江西省水电机组一次调频性能优化关键技术研究

齐聪，蒙淑平，鄢波，何钧，吴道平

（1.中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

近年来，江西电网负荷增长较快，但电源结构相对单一，常规能源发电占比较大。特高压入赣后，江西电网作为典型的特高压受端电网，一方面直流闭锁容易导致大量功率缺额带来电网低频的问题；另一方面本地机组开机减少，使得电网的调频能力下降。江西电网的稳定特性将逐步从热稳定和功角稳定问题转变为电网频率稳定问题。所以，发电机组调频功能的有效投运对于保障江西电网有功平衡和频率稳定有着尤为重要的意义[1]。水电机组由于开停机迅速、带负荷速度快、频繁启停机不会消耗过多的能量等优点，在江西电网承担着主要的调频任务。

华中电网为了提高供电质量，分别制定了《华中区域发电厂并网运行管理实施细则》和《华中区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》，其中对水电机组的一次调频的投入率、调节指标的考核标准进行了严格的规定。通过对江西省内统调水电机组的调查，发现大部分水电机组的一次调频性能指标与“两个细则”存在较大的差距。因此，提高江西省统调水电机组的一次调频性能是当前亟待解决的迫切问题。

1 江西省内水电机组一次调频问题研究

目前，江西省大部分水电机组均设计有一次调频功能，但根据省内统调水电机组一次调频性能测试情况来看，机组一次调频性能并不理想。其中，存在两个最突出的问题。

1.1 一次调频控制结构设计存在问题

江西省内水电机组的一次调频功能均设计为由机组的调速系统来实现。机组一次调频主要体现在当系统频率变化超过调节系统的频率死区Ef时，水轮机调节系统将根据频率静态特性（调差特性）所固有的能力，按整定的永态转差系数bp自行改变导叶开度，从而控制改变机组有功功率，进而实现调节电网频率的行为。通用的一次调频控制结构[2]如图1所示。

图1 省内通用的一次调频控制结构框图

其中：Cf－频率给定（50 Hz）；f－机组实测频率；Cy－开度给定（监控系统来）；Ef－人工频率死区；Kp、KI、Kd－控制参数；bp－永态转差系数。

调速器根据频差做出开度调节，由导叶变化引起机组功率变化，一次调频实际的调节对象是导叶开度，但导叶开度引起的有功变化的过程容易受到水头变化、水力、机械等因素的干扰，现有的控制结构要满足一次调频积分电量的考核要求，本身就存在“先天不足”；再加上华中电网“两个细则”中对一次调频的考核指标主要是采用的是“积分电量”，积分电量用来表征频差、机组有功在时间轴上的累积关系，关注的是频率及机组实发功率，没有导叶开度的体现。因此，电厂实际的调节过程和电网要求的目标不一致，实际体现出来的调频实际效果显然不会理想。

而且，和火电厂不同，水电机组的一次调频性能除了要求机组负荷变化速度外，还受到水锤效应的影响。水锤效应的大小，影响了一次调频考核积分电量。但是，目前江西省内水电机组的一次调频设计均未考虑水锤因素及积分电量因素影响。

1.2 现有增强型调频算法存在问题

通过江西省内统计数据分析，水电机组一次调频动作大部分发生在调频死区附近，由于参与计算的频差较小，相应地机组有功变化值不大。目前，江西省很多水电机组为了满足华中电网“两个细则”的考核要求，将算法改为增强型调频算法。

增强型调频算法[3]通过改进机组的一次调频死区特性，将死区值计入功率调节量，当偏差超过调速系统设置的一次调频死区后，不减去频率死区，直接进行后续计算，从而达到提高一次调频的响应特性的目的，其计算框图如图2所示。

图2 增强型调频算法死区计算框图

但是实际运行中，我们发现增强型调频算法忽略了调频死区附近的非线性动力学行为，在调频动作开始时有阶跃变化，若系统频率长时间运行在人工频率死区附近，一次调频会发生频繁动作与复归，此时会造成调速系统液压执行机构的频繁动作，不仅加重元器件的磨损，而且容易导致机组功率发生间歇性波动，严重时可能会引起电网的功率震荡，从而影响电网的安全稳定运行，详见图3。

图3 常规调频与增强型调频动作效果对比

图3是模拟电网频率在死区附近频繁的扰动，常规调频与增强型调频动作对比图。随着频率在死区附近反复波动，普通型一次调频调节量变化不大；而增强型一次调频算法始终有1~2 MW左右的功率波动，且其波动幅度逐渐漂移。造成波动幅度大的原因是增强型一次调频算法的阶跃响应，导致调节开始时动作值阶跃变化，在一次调频复归时，又形成反方向的阶跃反调效果，且功率波动幅度大大高于普通型一次调频算法。幅值的漂移现象是一次调频频繁动作、复归，由于参与调节的液压执行机构死区和调节速度差异累计而造成的。

2 水电机组一次调频性能优化技术研究

为保证水电机组的一次调频性能指标，需要水电机组在一次调频动作时具有较快的调节速度、较短的响应时间及较大的调节深度。文中针对江西省内水电机组一次调频存在问题，拟从以下调节速度和调节深度两方面开展水轮机组一次调频性能关键技术研究。

2.1 水电机组一次调频控制结构优化研究

改善一次调频动态性能指标，即一次调频响应滞后时间及调节速度，首先需要优化机组一次调频控制结构优化，减小机组水锤效应。江西省大部分水电机组采用的是以导叶为控制目标的调节方式，而电网关注一次调频指标是功率，水电机组一次调频控制结构首先需要解决这个问题。

水电机组一次调频控制结构优化调整的原则是“将一次调频的调节对象从导叶开度修改为机组有功功率指令”，由水电机组功率调节器进行闭环调整。由于考核细则和实施标准中，对水电机组一、二次调频的调节速度和精度要求不一致，一次调频要求速度更快，而二次调频相对来讲要求调节精度更高，可以将机组一次调频功率调节器和二次调频功率器分开，两者独立设置，互不影响。

为了减少水锤的影响，需要在导叶初始开启及关闭时相对减慢导叶动作速度。可以通过一次调频功率调节器PID“变参数”的调节手段，实现三段闭环速率。在初始t0阶段，采用较小的Kp、Ki值，使初始调节速度减慢；在中段t0-t1时，加大Kp、Ki值，使导叶调节速度加快；在后段，减小Kp值，Ki值保持适当，相当于“踩刹车”，减少超调量，可适当提高调节精度。为了加快机组一次调频调节速度，可以借鉴前馈控制的思路，将原有的“一次调频导叶控制量”作为调节前馈作用到导叶执行机构上。由于导叶执行机构与水机做功流量不是线性关系，可以将“导叶—流量”自适应回路加到前馈量上。

具体的水电机组一次调频控制结构优化如图4所示。

图4 水电机组一次调频控制结构优化示意图

2.2 改进型增强一次调频算法研究

增强型一次调频算法实质是采用零死区或小死区的方式参与一次调频，提高了机组的一次调频贡献电量，减少了电网调频考核。但从实际的运行效果来看，阶跃型冲击信号将影响电网的调节稳定性。

本节将研究一种改进型增强一次调频算法，采用了基于动态调频死区的设置方法，既能有效提升水电机组参与一次调频的调节深度，减少水电机组因一次调频考核所造成的经济损失，又避免了原有增强型调频算法导致的阶跃变化造成的电网冲击，保证电网安全稳定运行。

本算法的核心是原有的一次调频死区Ef分开，分为一次调频动作死区Efa、一次调频复归死区Efr和一次调频的计算死区Efc。

动作死区Efa根据华中电网“两个细则”及相关标准设定，决定水电机组一次调频响应的起始点，如果调速器检测到水电机组实际的频差|Δf|超过动作死区，则一次调频动作，从而保证水电机组一次调频准确性。

复归死区Efr决定水电机组一次调频响应的停止点，当水电机组一次调频功能投入且动作后，如果调速器检测到水电机组实际的频差|Δf|小于复归死区时，则一次调频停止动作。复归死区可以减少机组在一次调频死区附近反复震荡。

计算死区Efc采用动态柔性跟踪的方式，保证水电机组一次调频过程的调节深度，削弱水击反调和阶跃冲击所带来的调节不稳现象，体现了水电机组一次调频的响应性能。

Efc的跟踪公式：Efc=（1－k1×k2×t）×Efa

k1、k2－频率死区调节系数；

t－频率死区调节时间，t=0…T，T为频率死区调节总时间，T一般可取3 s-8 s。t的初值为0，当t=T时，Efc=1－k1×Efa。

以某水电机组为例，设定水电机组动作死区Efa=0.05 Hz；复归死区设定为Efr=0.045 Hz；跟踪时间T取值8 s，则k2=0.125，调节系数k1取1，则最终跟踪公式为Efc=（－0.006 25t+0.05）Hz。改进型增强一次调频算法动作效果如图5所示。

图5 改进型增强一次调频算法效果对比图

2.3 基于“积分电量动态滚动校正”的一次调频优化方法研究

华中电网“两个细则”对水电机组一次调频的考核主要是采用“积分电量”[4]的考核方法，而现有的调速器调频内部程序算法主要是依据频差—永态转差系数函数进行调整，并没有考虑机组实际的一次调频动作效果。本方法引入“积分电量动态校正”的理念，与常规的一次调频方案相结合，针对考核细则进行一次调频动作过程中的动态调整，提高了机组一次调频的动作达标率，从而达到改善一次调频指标的目的。

该方法的核心是计算“积分电量”指标。积分电量k（实际占比）计算模块如图6所示。

图6 “积分电量”计算模块图

积分电量指标k实时计算，滚动存储，在实际工程应用时，可1 s-2 s计算一次。由于一次调频在“小频差”范围内动作时，积分电量值比较小，时间短，不易进行校正，且由于电网对大频差扰动要求更加严格，所以“积分电量动态校正”主要用于大频差（大于0.08 Hz）一次调频动作。具体的实施步骤如下所示。

第一步：获取水电机组实际频差Δf，若实际频差的绝对值大于0.08 Hz，则判断为大频差一次调频动作动作，反正不动作。

第二步：设置延时时间T。如果T s，一次调频复归，则不动作。否之，进入第三步。设置延时时间是为了防止一次调频频繁动作造成积分电量往复校正。

第三步：判断当前实时积分电量指标k1。如果k1>0.6。则不动作。进入第五步。否之，进入第四步。

第四步：计算积分电量补偿值ΔP1。并将ΔP1叠加到一次调频动作量中，由调节系统快速调节。

ΔP1=α×|He-Hi|/Δt

He—当前时刻理论积分电量；

Hi—当前时刻实际积分电量；

α—补偿电量调整系数（0<α<1）

第五步：等待时间Δt。如果一次调频动作时间t>60 s或者本次调频动作结束，则复归。否则，重新进入实时积分电量指标k1判断。进入第三步。

基于积分电量动态校正的一次调频优化方法针对华中电网“两个细则”的考核指标进行了优化，提高了机组一次调频的动作达标率，从而达到改善机组一次调频性能指标的目的。

3 应用实施效果

以江西省内某台水电机组为例。采用水机调节系统通用的并联PID控制的电子调节器模型。机组参数如表1所示。

表1 某水电机组调节系统控制参数设置

用频率发生器模拟频率fg输出，在该机组上分别应用优化前和优化后的一次调频控制策略，进行一次调频动态指标分析，结果如表2所示。

表2 某水电机组优化前后一次调频算法动态过程性能指标对比

从表2可以看出，经优化后机组调频性能有了较大提高，且贡献电量指标有明显的增长，完全满足华中电网“两个细则”的考核要求，从而验证了优化措施的可行性和有效性。

4 结语

文中根据华中电网“两个细则”中对于水电厂一次调频的要求，分析江西省内机组一次调频存在的典型问题，围绕一次调频控制结构优化设计及改进型增强一次调频算法研究两个关键点，针对性的提出了水电机组一次调频性能优化方法。从现场试验及实际运行效果来看，优化改造的效果良好，对于同类型水电机组具有一定的借鉴作用。