增强型人工频率死区对一次调频响应的影响分析

张海丽，胡挜喆，徐广文

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116；3.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



增强型人工频率死区对一次调频响应的影响分析

张海丽1，胡挜喆2，徐广文3

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116；3.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

针对一次调频人工频率死区设置不当可能影响机组正常运行的情况，依据普通型与增强型人工频率死区的数学模型，分析了采用不同类型人工频率死区时机组的一次调频特性，并利用PSD-BPA暂态稳定程序提供的水轮机调节系统模型进行了仿真。结果表明，增强型人工频率死区不会消减机组一次调频的调节深度，能够提升机组一次调频的响应速动性，但是当一次调频的增强型人工频率死区设值较大，且遇到系统频率在人工频率死区边界频繁波动时，机组负荷会受迫出现明显波动。

增强型；人工频率死区；一次调频；响应

一次调频是指并网运行机组通过其调节系统感知电网频率的变动，调整其所带负荷，使之与外界负荷相平衡，减小电网频率变化的过程。一次调频在频率变动的动态过程中起调节作用，较二次调频响应速度快[1]，是保证电网频率稳定的重要手段。

机组的一次调频能力与调速器的运行方式、调节参数的设置密切相关，当前仍然存在因调速器调节参数的不当设置而严重制约机组一次调频功能有效发挥的现象[2]。2016年1月24日16时28分，南方电网主通道茂蝶、罗马等多回线路发生功率波动。经分析，系统功率波动主要原因是某电厂为提高一次调频响应特性，将机组一次调频的人工频率死区由普通型改为增强型，导致调速器在一次调频死区附近频繁动作，机组功率脉冲阶跃造成强迫振荡[3]。鉴于此，本文基于人工频率死区数学模型，利用数值模拟分析了其对一次调频响应的影响，以期为增强型人工频率死区的应用与分析提供参考。

1　增强型人工频率死区

由于机械传递机构相互之间存在的摩擦和局部间隙，调速器存在一定的转速死区，使得调速器对一定的转速偏差不敏感。为了避免一次调频频繁动作，调速器设有人工频率死区，只有系统频率超出其范围才会发挥一次调频作用，根据频率变化调节机组出力。

由调速器原理可知，影响一次调频动作输出的是一次调频频差。通常情况下，一次调频频差与人工频率死区存在数学关系[4]：

(1)

式中：Δf为一次调频频差，Hz；fn为系统频率，Hz；f0为额定频率，Hz；ef为人工转速频率，数值为人工频率死区范围的一半，Hz。

但有些机组调速器的一次调频频差计算方法与前述不同，如下：

假设f0=50Hz，ef=0.05Hz，fn=50.051Hz，依照式(1)、式(2)算出的Δf分别为0.001Hz和0.051Hz。很显然，若系统频率超出一次调频死区的频率范围，相同系统频率时依照式(2)获得的一次调频频差较式(1)的计算结果大了与ef相等的数值。为了区别，通常将采用式(2)计算一次调频频差的方法称为增强型一次调频频差计算方法，对应的人工频率死区称为增强型人工调频死区[3]。

很显然，若调速器采用增强型人工频率死区，当系统频率刚刚超出人工频率死区的范围时，输入调速器的一次调频频差会有一个数值等于ef的突变。为此，在下一章分析增强型人工频率死区对机组的一次调频造成的影响。

2　采用增强型人工频率死区的一次调频特性分析

先简单说明机组并网后的负荷频率特性，以及普通型一次调频死区的一次调频过程。

根据电力系统的负荷频率特性可知，为了维持系统的稳定，机组并网后的负荷频率特性是有差且下降的，即负荷随系统频率增加而减小。机组并网后，调速器运行模式不同，其静特性的表示方法不一样。调速器为功率模式，则其静特性曲线为功率随系统频率下降的曲线；调速器为机组导叶开度模式，则其静特性曲线为开度随系统频率下降的曲线[5]。

当投入人工频率死区且ef≠0时，机组的静特性曲线会发生变化，且变化会随人工频率死区类型而变，如图1所示。

(a)普通型人工频率死区

(b)增强型人工频率死区Y—导叶开度；Y0—给定的导叶开度。图1　调速器为导叶开度模式时的静特性曲线

图1中，直线AB为未设置人工频率死区且不考虑调速器本身的转速死区时的静特性线。图1(a)展示了普通型人工频率死区对调速器开度模式静特性曲线的影响，静特性曲线由直线AB变为折线1-2-3-4；图1(b)展示的则是增强型人工频率死区对调速器开度模式静特性曲线的影响，静特性曲线由直线AB变为折线A-1′-2′-3′-4′-B。

对比可知，不管人工频率死区是否增强型，只要系统频率在f0±ef内波动，机组功率将一直维持在其开度给定值Y0附近，机组的一次调频功能完全丧失。但是，系统频率波动一旦超过人工频率死区的范围，情况则不一样。

由图1可知，采用普通型人工频率死区时，刚超出人工频率死区范围的频率对应的Y值接近Y0，偏离了无人工频率死区时静特性直线AB上相应频率对应的Y值，且偏离程度与人工频率死区设置相关。采用增强型人工频率死区时，超出人工频率死区范围的频率所对应的开度起点，依旧为无人工频率死区时静特性直线AB上相应频率对应的值。采用普通型人工频率死区时，机组的一次调频深度(机组导叶开度变化量)会随着人工频率死区设置的大小而不同程度地被削弱，但是采用增强型人工频率死区的机组一次调频深度不受此影响。

综上所述，增强型人工频率死区同普通型人工频率死区一样，为机组提供一次调频不灵敏区，同时避免普通型人工频率死区对机组一次调频深度的削弱作用，使系统频率超出一次调频死区范围后的机组静特性与未设置人工频率死区的情况一致。其原因是系统频率超出人工频率死区范围时，采用增强型人工频率死区得出的一次调频频差未剔除人工频率死区，等于给一次调频频差叠加了方向一致且大小等于ef的频率阶跃信号。

3　采用增强人工频率死区的一次调频响应仿真

由前述分析可知，在一次调频初始动作时刻，增强型人工频率死区有增强一次调频频差的作用，这势必影响其后的一次调频响应过程。借助数值仿真技术，可以清晰地观察并分析增强型人工频率死区对一次调频响应过程的影响。

根据PSD-BPA暂态稳定程序，采用其提供的电调类调速器模型中调节系统模型4(GM卡)、电液伺服系统模型(GA卡)和水轮机模型(TW卡)，可搭建用于分析增强型人工频率死区对一次调频响应影响的模型，这也是一种电力系统稳定分析常用的水轮机调节系统模型[6]，如图2所示。

KP—调节器比例增益；KI—调节器积分增益；KD—调节器微分增益；T1V—调节器微分环节时间常数；①—YPID,max，调节器输出上限；②—YPID,min，调节器输出下限；YPID—调节器控制输出；P0—功率给定；bp—永态转差系数；SITYP—模式选择开关的状态(取1为功率模式，取2为开度模式)；SITYP2—开度模式选择开关(此开关在SITYP=2时有效，取0输入信号为导叶开度，取1输入信号为YPID)；Kp—副环PID控制比例增益；Ki—副环PID控制积分增益；Kd—副环PID控制微分增益；③—Ypid,max，副环PID控制输出上限；④—Ypid,min，副环PID控制输出下限；Ty—接力器反应时间常数；⑤—Ymax，导叶开度上限；⑥—Ymin，导叶开度下限；Tw—水流惯性时间常数；P—功率输出；s—拉普拉斯算子。图2　水轮机调节系统模型

对照该模型，查阅实际设备资料，或依据相关规程进行试验，可获得该模型仿真时所需的各项参数，见表1。

将表1数据填入图2所示的模型，即可对采用不同类型人工频率死区的一次调频响应过程进行仿真。实际系统频率是随机变动的且不会突变，进、出人工频率死区范围的过程是缓慢变化的。为便于仿真分析，实际系统频率的这种缓慢变化过程可采用斜率固定的频率斜坡扰动代替。保持人工频率死区设值不变，选择不同类型的人工频率死区，并给水轮机调节系统模型注入相同的频率斜坡扰动进行仿真，可获得图3所示的水轮机调节系统对相同系统频率斜坡扰动的响应过程比对。其中，图3的(a)、(b)、(c)分别展示了采用不同类型人工频率死区的调节器输出、导叶开度和机组负荷对相同系统频率斜坡扰动的响应过程。

表1某水轮机调节系统模型参数

参数数值参数数值bp0.040ef/Hz0.001004KP3.3333KI1.8KD0T1V/s0.1YPID,max1YPID,min0SITYP2SITYP21Kp6Ki0Kd0Ty/s0.784Ypid,max0.17Ypid,min-0.71Ymax1Ymin0Tw/s2.213

(a) 调节器输出

(b) 导叶开度

(c) 机组负荷图3　水轮机调节系统对相同系统频率斜坡扰动的响应

依据调速器原理，开度模式下的永态转差系数等于静特性曲线斜率的负值，即

(3)

式中ΔY为导叶开度变化量。

图3中，系统频率斜坡扰动的终值约为50.098 Hz，由式(1)、式(2)得到的一次调频频差分别为0.048 Hz和0.098 Hz。根据式(3)，计算得到的一次调频调节深度(导叶开度变化量)分别为2.4%和4.9%。对照图3(b)，可知理论计算与仿真结果一致。结合前述分析，这印证了采用增强型人工频率死区的一次调频深度不会被削弱，而采用普通型人工频率死区的一次调频深度会被削弱。

观察初始时刻的一次调频响应，发现采用增强型人工频率死区时，一次调频响应初始时刻的调节器输出与导叶开度均较采用普通型人工频率死区时有较快的变化，且机组负荷有较大的反调。这都是一次调频动作初始时刻增强型人工频率死区给频差叠加的方向一致、大小等于ef的频率阶跃信号所致。

4　结论与建议

综上所述，与采用普通型人工频率死区的情况相反，采用增强型人工频率死区不会削弱一次调频的调节深度，而且会因为在一次调频动作初始时刻增强了频差，从而提升一次调频响应的速动性。但是，增强型人工频率死区对一次调频动作初始时刻的速动性提升作用，会随着人工频率死区设值的变大而增强。若遇到系统频率在人工频率死区附近频繁穿越，这种增强作用则会导致负荷频繁波动，而且功率波动幅度与人工频率死区设值大小成正例。所以，需谨慎设置增强型人工频率死区，并考虑好应对负荷波动的措施。

[1]郑庆平，刘安平.乌溪江水力发电厂一次调频[J]. 水电能源科学，2008，26(2):184-187.

ZHENG Qingping, LIU Anping. Grid Frequency Regulation at Wuxijiang Hydropower Plant[J]. Water Resources and Power, 2008，26(2): 184-187.

[2]李华，张文华.水轮机调速器调节参数对机组一次调频的影响[J]. 西北电力技术，2005，33(3):6-8.

LI Hua, ZHANG Wenhua. Affect of Hydro Turbine Speed Governor Regulating Parameter upon Unit Primary Frequency Regulation[J]. Northwest China Electric Power, 2005，33(3):6-8.

[3]中国南方电网电力调度控制中心.关于加强水电机组一次调频管理的通知[R]. 广州：中国南方电网电力调度控制中心，2016.

[4]徐广文，黄青松，姚泽，等.水电机组一次调频技术参数规范探讨[J]. 水电能源科学，2011，29(3):134-136.

XU Guangwen, HUANG Qingsong, YAO Ze，et al. Discussion on Technical Parameter Specification of Primary Frequency Regulation for Turbine Generator Sets[J]. Water Resources and Power, 2011，29(3):134-136.

[5]魏守平.水轮机调节[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2009.[6]徐广文，张海丽.水电机组一次调频考核起始时刻延迟的影响与对策[J]. 广东电力，2015，28(5):40-43.

XU Guangwen, ZHANG Haili. Influence and Solution of Initial Time Delay of Primary Frequency Regulation Assessment for Hydropower Unit[J]. Guangdong Electric Power, 2015,28(5):40-43.

(编辑霍鹏)

Analysis on Influence of Enhanced Artificial Frequency DeadZoneonPrimaryFrequencyModulationResponse

ZHANG Haili1, HU Yazhe2, XU Guangwen3

(1.ChinaWaterResourcesPearlRiverPlanningSurveying&DesignCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510610; 2.SchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China; 3.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510080,China)

Inallusiontothecasethatimproperconfigurationofartificialfrequencydeadzoneoftheprimaryfrequencymodulation(FM)mayinfluencenormaloperationoftheunit,thispaperanalyzescharacteristicsoftheprimaryFMofunitwhenadoptingdifferenttypesofartificialfrequencydeadzonesrespectivelyaccordingtoordinarymathematicalmodelandenhancedmathematicalmodel.ItalsousesregulatingsystemmodelofthewaterturbineprovidedbyPSD-BPAtransientstabilityprogramforsimulation.TheresultsindicatethattheenhancedartificialfrequencydeadzonewillnotweakenregulatingdepthoftheprimaryFMandisabletopromoteresponsequick-actionofFM,butifthesettingvalueofenhancedartificialfrequencydeadzoneislargerandwhensystemfrequencyfrequentlyfluctuatesattheedgeofartificialfrequencydeadzone,loadoftheunitwillfluctuateobviously.

enhanced;artificialfrequencydeadzone;primaryfrequencymodulation;response

2016-04-19

2016-07-19

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.011

TK730.2

A

1007-290X(2016)08-0056-04

张海丽(1984)，女，江苏泗阳人。工程师，工学硕士，从事水电站机电设计与测试工作。

胡挜喆(1995)，男，江苏盐城人。在读本科生，研究方向为电力系统自动化。

徐广文(1980)，男，江苏盐城人。高级工程师，工学硕士，从事发电机组一次调频性能测试与整定、原动机及其调节系统参数实测与建模等工作。