水电机组不同类型一次调频对实际积分电量的影响

李玺，徐广文，黄青松，姚泽

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



水电机组不同类型一次调频对实际积分电量的影响

李玺，徐广文，黄青松，姚泽

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

水电机组一次调频考核中普遍存在实际积分电量不满足要求的情况，不同类型的一次调频对应的调节幅度不一样，对一次调频实际积分电量会造成影响。为此分析了不同类型一次调频控制原理的差异，借助PSD-BPA暂态稳定程序提供的水电机组原动机及其调节系统模型，仿真并对比两种类型一次调频动态响应过程。最后结合实例计算相同扰动下2类一次调频实际积分电量，分析增强型一次调频对积分电量的补偿优势，并指出了其在电网稳定性和机组安全性方面的不足。

一次调频；普通型；增强型；积分电量；考核；建模仿真

一次调频有利于维护电力系统的安全稳定运行并提高电能质量，被列为电厂并网发电机组必须提供的基本辅助服务之一[1]。电网对于一次调频的投入率、正确率及调频质量都设定了相应的考核指标，若一次调频被考核为不合格，相应电厂会被扣减发电量，直接影响其经济效益。

在水电机组辅助服务考核中，最常见的问题是一次调频合格率不达标，即机组一次调频实际贡献电量未达到相应指标要求。针对该问题，国内已有机构和学者开展了一些研究，分析了速度不等率、调频幅度、调频死区对一次调频的影响，指出频率测量误差、数据传输延时等因素会影响一次调频考核的结果，并提出了一些针对性的建议[2-4]。本文从水电机组调速系统的不同频差计算方法角度入手，研究不同类型一次调频对实际贡献电量的影响。

1 不同一次调频类型

一次调频死区是为了防止在电网频差小范围变化时发电机组调节系统不必要的动作而设置的调节盲区，直接关系到机组参与系统调频的时机。机械元件间的遮程、间隙和电气元件的非线性导致调速器固有一定的转速死区，同时对调速器还人为设定有转速失灵区，即人工频率死区。

水电机组电子调节器部分常规并联比例积分微分(proportion integral derivative，PID)调节原理如图1所示。

fg—机组频率；fc—频率给定；Yc—开度给定；Pc—功率给定；Pg—机组功率；bp—功率或开度调差系数；Ef—人工频率死区；Δf—频率偏差；KP—比例增益；KI—积分增益；KD—微分增益；T1v—微分时间常数；YPID—电子调节器输出。图1 水电机组电子调节器部分常规PID调节简图

根据人工频率死区Ef与频率偏差Δf的关系，可将其分为数字型和机械型2类。人工频率死区为机械型时，频率偏差计算为:

(1)

人工频率死区为数字型时，频率偏差计算为:[5]

(2)

普通型一次调频采用机械型人工频率死区，其频差计算框图如图2所示；增强型一次调频采用数字型人工频率死区，其频差计算框图如图3所示。

ΔY—开度实际值与目标值的差值；ΔP—功率实际值与目标值的差值。图2 普通型一次调频频差计算框图

图3 增强型一次调频频差计算框图

普通型一次调频较为常见，也有些水电厂如枫树坝水电厂、大广坝水电厂、金安桥水电厂的机组采用增强型一次调频。由式(1)和式(2)相比可看出，增强型算法与普通型算法的一次调频动作条件相同，但增强型算法增大了一次调频动作后调节变化的幅度，即响应目标值不同，使得2种类型的一次调频最终获得的实际积分电量也不相同。

2 不同类型一次调频对实际积分电量的影响

2.1 积分电量考核方法

当电网频率偏差超出水轮机调节系统一次调频死区时，一次调频机组的积分电量占相应时间的机组一次调频理论计算积分电量的比例，作为考评机组一次调频的合格率[6]。

机组一次调频理论积分电量

(3)

式中：Wt为理论动作积分电量；Pn为机组额定有功功率；t0为积分起始时间，即电网频率超出一次调频死区的时刻；Δt为一次调频考核持续时间(不超过60 s)；Δf(t)为t时刻频率偏差，按式(1)进行计算；fn为电网额定频率。

实际动作积分电量

(4)

式中：Wr为实际动作积分电量；P(t)为t时刻机组有功功率；P0为积分起始时刻对应的机组有功功率[7]。

2.2 数值模拟

借助数值仿真技术，在MATLAB/Simulink平台搭建水机调速系统模型，包括电调类调速器模型中并联PID控制的电子调节器模型、电液伺服系统模型(导叶执行机构模型)及水轮机原动机模型[8-9]。由电子调节器模型输入频率信号、输出YPID信号，导叶执行机构模型根据YPID信号模拟导叶开度的动作情况，以此影响水轮机原动机模型的仿真功率输出，如图4所示。

模型参数依据广东某水电厂调速系统设备实测参数进行设置，见表1。

YPID,max—调节器输出上限；YPID,min—调节器输出下限；Yc—开度给定；—副环PID控制比例增益；—副环PID控制积分增益；—副环PID控制微分增益；vmax—导叶最快开启速度；vmin1、vmin2—导叶的2种关闭速度；Ty—接力器反应时间常数；Ymax—接力器行程上限；Ymin—接力器行程下限；Y—接力器行程；Tw—水流惯性时间常数；P—功率输出；S—拉普拉斯算子。图4 水轮机调节系统模型

表1 某水轮机调节系统模型参数

参数数值参数数值bp0.04Ef(标幺值)0.001KP5KI1.8KD0T1V0.01YPID,max1YPID,min0K'P1.6K'I0K'D0Ty0.677vmax(标幺值)0.0175vmin1(标幺值)-0.145vmin2(标幺值)-0.011Ymax1Ymin0Tw1.132

仿真采用一定斜率缓慢变动的频率扰动作为模型的输入型号，模拟水电机组一次调频响应，对比理论积分电量与2种不同类型的一次调频实际积分电量，结果如图5所示。

Pt—理论功率值；Pr—实际功率值。图5 理论积分电量与不同类型一次调频实际积分电量仿真对比

由图5可知，ts时刻频率开始增大，到t0时刻频率变化超出人工频率死区Ef，一次调频开始响应，此时开始对Pt与Pr进行积分，经过Δt(超过60 s时按60 s计)到达t0+Δt时刻，积分结束，得到Wt与Wr。普通型与增强型一次调频功率响应稳定值分别为P2和P3，由于理论积分电量的频差与普通型一次调频均按式(1)进行计算，有P1=P2-P0。由图5可知，理论积分电量为区域①，普通型一次调频实际积分电量为区域②，增强型一次调频实际积分电量为区域②+③。

由文献[10]及文献[11]可知，电网调度部门评价机组一次调频动作合格与否的标准，是计算一次调频实际动作电量在理论值中的占比，若Wr不小于Wt的50%，则判定机组一次调频动作合格，否则为不合格。由图4分析可得增强型一次调频实际积分电量多于普通型一次调频，从一次调频合格与否的判定规则角度出发，使用增强型一次调频的机组其合格率更容易达标。

3 实例分析

广东某水电厂装机容量为3×45 MW，人工频率死区Ef为0.05 Hz，暂态转差率bt为0.4，缓冲时间常数Td为1.08 s-1，加速度时间常数Tn为0。其1号机和3号机采用增强型一次调频，2号机采用普通型一次调频。一次调频动作时调速器为开度调节，调差系数bp为0.04，在频差确定的情况下机组导叶响应目标是确定的，由于机组出力与水头相关，相同导叶变化对应的功率变化量是不定的，一次调频考核用的理论积分电量按频差对应理论功率进行计算，所以会出现实际积分电量与理论积分电量相差较大的情况出现。

对该电厂1号机和2号机分别进行频率阶跃扰动试验，阶跃频率为-0.15 Hz，分别记录2台机组功率响应过程，取其一次调频开始60 s内功率响应曲线进行积分，与理论积分进行对比，如图6所示。

图6 某水电厂普通型与增强型一次调频机组实际与理论积分电量对比图

从图6可得，t0时刻频率扰动-0.15 Hz，机组频差超出人工频率死区，经短暂延时一次调频开始动作，由于水力惯性的原因在导叶运动初期出现反调效应，如图中t0至t1时段和t0至t2时段，此时机组为反方向出力响应，实际积分电量为负值。t1和t2时刻之后，机组出力转为正方向，实际积分电量逐渐变为正值。计算图中阴影部分，结果为：在积分的60 s时间里，理论积分电量367 kWh，采用普通型一次调频的2号机组的实际积分电量278 kWh，采用增强型一次调频的1号机组的实际积分电量466 kWh。对比可知，采用增强型一次调频的机组积分电量在接受考核时容错率较高，更容易满足一次调频合格率的要求。

4 增强型算法的不利影响

在增强型一次调频动作开始时，频差计算值是阶跃变化的，因此在调节初期的调节速度及幅度都较普通型一次调频大。如果系统频率长时间在人工死区附近摆动，机组一次调频会频繁地动作与复归，受频差计算值的阶跃影响，调速系统液压传动机构会频繁大幅度动作，加重元器件的磨损，缩短调速系统寿命。同时，这种频繁的动作与复归调节，会导致机组功率输出值发生间歇性波动，严重时可能会引起电网的功率震荡，影响电网的安全稳定运行。2016年1月云南某水电厂机组因使用增强型一次调频，在长时间运行于49.95 Hz附近时，一次调频的频繁动作引发机组功率波动，与云南电网对广东电网震荡模式频率接近，产生共振，从而引发主网联络线功率波动，如图7所示。

图7 增强型一次调频机组引发系统功率波动

为研究此类情况，采用图4所示模型，模拟频率输入在人工死区附近波动，2种一次调频调节过程如图8所示。

图8 频率在人工死区附近波动时2种一次调频调节过程对比

经模拟频率在49.95 Hz附近进行正弦波动，仿真结果显示普通型一次调频有0.1 MW左右的调节量，增强型一次调频有1.7 MW左右的功率波动，且其波动的平均值由210 MW逐步漂移到214 MW左右。由式(1)和式(2)计算过程可知，增强型一次调频频差的阶跃效果造成了调节初期反调峰值大，在一次调频复归时，频差回复的阶跃又会形成反方向的大幅反调效果，因此增强型一次调频在此频率波动下功率出现大幅波动。波动的平均值漂移是因为在一次调频动作和复归两种情况下，参与积分运算的差值不同而导致开方向与关方向的调节速度不同。积分环节按式

进行运算，式中YI为积分环节输出。当式中Δf+bp(Yc-Y)=0时积分调节达到稳定。Δf在一次调频动作和复归时有阶跃变化，而bp(Yc-Y)随着功率的漂移其阶跃值慢慢变大，直到能与Δf的阶跃效果相平衡，波动的平均值最终稳定。

5 结论

理论积分电量随频差实时改变，而水轮机组调节系统滞后性较强，功率响应相对较慢，致使相同时间段内实际积分电量积分值较小，且由于水力惯性的原因，在调节初期会出现反调效应，进一步导致实际积分电量减少，易使水电机组一次调频积分电量不达标。常规水电厂一次调频多采用开度闭环调节，功率调节深度受水头影响，特别是低水头机组，水头的变化是制约一次调频深度的关键因素。增强型一次调频与普通型一次调频的区别如下：

a) 增强型一次调频从调节系统控制原理上增加了参与调节的频差值，使响应目标的调节幅度增大，容易满足电网调度对机组一次调频的考核要求。

b) 增强型一次调频在频差超过频率死区后不减去频率死区，直接进行计算，频差有大于0.05Hz的阶跃突变，调速系统的动作幅度会增大。如果电网频率在频率死区边界上下浮动变化，会导致调速系统频繁大幅度动作，机组导叶开度和出力会出现波动，从电网稳定性和机组安全性角度考虑，增强型一次调频容易引起脉冲式功率震荡，也会对机组调速系统造成损耗。

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(编辑 霍鹏)

Influence of Different Typed Primary Frequency Regulation of Hydropower Units on Actual Integral Power

LI Xi, XU Guangwen, HUANG Qingsong, YAO Ze

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

There is situation of actual integral power being unable to satisfy requirements in check on primary frequency regulation for hydropower units, and corresponding regulation ranges of different primary frequency regulation are not the same which will influence actual integral power of primary frequency regulation.Therefore, this paper analyzes differences of control principles for different typed primary frequency regulation, carries out simulation and comparison for dynamic response process of two typed primary frequency regulation with the help of models of prime motor of hydraulic turbine and its adjustment system provided by PSD-BPA transient stable program.Combining examples, it calculates actual integral power of two typed primary frequency regulation under the same disturbance, analyzes compensation advantages of enhanced primary frequency regulation on actual integral power and points out insufficiencies in power grid stability and unit security.Key words：primary frequency regulation; ordinary type; enhanced type; integral power;assessment; modeling and simulation

2016-05-24

2016-08-30

广东电网有限责任公司科技项目(GDKJQQ20152035)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.011

TV734.4；TK321

B

1007-290X(2016)11-0052-05

李玺(1984)，男，河南新乡人。工程师，工学硕士，研究方向为水电机组机网协调。

徐广文(1980)，男，江苏盐城人。高级工程师，工学硕士，研究方向为水电机组机网协调。

黄青松(1963)，男，广东揭阳人。教授级高级工程师，工学硕士，研究方向为水电机运行与控制。