水布垭电厂调速器一次调频控制程序分析与优化

郑艳梅，饶士立

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

水布垭水力发电厂位于清江中游的巴东县水布垭镇，共有4台水轮发电机组，单机容量460 MW，装机容量1 840 MW，是湖北电网调峰调频主力。目前4台机组一次调频的人工死区为±0.05 Hz。2017年5月，水布垭电厂4台机组在进行一次调频复核试验时，一次调频动作正确、响应及时，但一次调频贡献电量不足且不合格。目前电网对供电电能质量要求越来越高，一次调频功能已纳入电网辅助服务考核，一次调频贡献电量不足将被电网考核。2017年4月，电网出现2次大的频率波动，水布垭电厂每台机组的一次调频贡献电量两次均不合格且被电网考核，产生了一定的经济损失。

1 原因分析

由图1并查阅文献[1]可知，水布垭电厂机组调速器控制模型为串联型PID结构。水布垭电厂调速器正常工作于开度控制方式，此调节方式下一次调频调节量以导叶开度为叠加量形成闭环控制，而开度叠加量仅依据调节频差计算，未考虑水头和其他因素的影响，即任何水头下均以相同开度调节量叠加。一次调频调节量在不同水头不同调节频差下的有功功率调节量存在较大差异。水布垭电厂机组历年来的水头变化与防汛要求是相一致的。每年3月，水库开始降低水位，全年的最低水位大概在6～9月底；汛期结束，大概从10月中旬开始抬升水位，直至11月中下旬，全年的最高水位大概11月底～第二年的3月。水头的变化对机组负荷和一次调频的效果有很明显的影响因素。根据湖北清江水布垭水力发电厂1～4号机组一次调频试验报告，2013年11～12月，中国电力科学研究院进行水布垭电厂机组的水轮机及其调节系统模型参数测试期间的水头大概在额定水头185 m，而在2017年，一次调频复核性试验期间的水头只有175 m，参数优化前的频率阶跃扰动检查性试验中的调差率均不合格。除此之外，2017年4月，电网出现2次大的频率波动，水布垭电厂每台机组的一次调频贡献电量两次均不合格，查询当时水头仅为170 m，与机组额定水头185 m有一定差距。参考文献[2]和[3]，并在前述分析基础上，得出结论：在调速器的一次调频调节算法中，需考虑水头的变化。

图1 水布垭电厂机组一次调频控制模型原理图

同时，在频率阶跃扰动试验过程中，发现水轮机组导叶接力器的动作初始阶段的机械阻尼比较大，小频差扰动引起的功率变化小于等比例条件下的大频差引起的功率变化。因此，也要考虑小频差下的功率变化幅度问题。

2 优化处理

由上分析，确定了水布垭电厂四台机组调速器控制逻辑修改原则：

1)保持基本的调速器参数不变，以便保证AGC能够稳定运行；

2)一次调频逻辑要考虑水头的变化；

3)一次调频逻辑要考虑小频差下的功率变化幅度问题。

修改后的调速器的一次调频控制逻辑图如图2所示，增加了两个函数环节，其他参数均未修改，F1(X)为频差修正系数，F2(X)为水头修正系数；修改各机组调速器电气柜程序中一次调频调节算法，对调速器负载开度模式下的一次调频开度叠加量乘以系数予以适当放大，以满足调节要求。考虑到水头和调节频差差异的影响，放大系数由频差修正系数F1(X)和水头修正系数F2(X)相乘得出。

图2 优化后的机组一次调频控制模型原理图

将4台机组的一次调频频差绝对值Δf(已减去频率死区0.05 Hz)，依据文献[4]要求，按以下分段：0<Δf<0.05 Hz，0.05 Hz≤Δf<0.1 Hz，Δf≥0.1 Hz或Δf≤0 Hz。相应区间的频差修正系数取值如表1所示。

表1 F1(X)系数取值表

将4台机组水头h以下分段：195 m≤h≤201 m，185 m≤h<195 m，175 m≤h<185 m，175 m≤h<185 m，165 m≤h<175 m，h>201 m或h<153 m。相应区间的水头修正系数取值如表2所示。

表2 F2(X)系数取值表

修改4台机组调速器电气柜A、B套PLC控制程序，将主程序MAST Task下的Incdec子程序段中“%MF54:=%MF56*2.0/%MF110;”语句修改为如下语句：

IF %MW2024<=201 AND %MW2024>=195 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024<195 AND %MW2024>=185 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024<185 AND %MW2024>=175 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024<175 AND %MW2024>=165 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024<165 AND %MW2024>=153 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024>201 OR %MW2024<153 THEN %MF32:=K1;END_IF;

%MF42:=ABS(%MF56);

IF %MF42>0.0 AND %MF42<0.05 THEN %MF49:=K2;END_IF;

IF %MF42>=0.05 AND %MF42<0.1 THEN %MF49:=K2;END_IF;

IF %MF42>=0.1 OR %MF42<=0.0 THEN %MF49:=K2;END_IF;

%MF54:=%MF56*2.0*%MF32*%MF49/%MF110;

上述语句中K1、K2为符号示例，K1为水头修正系数，K2为频差修正系数，修改程序时需以具体常数值代替，具体数值见表1、表2。

各机组程序修改完成后进行通道切换试验，确保机组空载和负载时调节控制功能正常。经过优化水布垭电厂4台机组调速器一次调频控制逻辑后，水布垭电厂机组运行至今，没有再出现一次调频贡献电量不合格的情况，避免了被电网考核，挽回了电厂的经济损失，为电网的频率稳定做出应有的贡献。

3 结 语

一次调频功能是水轮发电机组的必备功能之一，因此调速器一次调频控制逻辑的完善与否至关重要，直接关系到机组一次调频能否正确动作，一次调频贡献电量是否合格，对维持电网的频率稳定影响巨大。同时，相应的机组频率测量精度、导叶开度测量精度、机组有功功率测量精度也会对机组的一次调频能力产生影响。只有当机组的测量元件的硬件性能和软件设计均符合相关标准要求时，才能保证机组的一次调频性能满足相关技术指标。