水电机组一次调频PID参数全水头适应性研究

马小雯，艾远高，余志强，翟玉杰

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌443133）

电网频率是非常重要的电网特征参数，监视和控制电网频率在规定范围内变化，是电网调度的主要任务之一[1]。一次调频是指当电网频率超出规定范围（即一次调频死区）后，电网中参与一次调频的各机组自动地调节有功出力，使电网达到新的平衡，从而快速稳定电网频率的功能[2]。水电机组在电力系统中主要承担调频、调峰任务，与火电机组相比，具有调节过程简单、负荷调节速率快、调节幅度大、稳定性好、经济等优点，因此水电机组一次调频功能对整个电力系统安全运行起着非常重要的作用[3]。

不同水头下，满足一次调频性能指标的PID参数不同，需要将PID参数与水头适应性进行关联。本文在某巨型水电站变水头机组一次调频试验的基础上，对一次调频参数在全水头范围内的适应性进行探究，以满足机组在不同水头的一次调频性能要求，为巨型电站一次调频控制策略制定提供理论支撑，对满足电网运行需求、实现最优控制具有重要意义。

1 水电机组一次调频性能指标要求

水电机组一次调频技术指标[4]有：永态转差系数bp不大于4%（或调差率ep不大于3%）；转速死区ix设为0.04%；调频死区不大于±0.05Hz；一次调频的功率调整幅度应考虑对机组的最大和最小负荷限制和避开振动区与空化区运行。一次调频阶跃响应的要求：

开度模式。一次调频开度响应滞后时间thx应不大于2s；接力器位移达到90%目标值的上升时间t0.9应不大于12s；开度调节达到稳定所经历的时间ts不大于24s。

功率模式。一次调频功率响应滞后时间thx，对于额定水头50m及以上的水电机组，不大于4s；机组有功达到90%目标值的上升时间t0.9应不大于15s；功率调节达到稳定所经历的时间ts不大于30s。

2 机组调节控制系统模型及一次调频功能优化

水电站机组一次调频对电网的作用和贡献可想而知，一般水电站库水位受库容季节的调节而变化，机组实际水头也随之而变。为保证机组的调节品质满足电网稳定要求，确保机组在不同水头下安全稳定运行的情况，对机组一次调频功能及PID结构需进行优化。

2.1 开度模式下的一次调频功能

如图1所示，为开度模式的调速器PID结构，采用PI控制规律。将机组频差、导叶开度给定与反馈的偏差，共同输入PID调节器，计算开度调节量，变更机组负荷。功率给定实时跟踪机组实际功率，不参与闭环负荷调节，以保证由开度模式切换到功率模式时实现无扰动切换[5]。当一次调频动作时，调节系统采用一次调频动作时开度模式下的PID参数。

图1 开度模式下的PID框图

调速器采用限制机组频率的方式实现功率限幅。当一次调频动作时，PID输入的机组频率将限制在一定范围内（默认值为50.2～49.8Hz）；当一次调频动作复归时，PID输入的机组频率没有限幅环节。功率限幅环节可以通过程序进行投退。

2.2 功率模式下的一次调频功能

如图2所示，为功率模式的调速器PID结构，采用PI控制规律。有功反馈与有功给定输入信号，经过功率-开度协联关系曲线后，转化为开度信号，乘以bp，输入PID环节。由于调节量为开度，无法直接得出真实调节功率，因此，AGC功率限制线无法限制调速器在一次调频动作态时调速器收到的真实功率给定。

图2 功率模式下的PID框图

由于功率-开度协联曲线与水头协联，调差率ep通过功率-开度协联曲线和bp折算而成，且随水头变化而变化。某电站机组水头变化范围为71m至110m，高、低水头相差较大，因此机组在不同水头下，使用同一组PID参数，其开度调整量对应的功率调整不同，无法保证调节过程都满足一次调频性能指标。当一次调频动作时，功率模式下设置了两组PID参数，一组为固定PID参数，一组为与水头关联的查表参数。

功率模式采用限制机组频率的方式实现功率限幅，与开度模式功率限幅功能相同。

3 一次调频有水试验与PID参数适应性探究

试验前，在做好安全措施前提下，解下调速器PT测速信号，接入发频仪，使机组在闭环状态运行。阶跃变化输入的测量频率，对机组频率、导叶开度、有功功率等参数进行录波。本文以某700MW机组为例，在50Hz的基础上，利用发频仪分别输入±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2Hz等阶跃频率信号，每个信号持续40s，以检测调节系统响应行为。机组在高水头（109.6m）的一次调频有水试验，试验条件如表1所示。本次试验在78.1m水头下进行，采用109.6m水头的PID参数以验证其适应性。

表1 高水头（109.6m）的一次调频有水试验条件

3.1 开度模式

在水头为78.1m时，以-0.1Hz阶跃为例，当模拟频率阶跃-0.1Hz时，频差为-0.05Hz，PID参数为Kp=10，Ki=4.5，Kd=0。试验过程中，-0.1Hz阶跃扰动的响应波形如图3所示，一次调频指标如表2所示。由表2可知，在-0.1Hz（含死区）扰动试验中，响应滞后时间0.765s，90%上升时间11.303s，调节时间22.375s，满足行标。实际转差率为4.031%，与设定值4%基本一致。因此，该PID参数可以满足一次调频性能指标要求。

图3 开度模式-0.1Hz阶跃扰动的响应波形（功率/MW，时间/s）

在开度模式下还进行了+0.1Hz、±0.2Hz、±0.25Hz的阶跃扰动试验，调节性能满足一次调频指标，高水头采用的PID参数在当前水头下基本适用，水头对阶跃扰动影响较小。

表2 开度模式频率-0.1Hz阶跃扰动一次调频指标

3.2 功率模式

在109.6m水头时，以+0.1Hz阶跃为例，当模拟频率阶跃+0.1Hz时，频差为+0.05Hz，PID参数为Kp=12，Ki=2.8，Kd=0。试验过程中，+0.1Hz阶跃扰动的响应波形如图4所示，一次调频指标如表3所示。由表3可知，在+0.1Hz（含死区）扰动试验中，响应滞后时间1.97s，90%上升时间13.11s，调节时间21.328s，转差率小于3%，满足行标。

图4 Kp=12，Ki=2.8，Kd=0，高水头（109.6m）功率模式+0.1Hz阶跃扰动的响应波形（功率/MW，时间/s）

表3 高水头（109.6m）功率模式的频率+0.1Hz阶跃扰动一次调频指标

在78.1m水头时，仍采用该PID参数进行+0.1Hz阶跃扰动试验。试验过程中，响应波形如图5所示，一次调频指标如表4所示。

由表4可知，在+0.1Hz（含死区）扰动试验中，90%上升时间大于15s，调节时间大于30s，低水头下采用该参数，调节性能迟缓，不满足行标，需要重新对PID参数进行调整。

3.3 一次调频试验存在的问题及对策

由前述可知，在开度模式下高水头的PID参数基本适用于低水头，但在功率模式下高水头采用的PID参数不适用于低水头，一次调频试验结果如表5所示。由于在功率模式下，功率-开度协联曲线与水头协联，调差率ep经功率-开度-水头协联曲线和bp折算而成，当水头发生较大变化时，使用同一组PID参数，其开度调整量对应的功率调整量不同，因此高水头采用的PID参数在低水头时会造成调节性能迟缓，无法满足行标。

图5 Kp=12，Ki=2.8，Kd=0，水头 78.1m 功率模式+0.1Hz阶跃扰动的响应波形（功率/MW，时间/s）

表4 水头78.1m功率模式的频率+0.1Hz阶跃扰动一次调频指标

表5 低水头（78.1m）下一次调频试验结果

对此，功率模式下，可根据不同水头下选择不同PID参数，以满足一次调频性能指标。电站依据调速器PID结构，建立了水轮机调节系统仿真模型，模拟机组在不同工况下的一次调频过程与实测机组调节品质进行比较，以期获得调节性能良好的PID参数。

4 结语

本文对某巨型水电站700MW水电机组的一次调频阶跃扰动试验进行了分析，讨论高水头的PID参数在低水头时的适应性。开度模式下高水头的PID参数基本适用于低水头；功率模式下，由于机组高、低水头变化幅度较大，一组固定的PID参数无法满足一次调频要求，因此需要投入与水头协联的PID参数，即适应式变参数PID，在不同水头下选择不同PID参数，以满足一次调频全水头适应性需求。