水电站机组一次调频调节系统优化分析

徐秀英

[摘    要]为提高电网运行稳定性，保证电网有功功率平衡，对原来采用的一次调频调节系统进行了仔细分析研究，在原有控制策略基础上进行了优化。实际运行表明，这种优化后的一次调频控制系统，提高了机组快速响应电网负荷的要求，从而确保了一次调频控制系统的长期、稳定投入。

[关键词]一次调频;调整改造;原因分析;实验

[中图分类号]F426.91;TV74;F426.61 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–0–03

[Abstract]In order to improve the operation stability of power grid and ensure the active power balance of power grid， the original primary frequency regulation system is carefully analyzed and optimized based on the original control strategy. The actual operation shows that the optimized primary frequency regulation control system improves the requirement of quick response to grid load， thus ensuring the long-term and stable operation of the primary frequency regulation control system.

[Keywords]primary frequency modulation; adjustment and transformation; cause analysis; experiment

一次調频功能是动态的保证电网有功功率平衡的手段之一。当电网频率升高时一次调频功能要求机组降低并网有功功率，反之，机组提高并网有功功率。水电站为混流式水轮发电机，一次调频功能通过调整水轮机导叶开度快速响应电网频率变化，保证电网安全经济运行。

1 机组概况

水电站为5台27.5 MW混流式水轮发电机组。发电机型号为SF27.5-40/7600，水轮机型号为HLA801-LJ-336，水轮机调速系统型号为HGS-H21。

2 一次调频原控制策略存在的问题分析

2.1 本区域电网对一次调频机组的要求

（1）一次调频人工死区：水电机组死区控制在±0.05 Hz。

（2）转速不等率：水电机组转速不等率（永态转差率）不大于3%。

（3）一次调频的最大调整负荷限幅：水电机组除振动区和空化区外不设置限幅。

（4）一次调频的响应特性：一次调频的负荷响应滞后时间指运行机组从电网频率越过该机组一次调频的死区开始，到该机组的负荷开始变化所需的时间。

①水电机组：额定水头在50 m以下的水电机组，一次调频响应滞后时间应小于10 s。

②所有机组一次调频的负荷调整幅度应在15s内达到理论计算的一次调频的最大负荷调整幅度的90%。

③在电网频率变化超过机组一次调频死区时开始的45s内，机组实际出力与响应目标偏差的平均值应在理论计算的调整幅度的士5%内。

（5）并网运行机组一次调频月度平均合格率应满足水电机组一次调频平均合格率不小于60%。

（6）一次调频大频差扰动性能考核。

当电网发生频率超过（50+0.1） Hz大频差扰动时，开展机组一次调频专项考核。单次大频差扰动一次调频合格率I大频差应不小于80%，低于80%按200分/次考核。

2.2 一次调频扣分情况及原因

2019年上半年电站一次调频考核、补偿情况如表1所示：

通过查询计算机监控曲线、综合机组运行情况、水库情况分析，主要原因如下。

（1）电站处于电网末端，采集到频率偏差时间比省调统计考核时间晚1 s左右，而大频差一般持续时间为3 s左右，使水电站一次调频动作滞后，响应滞后，有效积分时间短，动作积分电量减少。

（2）电站水库因泥沙淤积已无库容，而电站所有机组均为人工水头，水位变化大。当正常调整负荷后，机组导叶开度不变，水位缓慢下降，机组出力随水位下降而缓慢降低时，若一次调频动作，导叶存在一部分空行程，使得出力响应合格率不能达到80%，同时导致积分电量合格率不能达到80%，严重时甚至不能满足常规扰动时的60%合格率要求。

（3）电站机组都运行在开度模式。一次调频只调节导叶开度，以开度闭环，与两个细则计算时采用的功率存在较大偏差，时常发生一次调频响应后导叶开度明显变化而功率不变的情况，从而导致一次调频性能不合格。开度模式一次调频的动作过程是频差→导叶开度→有功功率的模式。其中，频差→导叶开度这个转换过程，是调速器控制系统检测到频差，归算至对应导叶开度行程并执行的过程;导叶开度→有功功率过程受水轮机工作水头和机组工况（在当前水头下，当前功率所对应最佳导叶开度）影响。

（4）电网调度规定，非当值调度同意，电站有功功率调节不得人工投入。电站机组在人工水头情况下均不能保证在最佳工况运行。特别是在汛期机组满负荷运行时，导叶开度基本都在100%，即便减小5个开度，出力也不会明显变化，这就导致小频率偏差范围出力调节量不足，一次调频合格率不达标。

（5）一次调频动作时，水锤效应突出，抵消了大部分正向积分动作电量，导致一次调频正向动作积分电量不能满足2个细则要求。

3 一次调频功能优化方案

根据上述原因分析，电站做以下参数优化：

（1）采取调整一次调频PID参数增加出力响应正向积分时间、减少水锤效应反向影响。

（2）减小一次调频死区，在同样频差情况下增大功率调节量等措施改善一次调频性能。

经过一段时间的运行观察，以上优化措施效果不明显。

电站根据运行情况对方案做以下调整：

（1）对电站机组一次调频功能进行改造，采用增强型一次调频模式，增加一次调频动作时的积分电量。

（2）调速器厂家根据电站机组实际运行情况设计两套调速器调节模式，根据现场动态性能试验结果，合理地选择调节模式。

（3）电科院根据调速厂家改造后的一次调频功能在不同频差、不同开度工况下进行实验验证，合理设置一次调频参数。

（4）测试、优化调速器频率采集周期及算法，减少一次调频响应滞后时间，提高积分时间、响应速率。

（5）大频差扰动情况，一次调频动作结果以功率闭环为准，一次调频幅度设置为不限幅。

（6）优化参数，尽可能减小水锤对一次调频的反向影响。

4 试验测试

4.1 调速器静态特性试验

4.1.1 测试目的

测量调速器的静态特性，如转速死区[ix]，非线性[%FSR]，校验转差系数[bp]。

4.1.2 测试步骤

（1）确认调速器在自动、发电运行状态。

（2）通过人机界面或面板上的操作开关将导叶开度给定调整至50%。

（3）修改做静特性试验需要参数：①设置开度模式Kp=10，Ki=10，Kd=0，Bp=6%，DB=0;②禁止一次调频功能;③禁止孤网投入功能;④修改水头开度曲线中对应水头的“空载开度”改为5，对应水头的“开度限制”改为99;⑤打开电气开限至99%。

（4）在人机界面中调出“调速器静特性试验”画面，按照提示进行试验。

4.1.3 测试要求

调速器转速死区小于0.02%。

4.1.4 测试结果

bp=5.99%，ix=0.004%，符合要求。

4.2 空载扰动试验

（1）测试目的：通过调整空载PID参数，测试调速器在空载运行时的动态响应性能。

（2）测试步骤：①启动仿真机对机组频率、导叶开度进行录波;②分别施加1%、2%、4%、8%的阶跃至频率给定;③计算调节时间及超调量;④调整空载PID参数。

（3）测试要求：调节PID参数值至最优值。

（4）测试图如图1～图4所示：

一次调频频差扰动量分别在±0.15 Hz、±0.20 Hz时，进行一次调频试验，记录机组负荷变化。实验结果如表2所示。

（5）結果分析：①一次调频固有死区为+0.005 Hz，满足技术导则不大于土0.02 Hz的要求。②一次调频负荷响应滞后时间均不大于1.5 s，满足导则不大于4 s的要求。③90%目标负荷响应时间为5.8～8.8s，满足导则15 s内达到机组响应目标90%的要求。④负荷响应稳定时间为9.8～11.9 s，满足导则30 s内负荷响应稳定的要求。

5 一次调频功能优化后效果

通过调速器厂家和电科院的努力，成功完成对电站一次调频功能的优化。经测试，优化后的一次调频功能均通过标准要求。电站机组一次调频功能优化后，一次调频考核补偿情况见表3。

2020年5月、6月一次调频考核分数81.98分，较同期694.43分减少612.45分，一次调频合格率大幅提升，电站机组功率响应基本满足电网公司要求。

目前机组一次调频功能投入运行正常，该系统的功能优化，为同类型机组及控制系统的优化提供了一种可行模式。

参考文献

[1] 邓育林.岩滩水电站2号机组调速器功率故障原因分析及处理[J].红水河，2020，39（3）：84-87.