水电机组一次调频功率模式PID 参数与水头协联机制研究

程 实,翟玉杰,周立成,朱 斌

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

电网频率控制的手段有一次调频、二次调频、高频切机、自动低频减负载和机组低频自启动等，其中一次调频和二次调频与水轮机控制系统有着密切的关系[1]。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[2]。

某巨型水电站机组运行水头变化大，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[3]。该巨型水电站通过程序修改和大量试验，成功解决水头变化对一次调频功率模式调节性能的影响。

1 水电机组一次调频性能指标

（1）水电机组一次调频技术指标[4]

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±0.05 Hz；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。

（2）一次调频阶跃响应的要求

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

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

2 一次调频功率模式

图1 为某巨型水电站调速器功率模式PID 结构框图，功率反馈信号与功率给定信号经谐波处理后，通过功率-开度协联关系曲线将功率信号转化为开度信号，两个开度信号差值与频差信号经bp折算的开度叠加量一起进入PID 模块，其调节量实际为导叶开度，因此，功率限制功能无法准确控制调速器在一次调频动作时所收到的真实功率给定值。

图1 功率模式PID 框图

由于功率-开度协联曲线与水头相关联，功率模式下调差率ep是通过功率-开度协联曲线与bp折算而成。电站在丰水期和枯水期，水头变化范围在71～110 m，水头落差较大，因此，机组在不同水头下，相同开度调节量对应的功率调节量不同，将影响一次调频动作后功率目标值，导叶开度的变化速度在不同水头下对应的功率变化速度也不同，将影响一次调频功率调节的速度，最终影响功率达到目标值的调节时间，所以无法保证在整个调节过程都满足一次调频性能指标。

在109.6 m 水头，模拟频率阶跃+0.1 Hz，频差为+0.05 Hz，PID 参数为Kp=12，Ki=2.8，Kd=0。调差率ep折算为1.535%小于3%，调节时间、上升时间、滞后时间均满足《水轮机调节系统并网运行技术导则》（下文简称《导则》）相关要求，一次调频指标如表1 所示。

表1 水头109.6 m 功率模式频率+0.1 Hz 阶跃扰动一次调频指标

在78.1 m 水头，模拟频率阶跃+0.1 Hz，频差为+0.05 Hz，PID 参数为Kp=12，Ki=2.8，Kd=0。调差率ep折算为2.573%小于3%，满足《导则》相关要求，而调节时间、上升时间、滞后时间都不满足，一次调频指标如表2 所示，所以在低水头原PID 参数已无法满足《导则》中关于调节时间的要求，需要重新优选PID 参数，来满足一次调频功率调节速度的要求。

表2 水头78.1 m 功率模式频率+0.1 Hz 阶跃扰动一次调频指标

功率模式下，由于机组水头变化幅度较大，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。

3 一次调频功能优化

为满足一次调频相关要求，需要对调速器程序进行修改，同时还需要进行相关试验，优选各水头下运行参数，为确保本优化方案不会对调速器运行造成不利影响，在不改变原有PID 结构的前提下，对调速器部分程序进行改进。

3.1 功率模式调差率ep 设置

功率模式下调差率ep是通过功率-开度协联曲线与bp折算而成，在水轮机特性曲线的末端相同开度信号变化值对应的负荷变化值越来越小[5]。通过设置bp来间接限制调差率ep的变化范围，修改bp来测试调差率ep在水头71～110 m 之间的变化范围，将调差率ep的变化范围按不大于3%控制。通过现场试验，设置合适的bp值在满足《导则》要求的前提下，使折算得到的调差率ep在全水头都满足《导则》相关要求。

3.2 功率模式一次调频PID 参数与水头协联功能开发

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经过功率- 开度协联关系曲线后，转化为开度信号，由于功率-开度协联曲线与水头协联，所以在功率模式下，根据不同水头需选择不同PID 参数，以满足一次调频性能指标。电站依据调速器PID 结构，已建立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，程序中功率模式一次调频的PID 参数与水头曲线表采用查表算法，如图2所示。其中X_1、X_2、……、X_10 为水头值；Y_1、Y_2、……、Y_10 为PID 参数值。通过一次调频有水试验发现，一套PID 参数可适应5～10 m 水头的变化，因此只需将一次调频功率模式的PID 参数与水头曲线进行查表计算，将30 m 水头变化值，分为3～5 段，通过现场一次调频有水试验测定或水轮机调节系统仿真模型计算，对各水头下的一次调频功率PID 参数进行修订，以满足全水头下一次调频功率模式相关技术导则要求。

图2 一次调频水头-PID 参数查表

如表3 所示，新程序查表算法其中X_IN为当前水头，Y_OUT为查表获得PID 参数值。m1-2为水头X_1 与X_2 水头之间的区间点，m2-3为水头X_2与X_3 水头之间的区间点，水头值进入查表模块，先对其进行水头计算，确定当前水头值对应的水头区间，再将该区间优选后的PID 参数由Y_OUT输出。为方便进行一次调频试验，程序中还设置有一组固定的PID 参数，并可通过使能开关进行切换，如图3 所示。

表3 一次调频水头-PID 参数查表算法

图3 变水头适应式PID 参数Kp 选择框图

3.3 一次调频限幅功能开发

调速器一次调频程序中，在进行频差与功率叠加量折算前，对频差进行限幅，频率限幅0.15 Hz，进而限制一次调频功率叠加量，同时对电气开限进行修改，采用开度限制线严格控制机组在接近满负荷运行时，低频差一次调频动作导致机组过负荷情况的发生，此方法需要重新修订水头开限定值单，而当出现50.15 Hz 这样的大频差时，此方法无法限制机组低功率运行，但一次调频动作时间相对较短，且电网较难出现50.15 Hz 这样的大频率波动，机组短时间处于低功率振动区运行的情况可接受。

4 一次调频动作性能指标分析

程序修改后，在78.1 m 水头，模拟频率阶跃+0.1 Hz，频差为+0.05 Hz，PID 参数为Kp=12，Ki=4.5，Kd=0。进行功率模式下一次调频频率上扰阶跃试验，如图4 所示。首先，其机组功率调节过程存在一个短暂的反调过程，即功率本应向下调节的过程，在初始时刻会先向反方向调节，再向正确方向动作，在数据整理时，将自频差超出一次调频死区开始，至机组有功功率反调后再次回到扰前功率的时间记为滞后时间thx。其次，机组功率调节到稳定功率的过程是一个渐进而非阶跃的过程，机组呈弧线形到达稳定功率，数据整理过程中，算出总的功率变化ΔP，并算出90%ΔP和95%ΔP的值，找到调节过程中自频差超出一次调频死区开始到机组有功功率达到这两个变化量所用时间，即可分别记为t0.9和ts。

图4 功率模式一次调频调节过程

按照所述标准，读图可得该扰动过程相应调节过程的参数如表4 所示，分别对功率模式频率上扰及频率下扰过程统计数据，可得该机组功率模式下的PID 参数均满足国标考核标准。

表4 频率由100%→100.4%过程试验结果

机组一次调频试验结果表明：自主开发的一次调频功能正常，方向明确，人工死区设置0.05 Hz,实测0.053 Hz 满足要求，一次调频滞后时间小于4 s，开度模式12 s 内可达到调节目标90%，24 s 内机组实际出力进入稳定区。功率模式15 s 内可达到调节目标90%，30 s 内机组实际出力进入稳定区，满足涉网试验要求，积分电量考核也满足电网公司相关标准。

5 总结

通过自主研究，开发机组一次调频功能，完全自主设计并实施了调速器核心程序修改。自主开发的一次调频功能经相关试验验证，表明一次调频指令与反馈功能正常，程序结构满足建模标准，开度和功率模式彻底分离且实现无扰切换，一次调频动作方向正确，调节量准确，频率限幅准确，一次调频动作期间超功率保护功能有效。功率模式下PID 不同水头下切换作为备用功能，待进行多水头相关试验后进行PID 参数优选。试验结果证明自主开发的机组一次调频功能，全部通过一次调频建模试验，满足相关标准要求。