蓄能机组一次调频分析及优化

代 雄

（广州蓄能水电厂，广东 广州 510950）

蓄能机组一次调频分析及优化

代 雄

（广州蓄能水电厂，广东 广州 510950）

介绍了一次调频在电力系统中的作用及广东电网对一次调频技术指标要求，并介绍了PID参数整定方法，对广州蓄能水电厂6号机组调速器PID参数优化进行了阐述。

一次调频；PID参数；整定方法；参数优化

0 引言

发电机组是电力系统的重要组成部分，一次调频功能是发电机组的基础功能之一，对整个系统的安全运行至关重要。如果一次调频响应特性良好，能迅速缓解电网频率的剧烈波动，大大提高电网的频率控制水平和电能质量，降低电网运行风险，提高整个电网运行的安全稳定性、增强电网抗事故能力。

1 一次调频响应特性技术指标

《广东电力系统一次调频运行管理规定》（以下简称《规定》）中要求广东电力系统并网运行机组原则上都应参与一次调频。并且水电机组一次调频响应特性满足以下技术指标：

（1）在电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组响应时间应小于等于3s。

（2）在电网频率变化超过机组一次调频死区时，开始时的15s内机组出力实际调节量应达到机组出力理论最大值的60%以上。

（3）在电网频率变化超过机组一次调频死区后60s内，机组实际出力与响应目标偏差的平均值应达到理论计算的调整幅度的±8%内。

2 蓄能机组调速器简介

广州蓄能水电厂（简称广蓄）总装机容量240万kW，分为A厂和B厂，各安装4台30万kW的水泵水轮发电机组。广蓄B厂机组由德国伏依特公司承制、供货，调速系统采用数字式电气调速器，型号为：VGC2120—3PR，采用单导叶控制，共装有20个电液转换器和20个接力器。逻辑控制单元为为双PLC冗余配置，由PLC1和PLC2完成，单导叶控制单元由PLC3完成，其转速控制环节采用PID调节，功率控制环节采用PI调节。

3 PID控制器参数整定方法

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法主要包括：经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。经验法又叫现场凑试法，即先确定一个调节器的参数值Kp和Ti，通过改变给定值对控制系统施加一个扰动，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变Kp或Ti，再画控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的Kp和Ti就是最佳值。如果调节器是PID三作用式，那么要在整定好的Kp和Ti的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个Td值后，可把整定好的Kp和Ti值减小一点再进行现场凑试，直到Kp、Ti和Td取得最佳值为止。

4 调速器调节模式和参数对应关系

由上述公式可知，一次调频响应稳定条件是Pc=Pg，响应稳定时间与比例增益和积分时间密切相关，增大比例增益或积分时间均可缩短负荷响应时间，提高一次调频响应特性，但二者对一次调频响应特性的影响并不相同。增大比例增益，可以提高调速器速动性，过大会导致调节振荡；增大积分时间，能够提高调速器动作速度，太大亦会降低调节稳定性。

比例增益Kp和积分时间KI与暂态转差系数bt和缓冲时间常数Td的关系如下：

5 调速器PID参数优化静态试验

5.1 试验条件

以广蓄6号机为例，在机组停机，蜗壳静水条件下进行。

5.2 试验接线

在停机状态下完成各接线，包括：“TG2000H发电机组特性和参数综合测试系统”（以下简称“TG2000H测试仪”）输入信号（接力器行程平均反馈、仿真功率反馈），“TG2000H测试仪”输出信号（仿真功率输出、脉冲仿真频率），具体接线如图1：

图1 静态试验接线

5.3 试验方法

分别在预先分析的几组不同功率调节PID参数组合下，给调速器施加正负阶跃（±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2Hz）机频扰动信号，模拟一次调频动作，根据记录的导叶开度、有功功率（“TG2000H测试仪”实时仿真）的响应曲线，测定不同PID参数组合下机组的一次调频性能。根据静态试验结果，选取几组合适的PID参数进行动态试验。

5.4 试验结论

本次试验共选取了9组PID参数进行试验，见表1。根据试验情况分析如下：保持bt不变，减小Td，显著的减小了负荷响应时间，提高了一次调频响应性能，且不对频差超过一次调频死区的调节特性产生影响；保持Td不变，减小bt，亦可以提高一次调频响应性能，但调节初始阶段的导叶动作速度明显加快，详见图2、图3、图4。导叶动作速度太快，幅度太大，不利于负荷稳定，试验时机组功率由TG2000H根据导叶开度线性仿真，无法模拟该现象。因此，为满足《规定》中对于负荷稳定和达调节量60%时间的要求，以降低Td为主，若负荷稳定时间可以满足，而达调节量60%时间不符合要求，则可以辅以调整bt，但需保证调节初始导叶动作幅度和速度不能太大。从静态模拟试验的结果和以往动态试验测得一次调频响应时间来看，决定选取参数一、参数二和参数八分别进行动态试验，从而确定最终的Td和bt值。

表1 选取的9组调速器PID参数

图2 上扰0.1Hz录波图（原始值）

图3 上扰0.10Hz录波图（参数1）

图4 上扰0.10Hz录波图（参数6）

6 调速器PID参数优化动态试验

6.1 试验条件和方法

调速器PID参数优化动态试验在机组发电工况中进行，试验前将机组有功功率、导叶开度反馈平均值、蜗壳压力信号接入“TG2000H测试仪”，将“TG2000H测试仪”的脉冲仿真频率输出接入调速器测速系统。试验方法：分别于额定网频基础上施加正负阶跃（±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2Hz）扰动信号，记录导叶开度、有功功率和蜗壳压力的响应曲线。调速器不同PID参数下的功率调整响应时间见表2。

表2 调速器在不同PID参数下功率达理论调节量60%和达到负荷调整稳定时间对比

6.2 试验结论

本次试验为优化调速器PID参数而选择了3组参数，与调速器的原始参数下一次调频特性进行对比，选出符合《规定》的最优的一组参数作为优化的依据。从试验数据的对比来看，设置第二组参数时，调速器的调节时间较快，调节较稳定，一次调频特性明显好于其他几组参数以及原始参数，因此采用第二组参数作为调速器PID参数。

7 结语

以广蓄6号机组为例，对调速器一次调频相关参数进行了优化，优化后一次调频响应特性明显优于之前状况，其它电厂进行类似参数优化可供参考。

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[2]魏守平.水轮机控制工程[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[3]戴义平，赵婷，高林.发电机组参与电网一次调频的特性研究[J].中国电力，2006，39（11）：37-41.

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1672-5387（2013）05-0021-03

2013-04-17

代 雄（1983-），男，工程师，从事抽水蓄能电厂检修与维护工作。