水电站一次调频的实现与试验

凌胜军

中图分类号：TV211.1+4文献标识码：A 文章编号：

频率是电力系统最重要的运行参数之一，频率变化对系统的安全稳定运行具有重要的影响。一次调频指各机组并网运行时,受外界负荷变动影响,电网频率发生变化,这时,各机组的调节系统参与调节作用，改变各机组所带的负荷,使之与外界负荷相平衡.同时,还尽力减少电网频率的变化,这一过程即为一次调频。一次调频是发电机组调速系统的频率特性所固有的能力,随频率变化而自动进行频率调整。其特点是频率调整速度快,但调整量随发电机组不同而不同,调整量有限且难以控制。

现代电网一次调频功能，需考虑发电机及电网间的相互配合与制约关系，应以整台机组作为控制对象。从功能上既要有传统电网一次调频的快速性，又要有现代控制的整体协调性。另外，一次调频是发电机组调速系统的频率特性所固有的能力，基于水轮机调速器的静特性，调速器的静特性的是在调速器稳定平衡的条件下，机频相对值与接力器行程相对值之间的关系曲线。对于水轮机调速器而言，其静特性曲线基本为一条直线，接力器行程相对值与功率调节信号相对值基本相等，因而其静特性也可理解为机频相对值与功率调节相对值之间的关系曲线（图1-3的曲线1a）。该曲线斜率的负数即为永态转差系数bp。即：bp = - dx/dy

图1水轮机调速器的静特性曲线

由图1可知，永态转差系数bp是包围调速器PID电子调节器的一个负反馈。当机频相对值变化dx时，稳定后调节信号相对值对应变化dy=- dx/bp，因而机频下降时接力器开度（等同于功率调节信号）增加；机频升高时接力器开度减小。    由于永态转差系数bp的存在，在调速器稳定平衡时，对应于一个确定的机频，就有一个确定的接力器开度和一个确定的机组有功功率。当系统各机组的bp值一定时，它们调节结束后承担的变动负荷与其bp值成反比。永态转差系数bp的参数范围为1～10％。为使机组少承担变动负荷，其bp值应整定较大，如4%～6%；为使机组承担较大的变动负荷，其bp值应整定较小，如2%～4%，但一般不得整定为零。 可见，永态转差系数bp的作用是实现机组按有差静特性运行。如并列运行机组bp值均为零（即都是无差静特性），则机组之间的负荷分配处于不确定状态，将导致机组间有功负荷拉锯般的抽动。另一方面，如系统各机组的bp值都较大，则系统的转速变化亦较大。为使系统转速在负荷变动时变化较小，须有一部分机组的bp值整定得小一点。这些机组通常称为调频机组。    由于调速器由多个环节组成，特别是液控阀的搭叠量，会多少产生一定的死区，这使得调速器开机方向和关机方向两根静态特性曲线实际上不是重合的一根线，而是由两根曲线所围成的一条带子（图1-3的曲线1a与1b）。在其x方向的带宽为x1 – x2中，调速器不起调节作用，因而把这一转速区域称为调速器的转速死区。转速死区不利于调节系统稳定，也影响调节品质，所以在调速器的技术条件中规定：大型电调转速死区不超过0.04% ；中型和小型电调分别不超过0.08％和0.12％。     当机组出力变化远小于电网总负载时，对电网频率值的影响微乎其微，机组（即电网）频率值可以看做不变。对于按有差静特性运行的机组，可在机频和bp值不变的条件下，通过调整功率给定PG达到改变机组有功负荷的目的。PG的参数范围为 0～100％，当功率给定值改变时，PG值与调节器输出相比较，其差值通过bp回路反馈至PID电子调节器，调整调节器输出直至与PG值相等，达到了在机频和bp值不变的条件下改变机组有功负荷的目的。为了加快用功给调整机组有功负荷的速度，功给信号还同时通过“前馈”回路直接与电子调节器输出值叠加，使电子调节器的输出不经bp回路反馈和电子调节器运算而直接随PG值改变，这时调节器输出与PG值相等，不再有差值通过bp回路向调节器反馈。由于前馈信号的作用, 负荷的增/减几乎与功给增/减操作同步。从图1上来看，增加功率给定PG相当于将静特性曲线1a向上平移至曲线2。显然，平移的结果使得在bp值未变的条件下，对应于x1的接力器开度由y1增加到y2，从而增加了机组所带的负荷。为了在机组并网后，避免调速器因频率的微小变化而频繁调整，通常在频差计算时，将小于某一微小设定值的频差置零，此设定值即为人工死区E，其参数范围为0～1%。从图1-3上来看，曲线3即为具有人工死区E的静特性曲线。在此静特性曲线下运行的机组，只要机频的变化未超出死区E的范围，调速器就不进行调整，接力器开度将维持在y0处不变。

一次调频还需调速器与监控配合来实现，调速器在软件中增加一次调频部分，硬件在调速器电柜面板上操作一次调频投退把手，一次调频投入后接点自保持；退出一次调频功能，只能靠监控来退出；如果靠监控来投退一次调频，调速器电柜面板上一次调频把手应放在退出位置，这样监控就可以操作一次调频投退。

一次调频投入后，参数调频死区=0.05HZ、Bp=3%及相关负载PID参数自动调入,不需要再进行参数修改，同时频率超出频率死区，且导叶调节量超过0.2%时, 一次调频动作接点开出送监控（正常时该继电器用常闭接点)，一次调频退出后, 频率死区及Bp值可以在运行界面设置窗口可以正常设置。监控LCU增加一次调频动作流程与调速器相配合。

一次调频是确保电力系统频率稳定的主要途径之一，目前国内大型机组大多具备投入一次调频功能的条件，都应主动投入一次调频功能。一次调频涉及到的关键参数和关键控制逻辑也应根据电网运行要求进行正确实现和必要的试验，充分发挥应有的作用。电力系统发生的严重事故往往是难以预测的，系统负荷扰动具有不确定性，在系统内出现突然的负荷扰动情况下，水电站一次调频对于电网的安全运行至关重要。