水电机组一次调频技术要求及与二次调频协调控制的实现方法

第41卷第6期2017年6月DOI:10.19308/.2017.06.006湖北电力Vo1.41No6Jun..2017水电机组一次调频技术要求及与二次调频协调控制的实现方法彭天波1，王楠1，孙刚2，唐国平2（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北武汉430077；2.葛洲坝水力发电厂，湖北宜昌443002）[摘要]阐述了一次调频功能的具体实现方法，该方法通过在调速器程序中设定一次调频专用参数，实现机组一次调频自动运行，缩短了响应时间，增强了调节能力。当机组接收到二次调频信号时一次调频功能迅速退出，在新的工作起点稳定运行，协调了一次调频和二次调频之间既相互辅助又相互制约的关系。经实际运行表明水电厂一次调频功能的投入对保持电网频率稳定、保证供电质量有着非常重要的意义。[关键词]一次调频；二次调频；水电机组调速系统[文献标志码]B[文章编号]1006-3986(2017)06-0028-04[中图分类号]TV734.4TheRequirementsofFrequencyModulationofHydropowerUnitsandAGCCoordinatedControlMethodsPENGTianbo1，WANGNan1，SUNGang2，TANGGuoping2(ridHubeiElectricResearchInstitute，WuhanHubei430077,China；baHydropowerPlant，YichangHubei443002,China)[Abstract]Theconcreterealizaingaspecialfrequencymodulationparametersintheprogramofspeedgovernor,eunitreceivesthesecondaryfrequencymodulationsignal,automaticunitprimaryfrequencycontroloperationisrealized,theresponsetimeisspeededup,thetheprimaryfrequencyregulationfunctionexitsquickly,andrunsstablyatthestartingpointofthenewworkingmethod,therelationshipsbetweenprimaryfrequencymodulationandsecondaryfre⁃quencymodulation,bothmutualassistanceandmutualrestriction,encyhydropowerplantplaysanimportantroleinmaintainingthesystem电能生产与消费同时完成，因此要求发电机组运行时的出力与负荷之间保持平衡。保证电能的良好质量是电能生产过程中的重要任务，通常衡量电能质量的主要指标是电压和频率。按照我国规定，电网的额定频率为50Hz，大电网允许的频率偏差为±0.2Hz。对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其总容量的5%～[收稿日期][作者简介]2017-05-05彭天波（1966），男，湖北麻城人，硕士，高级工程师。modulationfunctionoftheactualoperationshowsthattheprimaryfrequencyregulationfunctionof[Keywords]frequencymodulation;secondaryfrequencymodulation;hydro-generatorspeedregu⁃10%；而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2%～3%。电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动，因此需要不断地调节发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定的规定范围内。一次调频就是利用发电机组调速系统自身的频率调节特性，对电网频率发生变化时进行自动调整。其特点是频率调整速度快,不同的发电机组贡献的调整量有差别,且调整量有限,值班调度员难以控制。·28·

VoJun.1.412017No6湖北电网调频，即二次调频（或AGC），其对象是全电网系统，即当电力系统负荷或发电出力发生较大变化时,通过装在发电厂和调度中心的自动装置监测到系统频率的变化，然后由运行人员或系统自动地发出命令以增减发电机的发电出力,保持系统频率在较小的范围内波动,而电网调频又是建立在每个电厂自身调频的基础之上的。这就要求电厂每台机组自身都能对电网的频率波动，产生敏感反应，及时进行自动调节。1水电机组一次调频、二次调频的静态特性机组原始工作位置见图1所示的静特性曲线1上A点，机组目标功率Pc1；机组实际功率P1，机组频率f1；调速系统调差系数ep。电网发生功率缺额，折算到机组的功率缺额为P3－P1。P21feApf1f23BCOPPP1P2C1PPC23图1调速器静态特性图Fig.1Staticcharacteristicschart一次调频：电网功率缺额引起电网频率降低，如果不进行调节，发电机组调速系统则按静特性曲线1运行，频率应降至f3，各机组根据频率偏差进行一次调频，使机组增发了功率ΔPf=P2－P1，电网频率为B点的f2。虽然该机组与电网上其它机组一起进行了一次调频，但电网频率为f2到扰动前的f，不可能恢复1。二次调频：若电网二次调频将该机组的目标功率由Pc1修正为Pc2，则机组调速系统静特性由特性曲线1变为特性曲线2。最后的调节结果为特性曲线2上C点：调速系统调差系数ep、机组目标功率Pc2、机组实际功率P3、机组频率f1；电网的功率缺额得以补偿，系统频率也恢复到扰动前的数值f1。电网在负荷扰动后，电网频率产生偏差，各机组的调速系统根据频率偏差Δf和功率调差系数ep电力第41卷第6期2017年6月进行一次调频，迅速弥补系统部分功率差值；在一次调频的基础上，电网AGC再经过二次调频重新修正相关机组的目标功率值。因此，调速系统通过两个信号输入端：频率（转速）输入端(一次调频)和机组目标功率输入端（二次调频或AGC）对电网的频率进行调节，最终达到电网功率平衡和频率恢复到规定的范围之内。2水电机组调速器实现一次调频功能的方法与要求在调速器程序中设定一次调频专用的调差系数、频率人工失灵区（频率死区）和PID参数，并且具有一次调频投入后调节范围的限制功能，能有效的抑制一次调频过程中机组有功功率的变化幅度，转速死区设定和PID参数的选择，能确定当电网频率波动时，机组由正常发电运行工况转换为一次调频工况运行的响应时间及调节能力。调速器中仍能保留频率调节模式和频率调节模式所对应的有关参数，不影响负载小电网和孤立电网的频率调节能力。在调速器上设置一次调频的投入、切除开关，并且当电网频率波动时，调速系统一次调频动作后，能将输出接点信号输出到计算机监控系统。华中电网为了保证发电质量和维护电网的稳定运行，并结合自身电网的特性，对参与一次调频机组有如下要求。（1）频率（转速）死区：参与一次调频的水电机组的频率（转速）死区控制在±0.05Hz内。（2）机组调速系统的速度变动率（水电机组永态转差率）：水电机组速度变动率（永态转差率）不大于4%。（3）响应特性：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负荷响应滞后时间，额定水头大于50m的水电机组应小于84s，额定水头小于50m的水电机组应小于组能在s。当电网频率变化超过机组一次调频死区时，9015s内达到一次调频调整幅度（响应目标）机45%的值应在机组额定有功出力的s。在电网频率变化超过机组一次调频死区的前内，机组实际出力与机组响应目标偏差的平均±3%内。机组参与一次调频过程中，在电网频率稳定后，在1min内，机组负荷达到稳定所需的时间为一次调频稳定时间。（4）参与一次调频机组的最大调整负荷限幅:水·29·

第41卷第6期2017年6月湖北电机组参与一次调频的负荷变化幅度原则上不加限制，但是必须在调速器中可以对负荷变化幅度进行设定，一般负荷调整幅度不低于额定值的±10%。3水电机组实际运行过程中一次调频与AGC的协调控制水电机组并网运行的出力控制规律如下Pg=Pc+Pf式中：Pg为机组当前有功出力；Pc为电网AGC机组出力目标值；Pf为一次调频偏差出力。3.1一次调频退出当一次调频功能退出或电网频差小于一次调频频率死区时，Pf＝0，此时机组的出力完全等于电网AGC所设定的机组出力目标值，即P电网AGC退出、一次调频投入g=Pc。3.2当机组运行在电网AGC所设定的机组出力目标值时，电网AGC功能退出，这时，如果电网频率与额定频率的偏差的绝对值大于一次调频的频率（转速）死区，调速系统一次调频根据电网偏离额定值的偏差自动投入运行。3.3一次调频和AGC投入在调速系统一次调频投入后，由于调速系统一次调频会使机组当前功率偏离电网AGC设定的目标出力，此时Pf负荷，若电网频率还未恢复到规定范围内，≠0，如果电网AGC也正好在调整Pf电网频率的波动而变化，若电网频率恢复到规定范会随围内，此时Pg=Pc+Pf，这时Pf系统一次调频退出并恢复到功率或者开度模式运≠0。机组调速行，Pf将逐步回到零，致使Pg≠Pc，电网AGC又将重新改变Pc来修正机组的实际出力。因此在调速系统一次调频投入运行的过程中，电网AGC二次调频信号也加入到调速系统，机组实际运行时调速器立刻退出一次调频并且将调速器的功率调节输出信号与功率目标值设为一致，同步后再接收二次调频命令，当二次调频结束后如果电网频差大于转速死区，一次调频将再次自动投入。4应用实例以葛洲坝电厂某台机组一次调频试验为例说明如下。试验目的是检验机组在一次调频运行方式下，出力随频率变化的响应能力，测定机组的一次调频30·电力VoJun.1.41.2017No6动作滞后时间、调节时间等参数。试验的前提条件必须满足华中电网对参与一次调频机组所提出的所有要求，从而优化和设定机组的一次调频PID参数。机组带负荷稳定运行，调速器在自动运行方式，电气开度限制设定为100%；调差系数设定为b4%，频率将调（转速）速器PID死区设定为参数整定±0.05为所Hzp=选。取的一次调频PID负荷运行，参数。机组分别带将机组频率（并网后也就是电网频率）60%、75%、90%、100%的额定断开，接入频率信号发生器用来改变电网频率。用调速器测试仪记录机组频率、机组出力、导叶接力器行程、桨叶行程等参数的变化过程曲线。图2~3为葛洲坝电厂某台机组一次调频试验的录波图。表1为葛洲坝电厂某台机组带75%额定负荷运行的一次调频试验结果，表2为葛洲坝电厂某台机组调速系统一次调频响应特性。试验结果可以清楚看出，当频率信号向上或向下阶跃发生时，接力器迅速反应，滞后时间、稳定时间均满足要求。由此可以看出：当频率变化时，机组有功相应迅速变化，发挥了调节电网频率的作用。机组导叶轮叶机组频率开度50.39Hz开度%50.15772.32122.79%功率MW49.9272.48106.15187.0749.6867.6489.51175.7449.4562.7972.87164.4049.2157.9556.23153.0748.9753.1139.59141.7348.7448.2622.95130.4048.5043.426.31119.0648.2738.58-10.3396.39107.7348.0333.7328.89-26.9785.060.006.6013.2019.8026.4033.0039.6046.2052.8059.4066.00-43.6173.72图例：导叶开度轮叶开度t/s机组频率机组功率图2一次调频动态试验波形图Fig.2Gridfrequencymodulationdynamicaltestoscillationchart机组导叶频率轮叶机组50.39Hz开度%开度50.15772.32122.79%功率MW49.9272.48106.15187.0749.6867.6489.51175.7449.4562.7972.87164.4049.2157.9556.23153.0748.9753.1139.59141.7348.7448.2622.95130.4048.5043.426.31119.0648.2738.58-10.3396.39107.7348.0333.7328.89-26.9785.060.006.6013.2019.8026.4033.00-43.6173.72t/s39.6046.2052.8059.4066.00图例：导叶开度轮叶开度机组频率机组功率图3一次调频动态试验波形图Fig.3Gridfrequencymodulationdynamicaltestoscillationchart·

Vo1.41No6Jun.2017表1Tab.1频差阶跃/Hz15s功率阶跃/MW45s功率阶跃/MW最后功率阶跃/MW滞后时间/s稳定时间/s计算ep/%湖北电力第41卷第6期2017年6月葛洲坝电厂一次调频试验结果50.25→50.0027.031327.393727.42505.52042.8952.1950.00→49.7529.712533.000033.09386.32543.1251.8149.75→50.00-20.5125-28.9687-29.03125.87541.0002.07TheresultofgridfrequencymodulationinGezhoubahydropowerplant50.00→50.25-20.8063-30.5125-30.51255.06028.9801.97表2Tab.2葛洲坝电厂机组一次调频响应特性GridfrequencymodulationcharacteristicofGezhoubahydropowerplant序号要求单位标准要求机组最终结果(实测)结论1频率死区Hz50±0.0550±0.05满足要求2调速系统转速死区%≤0.040.0055满足要求3永态转差系数bp%≤44.02满足要求4调差率ep%≤42.29满足要求5一次调频限幅不小于机组额定负荷的比例%≥1018.21满足要求6一次调频响应滞后时间s≤86.193满足要求715s内一次调频的负荷调整幅度%≥90%目标负荷148.55满足要求845s内机组响应目标偏差的平均值%≤±5%目标负荷0.40满足要求9一次调频试验稳定时间s≤6041.28满足要求10一次调频试验选择的负荷工况点个≥34新规定（3个以上），满足要求11负荷点工况是否包含额定出力工况包含额定出力工况包含新规定要求包含12比例增益KP/8设定值-113积分增益Kis/8设定值14微分增益Kds/0设定值5结论经过一次调频试验和实际运行表明，葛洲坝电[1][参考文献]（References）沈祖贻.水轮机调节[M].北京:中国水利水电出版社，eregulating[M].Beijing:ChinaWater﹠PowerPress,1998.厂试验机组完全满足华中电网调频的要求，并且能够有效地避免调速系统一次调频和电网AGC二次调频之间的矛盾。本文阐述的一次调频功能实现方法，协调了一次调频和二次调频之间既相互辅助又相互制约的关系，对保持电网频率稳定、保证供电质量有着非常重要的意义。[2]出版社，2002.魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学waterturbineregulationenceandTechnologyPress,logy[M].Wuhan:HuazhongUniversityofSci⁃·31·