重庆江口水电厂一次调频试验

程 胜， 喻 建 波， 刘 凯

(1.大唐重庆分公司，重庆 401147;2.重庆电力设计院，重庆 400030;3.重庆市电力公司物流服务中心，重庆 400014)

发电机组一次调频是指当电网频率超出规定的范围后，电网中参与一次调频的各发电机组调速系统将根据电网频率的变化按负荷-频率曲线自动地增加或减小机组的功率，从而达到新的平衡，并且将频率的变化限制在一定的范围内。机组的一次调频功能对电网及机组的安全稳定运行有着极其重要的作用。根据重庆电网要求，江口水电厂所有机组必须全部具备一次调频功能。通过对江口水电厂机组进行一次调频试验以检验机组一次调频功能，在确保机组安全稳定运行的情况下，测试并确定一组一次调频运行参数，以满足一次调频性能要求。

江口水电厂位于重庆市武隆县江口镇，安装3台100 MW水轮发电机组，发电机型号为SF100－28/7650，水轮机型号为 HLS186 －LJ－347.7，额定转速为214.3 r/min，额定水头为106 m，调速器为武汉事达公司生产的 BWT－80－4.0－STARS型装置，监控系统采用北京水科院自动化所研究开发的H9000系统。

1 一次调频对水电机组的主要技术要求

依照《华中电网发电机组一次调频运行管理规定(试行)》(以下称《规定》)的要求，并根据《水轮机电液调节系统及装置调整试验导则》DL/T496－2001等相关标准，明确一次调频的主要技术指标为:

(1)机组一次调频频率死区控制在±0.05 Hz以内;机组永态转差率不大于4%;机组调速器转速死区小于0.04%;最大调整负荷限幅:为确保一次调频投入后机组的安全运行，暂定一次调频的最大调整负荷限制幅度为机组额定负荷的±10%。

(2)响应行为。①额定水头在50 m及以上的水电机组，一次调频负荷响应滞后时间应小于4 s;②当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组一次调频的负荷调整幅度应在15 s内达到一次调频的最大负荷调整幅度的90%;③在电网频率变化超过机组一次调频死区时开始的45 s内，机组实际出力与机组响应目标偏差的平均值应在机组额定有功出力的±5%以内。

2 实现一次调频功能的技术措施

江口水电厂机组调速器采用的调节模式为:

(1)开机和空载运行时以频率调节模式为主，永态转差率bp=0，人工死区为0，PID调节参数采用空载参数。

(2)机组并网后自动转换为开度调节模式，永态转差率bp=6%，人工死区为0.5 Hz，即为设定值，PID调节参数采用负载参数，此时功率调节通过自动发电控制(AGC)功能直接作用于功率给定，实现功率闭环控制。

在不投入一次调频功能时，机组并网运行后，机组频率在数值上等于电网频率。由于人工频率死区较大，因此，调速器主要以功率调节为主;投入一次调频后，bp=4%，人工死区 =0.05 Hz，设定值减小，当频率波超过人工死区时，调速器按负荷-频率曲线实现频率有差调节。因此，根据一次调频功能的投退状况，调速器的bp和频率人工死区为两套不同的参数。

江口水电厂3台机组调速器最初是不具备一次调频功能的，要实现一次调频，需要对原有的调速器参数进行新的设置，同时在计算机监控系统中增加相应的功能，最后通过一次调频试验以验证机组是否具备一次调频功能。在一次调频试验前对调速器和监控系统进行了完善，采取了以下措施:

(1)增加调速器一次调频PID参数，在机组负荷工况下通过一次调频功能投/退开关实现对PID参数的调用，以便实现一次调频动作过程中调速器响应的快速性和准确性。

(2)根据重庆市调的规定，一次调频功能投入不得擅自切除。为了方便一次调频功能的投/退，在调速器电控柜和监控系统上位机操作画面上加装一次调频投/退功能开关。

(3)由于一次调频动作时的频率有差调节和AGC闭环调节将同时作用于导叶，从而造成机组功率振荡。因此，要求机组一次调频动作时，调速器将向监控系统发动作信号，监控系统闭锁有功调节闭环;机组一次调频结束后，调速器将向监控系统发一次调频动作复归信号，监控系统依此信号恢复有功调节闭环。

(4)修改调速器发电控制程序，进行一次调频动作时最大负荷限制。此时调速器为开度调节模式，采用功率反馈进行输出限制很容易造成机组超调;同时，机组监控有功调节闭环失去作用，功率的调节完全由调速器完成，增加限制的目的是防止机组过负荷。

3 一次调频试验

3.1 试验方法

用外接频率信号发生器的方法模拟系统频率，通过调整频率信号发生器的发生频率使模拟的系统频率超过人工频率死区，观察此时发电机组调速系统动作情况以及机组负荷变化，并用试验仪器进行录波分析。

3.2 试验内容及步骤

(1)在停机状态下进行一次调频试验接线。接线无误后申请开机并网带10%额定负荷。模拟“PT断线”以检验调速器系统的保护功能。

(2)有功功率、导叶开度输入信号率定。调整负荷到60%额定负荷以率定零位，调整负荷到额定负荷以率定满度。

(3)调整负荷到80%额定负荷，把TG2000测试系统的频率输出信号设定为50 Hz接入调速系统测频回路，并将调速器切至“自动”运行方式。

(4)对调速系统测频回路进行校准。把TG2000测试系统的频率输出信号设定为50 Hz，接入调速器的机频信号输入端，并在49.8～50.2 Hz范围内以0.05 Hz的增幅逐步增加给定频率(标称值)，记录调速系统的实测频率值，再根据实际情况进行校正，使其测频误差≤0.005 Hz。

(5)用阶跃频率法测试机组调速系统综合固有死区，以确定人工死区设置。将调速器人工频率死区设为±0.05 Hz，并在50 Hz基础上给调速器施加±0.05 Hz的阶跃频率信号。在调速系统没有响应的情况下，以0.005 Hz的增减幅度继续施加阶跃频率信号(图1)。当频率为50.065和49.935 Hz时，导叶开度信号开始变化，确认一次调频功能启动，此时的频率偏差信号(±0.065 Hz)与设定的人工频率死区(±0.05 Hz)之差即为机组调速系统综合固有死区:±0.10 Hz。转速死区ix(迟缓率):ix=×100%=0.02%。根据指标要求将人工频率死区设为±0.04 Hz，进行机组一次调频死区检验。

图1 一次调频频率死区校核示意图

(6)校核机组一次调频的响应行为。在50 Hz基础上给调速器分别施加 ±0.1 Hz、±0.15 Hz、±0.2 Hz的阶跃频率信号，每个信号持续60 s，以检验调速系统的响应行为(图2)。在其响应行为不满足技术指标的情况下，对调速器系统的相关程序及参数进行了调整，最后确定了一组新参数:bt=10% 、Td=2 s、Tn=0 s。

(7)校核机组一次调频的最大调整负荷限幅，在50 Hz基础上给调速器分别施加±0.25 Hz的阶跃频率信号，每个信号持续60 s，考查机组负荷变化值是否超过±10%额定负荷。两次扰动试验结果见表1。

图2 一次调频响应行为示意图

(8)跟踪电网频率试验。对电网频率、有功功率和导叶开度信号进行实时录波，记录电网频率越过一次调频频率死区(50±0.05 Hz)时调速器动作情况。

(9)考查当AGC及有功功率闭环调节投入时机组一次调频的响应。在50 Hz基础上给调速器施加±0.15 Hz阶跃频率信号，考查机组一次调频的响应情况。

4 试验结论分析

表1 负荷阶跃扰动试验数据表

对1号机组的示波图记录、试验记录表等现场试验结果进行分析，可以得出以下结论:

(1)机组调速系统测频回路经校核后将误差控制在0.005 Hz范围以内。

(2)测得机组调速系统综合固有死区为±0.010 Hz，故将人工频率死区设置为 ±0.04 Hz，基本能满足将一次调频的频率死区控制在±0.05 Hz以内的指标要求。

(3)根据机组调速系统综合固有死区(±0.010 Hz)计算出机组调速器转速死区为0.02%，满足小于0.04%的要求。

(4)机组的永态转差率bp满足不大于4%的指标要求。

(5)满足一次调频的最大调整负荷限制幅度为机组额定负荷的±10%的指标要求。

(6)响应行为:①一次调频负荷响应滞后时间平均为1.8 s，符合小于4 s的要求。②一次调频负荷响应稳定时间(负荷调整幅度达90%)平均为12 s，符合小于15 s的要求。③在电网频率变化超过机组一次调频死区时开始的45 s内，机组实际出力与机组响应目标偏差的平均值为机组额定有功出力的±1.8%，在5%的要求范围内。

(7)修改调速器人工频率死区后，导叶开度能够对实际电网频率大于一次调频死区的扰动进行响应，但有功功率变化不明显，这主要是由于外接有功功率变送器的量程偏大，使率定的范围相应增大(为40～100 MW，而一般为60% ～100%额定有功功率)，以致小幅的有功功率变化在示波记录图上看不出来。今后一定要根据现场情况配置不同量程的传感器。

(8)在AGC及有功功率闭环调节投入的情况下，机组一次调频启动且有功功率扰动达到稳定状态后，AGC及有功功率闭环调节才开始起作用，两者相互不影响。但当频率扰动在AGC调节后才回到中心频率，就会再次出现一个有功功率的偏差，AGC调节会再次使其回到初始有功功率。

综上所述，江口水电厂机组具有一次调频能力，具备投入一次调频功能的条件。