西南电网水电机组一次调频性能与AGC控制策略优化

胡 翔，王 春，杜继成，杨 洋，蒋长江，吴 星，丁仁山，邹 皓

(1.国家电网有限公司西南分部，四川 成都 610041；2.大唐水电科学技术研究院有限公司，四川 成都 610032；3. 雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

西南电网转入异步联网运行后，同步电网规模变小，转动惯量下降，电网频率稳定控制难度大。因此，需要厂网协调配合，发挥网源合力，确保电网安全和清洁能源消纳。异步联网后水电机组调速系统转为小网-开度模式运行[1]，本文主要从水电机组小网开度模式下实测和仿真分析及一次调频与AGC配合策略2个方面，分析小网开度模式下水电机组一次调频动作情况，并给出优化建议，以提高水电机组一次调频能力，保障电网频率控制稳定。

1 异步联网后西南电网一次调频动作情况

异步运行后，西南电网频率波动范围较异步前有所增大，水、火电机组一次调频动作次数较同步联网期间有所增加[2]，分析小网开度模式下水电机组一次调频动作情况，给出优化提升建议，对提高西南电网频率稳定特性和频率质量具有重要意义。

1.1 一次调频单独动作(AGC不动作)

2020年3月16日08∶38∶50二滩水电站1～5号机组一次调频动作情况为：频率极值49.908 Hz，导叶最大值16.964%，导叶最小值16.437%，导叶理论动作量4.60%，实际动作量0.527%，功率变化量约4 MW，动作曲线如图1所示。

图1 1号机组动作曲线(2020年3月16日)

从一次调频动作统计情况分析，一次调频动作持续时间在30 s左右，受死区和PID参数影响机组一次调频实际动作量较小。电网频率在实际运行中是动态变化的，控制系统实际调节过程需要一定的时间，在机组控制系统未调节到目标值时，电网频率又发生了变化或者复归到频率死区内，一次调频时间短，调频动作量不足[3]；因此如何在小网开度模式下优化一次调频性能，增加调频能力是本文研究的重点。

1.2 一次调频与AGC同时动作

2020年3月1日 21∶52∶16二滩水电站1、5号机组AGC动作，21∶52∶22一次调频动作，1号机组AGC有功设定值为467.33 MW，5号机有功设定值为460.00 MW，一次调频理论动作量约7.3 MW，一次调频动作时导叶开度有明显变化，但动作时间较短，在AGC调节期间复归，功率动态变化过程中无法计算一次调频动作量[4]，动作曲线如图2所示。

图2 1号机组动作曲线(2020年3月1日)

在一次调频与AGC同时动作时，一次调频动作输出PID正常调节，但最终功率会被AGC功率调节通过导叶给定拉回，最后的调节结果为AGC的设定调节量，一次调频动作量为0，导致一次调频动作量减小，无法达到一次调频有效贡献电量的要求；因此对一次调频与AGC配合逻辑关系优化，使其在同时动作时，能可靠叠加，互不影响，成为一次调频与AGC配合逻辑关系的难点。

2 小网开度模式调节特性

2.1 当前调速系统控制模式

2.1.1 调速系统

水电机组调速器运行于小网开度模式(比例P=2.5，积分I=0.8，微分D=0)，一次调频特性发生了变化，调速系统PID调节框图如图3所示。

图3 调速系统PID调节示意

假设输入为频差F，输出为功率P，其传递函数为(KD=0)

(1)

式中，KP为比例系数；KI为积分系数；bp为永态转差系数；s为拉普拉斯算子。

其阶跃输入响应为

(2)

小网-开度模式阶跃输入响应

(3)

其微分方程为

P=f*(25-22.5*e-0.032t)

(4)

根据微分方程可看出，调速系统调节规律为指数衰减，其衰减速率主要受指数(-bp*KI)影响，bp*KI越大，衰减速率快，调节速率快，反之，调节速率慢。

2.1.2 水轮机

水轮机受水流惯性时间常数Tw影响，在机组导叶开度变化后，机组功率存在一定滞后时间和一定程度反调节量，滞后时间影响一次调频动作速率，反调节量影响一次调频对电网贡献电量，在调频动作初期贡献电量为负，使电网频率稳定性变差，水轮机模型简化为刚性水击模型：

(5)

式中，P为水轮机功率；Y为导叶开度，a、b为修正系数[5]。

其对阶跃输入响应

(6)

其微分方程为

P=1-e-t/b*Tw*(a+b)/b

(7)

其中，a=1、b=0.5(刚性水轮机模型参数)；机组实际参数Tw=1.2 s。

2.2 小网开度模式下仿真分析

二滩电站异步联网后采用小网-开度模式，一次调频参数比例P=2.5，积分I=0.8，微分D=0[6]，通过对调速系统建模仿真计算，分析异步联网后小网开度模式下调速系统性能，仿真计算[7]如图4所示。

图4 不同频率阶跃响应仿真

根据仿真计算结果，小网开度模式下15 s调整相对量平均为40.64%[8]，调节量达90%平均时间为70.65 s，调节稳定时间为92.37 s。小网-开度模式调频特性呈现调节速率慢，稳定时间长，在短时间内响应量小的特点，有利于系统稳定。

2.3 小网开度模式数据实测分析

对二滩电站机组进行现场数据实测，结果见图5。

图5 小网-开度模式频率扰动

根据现场试验及仿真数据，实测小网开度模式下实际动作量与理论动作量基本一致，动作稳定时间与仿真结果基本一致，小网-开度模式稳定时间129 s，调节速率较慢[9-11]，有利于系统稳定。

对目前二滩电站所采用小网-开度模式参数进行了频率阶跃仿真计算，并进行了现场数据实测，结果如图4、5所示，小网-开度参数调频速率较慢，15 s内调节量为40.64%，调节稳定时间92.37 s[12-14]，调速系统调节速率较慢，有利于系统稳定。

3 AGC对一次调频性能的影响

在机组实际运行过程中，一次调频与监控系统AGC(调度指令或电站指令)可能同时参与调节[15]，机组一次调频动作量(导叶开度)会被监控系统AGC拉回(控制功率)，影响机组一次调频性能[16]，因此一次调频与监控系统AGC配合逻辑关系是研究的重点之一，监控系统AGC与一次调频控制框图如图6所示。

图6 AGC与一次调频控制框图

3.1 目前一次调频与AGC配合逻辑分析

各水电站在监控系统AGC无新下发值时，一次调频正常动作，监控系统不影响一次调频动作；监控系统有新AGC下发值时，AGC与一次调频共同调节[17-18]，仿真计算结果如图7所示，仿真计算数据如表1所示。

表1 一次调频与AGC同时动作分析

图7 一次调频与AGC仿真计算结果

根据仿真计算结果，在开度模式下，水轮机一次调频反馈量为导叶开度，为小闭环调节(开度闭环)，AGC调节反馈量为机组功率，为大闭环调节(功率闭环)；在其共同控制时，机组一次调频通过PID正常计算控制输出，但AGC调节通过机组功率反馈调节调速器开度给定使机组功率反馈与功率给定一致，共同调节的最终结果就是小闭环无调节量，大闭环正常调节，在这种逻辑下功率最终响应值为AGC设定值，一次调频调节量为0。

3.2 一次调频与AGC配合逻辑优化分析

经对水轮机一次调频与AGC控制逻辑进行深入研究，并进行大量仿真计算和实际实测验证后，对水轮机一次调频与AGC配合逻辑进行了优化调整。

(1)当机组频率超过死区，机组一次调频动作时，调速器按照有效频差Δf通过永态转差系数Bp计算得到对应的导叶开度调节量控制导叶的增减，同时调速器实时将有效频差Δf通过调差率Ep(Ep为3%)计算得到的功率调节量ΔP送至监控系统，监控系统将ΔP乘修正系数(4/3)修正后得到ΔP1叠加至开度模式AGC的功率设定值上，若一次调频动作期间AGC无新下发值，则闭锁监控系统至调速器控制系统的增减导叶开度给定脉冲信号，当一次调频动作复归30 s后，解除该闭锁；若一次调频动作期间，AGC有新下发值，则监控系统将ΔP1与AGC下发值叠加，发出增减导叶给定脉动信号，一次调频和AGC相互叠加，共同调节，逻辑关系如公式8、图8，仿真计算结果如图9所示。

图8 一次调频与AGC配合逻辑示意

图9 AGC与一次调频叠加

(8)

(2)当电厂侧系统频率偏差较大时，始终保持对AGC反向闭锁功能，即当频差≥0.1 Hz，闭锁AGC增负荷指令；反之，闭锁AGC减负荷指令。

AGC与一次调频同时动作分析，AGC动作量为+5%，一次调频动作量为+2.5%，稳定后动作量为+7.5%；AGC动作量为+5%，一次调频动作量为-2.5%，稳定后动作量为+2.5%；频差经过调差率和修正系数后得到ΔP1，并与监控系统AGC调节量叠加计算，在一次调频初期一次调频与监控系统AGC同时调节，但监控系统调节反馈为机组有功功率，根据功率反馈实时调节导叶开度，在稳态时最终调节量为监控AGC控制量，实现了一次调频与AGC控制量的叠加。

调差率Ep(Ep为3%)及修正系数(4/3)应与实际值相符，且应充分考虑水轮机的非线性关系：机组在不同水头、不同负荷下，相同频差，相同开度，对应的功率变化量不同，调差率应随机组工况变化而动态变化。

如此，充分发挥一次调频动作初期响应的快速性，在频差较大时保证了反向闭锁；频差较小时，若AGC有新指令，则与一次调频叠加响应，若AGC无新指令，则一次调频单独动作，保证AGC与一次调频可靠准确动作。

二滩电站一次调频与AGC叠加逻辑验证结果如图10，表2、3所示。调速器功率模式下，调速器接受监控系统功率给定值，一次调频动作时一次调频动作量(功率)与功率给定值叠加，现场试验结果正常。

表2 开度模式一次调频与AGC叠加

图10 一次调频与AGC叠加

开度模式下，调速器送出频差至监控系统，监控通过频差换算为功率并叠加在功率给定值上，通过脉冲方式控制调速器增减开度，从上表可以看出调速器一次调频动作量为27 MW时，监控系统叠加的一次调频动作量为38 MW(通过频差换算)，调速器与监控系统一次调频动作量不一致：调速器在开度模式下，控制输出为导叶开度，受水轮机非线性

表3 功率模式一次调频与AGC叠加

度影响，相同频差、相同导叶开度在不同负荷段产生的功率变化量不同，但监控系统叠加的一次调频量只与频差有关，出现两者调节量有差异，该差异对电站而言基本无影响，叠加后一次调频贡献电量大于调速器实际一次调频电量，对一次调频考核不会产生影响。

4 结 语

通过建模仿真计算及机组实际一次调频动作分析，目前西南电网水电机组所采用的小网-开度模式频率响应特性特点明显，仿真和实测高度吻合，模型参数有利于系统频率稳定。

机组一次调频动作时，调速器按照有效频差Δf通过永态转差系数Bp计算得到对应的导叶开度调节量控制导叶的增减，同时调速器实时将一次调频动作期间有效频差Δf通过调差率Ep(Ep为3%)计算得到的功率调节量ΔP送至监控系统，监控系统将ΔP乘修正系数(4/3)修正后得到ΔP1叠加至开度模式AGC的功率设定值上，发出增减导叶给定脉动信号，一次调频和AGC实现了相互叠加，共同调节，有利于提高机组一次调频性能，增强电网频率稳定性。

后续将继续建议加强日常运行数据收集整理，从数据挖掘角度分析小网开度模式各环节对调频性能的影响，逐步深入研究小网开度模式下如何兼顾调频性能的进一步提升，更加有利于网源协调交互，提高电网频率质量。