水电机组一次调频试验用信号分析与探讨

丁占涛，赵文利，张雨晗，程远楚

（1.新疆开都河流域水电开发有限公司，新疆维吾尔自治区库尔勒市 841000；2.水力机械过渡过程教育部重点实验室，湖北省武汉市 430072）

0 引言

在现代电力系统中，随着电网容量的不断增大，各区域联网调度频繁以及新能源发电设备的并网，维持电网内有功功率平衡和频率稳定是基本要求。水电机组因调节速度快、调整幅度大，在电网频率调整过程中具有极其重要的作用。在电网突发大负荷变化时，水电机组一次调频可以快速地提供功率支援，提高电力系统的可靠性和稳定性[1]；此外，可快速完成短时间负荷波动的调节，减少二次调频的动作，优化系统的调度[2]。

为考核和检验水电机组一次调频功能与性能，各电网公司均提出了相应的考核评价方法，比如西北电网要求水电站满足《西北区域发电厂并网运行管理实施细则》及《西北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》等指标要求[3]。所有涉网的水电机组必须经电网指定的检测机构进行一次调频试验，只有试验合格的机组才能并网运行。当水电机组并网运行后，一次调频考核指标主要为积分电量和目标响应功率。但有不少经试验合格的水电机组在实际运行过程中出现了一次调频考核不合格的情况。为了满足一次调频考核响应速度的要求，有些水电机组加大调速器控制参数值，导致实际运行过程中机组在一次调频期间出力变化加剧，以产生较大的反调和超调为代价来获得更高的一次调频积分电量[4]。

针对水电机组一次调频考核不合格的问题，国内学者已经开展了一些研究。文献[5]提出了一种增强型一次调频的频差算法来提高水电机组一次调频合格率；文献[6]从一次调频短时间动作过于频繁、数据传输延迟、频率测量误差的角度分析，提出提高一次调频考核相关数据传送优先级、对残压测频装置进行校核的方法来提高一次调频的合格率；文献[7]从机组侧和电网考核侧频率不一致、电厂上送有功信号延迟大的角度分析了一次调频合格率低的原因；文献[8]提出引入功率前馈控制，提高功率调节的响应速度，从而提高积分电量的方法。但这些研究都是从改良调节系统结构的角度出发，这些方法可以一定程度上提高积分电量的合格率，但没有回答为什么这些经权威部门检测合格的机组会在实际运行中出现被考核的现象。本文拟从另一个角度分析问题，即为什么试验时指标是合格的，而实际运行中会出现考核不合格的问题。基于对一次调频试验信号和实际一次调频过程中频率信号的差别的分析，本文提出了一种新的一次调频试验信号及产生方法来完善水电机组一次调频试验。

1 一次调频试验的性能指标要求

关于一次调频的性能考核指标，各个电网公司都给出了具体规定，大多数指标与要求相近。本文以《西北区域发电厂并网运行管理实施细则》为例，给出其主要指标要求，并以此为依据，开展一次调频试验信号的分析研究。

1.1 一次调频参数要求

（1）滞后时间：频率信号超过一次调频死区开始至机组实际负荷开始变化，且变化幅度超过稳态偏差允许范围，并在趋势上不再反向的时刻差。额定水头在50m以上的水电机组，一次调频响应滞后时间应小于4s；额定水头在50m以下的水电机组，一次调频响应滞后时间应小于10s。

（2）响应时间：所有机组一次调频的负荷调整幅度应在15s内达到理论计算值的一次调频最大负荷调整幅度的90%。

（3）积分电量：电网频率超出一次调频死区时起到恢复至一次调频死区内时为止，实际发电出力与起始实际发电出力之差的积分值。一般要求实际积分电量与理论积分电量的比值不低于50%。

（4）大频差扰动性能指标：当电网发生频率超过（50±0.1）Hz大频差扰动时，单次大频差扰动一次合格率I应不小于80%。

式中：Ir——机组一次调频出力响应合格率，具体为在频率变化超过一次调频死区开始至机组一次调频应动作时间内，机组实际最大出力调整量占理论最大出力调整量的百分比；

Ic——机组一次调频贡献电量合格率，具体为在频率变化超过一次调频死区开始至机组一次调频应动作时间内，机组一次调频实际贡献电量占理论贡献电量的百分比。

2 一次调频试验信号分析

2.1 一次调频试验分析平台

在进行电站的一次调频试验时，用信号发生器模拟电网频率，接入调速器的测频回路，测试当模拟的电网频率变化时发电机输出有功功率的变化过程，然后按两个细则要求的指标进行考核。为了模拟实际电站的一次调频试验过程，本文搭建了水电机组一次调频试验分析平台，如图1所示，主要由信号发生器、调速器控制部分、随动系统、水轮发电机组组成。其中，信号发生器用于产生仿真试验用信号；调速器控制部分采用与电站相同的PID控制算法，其算法如图2所示；随动系统仿真主要由主配压阀、主接力器等组成，具有与现场完全相同的开关速度特性，其数学模型如图3所示；水轮机模型采用由综合特性曲线外拓得到的非线性模型，引水系统采用单管形式的特征线性方法求解，发电机采用一阶模型。

图1 一次调频研究用模型Figure 1 Investigative model of the primary frequency

图2 水电站PID控制算法Figure 2 PID control algorithm of hydraulic power plant

图3 随动系统数学模型Figure 3 Mathematical model of servo-system

2.2 试验用信号设计

为了分析电站一次调频被考核的原因，收集和分析了大量的电站一次调频动作过程曲线，以图4为例，是某电站一次调频过程中记录的电网频率与一次调频过程，当时电站水头为84m，机组出力为50.38MW（额定出力为90MW），大频差一次调频各项指标如表1所示，被认定为不合格。

表1 某电厂一次调频性能指标Table 1 Index of primary frequency in a hydraulic power plant

图4所示曲线对应的调速器参数为KP=1、KI=5、KD=1，永态转差系数bp为3%。依据电站实际运行参数，在所搭建的试验平台上，进行了阶跃信号下的一次调频仿真试验。

图4 某电厂一次调频过程Figure 4 Primary frequency of a hydraulic power plant

图5是施加±0.15Hz阶跃扰动时的动作响应曲线，它的各项考核指标如表2所示，显然，一次调频性能满足电网两个细则的考核要求。从此实例中可以看出，在阶跃信号下的一次调频试验评价合格，并不代表在实际运行中一次调频考核合格。基于电厂实际一次调频过程被考核的背景，有必要开展一次调频试验信号分析，使一次调频试验过程尽可能地接近现场实际情况。在电网运行过程中，当出现大的负荷突变时，会导致电网频率快速变化，此时，所有参与一次调频的机组均对自身输出的有功功率进行调整，电网频率会逐步恢复。

表2 阶跃信号下的一次调频试验考核指标Table 2 Index of primary frequency under step signal

图5 阶跃信号下的一次调频试验过程Figure 5 A test of primary frequency under step signal

当电网中一次调频作用恰当时，电网频率以一定速度恢复至一次调频死区内，一次调频过程结束。当电网中一次调频作用过强时，电网频率会恢复到一次调频死区之内，然后再出现频率超过一次调频死区，继续一次调频的现象。显然，由于水电机组输出功率响应的滞后性，考核指标计算结果与频率超过一次调频的时间长短密切相关。因此，在进行一次调频试验时，不能仅用阶跃信号进行考核，而是应该基于实际运行情况，采用脉冲信号进行一次调频试验，并根据不同的要求，选择不同的脉冲宽度进行试验评价。

3 一次调频试验分析

3.1 不同脉冲宽度信号下的试验分析

根据上节的分析，基于图1所示的仿真平台，分别选取脉冲宽度为50s、40s、30s、20s、10s、6s（现场大频差脉宽）的脉冲信号进行一次调频试验，当KP=1、KI=5、KD=1，永态转差系数bp为3%，频差为±0.15Hz时得到的一次调频试验结果如表3和图6所示。

图6 不同脉冲信号下的一次调频脉冲响应Figure 6 The pulse responses of primary frequency under different signals

表3 某电厂在不同脉冲信号下的一次调频试验结果Table 3 Tests of primary frequency in a hydropower plant under different pulse signals

由表3可知，采用不同宽度的脉冲信号进行试验，一次调频的滞后时间不变，而最大目标响应功率和积分电量与脉冲宽度，即一次调频信号存在的时间长短有密切关系。

不同脉宽下的一次调频试验脉冲响应得到的理论积分电量和实际积分电量不同，由于水击效应，当频率发生变化时，存在响应滞后和功率反调的情况。随着脉冲宽度的减小，滞后效应和反调对积分电量贡献率的影响就愈发显著。脉冲宽度小，积分时间短，调节功率响应过程和反调部分占调节过程的比重大，积分电量的比值呈现单调变小的趋势，积分电量考核比相应降低。当脉冲宽度过小时，调节目标功率未达到稳定就开始回复调节，一次调频功率响应合格率也会降低。如表3所示，当脉宽减小至6s时，积分电量的比值为19.2%，小于50%，一次调频试验结果不合格，一次调频功率响应比从脉冲50s时的152.9%降至84%，综合考核比降至51.6%，不满足一次调频考核要求（80%）。

显然，在一次调频参数和系统条件相同的情况下，一次调频的性能指标与试验信号待续的时间长短有密切关系。当脉冲宽度较小（6～10s）时，由于频差持续时间短，调节过程还来不及完全响应，频差即已恢复到一次调频死区内，机组实际调节出力偏小，积分电量偏小；当反调较大时，甚至可能出现积分电量为负的情况，导致一次调频不合格。为降低水电机组一次调频被考核的概率，建议在一次调频试验时，增加脉宽可变的频率信号进行一次调频性能校验。通过改变整定参数来增大实际积分电量和响应功率，以改善电厂实际一次调频考核不合格、调节深度不够的问题。

3.2 脉冲信号下的一次调频参数优化

根据3.1的分析和图4的实际频率变化曲线，对调速器一次调频参数进行优化调整。选取脉冲宽度为6s的脉冲信号进行一次调频试验。当参数选为KP=6、KI=4、KD=1时，试验结果如表4所示，大频差扰动下机组一次调频综合考核比由55%增加到81.0%，满足西北电网的考核要求。依据该调节参数进行了小频差信号下（0.065Hz）一次调频仿真试验，理论积分电量为-1.875MWh，实际贡献电量为-1.164MWh，积分电量比值为62.07%，大于50%的考核要求。

表4 脉宽为6s时的一次调频试验脉冲响应Table 4 The pulse response of primary frequency test when the width was 6s

基于此参数，进行了实测电网频率下的一次调频仿真。仿真结果如图7所示，各项指标如表5所示。大频差扰动下机组一次调频综合考核比为89.7%，大于80%，满足西北电网实际考核要求。

图7 实测电网频率下的一次调频仿真Figure 7 Simulation of primary frequency under real frequency signal

表5 实测电网频率下的一次调频仿真指标Table 5 The indexes of primary frequency under real frequency signal

4 结束语

本文以西北某水电站实际出现的一次调频考核不合格现象为例，分析了目前水电机组一次调频试验过程中取用阶跃信号的局限性，建议在试验过程中增加脉冲宽度可调的方波信号进行一次调频试验，检查在脉冲宽度为6～10s时的水电机组一次调频性能，并对水电机组一次调频参数进行合理整定，提高电厂在电网实际运行过程中的一次调频考核合格率。