华能宝兴河流域电站发电机组一次调频的探讨

高诗华，施德航，方世禄

(四川华能宝兴河水电有限责任公司，四川雅安 625000)

当前，水轮发电机组并入大电网运行已成为主要的运行方式。作为机组频率和机组功率的直接控制设备——水轮机调速器所肩负的一次调频功能的重要性凸现出来。目前四川华能宝兴河流域根据电网要求，所有的水轮发电机组均具有了一次调频功能。笔者以此为基础，对水轮发电机组的一次调频试验展开了一些探讨。

1 一次调频的意义

1.1 水轮发电机组一次调频的定义

一次调频是相对于二次调频而言的。二次调频是指电网从宏观控制、经济运行及电网交换功率控制等方面向水轮发电机组调速系统下达相应的机组目标功率值，从而实现电网范围内的功率/频率控制，此时调速器的目标给定值是被控机组的功率设定值。一次调频是指电网频率发生变化时通过水轮发电机组调速系统的自身“负荷－频率”静态和动态特性对电网进行控制。简单的描述水轮机组调速系统的一次调频功能:就是指在并网发电的状态下，如果频率超过50Hz时，调速系统在没有接受上级设备下发新的定值的情况下，按照“负荷－频率”曲线进行负荷调整，自动下调一定的负荷;当频率低于50Hz时，调速系统在没有接受上级设备下发新的定值的情况下按照“负荷－频率”曲线进行负荷调整，自动上调一定的负荷。机组的一次调频功能对电网和机组的安全稳定运行具有极其重要的作用。

1.2 国家电力调度中心关于电网一次调频对水电机组的主要技术要求

永态转差系数ep为3% ～4%，频率死区Ef=±0.033Hz;相应特性:电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15s内响应机组目标功率，在45s内机组实际功率与目标功率偏差的平均值应在其额定功率的3%范围内;稳定时间应小于1min。但对水电机组参与一次调频的负荷变化幅度不加限制。一次调频功能为必备功能，不得由运行人员切除，不得在开度限制工况下运行。

1.3 四川电网中水轮发电机组的一次调频试验

按华中网调［2005］143号文件规定，要求并入四川电网的机组必须投入一次调频功能。四川电网中的水轮发电机组分三阶段进行一次调频投入工作:第一阶段为100MW以上的水轮发电机组，时间为2005年第四季度，第二阶段为40～100MW的水轮发电机组，时间为2006年第一季度，第三阶段为10～40MW的水轮发电机组，时间为2006年第二季度。我公司下属的雨城电站、铜头电站、小关子电站、硗碛电站先后于2006年至2008年进行了一次调频试验与投入工作。

2 调速器一次调频的动作实现

2.1 调速器的“负荷－频率”关系论述

2.1.1 启动一次调频水轮机组频率死区特性曲线(图1)

当 －0.05＜ΔF'＜0.05Hz时，ΔF=0

当 ΔF'≥0.05Hz时，ΔF=ΔF'－0.05Hz

当 ΔF'≤0.05Hz时，ΔF=ΔF'+0.05Hz

2.1.2 水轮发电机组负载下负荷－频率的关系

图1 一次调频水轮机组频率死区特性曲线图

式中 ep为功率永态差值系数;Pc为机组功率给定;Pg为机组功率;fc为机组频率给定;fg为机组频率;ΔI为负载时积分输入。

对式(2)进行换算，当水轮发电机组稳态运行时，机组功率的算式变为式(3):

当fc=fg，即频率给定和机组频率均为50Hz时:

调速系统一次调频投入以后，如果频率给定fc=50Hz，功率给定Pc在一定的时间内为定值，当一次调频水轮发电机组频率越过频率死区0.033Hz时，新的机组功率值为:

调速系统在一次调频过程中的功率调节量为式(5)和式(4)的差，即:

从式(6)可以看出，当机组频率与机组频率给定值的差值一定时，调速系统一次调频功率的调节量直接取决于永态差值系数。

现在使用的水轮机调速器一般有三种工作模式:频率模式、开度模式和功率模式。功率模式下调速器的永态差值系数为功率永态差值系数ep，在频率模式和开度模式下，调速器的导叶接力器行程永态差值系数为bp，上述式(6)是基于目前负载状态下运用最流行的功率模式推算的，而在频率模式和开度模式下:

式中 fn为电网频率;yc为导叶开度给定;yPID为PID开度给定。

其中yPID的计算情况见图2。

图2 调速器PID结构框图

依据上述，当机组频率和网频(或频率给定)一致时，即机组并入大网稳态运行时，应调节开度给定来调节机组负荷;当机组频率越过一次调频频率死区时，频率给定fc和频率给定fg的差值ΔIf非零，这样，PID开度给定就会向机组频率变化相反的方向变化，以维持动态平衡关系。比如，频率升高，导叶PID开度给定就会减少，机组功率随即相应的减少，从而起到一次调频的作用。

开度模式情况下的一次调频最重要的环节就是功率调节幅值的限定问题。如果仅仅采用功率信号进行简单的输出限制，以最终的调节量来看能够满足要求，但是会带来超调。传统上很多电站机组在并入大网运行的时候采用开度模式运行，对采用比较高端PLC的调速器可以引入“导叶开度-功率”的函数曲线进行调节量动态限制，在实际操作过程中，采用快速启动过程中进行速度限制、提前减速的方式也能有效的进行功率限制，并且调节曲线也很优美，实施中可操作性很强，可以根据试验曲线对调节程序进行比较灵活的处理和修改，很容易达到理想的调节效果。

2.2 四川电网对水轮发电机组一次调频的补充技术要求和参数设定

四川电网委托四川电力试验研究院进行一次调频试验验收工作，在试验要求上，四川电力试验研究院参照了国家电力调度通信中心关于电网一次调频对水电机组调速系统的主要技术要求;在响应时间上，要求15s内必须响应总调节量的90%;同时补充了对水轮发电机组参与一次调频调节幅度的限制条款，要求水电机组参与一次调频的负荷变化幅度不超过机组额定负载的10%。

2.3 一次调频功能实现中需要注意的几个方面

2.3.1 一次调频人工死区的设定

一次调频试验中最重要的参数就是死区。目前水轮发电机组调速系统一次调频试验的死区通常设定为0.033Hz。但是，调速系统本身都有自己的物理死区和随动系统的不准确度。笔者在试验过程中经常发现人工死区设定为0.033Hz，而实际的死区大部分都大于0.033Hz。这一点是可以理解的，因为在负载的情况下，调速系统本身就有一定的死区，而且对于灯泡贯流式和轴流转桨式水轮发电机组其导叶开度的小幅度变化并不一定会引起功率的类似变化。那么，在一次调频试验过程中，可以考虑将人工频率死区在0.03～0.033Hz范围内进行设定，这样的话调速系统的真实频率死区很容易达到0.033Hz。这样设定与国家电力调度通信中心关于一次调频的技术要求并不冲突，只是设定值与真实的测量值之间的偏差而已。

2.3.2 一次调频过程中功率调节控制权紊乱的解决方法

一次调频功能投入后，若机组频率和频率给定的偏差越过了频率死区，一次调频就会启动，调速系统将依据当前的频率自行对功率进行调节。在一次调频动作的过程中，监控系统捕捉到的当前机组功率和功率给定产生了差值，这个差值很有可能就会越过监控系统设定的功率死区。如果此时监控系统的功率控制闭环参与调节有功，就会引起机组功率的双路调节，很容易引起机组的功率振荡。目前比较有效的处理办法是:调速器一次调频动作后，将其一次调频功率控制的启动信号送至监控系统，监控设备一旦捕捉到调速器送过来的这个信号，就会退出功率控制闭环。当调速器一次调频动作完成后，就会断开这个信号，监控系统可以依据该信号的消失重新投入功率控制闭环。还有一个比较常用的办法是:调速器在启动一次调频功率控制后自己屏蔽来自远方的功率控制信号，待一次调频动作完成后，撤销屏蔽功能即可。这两个方法都可以有效的解决一次调频过程中功率调节控制权紊乱的问题。

2.3.3 防止一次调频误动的方法

一次调频是发电机组一项重要的功能，一旦并入大电网发电运行，一次调频功能是一个必须具备的功能。一次调频的动作源就是调速器所测到的频率信号，机组频率信号的测量必须准确且精度高。但是电厂所处的电磁环境比较复杂，特别是一些地下厂房，电磁环境更为恶劣。有些厂房内的调速器控制柜和一些大功率设备距离较近。正是由于这些情况的存在，造成调速系统的机组频率测量环节不可避免地会受到一些电磁干扰，同时也会出现高次谐波。虽然说干扰产生的时间可能非常短，但如果一次调频没有采用误动作判断的处理很容易引起瞬间机组功率大幅度波动。为了防止一次调频误动作，最常规的就是在程序里对频率取样信号进行滤波处理;如果信号源较差的话，还要采用专门的滤波设备进行硬件滤波。滤波完成后，还需要在程序一次调频启动条件中对频率偏差的判断部分进行延时判断，一般采用0.1～0.5s的延时继电器。依据试验情况，该延时基本上不影响一次调频试验的曲线和调节时间，并且能够有效的防止一次调频的误动作。

2.3.4 一次调频试验的 PID参数整定与传统PID参数之间冲突的解决办法

传统上很多基于PLC控制的微机调速器都是采用一套PID参数，在进行一次调频试验的时候肯定要对PID参数进行大幅度的修改。如果在空载的时候还是使用一次调频的PID参数，调速器的空载调节质量就会大大降低，所以，部分调速器在做一次调频试验的时候就需要增加一套负载PID参数。这样的话，一次调频进行的参数整定就不会影响到调速器的空载调节品质。

3 结语

调速器对一次调频的动作控制是很有效的，调节范围非常宽广，参数的设定对一次调频的调节品质影响非常大，只要参数设定合理，一次调频试验的效果是肯定可以出来的。按照上述方法，我公司分别在雨城(轴流转桨式、单机容量20 MW)、铜头(混流式、单机容量20MW)、小关子(混流式、单机容量40MW)、硗碛(混流式、单机容量80MW)、宝兴(混流式、单机容量42MW)等电站进行了一次调频试验并投运成功，这些电站的调速器均采用了当前比较流行的比例伺服阀类、双调节调速器。笔者认为，对于可编程微机调速器PID参数的一般设定按以下方式比较合理:ep=0.04(bp=0.04)，bt=0.08 ～ 0.2，Td=4 ～ 8 s，Tn=0。人工频率死区一般设定为 0.03 ～0.033 Hz(部分地区要求为0.05Hz，可设定为0.045～0.05Hz)。

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