大藤峡电厂7 号机组一次调频相关试验

程俊才，周精明，陈 晗

（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 南宁 537226）

1 引言

电网频率必须稳定于额定频率（50 Hz）附近，过高或过低的频率都会对电力系统产生危害，对于用户：电网频率过高或过低不仅会损坏电器而且会因电动机转速的变化，影响精加工产品的加工质量；对于发电及变电系统：当电网频率较低时变压器的励磁电流和铁磁损耗也会增加，在同等负荷下变压器的温度有所增高，为满足变压器稳定运行必须降低其负荷。

一次调频是水轮发电机组自动动作的一个过程，是相对电网额定频率而言的，当电网负荷产生变化实时电网频率与额定电网频率产生偏差（不论是大于还是小于）且大于频率死区后，水轮发电机组便会自动调节，根据频率偏差Δf与永态转差系数bp成反比的关系，通过增加或者减少水轮机活动导叶的开度从而改变有功功率进而减小实时电网频率与额定电网频率的偏差，这个过程称为调速器系统一次调频自动动作过程。在电网频率出现波动时,机组一次调频功能的发挥对电网频率的稳定起到非常重要的作用[1]。

2 一次调频技术要求

因水电机组相对火电机组调节过程简单、调节幅度大、可调节范围宽等优点；相对容量较小不能满足电网基荷等缺点在电力系统中主要承担调频、调峰任务。在电网突然发生重大负荷波动时，水电机组一次调频在毫秒级别内作出反应提供有功功率支援，提高电力系统的稳定性；对于在较短时间内负荷波动的情况可以优化电力系统调度，减小二次调频动作次数。根据《南方区域“两个细则”》,水电机组重要的调频技术指标主要包括以下几个方面：

（1）水轮发电机组一次调频死区应小于等于±0.05 Hz；

（2）水轮发电机组永态转差系数小于等于4%；

（3）当电网频率变化达到一次调频动作值到机组负荷开始变化所需的时间为一次调频的响应滞后时间，应小于或等于3 s；

（4）机组参与一次调频过程中，在电网频率稳定后，机组负荷达到稳定所需的时间为一次调频稳定时间，应小于60 s；

（5）AGC 功能不得和一次调频功能相互冲突[2,3]。

3 调速系统测频回路校准试验

因机组在正常运转时有一个频率死区0.05 Hz,当电网频率与机组频率差值的绝对值小于频率死区时机组正常不动作，但是当电网频率与机组频率差值的绝对值大于死区后一次调频应立即动作。当机组在死区内提前动作或者大于死区后动作过慢或者不动作都会被调度统计为不合格动作,因为调度是在机组频率正好越过死区时才开始统计机组是否可靠动作；如果机组在调度统计前动作，电网考核时就不会认定机组一次调频正常动作,相反如果机组在越过频率死区后动作过慢或者不动作就违反了南方电网两个细则的要求，所以必须在一次调频响应滞后时间内动作才算正确动作。这就像军训时踢正步一样，当教练喊出口令时才能动，行动和口令必须保持一致,对于一次调频正确动作来说系统频率偏移0.05 Hz 的瞬间就是系统发出的动作指令,早了晚了都是不合格。这一点是提高动作正确率的关键点，所以调速器系统测频回路的精度也是机组一次调频能否正确动作的一项重要因素[4]。

试验条件：机组停机，调速器综合测试仪工频信号接入调速器电气控制柜机频和网频信号端子上。

试验过程：利用调速器综合测试仪对调速器电气控制柜发送频率信号，在电气控制柜触摸屏上查看相应的频率数值。试验数据见表1。

表1 调速器测频回路校准记录

通过调速器综合测试仪仿真频率与调速系统测频回路进行比对，机组频率和电网频率回路误差在49.900～50.100 Hz 范围内最大误差为0.001 Hz，符合给定50±0.1 Hz 频率范围内的测频误差最大值在0.005 Hz 以内的要求。

4 调速器综合固有死区测定试验

机组在50 Hz 基础上施加正负阶跃频率偏差信号，直到导叶开度及有功功率开始产生相应变化，且一次调频动作开关量发出动作信号，此时的阶跃频率偏差为一次调频动作偏差频率，此频率与设定的人工死区的差值即为调速器系统的固有死区。固有死区的大小也是影响机组一次调频能否正常动作的一项重要因素。

试验条件：机组开机并网并记录当时的有功功率、导叶开度、桨叶开度数值，永态转差系数bp设值4%，试验水头约为16.6 m，调速器系统一次调频动作人工死区设值0.050 Hz。

试验过程：利用调速器仿真仪发出上扰一定量的频率信号，通过录波观察当机组导叶开始响应及一次调频开关量动作时记录调速器机频的频率数值；同理通过发出下扰一定量的频率信号录波观察[5]。

通过波形分析当原动机调速器仿真仪发出频率上扰0.050 Hz 即调速器机组频率为50.050 Hz 时，导叶开始响应动作及一次调频动作开关量发出动作信号；当原动机调速器仿真仪发出频率下扰0.051 Hz 即调速器机组频率为49.949 Hz 时，导叶开始响应动作及一次调频动作开关量发出动作信号。因设定一次调频动作死区为0.050 Hz，可知调速器综合固有死区向上接近为0.000 Hz，机组调速器综合固有死区向下为0.001 Hz。机组综合固有死区波形见图1、图2。

图1 机组综合固有死区上阶跃波形

图2 机组综合固有死区下阶跃波形

通过波形及数据分析可得，机组转速死区ix（迟缓 率）= △f/f0×100%=0.001/50×100%=0.002%；符合“单机容量10 万kW～20 万kW（包括20 万kW），迟缓率小于0.1%的要求”。

5 永态转差系数bp 校验试验

试验条件：进水口闸门、尾水闸门全关流道无水；永态转差系数设值为4%；导叶开限100%；导叶开度50%；模拟机组大网发电态。

试验过程：

（1）机组仿真仪的导叶开度反馈、桨叶开度反馈、机组机频信号、有功功率信号、一次调频动作信号分别接到调速器电气控制柜的对应端子上；

（2）用短接线短接调速器电气控制柜的开机令并松开；

（3）用短接线短接调速器系统的断路器合闸令并保持模拟机组大网发电态；

（4）将机组仿真仪频率从50.000 Hz 开始，以0.10 Hz 的步长递增使导叶全关后，再以同样的步长递减使导叶全开，其中每间隔0.10 Hz 记录一次机组频率和相应导叶开度值。永态转差系数波形见图3。

图3 bp=4%时静态特性试验波形

永态转差系数的计算方法为图3 所示的斜率：bp=-×100%=4.00%

6 一次调频试验

试验条件：机组运行平稳，bP=4%,Kp=5%，Ki=4，Kd=0，调速器系统人工死区设为±0.05 Hz。

试验过程：

（1）机组仿真仪的导叶开度反馈、桨叶开度反馈、机组机频信号、有功功率信号、一次调频动作信号分别接到调速器电气控制柜的对应端子上；

（2）机组开机并网发电；

（3）在给定机组仿真仪50 Hz 频率基础上，给调速器分别施加±0.1 Hz、±0.15 Hz、±0.2 Hz 的阶跃频率扰动信号，每个信号保持60 s 以上，用以检查一次调频负荷响应滞后时间是否小于3 s；电网频率变化超过机组一次调频死区时是否在60 s 内实际出力达到稳定值，试验过程全程录波。以±0.1 Hz为例波形见图4。

图4 一次调频试验波形

7 一次调频策略

根据一次调频策略一次调频调节过程如下：

如果一次调频功能投入=1 且频率偏差大于频率死区，一次调频将动作；调节量计算公式如下：

Y=-（（Δf）/50）/0.04）×100%

其中，0.04 为上述实验得出的永态转差系数bp，一般设置为4%；Δf为超过死区部分的频差；Y为一次调频调节产生的开度。

8 一次调频与监控联调试验

试验条件：机组调速器与监控系统间通信已建立完备能正常下发有功增加和减小令；永态转差系数bp设值为4%、比例增益Kp设值为5%、积分增益Ki设值为4、微分增益Kd设值为0；试验水头约为16.6 m；调速器系统人工死区设值为±0.049 Hz。

试验过程：机组带初始有功功率85 MW，在16.344 s，由调速器系统仿真仪出发-0.10 Hz 的频差信号使机组一次调频动作，机组有功随即增加，当第35.343 s，由监控发出7 号机组有功功率减小至60 MW 的减小令，机组有功随即呈阶梯状减小，第76.693 s，机组有功稳定在62.492 MW，当第100.441 s由调速器仿真仪发出+0.10 Hz 频差信号使一次调频复归，有功功率继续减小，第118.741 s 机组有功功率稳定在58.589 MW[5]。一次调频与监控系统联调波形见图5。

图5 一次调频与监控系统联调波形

通过现场试验和波形分析，当机组执行一次调频指令过程中，遇到监控系统调节指令时，机组能够正确执行监控的调节指令；机组执行监控有功调节过程中，一次调频也能够正常动作和复归，即一次调频和监控有功调节互不干扰。满足《南方区域发电厂并网运行管理实施细则》中AGC 功能不得和一次调频功能相互冲突。

9 跟踪电网频率响应运行试验

试验条件：永态转差系数bp设值为4%、比例增益Kp设值为5%、积分增益Ki设值为4、微分增益Kd设值为0；试验水头约为16.6 m；因试验时电网频率相对稳定，调速器一次调频死区设值为±0.015 Hz。

试验过程：通过仿真仪对电网频率、有功功率、导叶开度信号进行实时录波，记录电网频率越过一次调频死区（50±0.015 Hz）时调速器的工作情况。跟踪电网频率响应运行试验波形见图6。

图6 跟踪电网频率响应运行试验波形

通过真实跟踪电网频率验证调速器一次调频功能能够根据电网频率的变化而正确执行逻辑功能。

10 主要试验结论

（1）大藤峡电厂7 号机组一次调频死区设值为±0.05 Hz；

（2）大藤峡电厂7 号机组永态转差系数设值4%；

（3）根据一次调频试验测得一次调频的响应滞后平均时间为1.06 s，满足《南方区域“两个细则”》中小于等于3 s 的要求；一次调频稳定平均时间为28.097 5 s，满足《南方区域“两个细则”》中小于等于60 s 的要求；

（4）目前大藤峡电厂还在建设期，AGC 功能暂未投入。

11 总结

根据一次调频波形分析，大藤峡电厂7 号机组一次调频功能完备，机组的一次调频功能各实测性能指标满足《南方区域“两个细则”》一次调频要求。通过机组试验期间对一次调频的跟踪调试，对调速器系统有了进一步的认识。