土耳其甘然水电站一次调频试验问题分析与改进

胡长硕，徐竞喆，姚国华

(1.水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州思绿能源科技有限公司，浙江 杭州 310012)

土耳其甘然水电站一次调频试验问题分析与改进

胡长硕1，徐竞喆2，姚国华2

(1.水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州思绿能源科技有限公司，浙江 杭州 310012)

摘要：土耳其甘然水电站于2013年10月完成调试，投入运营。2015年，应电网要求增加一次调频功能；经过多次试验和改进，最终实现了该功能。图5幅。

关键词：水电站；一次调频；分析；试验

1概述

土耳其甘然水电站安装有2台21 MW立式混流机组，2013年10月完成调试，正式并网发电。2015年，按照土耳其电网的最新规定，该电站需具备一次调频功能，需对电站的调速器和自动化监控功能进行改造。在改造过程中，工作人员先尝试使用导叶开度闭环进行调节，碰到了调节性能差以及与AGC功能冲突等问题；随后改成以功率闭环进行调节，成功地解决了以上问题，取得了良好的调频效果。

一次调频是指当电网频率偏移额定值时，发电机组调节控制系统自动控制机组有功功率的增加(频率下降时)或减少(频率升高时)，以便电网频率迅速回到额定值范围的特性。土耳其水电站的一次调频验收步骤借鉴欧洲模式，具体来说，机组必须要完成频差扰动试验、灵敏度试验和24 h连续试运行试验。

1.1　频差扰动试验

此试验是将机组带到某一负荷，然后将模拟输入的系统频率在额定频率50 Hz的基础上增加和减少200 MHz，观察机组有功功率的变化情况。当机组运行功率达到额定功率的90%时，试验效果如下：

(1) 机组频率减少200 MHz，降至49.8 Hz时的试验数据如下所示(见图1)。

图1机组频率减少200 MHz，降至49.8 Hz时的试验数据

图1中黑色线条为机组实际功率，红色线条分别为试验数据的上下区间线，绿色部分为调整目标线。整个试验过程分为3个阶段，分别为前30 s、30～90 s和90 s后。试验要求机组在频率由50 Hz降为49.8 Hz后的30 s内，机组功率能够迅速上升10%的额定功率，实际功率与目标功率的差不低于额定功率的1%；前90 s内，实际功率与目标功率的差不高于额定功率的2%，90 s之后不高于额定功率的1%。要求每个阶段的数据正确率都在90%以内。

同理，当机组频率增加200 MHz，达到50.2 Hz时的试验数据如下所示(见图2)。

图2机组频率增加200 MHz，达到50.2Hz时的试验数据

1.2　灵敏度试验

除了调速系统软件内部设置的人工死区外，调速系统的电液转换机构和执行机构均会存在一定的不灵敏区(转速死区)，通过此试验可检查机组调速系统在频差极为微小时能否做出响应。试验中以模拟系统频率增加和减少5 MHz和10 MHz为例(见图3)。

图3灵敏度试验数据

由图3可见，当输入的模拟系统频率增加或减少时，调速器都能捕捉到频差并使机组有功功率做出相应的变化。

1.3　24 h连续试校核试验

当机组完成以上模拟测试之后，将调速器输入的电网频率由模拟频率改回电网实际网频，记录网频的变化以及机组功率的变化，连续24 h查看机组功率是否能做出正确的响应。24 h内的所有数据合格率达到90%及以上时表示实验成功(见图4)。

图424 h连续试校核试验数据

图4中绿色曲线为软件根据实际电网频率变化模拟出的最理想的功率变化曲线，红色曲线中间区间为根据绿色曲线加减机组额定功率的1%组成的上下限范围。黑色曲线为发电机实际功率曲线。当实际功率曲线在上下限曲线范围内时，实验数据合格。

2改造前AGC控制原理

本次一次调频改造前，甘然水电站AGC 调节系统分为监控层和调速器层。监控层由上位机(监控电脑)和下位机(机组LCU)构成，按照运行人员的指令，上位机将设定功率下发到下位机，下位机再将上位机下发的有功功率给定值和发电机实际有功功率进行比较；当两者相差超过设定的死区值时，通过PID 运算，在每一个PID 运算周期，输出脉宽信号(50 ms左右)给相应的增、减有功继电器。增、减有功继电器采用硬接线的方式将继电器输出接点传至调速器。调速器通过开度变送器采集机组的导叶开度，根据继电器节点信号对机组导叶开度进行调节，从而达到调节机组有功功率的目的。

3问题

改造初期，由于机组调速器未配置功率变送器，因此，工作人员尝试以导叶开度闭环进行一次调频，碰到了一系列的问题，未能达到理想的调频效果。

3.1　PLC对导叶开度传感器的采集精度受限

如下所示(见图5)，当机组负荷为18 000 kW，模拟输入电网频率为50 Hz时，导叶开度为69.6%。此时，将模拟输入的电网频率设为49.8 Hz，一次调频功能将机组负荷增加到20 000 kW，试验的曲线结果符合要求。随后，将模拟输入的电网频率设回到50 Hz，一次调频功能将机组导叶调回到69.6%；然而机组负荷只减到18 460 kW，并未回到18 000 kW的理论值，实验失败。

将导叶开度接入到检测系统中，发现导叶开度没有能完全回到69.6%。但由于导叶开度传感器在PLC中只能显示小数点后一位，系统默认其已经回到原值。因此，一次调频出现了故障，有功功率无法回到原值。

3.2　参数问题

电网对一次调频的考核目标值是有功功率，而调速器工作在开度模式，在一次调频动作后，调速器根据频差换算成需要变动的导叶开度大小。由于导叶开度和有功功率之间的关系为非线性，并且在不同的水头下, 同一导叶开度对应的有功功率也不同，所以调速器在开度模式下的一次调频调节可能会出现同一设定参数无法同时满足不同功率的试验要求，最终无法顺利通过试验。

3.3　一次调频与AGC功能冲突

在改进前，机组的AGC 功能是由机组LCU通过有功功率的闭环来调节的，当功率偏差超过设定死区时，机组LCU开始进行实时调节，以保证实际负荷值与给定值的偏差在死区范围内。在增加以导叶开度闭环调节的一次调频功能后，当调速器因一次调频动作对机组有功功率进行调整时, 必定会导致机组的有功功率与设定值的偏差超出死区范围。这时监控系统的AGC会将因一次调频进行负荷调整后引起的与给定值的偏差重新调整回来, 这样就导致机组处于一直不停的调整中，使一次调频功能失去作用。

图5以导叶开度闭环进行一次调频时的试验数据

4改进方法

通过以上尝试，发现调速器以导叶开度闭环进行调节无法满足土耳其一次调频功能试验要求。因此，在调速器上新增了功率变送器，将调速器控制程序由导叶开度闭环调节改为根据有功功率闭环进行调节。

调速器以有功功率闭环进行调节时，功率可以精确到几十千瓦，一旦功率超过死区值，调速器直接以有功功率给定与当前有功功率的偏差进行PID 运算，实时作用于导叶接力器；调速器可以不断进行调整，最终满足调整要求。同时，采用有功功率闭环进行调节，绕过了导叶开度和有功功率不是线性关系这一问题，只要系统的PID参数设置合理，就能完成调节。

使用有功功率闭环进行调节时，系统AGC直接将有功功率的设定值发送到调速器上，完全由调速器进行调节，这样就避免了在开度闭环时AGC与一次调频的冲突问题。

5对监控程序的修改

甘然水电站使用调速器有功功率进行闭环调节后，为配合一次调频功能，对水电站自动化监控系统做了如下调整：

(1)增加了1台上位机电脑执行调频PFC(Primary Frequency Control)功能。

(2)由新增的PFC电脑程序与调速器PLC进行通讯，实现调速器数据的读取、PFC功能的开关以及有功功率的设定。

(3)监控程序对机组的功率调整功能与PFC功能匹配。

(4)对投入PFC功能的负荷区间进行限制。

6结语

国内很多电站对一次调频验收考核的参数是针对导叶开度而不是机组的有功功率，所以在国内以导叶开度闭环能够满足要求为主。而在土耳其，验收的标准不一样，所以需要对国内方案进行改造。土耳其甘然水电站一次调频方案在经过改造后，最终满足了验收的要求。

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责任编辑吴昊

作者简介：胡长硕(1980-)，男，工程师，主要从事电站计算机监控软件开发工作。

收稿日期：2015-09-01

E_mail：cshu@hrcshp.org