桐柏抽水蓄能电站一次调频性能试验与分析

2017-09-26朱佳戴建军

水电站机电技术 2017年9期

关键词：调速器水头调频

朱佳，戴建军

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江天台317200）

桐柏抽水蓄能电站一次调频性能试验与分析

朱佳，戴建军

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江天台317200）

为验证桐柏抽水蓄能电站机组调速器系统检修后一次调频性能是否满足《华东区域发电厂并网运行管理实施细则（试行）》和《华东区域并网发电厂辅助服务管理实施细则（试行）》中关于一次调频性能指标的要求，对机组进行了一次调频性能试验，并分析试验结果，在保证机组安全稳定运行的前提下，对调速器参数进行优化，使得机组一次调频性能达到电网要求。

抽水蓄能；调速器；一次调频；PID；调节参数

1 引言

桐柏抽水蓄能电站位于浙江省天台县，总装机容量为1 200 MW，设有4台单机300 MW的立轴单极混流可逆式机组，在系统中承担调峰、填谷、调频、调相以及事故备用任务。

抽水蓄能机组具备较强的一次调频能力,是电网频率稳定的重要保证。为了更好地发挥大型抽水蓄能机组在电力系统中的作用，对大型抽水蓄能机组进行一次调频性能试验及优化，显得尤为重要。桐柏抽水蓄能电站根据《华东区域发电厂并网运行管理实施细则（试行）》和《华东区域并网发电厂辅助服务管理实施细则（试行）》中关于一次调频性能指标的要求，对机组进行了一次调频性能试验。本文以桐柏抽水蓄能电站1号机为例，介绍了大型抽水蓄能机组一次调频性能试验及分析。

2 一次调频技术指标

华东电网要求水电机组应该达到的一次调频技术指标如下，一次调频性能试验即以此指标为指导。

（1）机组一次调频的频率死区控制在±0.05 Hz范围内；

（2）机组的转差率不大于4%；

（3）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，一次调频的最大调整负荷限制幅度为机组额定负荷的±10%；

（4）机组调速器转速死区小于0.04%；

（5）投运范围：机组一次调频投运范围为机组核定的有功出力范围，即机组在核定的最低和最高有功出力范围内。

（6）响应行为：额定水头在50 m及以上的水电机组，其一次调频负荷响应滞后时间应小于4 s；额定水头在50 m及以下的水电机组，其一次调频负荷响应滞后时间应小于8 s；当电网频率变化超过机组一次调频的频率死区时，机组一次调频的负荷调整幅度应在15 s内达到该工况下的一次调频目标负荷调整幅度的90%；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±3%以内。

3 转速死区测试

针对一次调频技术指标中转速死区小于0.04%的要求，按《DL/T496-2001水轮机电液调节系统及装置调整试验导则》中的静特性法测转速死区的试验步骤，在bp＝6%工况下测试调速器固有的转速死区。试验结果如表1所示，计算得出转速死区为0.012%，满足考核要求。

表1.号机转速死区数据

4 一次调频性能试验方法和内容

4.1.验方法

一次调频的试验方法是通过模拟频率偏差（频率参考-实际机频），使机组功率跟随频差发生变化来验证原动机一次调频的功能和性能。为避免实际机频波动对响应的影响，在电调中增加临时逻辑，试验时不使用实际频率偏差，切换到人为设定的固定频差值。

4.2.验工况

抽水蓄能机组与常规水电机组的显著差异之一是水头变化频繁且幅度大，而水头对机组功率有非线性影响，此外导叶开度对机组功率也有非线性影响。为确保机组在所有运行工况下均满足一次调频响应的快速性和稳定性，需选取有代表性的工况进行试验。

根据历史运行经验，选取日常运行水头范围内的高水头和低水头，并在同一水头下分别在运行负荷范围的最低负荷，中间负荷和高负荷3个负荷点进行一次调频性能考核：

高水头（275 m左右）：200 MW、250 MW、300 MW；

低水头（245 m左右）：200 MW、250 MW、300 MW。

4.3.验内容

在不同水头下的3个试验主要负荷点选取的6个一次调频性能考核工况下，分别进行下列试验：

（1）频率死区试验（±0.05 Hz）；（2）小幅度频差试验（±0.15 Hz）；（3）大幅度频差试验（±0.20 Hz）；（4）电网事故频差试验（±0.3 Hz）。

5 1号机一次调频性能试验分析

5.1.率死区

调速器逻辑中人工死区设为±0.04 Hz，频率死区测试时设频率偏差为±0.05 Hz，测试导叶和负荷是否变化。图1是低水头300 MW工况下频率死区响应曲线，图2是高水头300 MW工况下频率死区响应曲线。各工况下频差大于人工死区后导叶均立即动作，但负荷响应相对缓慢，存在滞后。

图1.水头300 MW工况频率死区曲线

图2.水头300 MW工况频率死区曲线

5.2.应行为

一次调频性能试验在不同工况下分别进行了不同幅度的频差阶跃试验，在此选取两个有代表意义工况下的试验曲线分析。选取的试验曲线针对水机的非线性特征，若低水头高负荷工况下一次调频响应速度符合要求，则基本所有工况响应速度均符合；若高水头低负荷工况下一次调频稳定，则基本所有工况响应特性均不会有严重超调和振荡。

图3是低水头300 MW工况下阶跃频差为-0.2 Hz的响应曲线，负荷响应速度稍慢，响应延迟大于4 s。图4是高水头200 MW工况下阶跃频差为+0.2 Hz的响应曲线，负荷响应迅速，负荷响应有超调和衰减过程，但总体响应特性稳定。

图3.水头300 MW工况-0.2 Hz响应曲线

图4.水头200 MW工况+0.2 Hz响应曲线

5.3.运范围测试

调速器逻辑设置机组并网后一次调频即投入，无一次调频投运范围下限，机组最大出力限幅为额定的104%。图5是低水头200 MW工况下模拟-0.15 Hz频差的响应曲线，当机组运行于核定负荷调节范围下限时，若频率升高，机组功率将根据频差大小相应降低，无一次调频投运范围下限。图6是低水头300 MW工况下模拟+0.2 Hz频差的响应曲线，按频差计算，功率设定值应为322.95 MW，由于一次调频上限功能作用，功率设定值限制在软件设定的最大超发功率312 MW，机组实际负荷响应能达设定值，但导叶开度接近开限。

图5.水头200 MW工况-0.15 Hz响应曲线

5.4.频限幅测试

调速器逻辑设置±10%额定负荷的调频限幅，转差率等于4%对应±0.25 Hz的频率偏差，当频率偏差大于±0.25 Hz时，机组功率设定值变化将限制在额定负荷的±10%。图7是低水头300 MW工况模拟-0.3 Hz频率偏差的响应曲线，功率设定值被限制在270 MW。

图6.水头300 MW工况+0.2 Hz响应曲线

图7.水头300 MW工况一次调频限幅功能

5.5.1.机一次调频性能试验结论

通过对1号机进行一次调频性能试验并对试验结果进行分析，针对1号机得到如下结论：

（1）转差率参数设4%时，功率设定值按相应函数关系变化，实际响应功率与设定值偏差在0.8 MW功率死区范围内；

（2）静特性试验，表明调速器的转速死区小于0.04%；

（3）电调人工死区设为±0.04 Hz，频率死区小于±0.05 Hz；

（4）实际最大调整负荷限幅为机组额定负荷的±10%；

（5）一次调频投运范围无下限，最高出力限制为104%；

（6）在高水头整个投运负荷范围内（200 MW～300 MW）和低水头低负荷段，一次调频响应滞后在4 s左右，15 s和45 s的响应行为指标均满足要求；

（7）在低水头高负荷工况，受机组固有的功率反调特性影响，一次调频响应滞后时间稍大于4 s；受机组固有的功率响应非线性影响，一次调频的响应行为将稍微变慢，达90%目标负荷时间大于15 s。

综上所述，桐柏抽水蓄能电站1号机组具有一次调频功能，在投运负荷范围内（200 MW～300 MW）和正常运行水头范围（245 m～275 m）内，一次调频性能基本满足试验考核指标要求。针对在低水头高负荷工况一次调频的响应行为稍慢，达90%目标负荷时间大于15 s的情况，需要通过修改调速器PID参数进行调整，由于调整参数对调速器性能影响较大，需进一步深入分析讨论后再进行优化。