水電機組不同類型一次調(diào)頻對實際積分電量的影響

水電機組不同類型一次調(diào)頻對實際積分電量的影響李璽;徐廣文;黃青松;姚澤【摘要】水電機組一次調(diào)頻考核中普遍存在實際積分電量不滿足要求的情況，不同類型的一次調(diào)頻對應(yīng)的調(diào)節(jié)幅度不一樣，對一次調(diào)頻實際積分電量會造成影響。為此分析了不同類型一次調(diào)頻控制原理的差異，借助PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序提供的水電機組原動機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，仿真并對比兩種類型一次調(diào)頻動態(tài)響應(yīng)過程。最后結(jié)合實例計算相同擾動下2類一次調(diào)頻實際積分電量，分析增強型一次調(diào)頻對積分電量的補償優(yōu)勢，并指出了其在電網(wǎng)穩(wěn)定性和機組安全性方面的不足。%Thereissituationofactualintegralpowerbeingunabletosatisfyrequirementsincheckonprimaryfrequencyreg-ulationforhydropowerunits,andcorrespondingregulationrangesofdifferentprimaryfrequencyregulationarenotthesamewhichwillinfluenceactualintegralpowerofprimaryfrequencyregulation.Therefore,thispaperanalyzesdifferencesofcontrolprinciplesfordifferenttypedprimaryfrequencyregulation,carriesoutsimulationandcomparisonfordynamicre-sponseprocessoftwotypedprimaryfrequencyregulationwiththehelpofmodelsofprimemotorofhydraulicturbineanditsadjustmentsystemprovidedbyPSD-BPAtransientstableprogram.Combiningexamples,itcalculatesactualintegralpoweroftwotypedprimaryfrequencyregulationunderthesamedisturbance,analyzescompensationadvantagesofenhancedpri-maryfrequencyregulationonactualintegralpowerandpointsoutinsufficienciesinpowergridstabilityandunitsecurity.【期刊名稱】《廣東電力》【年(勤期】2016(029)011【總頁數(shù)】5頁(P52-56)【關(guān)鍵詞】一次調(diào)頻;普通型;增強型;積分電量;考核;建模仿真【作者】李璽;徐廣文;黃青松;姚澤【作者單位】廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東廣州510080;廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東廣州510080;廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東廣州510080;廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東廣州510080【正文語種】中文【中圖分類】TV734.4;TK321一次調(diào)頻有利于維護電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行并提高電能質(zhì)量，被列為電廠并網(wǎng)發(fā)電機組必須提供的基本輔助服務(wù)之一［1］。電網(wǎng)對于一次調(diào)頻的投入率、正確率及調(diào)頻質(zhì)量都設(shè)定了相應(yīng)的考核指標，若一次調(diào)頻被考核為不合格，相應(yīng)電廠會被扣減發(fā)電量，直接影響其經(jīng)濟效益。在水電機組輔助服務(wù)考核中，最常見的問題是一次調(diào)頻合格率不達標，即機組一次調(diào)頻實際貢獻電量未達到相應(yīng)指標要求。針對該問題，國內(nèi)已有機構(gòu)和學者開展了一些研究，分析了速度不等率、調(diào)頻幅度、調(diào)頻死區(qū)對一次調(diào)頻的影響，指出頻率測量誤差、數(shù)據(jù)傳輸延時等因素會影響一次調(diào)頻考核的結(jié)果，并提出了一些針對性的建議［2-4］。本文從水電機組調(diào)速系統(tǒng)的不同頻差計算方法角度入手，研究不同類型一次調(diào)頻對實際貢獻電量的影響。一次調(diào)頻死區(qū)是為了防止在電網(wǎng)頻差小范圍變化時發(fā)電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)不必要的動作而設(shè)置的調(diào)節(jié)盲區(qū)，直接關(guān)系到機組參與系統(tǒng)調(diào)頻的時機。機械元件間的遮程、間隙和電氣元件的非線性導致調(diào)速器固有一定的轉(zhuǎn)速死區(qū)，同時對調(diào)速器還人為設(shè)定有轉(zhuǎn)速失靈區(qū)，即人工頻率死區(qū)。水電機組電子調(diào)節(jié)器部分常規(guī)并聯(lián)比例積分微分(proportionintegralderivative，PID)調(diào)節(jié)原理如圖1所示。根據(jù)人工頻率死區(qū)Ef與頻率偏差A(yù)f的關(guān)系，可將其分為數(shù)字型和機械型2類。人工頻率死區(qū)為機械型時，頻率偏差計算為：人工頻率死區(qū)為數(shù)字型時，頻率偏差計算為:[5]普通型一次調(diào)頻采用機械型人工頻率死區(qū)，其頻差計算框圖如圖2所示；增強型—次調(diào)頻采用數(shù)字型人工頻率死區(qū)，其頻差計算框圖如圖3所示。普通型一次調(diào)頻較為常見，也有些水電廠如楓樹壩水電廠、大廣壩水電廠、金安橋水電廠的機組采用增強型一次調(diào)頻。由式(1)和式(2)相比可看出，增強型算法與普通型算法的一次調(diào)頻動作條件相同，但增強型算法增大了一次調(diào)頻動作后調(diào)節(jié)變化的幅度，即響應(yīng)目標值不同，使得2種類型的一次調(diào)頻最終獲得的實際積分電量也不相同。當電網(wǎng)頻率偏差超出水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻死區(qū)時，一次調(diào)頻機組的積分電量占相應(yīng)時間的機組一次調(diào)頻理論計算積分電量的比例，作為考評機組一次調(diào)頻的合格率[6]。機組一次調(diào)頻理論積分電量式中：Wt為理論動作積分電量；Pn為機組額定有功功率；t0為積分起始時間，即電網(wǎng)頻率超出一次調(diào)頻死區(qū)的時刻；At為一次調(diào)頻考核持續(xù)時間(不超過60s);△f(t)為t時刻頻率偏差，按式(1)進行計算；fn為電網(wǎng)額定頻率。實際動作積分電量式中：Wr為實際動作積分電量；P(t)為t時刻機組有功功率；P0為積分起始時刻對應(yīng)的機組有功功率［7］。借助數(shù)值仿真技術(shù)，在MATLAB/Simulink平臺搭建水機調(diào)速系統(tǒng)模型，包括電調(diào)類調(diào)速器模型中并聯(lián)PID控制的電子調(diào)節(jié)器模型、電液伺月服系統(tǒng)模型(導葉執(zhí)行機構(gòu)模型)及水輪機原動機模型［8-9］。由電子調(diào)節(jié)器模型輸入頻率信號、輸出YPID信號，導葉執(zhí)行機構(gòu)模型根據(jù)YPID信號模擬導葉開度的動作情況，以此影響水輪機原動機模型的仿真功率輸出，如圖4所示。模型參數(shù)依據(jù)廣東某水電廠調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備實測參數(shù)進行設(shè)置，見表1。仿真采用一定斜率緩慢變動的頻率擾動作為模型的輸入型號，模擬水電機組一次調(diào)頻響應(yīng)，對比理論積分電量與2種不同類型的一次調(diào)頻實際積分電量，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，ts時刻頻率開始增大，到t0時刻頻率變化超出人工頻率死區(qū)Ef，一次調(diào)頻開始響應(yīng)，此時開始對Pt與Pr進行積分，經(jīng)過At(超過60s時按60s計)到達t0+At時刻，積分結(jié)束，得到Wt與Wr。普通型與增強型一次調(diào)頻功率響應(yīng)穩(wěn)定值分別為P2和P3，由于理論積分電量的頻差與普通型一次調(diào)頻均按式(1)進行計算，有P1=P2-P0。由圖5可知，理論積分電量為區(qū)域①，普通型一次調(diào)頻實際積分電量為區(qū)域②，增強型一次調(diào)頻實際積分電量為區(qū)域②+③。由文獻［10］及文獻［11］可知，電網(wǎng)調(diào)度部門評價機組一次調(diào)頻動作合格與否的標準，是計算一次調(diào)頻實際動作電量在理論值中的占比，若Wr不小于Wt的50%，則判定機組一次調(diào)頻動作合格，否則為不合格。由圖4分析可得增強型一次調(diào)頻實際積分電量多于普通型一次調(diào)頻，從一次調(diào)頻合格與否的判定規(guī)則角度出發(fā)，使用增強型一次調(diào)頻的機組其合格率更容易達標。廣東某水電廠裝機容量為3x45MW,人工頻率死區(qū)Ef為0.05Hz，暫態(tài)轉(zhuǎn)差率bt為0.4，緩沖時間常數(shù)Td為1.08s-1，加速度時間常數(shù)Tn為0。其1號機和3號機采用增強型一次調(diào)頻，2號機采用普通型一次調(diào)頻。一次調(diào)頻動作時調(diào)速器為開度調(diào)節(jié)，調(diào)差系數(shù)bp為0.04，在頻差確定的情況下機組導葉響應(yīng)目標是確定的，由于機組出力與水頭相關(guān)，相同導葉變化對應(yīng)的功率變化量是不定的，一次調(diào)頻考核用的理論積分電量按頻差對應(yīng)理論功率進行計算，所以會出現(xiàn)實際積分電量與理論積分電量相差較大的情況出現(xiàn)。對該電廠1號機和2號機分別進行頻率階躍擾動試驗，階躍頻率為-0.15Hz，分別記錄2臺機組功率響應(yīng)過程，取其一次調(diào)頻開始60s內(nèi)功率響應(yīng)曲線進行積分，與理論積分進行對比，如圖6所示。從圖6可得，t0時刻頻率擾動-0.15Hz，機組頻差超出人工頻率死區(qū)，經(jīng)短暫延時一次調(diào)頻開始動作，由于水力慣性的原因在導葉運動初期出現(xiàn)反調(diào)效應(yīng)，如圖中t0至t1時段和t0至t2時段，此時機組為反方向出力響應(yīng)，實際積分電量為負值。t1和t2時刻之后，機組出力轉(zhuǎn)為正方向，實際積分電量逐漸變?yōu)檎?。計算圖中陰影部分，結(jié)果為：在積分的60s時間里，理論積分電量367kWh，采用普通型一次調(diào)頻的2號機組的實際積分電量278kWh，采用增強型一次調(diào)頻的1號機組的實際積分電量466kWh。對比可知，采用增強型一次調(diào)頻的機組積分電量在接受考核時容錯率較高，更容易滿足一次調(diào)頻合格率的要求。在增強型一次調(diào)頻動作開始時，頻差計算值是階躍變化的，因此在調(diào)節(jié)初期的調(diào)節(jié)速度及幅度都較普通型一次調(diào)頻大。如果系統(tǒng)頻率長時間在人工死區(qū)附近擺動，機組一次調(diào)頻會頻繁地動作與復(fù)歸，受頻差計算值的階躍影響，調(diào)速系統(tǒng)液壓傳動機構(gòu)會頻繁大幅度動作，加重元器件的磨損，縮短調(diào)速系統(tǒng)壽命。同時，這種頻繁的動作與復(fù)歸調(diào)節(jié)，會導致機組功率輸出值發(fā)生間歇性波動，嚴重時可能會引起電網(wǎng)的功率震蕩，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。2016年1月云南某水電廠機組因使用增強型一次調(diào)頻，在長時間運行于49.95Hz附近時，一次調(diào)頻的頻繁動作引發(fā)機組功率波動，與云南電網(wǎng)對廣東電網(wǎng)震蕩模式頻率接近，產(chǎn)生共振，從而引發(fā)主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動，如圖7所示。為研究此類情況，采用圖4所示模型，模擬頻率輸入在人工死區(qū)附近波動，2種一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程如圖8所示。經(jīng)模擬頻率在49.95Hz附近進行正弦波動，仿真結(jié)果顯示普通型一次調(diào)頻有0.1MW左右的調(diào)節(jié)量，增強型一次調(diào)頻有1.7MW左右的功率波動，且其波動的平均值由210MW逐步漂移到214MW左右。由式(1)和式(2)計算過程可知，增強型一次調(diào)頻頻差的階躍效果造成了調(diào)節(jié)初期反調(diào)峰值大，在一次調(diào)頻復(fù)歸時，頻差回復(fù)的階躍又會形成反方向的大幅反調(diào)效果，因此增強型一次調(diào)頻在此頻率波動下功率出現(xiàn)大幅波動。波動的平均值漂移是因為在一次調(diào)頻動作和復(fù)歸兩種情況下，參與積分運算的差值不同而導致開方向與關(guān)方向的調(diào)節(jié)速度不同。積分環(huán)節(jié)按式進行運算，式中YI為積分環(huán)節(jié)輸出。當式中Af+bp(Yc-Y)=0時積分調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定。也在一次調(diào)頻動作和復(fù)歸時有階躍變化，而bp(Yc-Y)隨著功率的漂移其階躍值慢慢變大，直到能與Af的階躍效果相平衡，波動的平均值最終穩(wěn)定。理論積分電量隨頻差實時改變，而水輪機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)滯后性較強，功率響應(yīng)相對較慢，致使相同時間段內(nèi)實際積分電量積分值較小，且由于水力慣性的原因，在調(diào)節(jié)初期會出現(xiàn)反調(diào)效應(yīng)，進一步導致實際積分電量減少，易使水電機組一次調(diào)頻積分電量不達標。常規(guī)水電廠一次調(diào)頻多采用開度閉環(huán)調(diào)節(jié)，功率調(diào)節(jié)深度受水頭影響，特別是低水頭機組，水頭的變化是制約一次調(diào)頻深度的關(guān)鍵因素。增強型一次調(diào)頻與普通型一次調(diào)頻的區(qū)別如下：增強型一次調(diào)頻從調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制原理上增加了參與調(diào)節(jié)的頻差值，使響應(yīng)目標的調(diào)節(jié)幅度增大，容易滿足電網(wǎng)調(diào)度對機組一次調(diào)頻的考核要求。增強型一次調(diào)頻在頻差超過頻率死區(qū)后不減去頻率死區(qū)，直接進行計算，頻差有大于0.05Hz的階躍突變，調(diào)速系統(tǒng)的動作幅度會增大。如果電網(wǎng)頻率在頻率死區(qū)邊界上下浮動變化，會導致調(diào)速系統(tǒng)頻繁大幅度動作，機組導葉開度和出力會出現(xiàn)波動，從電網(wǎng)穩(wěn)定性和機組安全性角度考慮，增強型一次調(diào)頻容易引起脈沖式功率震蕩，也會對機組調(diào)速系統(tǒng)造成損耗。ZENGZhijian，WANWenjun，XIONGTingting，etal.AnalysisofPrimaryFrequencyRegulationofGrid-connectedGenerationUnit[J].GuangxiElectricPower，2012，35(4):80-84.HELiangchao，F(xiàn)ENGGuozhu.StatusandAnalysisofPrimaryFrequencyRegulationAssistantServiceExaminationinGuangxiHydropowerUnit[J].GuangxiElectricPower，2013，36(2):69-72.MAIWeiliang，WUJie.AbnormalityAnalysisonCheckResultsofPrimaryFrequencyModulationforUnitofFeilaixiaHydropowerStation[J].HongShuiRiver，2013，32(4):67-71.XUGuangwen，HUANGQingsong，YAOZe，etal.DiscussiononTechnicalParameterSpecificationofPrimaryFrequencyRegulationforTurbineGeneratorSets[J].WaterResourcesandPower，2011，29(3):134-136.YANGJianhua.ResearchandDevelopmentofAssessmentSystemofPrimaryFrequencyRegulationinCe