转桨式水电机组一次调频贡献电量影响因素研究

黄灿成

（大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

一次调频（Primary Frequency Regulation，缩写PFR）是有效保证电网频率维持稳定的重要手段[1]，发电机组配备的一次调频功能可抑制大负荷扰动引起的频率波动[2]，同时对短时电网负荷波动调节能减少二次调频动作，稳定电网频率、优化系统调度。因此，一次调频被国家监管局列入并网发电机组必须提供的基本辅助服务之一[3]。而又由于水电机组具有调节过程简单、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对电力系统的安全稳定有重大影响。为了规范各水电运行企业一次调频运行管理，电力监管部门也制定了详尽的考核办法对水电机组实际一次调频运行情况进行统计和考核[4-6]。

目前关于水电机组一次调频的研究大多集中于调速器控制策略[7-9]、一次调频试验及性能优化[10-11]、水电机组一次调频特性对电网的影响以及一次调频与AGC协调动作[12-15]等方面，所得成果也颇为丰硕，与此同时，实际运行中尽管一次调频试验的性能指标均满足相关标准文件的要求，但水电机组一次调频贡献电量达不到电力监管部门要求的情况仍较为普遍，这不仅极大地影响源网协调，也对水电企业的电量经济效益产生较大的损害。

本文通过数值仿真，对转桨式水轮发电机组一次调频积分电量的影响因素进行分析研究，建立包括调节器、电气液压随动系统、水轮机模型及参数，通过仿真计算，找寻控制规律，力图指导、改进一次调频运行管理质量，提高机组一次调频贡献电量合格率。

1 仿真模型及贡献电量计算方法

1.1 转桨式水电机组一次调频仿真模型

建立的转桨水电机组一次调频仿真模型包括调节器和电气液压随动系统、水轮机3部分。调节器模型选取国内水电机组广泛应用的并联PID控制的电子调节器、电气液压模型选取电力系统常用的PSD-BPA中的标准化模型、水轮机模型选择转桨式水轮机模型[16-21]，3部分模型分别如图1、图2、图3所示。图1中Δω为调速系统输入频差、Ef为一次调频人工频率死区、KP为调速器的比例系数、KD为调速器的微分系数、T1V为调速器的微分时间常数、KI为调速器的积分系数、bp为调速器开度闭环模式下的永态差值系数；EP为功率调节死区；Ey为开度调节死区；ep为调速器功率模式功率调差系数；PIDMIN为调节器输出下限，PIDMAX为调节器输出上限。图1所示模型各开关连接位置表示调速器处于开度闭环模式且可投入一次调频。

图2 电气液压随动系统模型

将图1～图3模型顺序相连即可组成轴流转桨式水轮发电机组一次调频仿真模型。可在模型输入端模拟频差信号Δω使调节器模型输出YPID控制信号，电气液压随动系统模型根据YPID信号模拟导叶、桨叶开度的动作情况，电气液压随动系统模型输出的导叶、桨叶开度信号进入转桨式水轮机模型可得到仿真功率。各模型参数可通过现场实测和模型参数辨识获取。

图1 调节器模型

图3 转桨式水轮机模型

1.2 一次调频贡献电量计算方法

电力监管部门对发电机组一次调频贡献电量的考核评价是评价参与一次调频机组在一次调频动作期间的实际积分电量（QSJ）占对应时间段的机组一次调频理论积分电量（QJS）的比例GHI是否达到规定值，即GHI=QSJ/QJS。QSJ、QJS计算方法如下：

（1）、（2）式中，t0为电网频率越过机组一次调频动作死区时刻，即为开始计算积分电量的起始时刻；tt为计算积分电量结束时刻（通常为电网频率进入一次调频动作死区时刻，一般最长为t0+60 s）；Pt为机组一次调频动作期间t时刻实发有功功率；P0为t0时刻机组实发有功功率；ft为一次调频动作时段内t时刻实际电网频率；Ef为机组调速器设定的一次调频死区（一般不大于0.05 Hz）；Pr为参与一次调频机组的额定功率；fr为电网额定频率；ep为机组功率调差系数（一般取值为4%）。

2 一次调频贡献电量影响因素分析

为进一步研究水电机组一次调频贡献电量的影响因素，选取某水电厂单机额定出力150 MW的轴流转桨式水轮发电机组为例进行数值仿真分析。该机组主要参数信息如下：水轮机型号为ZZA813a-LH-1040、额定水头19.5 m、最低水头8.65 m、最高水头31.5 m、额定转速62.5 r/min。发电机型号为SF150－96/15640、额定容量 150 MW/171.4 MVA，正常并网时调速器工作于开度闭环模式。其调速系统电气液压随动系统及水轮机主要模型参数见表1。

表1 电气液压随动系统及水轮机模型主要参数

因对水电机组一次调频性能进行测试时，一般选择在某一稳定工况点进行有效频差变化不低于0.1 Hz的扰动频率[22-23]，所以本文主要以上述模型及参数为基础，模拟在31.5 m水头下，初始导叶开度为75%时+0.15 Hz的阶跃频差作为水电机组模型的输入，不同调速器参数以及不同水头协联关系下的转桨式水电机组一次调频过程，计算不同调速器参数和水头工况下的一次调频贡献电量比例并分析变化趋势。

2.1 调速器参数对贡献电量的影响研究

在调速器开度闭环模式下一次调频可调整的参数通常有人工频率死区Ef、永态转差系数bp、比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD。

2.1.1 人工频率死区Ef对贡献电量的影响

置调速器参数bp=0.04、KP=8、KI=8、KD=0时，不同Ef下一次调频贡献电量比例的计算结果如图4所示。随着Ef的增大，转桨式水电机组一次调频贡献比例呈线性递减规律。如图4所示，当Ef取值为0.01 Hz时一次调频贡献比例为1.504，将Ef增大至0.05 Hz时一次调频贡献比例仅为0.981。

图4 不同Ef一次调频贡献电量比例变化趋势

从图5仿真计算的结果来看，人工频率死区Ef越小，实际上相当于增大了有效频差，一次调频动作有功功率变化幅度越大，一次调频贡献电量也就越大。但是，人工频率死区的减小，势必增加机组一次调频动作次数，增加调速器机械部分的往复动作次数，在一定程度上会增加机械部分疲劳，影响设备寿命。所以Ef不宜设置过小，一般按照相关的标准文件要求设置为0.04～0.05 Hz即可。

图5 不同Ef一次调频有功功率动作过程

2.1.2 永态转差系数bP对贡献电量的影响

置调速器参数Ef=0.05、KP=8、KI=8、KD=0 时，不同bP下一次调频贡献电量比例的计算结果如图6所示。随着bP的增大，转桨式水电机组一次调频贡献比例随之减小，并呈下抛物线状。如图6所示，当bP取值为0.01时一次调频贡献比例为6.10，将bP增大至0.05时一次调频贡献比例减小为0.79。变化幅度非常大。

从仿真计算的结果来看，减小永态转差系数bP，可较大幅度的提高一次调频贡献电量比例。但是，考虑到电网系统运行的稳定性，bP需按照各区域电网相关标准文件要求设定，一般设置为0.04。

2.1.3 比例系数KP对贡献电量的影响

置调速器参数Ef=0.05、bP=0.04、KI=8、KD=0时，不同KP下一次调频贡献电量比例的计算结果如图7所示。随着KP的增大，转桨式水电机组一次调频贡献比例随之微弱增大，并呈现线性规律。如图7所示，当KP取值为3时一次调频贡献比例为0.972，将KP增大至15时一次调频贡献比例也仅为0.992，仅增长0.02。

从图8仿真的一次调频有功动作过程曲线的结果来看，比例系数KP越大，其有功反调值越大，但达到稳定值也越快；因有功反调值越大，积分电量越小；而调节过程越快达到有功稳定值，积分电量越大。故增大比例系数KP虽对转桨式水电机组一次调频贡献电量比例有一定的增长，但增长的幅度较小。

置调速器参数Ef=0.05、bP=0.04、KP=8、KD=0 时，不同KI下一次调频贡献电量比例的计算结果如图9所示。随着KI的增大，转桨式水电机组一次调频贡献比例随之增大，并呈上抛物线状。如图9所示，当KI取值为3时一次调频贡献比例为0.914，将KI增大至15时一次调频贡献比例增大至0.998，增长了0.083，较比例系数的增长幅度大。

图9 不同KI下一次调频贡献电量比例变化趋势

从图10仿真的一次调频有功调节过程来看，随着KI的增大（3增加至15），转桨式水电机组一次调频有功调节过渡过程大幅加快，有功功率达到稳定值的时间较大幅度变短。故增大积分系数KI可以较增大Kp更有效提高转桨式水电机组一次调频贡献电量比例。

图10 不同KI一次调频有功动作过程

2.1.5 微分系数KD对贡献电量的影响

置调速器参数Ef=0.05、bP=0.04、KP=8、KI=8时，不同KD下一次调频贡献电量比例的计算结果如图11所示。随着KD的增大，转桨式水电机组一次调频贡献电量比例随之呈现线性微弱减小的规律。如图11所示，当KD取值为0时一次调频贡献电量比例最大，为0.981，将KD增大至15时一次调频贡献电量比例仅为0.972，变化幅度微弱。

图11 不同KD一次调频贡献电量比例变化趋势

且从图12仿真计算的结果来看，当KD分别置为 3、6、9、12、15 时，仿真所得的转桨式水电机组一次调频调节过程有功功率曲线几乎重合，即KD对一次调频过渡过程影响较小。综上可见，积分系数KD对转桨式水电机组一次调频贡献电量比例影响较小，故在实际运行中一般把KD设置为0。

图12 不同KD一次调频有功动作过程

2.2 水头对一次调频贡献电量的影响

置调速器参数Ef=0.05、bP=0.04、KP=9、KI=8、KD=0时，不同水头下一次调频贡献电量比例的计算结果如图13所示，转桨式水电机组一次调频贡献电量比例与水头高低关联性不大。当水头为8.65 m时一次调频贡献电量比例为1.717，水头为16 m时一次调频贡献电量比例为3.597。水头为21 m时一次调频贡献电量比例为3.573，水头为31.5 m时一次调频贡献电量比例为0.982。

图13 不同水头一次调频贡献电量比例对比

由于在导叶初始开度为75%时+0.15 Hz的阶跃频差影响下，各水头下调速器控制导叶开度变化是一致的，但是结合图14分析，其桨叶开度变化是有差异的：16 m水头时，桨叶开度随导叶开度变化的幅度最大（桨叶开度由12.6%关至5.6%，变化了7%），因此其一次调频贡献电量比例最大；31.5 m水头时，桨叶开度随导叶开度变化的幅度最小（桨叶开度由97.6%关至96.6%，仅变化1%），因此其一次调频贡献电量比例最小。即转桨式水电机组一次调频贡献电量比例的大小与水头的高低无直接关系，而是与各水头下的导叶、桨叶协联关系相关，协联关系曲线越陡，一次调频贡献电量比例越大。

（2）撰写技术指导原则规定，抗菌药说明书中应“提供抗菌药体外敏感性试验结果。敏感性试验资料应包括试验方法、敏感性试验结果解释标准和质量控制。”我国的说明书没有提供这方面的完整资料，而英文说明书则较完善地提供了这方面的资料。

图14 不同水头下导叶桨叶协联关系图

2.3 一次调频动作时长对贡献电量的影响

在31.5 m水头下，置调速器参数Ef=0.05、bP=0.04、KP=9、KI=8、KD=0时，不同一次调频动作时长（积分计算时长）的一次调频贡献电量比例的计算结果如图15所示。一次调频贡献电量比例随着一次调频动作时长（积分计算时长）的增大而增大，呈弧形变化。当一次调频动作时长为10 s时，其一次调频贡献电量比例为0.323，当一次调频动作时长为15 s时，其一次调频贡献电量比例为0.558，当一次调频动作时长为30 s时，其一次调频贡献电量比例为0.838，而当一次调频动作时长为60 s时，其一次调频贡献电量比例则增加至0.982。

图15 不同动作时长一次调频贡献电量比例对比

上述数据变化趋势表明转桨式水电机组一次调频贡献电量比例随着一次调频动作时长（积分计算时长）的影响较大，一次调频动作时长越大一次调频贡献电量比例越大。

3 结论

本文通过建立转桨式水电机组模型开展了一次调频贡献电量的影响因素的分析研究。主要结论如下：

（1）减小一次调频人工频率死区Ef、减小永态转差系数bP均可有效增加转桨式水电机组的一次调频贡献电量比例。减小一次调频人工频率死区Ef，转桨式水电机组一次调频贡献比例呈线性递增规律；增大永态转差系数bP，转桨式水电机组一次调频贡献比例随之减小，并呈下抛物线状。但考虑到一次调频动作频繁对设备寿命的影响以及对系统稳定性的影响，不宜将这两个参数值设置过小。

（2）增大KP、KI，转桨式水电机组一次调频贡献电量比例均增大，但KI对一次调频贡献电量比例影响较大。随着KP的增大，转桨式水电机组一次调频贡献比例随之线性微弱增大；随着KI的增大，转桨式水电机组一次调频贡献比例随之增大，并呈上抛物线状。

（3）积分系数KD对转桨式水电机组一次调频贡献电量比例影响较小，且当KD取值为0时一次调频贡献电量比例最大，故在实际运行中一般把KD设置为0。

（4）转桨式水电机组一次调频贡献电量比例的大小与水头的高低无直接关系，而是与各水头下的导叶、桨叶协联关系相关，协联关系曲线越陡，一次调频贡献电量比例越大。

（5）转桨式水电机组一次调频贡献电量比例随着一次调频动作时长（积分计算时长）的影响较大，一次调频动作时长越大一次调频贡献电量比例越大。

综上，本文研究明确了调速器参数和水头、一次调频动作时长对转桨式水电机组一次调频贡献电量的影响规律。在生产实践中，可以此为指导优化转桨式水电机组一次调频运行质量，提高一次调频贡献电量达标率。