混流式水電機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)試驗(yàn)研究

黃燦成

(大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

一次調(diào)頻(PFR)是保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要手段[1]，發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功能可以有效抑制大負(fù)荷擾動(dòng)造成的頻率波動(dòng)[2]，其對(duì)短時(shí)間電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)的調(diào)節(jié)可減少二次調(diào)頻的動(dòng)作，優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度、穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。因此，一次調(diào)頻被列入并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組必須提供的基本輔助服務(wù)之一。由此可見(jiàn)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻是電網(wǎng)大功率擾動(dòng)后保障頻率穩(wěn)定的基礎(chǔ)資源和關(guān)鍵措施，若系統(tǒng)一次調(diào)頻能力有效提升，將降低系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)和大量切負(fù)荷的社會(huì)影響。為此，中國(guó)南網(wǎng)電網(wǎng)提出對(duì)所轄區(qū)域電廠采取措施保障和提升發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻能力以確保電網(wǎng)負(fù)荷、頻率運(yùn)行安全穩(wěn)定。

目前關(guān)于水電機(jī)組一次調(diào)頻的研究大多為調(diào)速器一次調(diào)頻控制程序分析與參數(shù)優(yōu)化或者一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)動(dòng)作等方面[3-8]。然而，水電機(jī)組一次調(diào)頻能力的大小還受水電機(jī)組自身特性及調(diào)速器控制模式差異的影響，部分工況下一次調(diào)頻性能不滿足電網(wǎng)調(diào)度的相關(guān)要求。因此本文以某水電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)不合格的原因，為混流式水電機(jī)組更好地服務(wù)電網(wǎng)提供參考，同時(shí)也為電網(wǎng)優(yōu)化水電機(jī)組一次調(diào)頻制度要求提供參考。

1 一次調(diào)頻試驗(yàn)

1.1 一次調(diào)頻試驗(yàn)內(nèi)容與性能指標(biāo)

依據(jù)中國(guó)南網(wǎng)電網(wǎng)公司機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能指標(biāo)要求及《南方區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》[9]機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能指標(biāo)要求主要包括：①機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)包括死區(qū)測(cè)試、限幅測(cè)試和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試；②試驗(yàn)工況應(yīng)包含60%、75%、90%、100%額定有功功率四個(gè)工況，機(jī)組測(cè)試工況點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)機(jī)組強(qiáng)振動(dòng)區(qū)等非推薦性運(yùn)行區(qū)。需對(duì)機(jī)組不同水頭下的一次調(diào)頻性能驗(yàn)證的，應(yīng)測(cè)試不同水頭下一次調(diào)頻性能；③機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)遲緩率ix(電液調(diào)節(jié)型)：?jiǎn)螜C(jī)容量≤10萬(wàn)kW，遲緩率小于0.15%；單機(jī)容量10～20萬(wàn)kW(包括20萬(wàn)kW)，遲緩率小于0.1%；單機(jī)容量>20萬(wàn)kW，遲緩率小于0.07%；④水電機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率(永態(tài)轉(zhuǎn)差率)不高于 4%；⑤當(dāng)電網(wǎng)頻率變化達(dá)到一次調(diào)頻動(dòng)作值到機(jī)組負(fù)荷開(kāi)始變化所需的時(shí)間TPH為一次調(diào)頻的響應(yīng)滯后時(shí)間，應(yīng)小于或等于3 s；⑥水電機(jī)組達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷幅度ΔP的90%的時(shí)間T90不大于15 s；⑦機(jī)組響應(yīng)目標(biāo)PTM完全響應(yīng)時(shí)間TTP不大于30 s；⑧水電機(jī)組自頻率變化超出一次調(diào)頻死區(qū)開(kāi)始到發(fā)電負(fù)荷達(dá)到穩(wěn)定，且以后不再越出額定功率±1%范圍所需時(shí)間TS應(yīng)不大于45 s。其中：

(1)

(2)

式中：ft為一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)段內(nèi)t時(shí)刻實(shí)際電網(wǎng)頻率；Ef為機(jī)組調(diào)速器設(shè)定的一次調(diào)頻死區(qū)(一般為0.05 Hz)；fr為電網(wǎng)額定頻率；ep為機(jī)組功率調(diào)差系數(shù)(取值為4%)；Pr為參與一次調(diào)頻機(jī)組的額定功率。

1.2 試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步分析水電機(jī)組的一次調(diào)頻試驗(yàn)性能指標(biāo)，選取某水電廠單機(jī)額定出力700 MW的混流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該機(jī)組主要參數(shù)信息如下：水輪機(jī)型號(hào)為HLS152-LJ-790、額定水頭140 m、最低水頭97 m、最高水頭179 m、額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min。發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF700-56/16090、額定容量700 MW/777.8 MVA；調(diào)速器型號(hào)為HGS-X20，調(diào)節(jié)控制規(guī)律為并聯(lián)PID調(diào)節(jié)，正常并入大電網(wǎng)時(shí)調(diào)速器的控制模式為開(kāi)度閉環(huán)調(diào)節(jié)模式。其調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)框圖如圖1所示。

1)調(diào)速系統(tǒng)測(cè)頻回路校準(zhǔn)。測(cè)頻分辨率對(duì)水電機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)作響應(yīng)及積分電量考核均有較大影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分辨率為0.001 Hz，符合《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》[4]的要求。

2)調(diào)速器綜合固有死區(qū)(遲緩率)測(cè)定試驗(yàn)。水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻試驗(yàn)的頻率死區(qū)通常設(shè)定為±0.05 Hz，但是在試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)人工死區(qū)設(shè)定為±0.05 Hz時(shí)，實(shí)際電網(wǎng)頻率與50 Hz的偏差絕

圖1 調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)框圖

對(duì)值大于0.05 Hz時(shí)導(dǎo)葉或者有功才有響應(yīng)。這是因?yàn)檎{(diào)速系統(tǒng)存在固有死區(qū)，所以在進(jìn)行機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)定機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的綜合固有死區(qū)。實(shí)測(cè)機(jī)組遲緩率為0.006%，滿足要求。

3)設(shè)定頻率死區(qū)驗(yàn)證試驗(yàn)。為了使機(jī)組在電網(wǎng)頻率越過(guò)一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)時(shí)能準(zhǔn)確動(dòng)作，同時(shí)使機(jī)組一次調(diào)頻不至于過(guò)早動(dòng)作，需要在測(cè)定的調(diào)速器綜合固有死區(qū)的基礎(chǔ)上，設(shè)置一個(gè)人工頻率死區(qū)，使機(jī)組一次調(diào)頻的頻率死區(qū)不大于±0.05 Hz。試驗(yàn)驗(yàn)證了調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻動(dòng)作人工死區(qū)設(shè)為±0.047 Hz，滿足要求。

4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能試驗(yàn)。機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能決定了當(dāng)電網(wǎng)頻率越過(guò)頻率死區(qū)時(shí)，機(jī)組朝著頻率恢復(fù)方向的變負(fù)荷的速率及幅度，是電網(wǎng)對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻要求的關(guān)鍵指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果：①測(cè)試的大部分工況下機(jī)組的一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整幅度均達(dá)不到理論變化幅度，也就使得機(jī)組在這些工況下的一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)速率不滿足要求；②測(cè)試的工況下一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間最大為1.17 s，滿足要求；③電網(wǎng)頻率變化超過(guò)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)開(kāi)始至機(jī)組實(shí)際出力達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間最大為14.17 s，滿足要求；④通過(guò)計(jì)算不同頻差下導(dǎo)葉的實(shí)際變化值，可知該機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度未加以限制，滿足相關(guān)要求；⑤實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速不等率(永態(tài)轉(zhuǎn)差率)bp均不大于4%，滿足要求，見(jiàn)表1。

5)一次調(diào)頻與AGC聯(lián)合調(diào)整試驗(yàn)。因一次調(diào)頻動(dòng)作使機(jī)組有功改變后，調(diào)速器反饋至監(jiān)控的有功功率值和AGC計(jì)算有功給定值會(huì)存在偏差，當(dāng)偏差值超出設(shè)置的有功死區(qū)時(shí)，此時(shí)機(jī)組實(shí)際功率與AGC調(diào)整目標(biāo)值不一致，AGC就對(duì)機(jī)組起調(diào)節(jié)作用。試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)組一次調(diào)頻與AGC聯(lián)合調(diào)節(jié)關(guān)系處理得當(dāng)，兩者同時(shí)動(dòng)作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生混亂。

6)跟蹤響應(yīng)運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)網(wǎng)頻越過(guò)設(shè)定的死區(qū)時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作響應(yīng)是正確的。

表1 機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 案例分析

由前文的機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)情況可知，機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能不能完全滿足電網(wǎng)的要求。以下分析水電機(jī)組的響應(yīng)特性和電網(wǎng)對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻要求。

2.1 響應(yīng)特性分析

為驗(yàn)證機(jī)組108 m與130 m水頭下的負(fù)荷特性，進(jìn)行了這兩個(gè)水頭下的帶負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)得出機(jī)組在108 m與130 m水頭下的導(dǎo)葉開(kāi)度與有功功率關(guān)系見(jiàn)圖2，試驗(yàn)結(jié)果表明因兩個(gè)水頭下的水輪機(jī)工作水頭未到額定工作水頭，在這兩個(gè)水頭下在最大導(dǎo)葉開(kāi)度下均帶不到額定負(fù)荷。因此在這兩個(gè)水頭下，均不能滿足電網(wǎng)要求的100%額定有功功率工況下開(kāi)展一次調(diào)頻試驗(yàn)的條件。

圖2 不同水頭下導(dǎo)葉與有功功率關(guān)系圖

而為分析試驗(yàn)工況下機(jī)組的一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整幅度均達(dá)不到理論變化幅度的原因，首先需要明確機(jī)組在一次調(diào)頻時(shí)的動(dòng)作響應(yīng)是否正常。該機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)工作在開(kāi)度閉環(huán)模式，即一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率的響應(yīng)是以開(kāi)度變化作為調(diào)整目標(biāo)的，即相應(yīng)的頻差在固定的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp下機(jī)組變化相應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度。結(jié)合表1中開(kāi)度變化情況，表明機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)規(guī)律是正確的。

而在機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)規(guī)律正確的情況下，機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能達(dá)不到電網(wǎng)要求的理論動(dòng)作幅度。為說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，需進(jìn)一步分析開(kāi)度閉環(huán)模式下水電機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度與有功功率的關(guān)系。為分析機(jī)組在不同水頭下一次調(diào)頻動(dòng)作變化相同導(dǎo)葉開(kāi)度時(shí)機(jī)組有功變化的情況，定義機(jī)組在108 m水頭時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度由60%變化至70%有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度的比值為k1、導(dǎo)葉開(kāi)度由70%開(kāi)啟至80%(或由80%關(guān)至70%)有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度的比值為k2；機(jī)組在130 m水頭時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度由60%變化至70%有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度的比值為k3、導(dǎo)葉開(kāi)度由70%變化至80%有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度的比值為k4；由圖2可明顯看出，k1>k2、k1>k3，說(shuō)明不同水頭下水電機(jī)組變化相同的導(dǎo)葉開(kāi)度，其有功功率變化幅度是不一樣的；在同一水頭下，在不同導(dǎo)葉開(kāi)度范圍下水電機(jī)組變化相同開(kāi)度，其有功變化幅度也是不一樣的。這是因?yàn)樗姍C(jī)組有功功率與水輪機(jī)工作水頭、導(dǎo)葉開(kāi)度(對(duì)應(yīng)當(dāng)前水頭下的流量)以及效率的函數(shù)存在式(3)所示的關(guān)系[10]，所以同一導(dǎo)葉開(kāi)度在不同水頭下對(duì)應(yīng)的有功功率不同。

P=9.81QHηt

(3)

式中：P為有功功率，kW；Q為水輪機(jī)流量，m3/s；H為水輪機(jī)工作水頭，m；ηt為水輪發(fā)電機(jī)組效率。

經(jīng)過(guò)以上分析可知水電機(jī)組調(diào)速器工作于開(kāi)度模式時(shí)，此調(diào)節(jié)模式下一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量以導(dǎo)葉開(kāi)度為調(diào)節(jié)量進(jìn)行閉環(huán)控制計(jì)算的，而導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)量?jī)H依據(jù)一次調(diào)頻調(diào)節(jié)有效頻差進(jìn)行計(jì)算，沒(méi)有考慮水頭因素的影響，即任何水頭下都以相同導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)量進(jìn)行控制計(jì)算。故一次調(diào)頻在不同水頭不同頻差下的有功功率調(diào)節(jié)量存在較大差異。且水電機(jī)組在偏離設(shè)計(jì)水頭的低水頭下運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)效率低，再加上低水頭因素影響導(dǎo)葉開(kāi)度(流量)變化對(duì)有功變化影響變小，故一次調(diào)頻有功動(dòng)作幅度無(wú)法達(dá)到電網(wǎng)要求的理論動(dòng)作幅度。

2.2 規(guī)程分析

當(dāng)前電網(wǎng)對(duì)水電機(jī)組的一次調(diào)頻要求是單純的考慮有功功率動(dòng)作幅度和變化趨勢(shì)，但這些都僅僅是從電網(wǎng)的負(fù)荷頻率需求的角度出發(fā)的，沒(méi)有周全的考慮水電企業(yè)的實(shí)際情況，故在一定程度上忽視了開(kāi)度控制模式下水電機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)動(dòng)作的特性。當(dāng)前在南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)還有較多的水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)是工作在開(kāi)度閉環(huán)模式的，在開(kāi)度控制模式下，根據(jù)《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》應(yīng)以開(kāi)度變化趨勢(shì)進(jìn)行定量分析。

3 改進(jìn)方法

3.1 水電企業(yè)側(cè)

若電網(wǎng)保持當(dāng)前的對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)要求不變，為使機(jī)組達(dá)到要求的性能指標(biāo)，水電企業(yè)可對(duì)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行以下的改造/改進(jìn)：

1)將調(diào)速器改造，使機(jī)組調(diào)速器工作于功率閉環(huán)調(diào)節(jié)并重新試驗(yàn)選擇合適的一次調(diào)頻參數(shù)；這樣，機(jī)組的一次調(diào)頻將是以有功功率作為調(diào)整目標(biāo)。

2)對(duì)調(diào)速器一次調(diào)頻程序進(jìn)行優(yōu)化，在一次調(diào)頻動(dòng)作計(jì)算導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)整量時(shí)，考慮各水頭下的導(dǎo)葉開(kāi)度與有功功率關(guān)系因素，使一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)一次調(diào)頻開(kāi)度調(diào)整量乘以不同的系數(shù)，以適當(dāng)放大導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)整量，以達(dá)到增加有功調(diào)整幅度。

3.2 電網(wǎng)側(cè)

對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)工作于開(kāi)度閉環(huán)的水電機(jī)組而言，當(dāng)水輪機(jī)工作于不同的水頭時(shí)其出力特性是有較大差異的。故建議電網(wǎng)企業(yè)在制定相關(guān)一次調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可增加以下考量：

1)充分尊重水電機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行特性規(guī)律，不宜一味的要求水電機(jī)組在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)加快響應(yīng)速度和響應(yīng)幅度，因?yàn)檫@在一定程度上反而可能會(huì)造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定；

2)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)工作于開(kāi)度控制模式的，增加以開(kāi)度變化趨勢(shì)進(jìn)行定量分析評(píng)價(jià)的一次調(diào)頻響應(yīng)指標(biāo)；如保持當(dāng)前的一次調(diào)頻有功響應(yīng)指標(biāo)不變，需給予水電企業(yè)充足的設(shè)備改造時(shí)間周期。

4 結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)度閉環(huán)模式下的混流式水電機(jī)組，其一次調(diào)頻開(kāi)度調(diào)整量?jī)H依據(jù)一次調(diào)頻有效調(diào)節(jié)頻差計(jì)算，未考慮水頭和其他因素的影響，故一次調(diào)頻在不同水頭下的有功功率調(diào)節(jié)量存在較大差異，從而造成在某些水頭下其一次調(diào)頻調(diào)整幅度達(dá)不到電網(wǎng)要求的理論調(diào)整幅度。為使混流式水電機(jī)組一次調(diào)頻性能完全達(dá)到要求，需要對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化或者改造。但從另一個(gè)角度來(lái)看，電網(wǎng)企業(yè)在制定對(duì)混流式水電機(jī)組的一次調(diào)頻性能指標(biāo)要求時(shí)，也未充分考慮水電企業(yè)的現(xiàn)狀，所制定的一次調(diào)頻性能指標(biāo)偏于嚴(yán)格。