西南異步互聯(lián)下某大型水電站抑制低頻振蕩的調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與功能研究

胡保修，呂興強(qiáng)，劉 昆，韓向陽(yáng)，黃世乾，李 帥

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川省成都市 610000）

0 引言

隨著區(qū)域間電網(wǎng)異步互聯(lián)，由于調(diào)速器控制參數(shù)的不適應(yīng)性及水輪機(jī)組固有的“水錘效應(yīng)”，會(huì)引發(fā)電網(wǎng)低頻振蕩甚至超低頻振蕩問(wèn)題，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題凸顯[1-3]。本文從優(yōu)化機(jī)組調(diào)速器關(guān)鍵控制參數(shù)（PID），完善低頻段機(jī)組調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性方面入手，研究抑制異步互聯(lián)電網(wǎng)超低頻振蕩問(wèn)題的措施。

首先對(duì)錦屏電站調(diào)速器控制系統(tǒng)配置、原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。其次建立區(qū)域交直流電網(wǎng)模型，研究其動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)調(diào)速器與水輪機(jī)系統(tǒng)傳遞函數(shù)深入剖析水輪機(jī)組引發(fā)電網(wǎng)超低頻振蕩的原因；從而采取對(duì)西南電網(wǎng)內(nèi)錦屏電站等大型水電機(jī)組調(diào)速器控制系統(tǒng)功能參數(shù)（PID）優(yōu)化，即增加小網(wǎng)控制模式，降低電網(wǎng)超低頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)。并仿真分析參數(shù)優(yōu)化后對(duì)電網(wǎng)超低頻振蕩的抑制效果。最后提出采用水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)功能調(diào)整及參數(shù)優(yōu)化方法，是降低在水電機(jī)組固有水錘效應(yīng)下的電網(wǎng)超低頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。

1 錦屏電站水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)控制原理

錦屏一級(jí)電站作為西電東送的重要電源點(diǎn)，共安裝有6臺(tái)立軸混流式水輪機(jī)，單機(jī)額定出力611MW，由東方電機(jī)有限公司制造。水輪機(jī)型號(hào)為HLD438C-LJ-660，其水輪機(jī)控制系統(tǒng)采用南瑞SAFR-2000H系列水輪機(jī)調(diào)速器，用于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和有功調(diào)節(jié)等。

根據(jù)水輪機(jī)組的調(diào)節(jié)特性和工作條件，先動(dòng)態(tài)選擇PID參數(shù)，然后執(zhí)行PID計(jì)算。同時(shí)，工況不同調(diào)用對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)（比例、微分、積分、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)、頻率設(shè)定值、開(kāi)限、綜合負(fù)荷給定值、頻率死區(qū)等參數(shù)）。通過(guò)使用微控制器程序，可以實(shí)現(xiàn)每種情況下的參數(shù)更改和輸出調(diào)節(jié)器的計(jì)算。

導(dǎo)葉開(kāi)度反饋量被引入到SAFR-2000微機(jī)型調(diào)速器控制系統(tǒng)中，通過(guò)引入付環(huán)PI控制，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉多級(jí)閉環(huán)控制，達(dá)到導(dǎo)葉開(kāi)度控制精度更高的目的，使調(diào)速器控制系統(tǒng)導(dǎo)葉開(kāi)度測(cè)量更加準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)特性更加優(yōu)良。動(dòng)態(tài)控制水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，向電網(wǎng)提供正阻尼并輔助可抗變性控制規(guī)律，有減弱系統(tǒng)振蕩的效果。

圖1中有兩個(gè)調(diào)節(jié)控制環(huán)，第一個(gè)Kp、KI、KD控制稱為主環(huán)控制，第二個(gè)Kp、KI控制稱為付環(huán)控制，PGV是綜合負(fù)荷給定。該系列微機(jī)型調(diào)速器控制系統(tǒng)導(dǎo)葉開(kāi)度采樣周期為8ms，可以通過(guò)該程序達(dá)到閉環(huán)控制的目的，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉閉環(huán)控制的功能?？刂戚敵隽侩妷盒盘?hào)U表示導(dǎo)葉開(kāi)度偏差。

圖1 調(diào)速器調(diào)節(jié)原理框圖Figure 1 The principle block diagram of governor regulation

Kp：控制主環(huán)比例系數(shù)；

KD：控制主環(huán)微分系數(shù)；

KI：控制主環(huán)積分系數(shù)；

KP2：導(dǎo)葉付環(huán)比例系數(shù)；

KI2：導(dǎo)葉付環(huán)積分系數(shù)；

Ty：接力反應(yīng)時(shí)間常數(shù)，一般在0.2左右；

bp：永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；

E：人工失靈區(qū)：整定在0～0.5Hz；

fg：機(jī)組頻率反饋；

fs：機(jī)組頻率給定；

PGV：綜合負(fù)荷給定。

該系列調(diào)速器控制系統(tǒng)PID算法運(yùn)用南瑞公司研發(fā)的NARI-PID2控制算法，此控制算法優(yōu)勢(shì)如下：

（1）有效地解決了差分PID控制算法增加微分死區(qū)的問(wèn)題，并且在分散和數(shù)字量化之后有效帶寬不會(huì)變窄。

（2）可以有效抑制引水系統(tǒng)由于水流慣性對(duì)水輪機(jī)造成的水力振蕩，優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，在不同頻率范圍內(nèi)獲得最佳動(dòng)態(tài)特性。

（3）優(yōu)化抑制電網(wǎng)低頻振蕩的效果。

NARI-PID2控制算法原理框圖如圖2所示。

圖2 NARI-PID2控制算法原理圖Figure 2 Schematic diagram of NARI-PID2 control algorithm

執(zhí)行NARI-PID2控制算法，對(duì)于電力系統(tǒng)低頻振蕩具有一定的抑制能力，但還不足以適應(yīng)西南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)轉(zhuǎn)異步運(yùn)行后新運(yùn)行模式，系統(tǒng)超低頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)突出。錦屏一級(jí)電站調(diào)速器控制系統(tǒng)目前只具備大網(wǎng)及孤網(wǎng)運(yùn)行模式，均無(wú)法適應(yīng)西南電網(wǎng)異步運(yùn)行后的電網(wǎng)穩(wěn)定要求，需增加滿足西南電網(wǎng)異步互聯(lián)后的PID控制模式，即小網(wǎng)模式。并實(shí)現(xiàn)各模式之間的無(wú)擾動(dòng)切換。

2 區(qū)域異步互聯(lián)系統(tǒng)響應(yīng)特性分析

2.1 互聯(lián)電網(wǎng)模型

建立如圖3所示區(qū)域交直流系統(tǒng)模型。正常運(yùn)行時(shí)，交流外送通道功率為0MW，發(fā)電機(jī)由8臺(tái)出力為600MW的機(jī)組組成，負(fù)荷1800MW，直流送出功率3000MW。發(fā)電機(jī)為計(jì)及阻尼繞組的6階模型，且計(jì)及調(diào)速器控制系統(tǒng)作用負(fù)荷為恒功率模型 ，直流為基于實(shí)際工程控制的仿真模型[4]。

圖3 區(qū)域交直流系統(tǒng)模型Figure 3 Regional AC-DC system model

BA：發(fā)電機(jī)并網(wǎng)母線；

BB：交直流送出通道送端母線；

BC：直流送出通道受端母線；

BD：交流送出通道受端母線；

Pg：區(qū)域發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電磁功率；

Pd：直流通道送出功率；

Pa：交流通道送出功率；

P1：區(qū)域負(fù)荷功率。

2.2 異步互聯(lián)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性

如圖3所示系統(tǒng)模型，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程如式（1）和式（2）所示：

式中： Δw——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變差；

Δδ——電氣功角偏差；

ΔPm——發(fā)電機(jī)組總機(jī)械功率；

ΔPg——系統(tǒng)總的電磁功率偏差；

ΔPd——直流輸出通道功率偏差；

ΔP1——區(qū)域負(fù)載功率偏差；

ΔPa——交流外送通道功率偏差；

D——系統(tǒng)阻尼系數(shù)；

Gm(s)——調(diào)速系統(tǒng)功率調(diào)控特性；

Gd(s)——直流功率調(diào)控特性；

G1(s)——負(fù)荷響應(yīng)頻率功率調(diào)控特性；

Ng——機(jī)組臺(tái)數(shù)；

TJ——機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

式（1）表示機(jī)械振蕩，式（2）表示電磁振蕩；對(duì)于恒定有功負(fù)荷控制模型及恒直流輸出通道功率系統(tǒng)，有ΔPd=ΔP1=0。

交流聯(lián)網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的功率不平衡導(dǎo)致轉(zhuǎn)速偏差Δw進(jìn)而引起電氣功角偏差Δδ變化，以至于交流外送通道功率隨之變化，如式（3）所示：

式中：SEq——系統(tǒng)交流通道功率同步系數(shù)。

由式（3）可知，機(jī)械振蕩與電氣振蕩之間具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)的機(jī)電振蕩。

異步互聯(lián)時(shí)，交流通道斷開(kāi)，則式（3）所示交流通道功率偏差ΔPa與電氣功角偏差Δδ間關(guān)聯(lián)不復(fù)存在，機(jī)械振蕩與電磁振蕩關(guān)聯(lián)消失，系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)聯(lián)機(jī)組只有機(jī)械振蕩，頻率相對(duì)穩(wěn)定。如式（1）所示，調(diào)速器控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性將是決定區(qū)域異步互聯(lián)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要因素。對(duì)于既定網(wǎng)內(nèi)機(jī)組和電網(wǎng)類(lèi)型，優(yōu)化機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性，通過(guò)調(diào)整調(diào)速器關(guān)鍵控制參數(shù)——比例、積分、微分參數(shù)，提高調(diào)速器控制性能，是抑制電網(wǎng)低頻振蕩問(wèn)題的有效方式[5]。

3 水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)增加小網(wǎng)模式功能優(yōu)化機(jī)理分析

3.1 西南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化

西南電網(wǎng)500kV骨干構(gòu)架如圖4所示。渝鄂背靠背柔直工程投運(yùn)后，西南電網(wǎng)通過(guò)渝鄂直流實(shí)現(xiàn)與華中電網(wǎng)異步互聯(lián)。另外西南電網(wǎng)均是通過(guò)特高壓直流與華東、西北電網(wǎng)異步互聯(lián)。開(kāi)度模式小網(wǎng)參數(shù)：適應(yīng)“西南—華中”直流聯(lián)網(wǎng)的模式（新增），“西南—華東”及“西南—西北”仍直流聯(lián)網(wǎng)。大網(wǎng)模式指西南與華中交流聯(lián)網(wǎng)，孤網(wǎng)模式指機(jī)組帶廠用電或小電網(wǎng)[6-7]。

圖4 西南電網(wǎng)異步互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Asynchronous interconnection structure diagram of Southwest Power Grid

3.2 西南電網(wǎng)異步互聯(lián)暫態(tài)特性仿真分析

基于PSD-BPA仿真軟件，模擬四川資陽(yáng)至重慶銅梁段三相接地故障，分析西南電網(wǎng)異步互聯(lián)后的響應(yīng)能力。模型中西南電網(wǎng)大型水電機(jī)組和火電機(jī)組采用6階模型，并計(jì)及PSS、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)的作用，負(fù)荷采用60%恒阻抗負(fù)荷與40%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷組合模型。

對(duì)上述故障，西南電網(wǎng)受擾后暫態(tài)響應(yīng)特性如圖5～圖7所示，從圖5和圖6可以看出，發(fā)電機(jī)組間功率不平衡偏差隨其距故障點(diǎn)的距離不同而變化，首先系統(tǒng)內(nèi)機(jī)群轉(zhuǎn)速時(shí)大時(shí)小，而后電氣功角隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速變化而變化，最后系統(tǒng)內(nèi)的不平衡功率被各機(jī)組分?jǐn)?，且功率波?dòng)不受系統(tǒng)內(nèi)輸電線路容量限制。最后引發(fā)系統(tǒng)0.067Hz左右的超低頻振蕩。

圖5 機(jī)組ΔP-Δω變化軌跡Figure 5 Variation trajectory of unit ΔP-Δω

圖6 Δω局部特征Figure 6 Local characteristics of Δω

圖7 Δω整體特征Figure 7 Overall characteristics of Δω

3.3 水電機(jī)組引發(fā)的超低頻振蕩原理分析

調(diào)速器和水輪機(jī)組成的系統(tǒng)表示如圖8所示。

圖8 調(diào)速器—水輪機(jī)系統(tǒng)模型圖Figure 8 Governor-turbine system model diagram

調(diào)速器與水輪機(jī)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為式（4）和式（5）。式中，G、G調(diào)速、G水輪機(jī)分別為系統(tǒng)響應(yīng)頻率變化、調(diào)速器、水輪機(jī)組的功率調(diào)控特性，ΔPm、DG、Δω、KG、Δδ分別為機(jī)組總機(jī)械功率偏差、水輪機(jī)組阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差、機(jī)組功率同步系數(shù)、電氣功角偏差[8]。

由ΔPm與Δω的傳遞函數(shù)可知，DG＞0時(shí)，水輪機(jī)組向系統(tǒng)注入正阻尼。將S=jω帶入以上傳遞函數(shù)可計(jì)算得出調(diào)速器及水輪機(jī)組注入的阻尼系數(shù)跟隨頻率變化而變化。

模型中錦屏二級(jí)電站等大型水輪機(jī)組調(diào)速器設(shè)為7型（不含孤網(wǎng)參數(shù)），在超低頻段向系統(tǒng)注入負(fù)阻尼，并隨著水錘效應(yīng)時(shí)間常數(shù)Tω越大，注入的負(fù)阻尼越多，如圖9所示。錦屏一級(jí)等大型水輪機(jī)組調(diào)速器設(shè)為8型（含孤網(wǎng)參數(shù)），大網(wǎng)參數(shù)模式下低頻段仍是向系統(tǒng)注入負(fù)阻尼，然而孤網(wǎng)參數(shù)模式下負(fù)阻尼顯著減少，甚至在0～0.07Hz段向系統(tǒng)注入正阻尼，如圖10所示。

圖9 錦屏二級(jí)水輪機(jī)組調(diào)速器阻尼系數(shù)在不同的水錘效應(yīng)時(shí)間常數(shù)下變化趨勢(shì)Figure 9 Variation trend of damping coefficient of the governor of JinpingⅡturbine under different time constants of water hammer effect

圖10 錦屏一級(jí)水輪機(jī)組調(diào)速器阻尼特性Figure 10 Damping characteristics of the governor of the Jinping I turbine unit

對(duì)比分析孤網(wǎng)模式與大網(wǎng)模式調(diào)速器參數(shù)得出，孤網(wǎng)模式下調(diào)速器比例、積分參數(shù)增益相對(duì)大網(wǎng)功率模式較小，孤網(wǎng)參數(shù)模式下向系統(tǒng)注入的負(fù)阻尼顯著減少，特別頻率段甚至向系統(tǒng)注入正阻尼，能有效抑制超低頻振蕩。

3.4 錦屏電站水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合上述分析得出，西南電網(wǎng)異步互聯(lián)后低頻振蕩問(wèn)題加劇主要是由于系統(tǒng)內(nèi)送端水電占比高，水輪機(jī)組的“水錘效應(yīng)”向系統(tǒng)注入過(guò)多的負(fù)阻尼；優(yōu)化水輪機(jī)組調(diào)速器控制PID參數(shù)可以很好地改善其“水錘效應(yīng)”帶來(lái)的負(fù)阻尼特性，達(dá)到抑制低頻振蕩的目的。優(yōu)化水輪機(jī)組調(diào)速器控制PID參數(shù)方式為：將調(diào)速器控制系統(tǒng)比例參數(shù)設(shè)為大網(wǎng)參數(shù)的2/3左右，大幅減小積分參數(shù)。錦屏電站優(yōu)化后的調(diào)速器小網(wǎng)模式參數(shù)減緩水輪機(jī)組參與一次調(diào)頻的響應(yīng)速度及調(diào)速相位特性，對(duì)抑制低頻振蕩效果良好，如圖11～圖12所示。

圖11 錦屏機(jī)組功率Figure 11 Jinping unit power

圖12 電網(wǎng)頻率偏差Figure 12 Grid frequency deviation

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以小網(wǎng)模式下錦屏電站為對(duì)象，研究了調(diào)速器系統(tǒng)功能及參數(shù)優(yōu)化對(duì)異步互聯(lián)后的西南電網(wǎng)超低頻振蕩的影響及抑制效果。建立模型仿真分析異步互聯(lián)后西南電網(wǎng)超低頻振蕩發(fā)生機(jī)理，分析得出：異步互聯(lián)后的西南電網(wǎng)低頻振蕩問(wèn)題加劇主要是由于系統(tǒng)內(nèi)送端水電占比高（70%）， 水輪機(jī)組的“水錘效應(yīng)”向系統(tǒng)注入過(guò)多的負(fù)阻尼。由此提出了可通過(guò)減小調(diào)速器比例、積分參數(shù)，減小水輪機(jī)組提供的負(fù)阻尼，當(dāng)參數(shù)設(shè)置合適時(shí)，甚至可以在特定低頻段向系統(tǒng)提供正阻尼，以抑制系統(tǒng)低頻振蕩。為抑制低頻振蕩，提出了優(yōu)化西南電網(wǎng)境內(nèi)大型水輪機(jī)組調(diào)速器控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)參數(shù)的措施，以錦屏電站為例，將比例減小約1/3、大幅減小積分環(huán)節(jié)增益，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了抑制效果顯著。