云南电网异步运行后大型水电机组一次调频过程中积分电量的计算

王浩，何常胜

（云南电力试验研究院（集团）有限公司，云南 昆明 650217）

0 前言

云南电网异步运行期间，各大型水电机组均采用较小的调速系统一次调频参数，调频时间变慢，且一次调频动作更为频繁。机组在一次调频调节过程当中，其实际积分电量会受调速系统一次调频参数、频率变化量等因素的影响而不达标，各水电厂也因此频繁受到考核。

本文以云南某大型水电机组的一次调频过程为例，对其实际积分电量和理论积分电量展开研究，从机组实际运行现状出发揭示其原因，并对两个细则辅助服务一次调频考核的完善提出建议。

1 试验过程

某水电站立轴混流式机组，单机容量700 MW，额定水头197 m，一次调频频率死区0.05 Hz，水轮机调节系统调差率ep=4%，调速系统控制模式为功率模式。

试验水头217.8 m，机组带525 MW 负荷运行，单机AGC 退出，通过外接试验设备对调速器施加±0.07 Hz、±0.08 Hz、±0.15 Hz 频率阶跃信号，记录机组频率、导叶开度、有功功率波形。如图1、图2、图3 所示。

图1 功率模式下525 MW负荷时±0.07 Hz频率阶跃录波图

图2 功率模式下525 MW负荷时±0.08 Hz频率阶跃录波图

图3 功率模式下525 MW负荷时±0.15 Hz频率阶跃录波图

该电站调速系统采用功率模式，以实际功率作为反馈量进行调节，从图1 可以看出，当频率阶跃为±0.07 Hz 时，超过频率死区0.02 Hz，频差较小，理论有功功率的动作量也较小，而实际机组功率是在功率死区范围内的波动值，机组功率的波动性使其作为反馈量会影响到一次调频的精度，使得导叶开度的动作量及调节的速率变慢，有功功率的响应及调节速率较慢。

当频率阶跃为±0.08 Hz 及±0.15 Hz 时，频差相对较大，理论有功功率和导叶的调节量较大，动作效果更为明显，从图2 和图3 也可以看出，导叶开度及有功功率的响应及调节速率明显加快。

2 积分电量计算

2.1 积分电量计算

理论积分电量按如下公式进行计算：

其中，Qr为理论积分电量（ 单位：kW·h）；Δf为频率偏差；Pr为机组额定功率（单位：kW）；fr为额定频率；ep为水轮机调节系统调差率。

通过将录波数据中的频率试验数据导入Matlab 软件中，利用上述公式计算理论积分电量。

实际积分电量按如下公式进行计算：

其中，Qt为实际积分电量（ 单位：kW·h）；t0为频率偏差超过频率死区的时刻；Pt为机组实时功率（单位：kW）；P0为t0时刻机组有功功率（单位：kW）。

通过将录波数据中的时间和有功功率试验数据导入Matlab 软件中，计算当实际有功功率开始变化至稳定时的功率积分量。

2.2 积分电量的计算结果

3 结果分析

3.1 一次调频考核依据

南方区域“两个细则”（2020 版）中根据系统频率波动频次及频差大小，分小扰动和大扰动分别进行考核，频差界限取0.06 Hz。

对小扰动，在一次调频评价考核周期内，仅考核一次调频实际出力变化量与系统频率偏差数值的正负号是否匹配，若高频减出力或低频增出力，则记为合格。

对大扰动，采用分段考核方式，以2 min为一个考核时段，当系统频率超出一次调频死区30 s、60 s、120 s 以内时，若实际出力变化量与系统频率偏差数值的正负号相反（高频减出力或低频增出力）且一次调频实际动作的积分电量与理论动作积分电量的比值分别大于30%、50%、80%，统计为合格。

3.2 积分电量计算结果分析

由公式（1）（2）可以看出，理论积分电量随频差而改变，实际积分电量是机组有功功率随时间的积分值。

以给定频率扰动+0.07 Hz 为例，由图4 可以看出机组理论积分电量为一条直线，而实际积分电量是与直线偏差较大的曲线。一方面，这是由于水电机组的调节系统有较强的滞后性，水锤现象导致的功率反调使得水电机组一次调频过程中存在功率响应滞后现象，其时间通常为频率发生扰动后的1～3 s；另一方面，频率扰动量较小，对于功率控制模式的机组，其导叶调节速率较慢也会影响功率的调节，这就导致在一次调频期间，机组实际积分电量与理论积分电量会有较大偏差，由表1 可以看出，频率扰动+0.07 Hz 时实际积分电量的占比在30 s、60 s、120 s 时分别为10.02%、28.77%、65.62%，不满足“两个细则”考核标准。

表1 频率上阶跃时积分电量计算结果

图4 功率模式下525 MW负荷时频扰+0.07 Hz

当给定频率扰动增大为+0.08 Hz、+0.15 Hz 时，虽然实际积分电量在一次调频初期也会受到影响，但相较于+0.07 Hz 时，随着频差的增大，导叶开度及有功功率的响应及调节速率明显加快，从图5、图6 可以看出机组实际积分电量曲线更趋近理论积分电量，也更接近直线。由表1 可以看出，+0.08 Hz 时，实际积分电量的占比在30 s、60 s、120 s 时分别为38.77%、53.46%、70.06%；+0.15 Hz 时，分别为57.26%、72.61%、84.16%，基本满足“两个细则”考核标准。

图5 功率模式下525 MW负荷时频扰+0.08 Hz

图6 功率模式下525 MW负荷时频扰+0.15 Hz

随着频率扰动量的增大，实际积分电量的占比是逐渐提高的。当频差为0.08 Hz 及以上时，机组实际积分电量基本满足“两个细则”考核标准。当频差为0.06 Hz～0.08 Hz 之间时，由于一次调频参数和机组调节系统自身的滞后性，在此频差段内，机组实际积分电量一般很难满足“两个细则”考核标准。

4 结束语

云南电网异步运行后，水力发电机组一次调频动作更为频繁，电网频率波动在±0.07 Hz以内为主，偶尔会超过±0.1 Hz，且一次调频持续时间较短，一般在30 s 以内。而且电网时刻存在无规律的功率波动，在一次调频调节量较小的情况下，也会影响一次调频积分电量。现各大型水电机组调速系统均采用较小的一次调频PID 参数，特别是在频扰较小的一次调频动作时，机组的有功调节速率更慢，导致电厂一次调频积分电量不满足“两个细则”考核标准要求。

目前大型水电厂机组运行时，一次调频积分电量经常因不满足“两个细则”考核标准而受到考核，鉴于当前云南电网实际频率波动及大型水电机组调速系统一次调频PID 参数设置实际情况，笔者认为“两个细则”考核标准中对水电机组一次调频积分电量的考核办法应当进行修正，建议区分小扰动和大扰动的频差界限由0.06 Hz 提高至0.07 Hz 以上。