水电机组一次调频技术要求及与二次调频协调控制的实现方法

彭天波，王 楠，孙 刚，唐国平

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.葛洲坝水力发电厂，湖北 宜昌 443002）

电能生产与消费同时完成，因此要求发电机组运行时的出力与负荷之间保持平衡。保证电能的良好质量是电能生产过程中的重要任务，通常衡量电能质量的主要指标是电压和频率。

按照我国规定，电网的额定频率为50 Hz，大电网允许的频率偏差为±0.2 Hz。对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其总容量的5%～10%；而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2%～3%。电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动，因此需要不断地调节发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定的规定范围内。

一次调频就是利用发电机组调速系统自身的频率调节特性，对电网频率发生变化时进行自动调整。其特点是频率调整速度快,不同的发电机组贡献的调整量有差别,且调整量有限,值班调度员难以控制。

电网调频，即二次调频（或AGC），其对象是全电网系统，即当电力系统负荷或发电出力发生较大变化时,通过装在发电厂和调度中心的自动装置监测到系统频率的变化，然后由运行人员或系统自动地发出命令以增减发电机的发电出力,保持系统频率在较小的范围内波动,而电网调频又是建立在每个电厂自身调频的基础之上的。这就要求电厂每台机组自身都能对电网的频率波动，产生敏感反应，及时进行自动调节。

1 水电机组一次调频、二次调频的静态特性

机组原始工作位置见图1所示的静特性曲线1上A点，机组目标功率Pc1；机组实际功率P1，机组频率 f1；调速系统调差系数ep。电网发生功率缺额，折算到机组的功率缺额为P3－P1。

图1 调速器静态特性图Fig.1 Static characteristics chart

一次调频：电网功率缺额引起电网频率降低，如果不进行调节，发电机组调速系统则按静特性曲线1运行，频率应降至 f3，各机组根据频率偏差进行一次调频，使机组增发了功率ΔPf=P2－P1，电网频率为B点的 f2。虽然该机组与电网上其它机组一起进行了一次调频，但电网频率为f2，不可能恢复到扰动前的 f1。

二次调频：若电网二次调频将该机组的目标功率由Pc1修正为Pc2，则机组调速系统静特性由特性曲线1变为特性曲线2。最后的调节结果为特性曲线2上C点：调速系统调差系数ep、机组目标功率Pc2、机组实际功率P3、机组频率 f1；电网的功率缺额得以补偿，系统频率也恢复到扰动前的数值 f1。

电网在负荷扰动后，电网频率产生偏差，各机组的调速系统根据频率偏差Δf和功率调差系数ep进行一次调频，迅速弥补系统部分功率差值；在一次调频的基础上，电网AGC再经过二次调频重新修正相关机组的目标功率值。因此，调速系统通过两个信号输入端：频率（转速）输入端(一次调频)和机组目标功率输入端（二次调频或AGC）对电网的频率进行调节，最终达到电网功率平衡和频率恢复到规定的范围之内。

2 水电机组调速器实现一次调频功能的方法与要求

在调速器程序中设定一次调频专用的调差系数、频率人工失灵区（频率死区）和PID参数，并且具有一次调频投入后调节范围的限制功能，能有效的抑制一次调频过程中机组有功功率的变化幅度，转速死区设定和PID参数的选择，能确定当电网频率波动时，机组由正常发电运行工况转换为一次调频工况运行的响应时间及调节能力。

调速器中仍能保留频率调节模式和频率调节模式所对应的有关参数，不影响负载小电网和孤立电网的频率调节能力。

在调速器上设置一次调频的投入、切除开关，并且当电网频率波动时，调速系统一次调频动作后，能将输出接点信号输出到计算机监控系统。

华中电网为了保证发电质量和维护电网的稳定运行，并结合自身电网的特性，对参与一次调频机组有如下要求。

（1）频率（转速）死区：参与一次调频的水电机组的频率（转速）死区控制在±0.05 Hz内。

（2）机组调速系统的速度变动率（水电机组永态转差率）：水电机组速度变动率（永态转差率）不大于4%。

（3）响应特性：当电网频率变化达到一次调频动作值到机组负荷开始变化所需的时间为一次调频负荷响应滞后时间，额定水头大于50 m的水电机组应小于4 s，额定水头小于50 m的水电机组应小于8 s。当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组能在15 s内达到一次调频调整幅度（响应目标）的90%。在电网频率变化超过机组一次调频死区的前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%内。机组参与一次调频过程中，在电网频率稳定后，在1 min内，机组负荷达到稳定所需的时间为一次调频稳定时间。

（4）参与一次调频机组的最大调整负荷限幅：水电机组参与一次调频的负荷变化幅度原则上不加限制，但是必须在调速器中可以对负荷变化幅度进行设定，一般负荷调整幅度不低于额定值的±10%。

3 水电机组实际运行过程中一次调频与AGC的协调控制

水电机组并网运行的出力控制规律如下

Pg=Pc+Pf

式中：Pg为机组当前有功出力；Pc为电网AGC机组出力目标值；Pf为一次调频偏差出力。

3.1 一次调频退出

当一次调频功能退出或电网频差小于一次调频频率死区时，Pf＝0，此时机组的出力完全等于电网AGC所设定的机组出力目标值，即 Pg=Pc。

3.2 电网AGC退出、一次调频投入

当机组运行在电网AGC所设定的机组出力目标值时，电网AGC功能退出，这时，如果电网频率与额定频率的偏差的绝对值大于一次调频的频率（转速）死区，调速系统一次调频根据电网偏离额定值的偏差自动投入运行。

3.3 一次调频和AGC投入

在调速系统一次调频投入后，由于调速系统一次调频会使机组当前功率偏离电网AGC设定的目标出力，此时Pf≠ 0，如果电网AGC也正好在调整负荷，若电网频率还未恢复到规定范围内，Pf会随电网频率的波动而变化，若电网频率恢复到规定范围内，此时 Pg=Pc+Pf，这时 Pf≠ 0。机组调速系统一次调频退出并恢复到功率或者开度模式运行，Pf将逐步回到零，致使 Pg≠Pc，电网AGC又将重新改变Pc来修正机组的实际出力。

因此在调速系统一次调频投入运行的过程中，电网AGC二次调频信号也加入到调速系统，机组实际运行时调速器立刻退出一次调频并且将调速器的功率调节输出信号与功率目标值设为一致，同步后再接收二次调频命令，当二次调频结束后如果电网频差大于转速死区，一次调频将再次自动投入。

4 应用实例

以葛洲坝电厂某台机组一次调频试验为例说明如下。

试验目的是检验机组在一次调频运行方式下，出力随频率变化的响应能力，测定机组的一次调频动作滞后时间、调节时间等参数。试验的前提条件必须满足华中电网对参与一次调频机组所提出的所有要求，从而优化和设定机组的一次调频PID参数。机组带负荷稳定运行，调速器在自动运行方式，电气开度限制设定为100%；调差系数设定为bp=4%，频率（转速）死区设定为±0.05 Hz。

将调速器PID参数整定为所选取的一次调频PID参数。机组分别带60%、75%、90%、100%的额定负荷运行，将机组频率（并网后也就是电网频率）断开，接入频率信号发生器用来改变电网频率。用调速器测试仪记录机组频率、机组出力、导叶接力器行程、桨叶行程等参数的变化过程曲线。图2～3为葛洲坝电厂某台机组一次调频试验的录波图。表1为葛洲坝电厂某台机组带75%额定负荷运行的一次调频试验结果，表2为葛洲坝电厂某台机组调速系统一次调频响应特性。

试验结果可以清楚看出，当频率信号向上或向下阶跃发生时，接力器迅速反应，滞后时间、稳定时间均满足要求。由此可以看出：当频率变化时，机组有功相应迅速变化，发挥了调节电网频率的作用。

图2 一次调频动态试验波形图Fig.2 Grid frequency modulation dynamical test oscillation chart

图3 一次调频动态试验波形图Fig.3 Grid frequency modulation dynamical test oscillation chart

表1 葛洲坝电厂一次调频试验结果Tab.1 The result of grid frequency modulation in Gezhouba hydropower plant

表2 葛洲坝电厂机组一次调频响应特性Tab.2 Grid frequency modulation characteristic of Gezhouba hydropower plant

5 结论

经过一次调频试验和实际运行表明，葛洲坝电厂试验机组完全满足华中电网调频的要求，并且能够有效地避免调速系统一次调频和电网AGC二次调频之间的矛盾。本文阐述的一次调频功能实现方法，协调了一次调频和二次调频之间既相互辅助又相互制约的关系，对保持电网频率稳定、保证供电质量有着非常重要的意义。

[1] 沈祖贻.水轮机调节[M].北京：中国水利水电出版社，1998.SHENG Zuyi.Turbine regulating[M].Beijing：China Water&Power Press,1998.

[2] 魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.WEI Shouping.Modern water turbine regulation technology[M].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press,2002.