頻積分電量經常因不滿足“兩個細則”考核標準而受到考核，鑒于當前云南電網實際頻率波動及大型水電機組調速系統一次調頻PID 參數設置實際情況，筆者認為“兩個細則”考核標準中對水電機組一次調頻積分電量的考核辦法應當進行修正，建議區分小擾動和大擾動的頻差界限由0.06 Hz 提高至0.07 Hz 以上。