抽水蓄能机组一次调频试验及性能分析

2018-05-08 06:03韩文杰

水电站机电技术 2018年4期

韩文杰

（清远蓄能发电有限公司，广东清远511853）

1 引言

电力系统运行的主要任务之一，就是对频率进行监视和控制，发电机组的一次调频功能对维持电网频率的稳定至关重要，特别是对于那些快速调节机组比较少的电网尤为关键。抽水蓄能机组一次调频可以在电网突发大负荷变化时快速地提高功率支援，从而提高电力系统的可靠性和稳定性；此外蓄能机组一次调频对短时间负荷波动的调节可以减少二次调频装置的动作，优化系统调度、稳定电网频率。为进一步提高电网的稳定性，广东电网制定了《广东电网发电机组一次调频运行管理规定》（简称《规定》）。

本文以清远抽水蓄能电站（以下简称清蓄）的2号机组为例，介绍了清蓄根据《规定》对抽水蓄能机组一次调频试验的成果及其应用。

2 一次调频的功能及技术要求

一次调频是指发电机组并入大电网运行时，当电网频率出现偏差并超出其设定的频率死区时，通过发电机组调速系统自身的负荷频率静态和动态特性对输出功率进行自动调整，以适应外界负荷变化的需要，从而使电网频率迅速回到额定值范围的特性。

按照《规定》，并参考DL/T1040-2007《电网运行准则》，水轮发电机组调速系统的一次调频功能应满足以下技术要求：

（1）机组的永态转差率一般为3%～4%，调速器转速死区ix≤0.04%。

（2）调速器开启、关闭方向的线性度误差εx≤5%。

（3）机组一次调频的频率死区不大于±0.05Hz。

（4）水轮机组参与一次调频的负荷变化幅度不应加以限制。

（5）一次调频响应行为：电网频率变化达到一次调频频率动作值到机组负荷开始变化所需的时间，为一次调频的响应滞后时间，应小于或等于3s，在60s内机组实际功率与目标功率偏差的平均值应在额定功率的8%内。

3 清蓄2号机组调速器组成

清蓄2号机组微机调速器采用ALSTOM技术开发中心专门为水电站开发设计的TSLG型功能组合式数字式调速器，为双中央处理单元+导叶开度控制单元的冗余结构，详见图1。在调速器设计、制造过程中ALSTOM集团严格依照相应的国际标准，产品性能符合IEC60308和IEC61362的规定，转速死区（ix）小于0.02%，频率测量精度小于0.001%，位移测量精度小于0.1%。

图1 微机调速器结构

4 试验仪器设备及测点布置

试验主要仪器为“TG2000型水轮机调速器测试系统”（以下简称TG2000测试仪），包含1台测试仪和1台装有测试系统软件的便携式计算机。

试验测点和所用传感器见表1。

表1 试验测点及传感器

5 试验内容及结果

5.1 机频测量校验

5.1.1 试验内容

通过TG2000测试仪给调速器主、备用通道UPC输入与实际PT信号电压相当的频率信号，逐一改变信号频率，记录主、备用通道UPC机频实测值。在设计工作频率范围内，测频精度应满足设计要求，若不符合要求，需现场校正，直至达标（测量误差在±0.005Hz内）。

5.1.2 试验结果

试验结果见表2。

表2 机频校验记录

由表2可知，调速器实测机频与标准值一致，测频精度符合要求。

5.2 静特性试验（测转速死区ix和非线型度误差εx）

5.2.1 试验内容

模拟机组运行于并网开度模式，将导叶接力器调整至50%行程附近。确认导叶开限全开，设置内部空载开限为 0% 、Intd_bp=6% 、Intd_Kp=10、Intd_Ti=0.5、Intd_Td=0、人工频率死区为 0Hz。通过TG2000测试仪升高、降低机频使导叶全关或全开，再按一个方向逐次升高、降低机频使接力器相应关闭、开启，记录每次调节稳定后的机频及对应的主接行程。

分别绘制频率升高、降低的静态特性曲线，两条曲线间的最大区间就是转速死区ix。

注意：每条曲线在接力器行程（5%～95%）的范围内，测点不少于12点，如测点有1/4不在曲线上，或1/4测点反向，则此试验无效。

5.2.2 试验结果

试验过程数据见表3，由计算结果（表4）可知：调速器开启、关闭方向的线性度误差分别为0.15%和0.15%，均小于规程所要求的5%，可近似为直线；转速死区为0.005%，小于额定转速的0.04%，满足《规定》要求。

表3 机组静特性试验记录

表4 转速死区及线性度误差计算结果

5.3 永态转差率bp校验

5.3.1 试验内容

模拟机组运行于并网开度模式，将导叶接力器调整至50%行程附近。导叶开限全开，设置内部空载开限为 0%、Intd_Kp=10、Intd_Ti=0.5、Intd_Td=0、人工频率死区为0Hz。

分别置Intd_bp=2%、4%、6%，通过TG2000测试仪升高、降低机频使导叶全关或全开，再按一个方向逐次升高、降低机频使接力器相应关闭、开启，测取两个接力器行程 Y1、Y2及其对应的频率 f1、f2，按下式计算各刻度下的永态转差率：

式中：Ymax—接力器最大行程；fr—额定频率，50 Hz。

注意：选择25%和75%行程位置附近为测量点，以确保校验精度。

5.3.2 试验结果

试验结果见表5。

表5 永态转差率计算结果

由表5计算结果可知：机组调速器的bp实测值与设定值误差不大于满刻度的5%（即为0.5%，因满刻度为10%），符合规程要求。

5.4 一次调频死区校验

5.4.1 试验内容

模拟机组运行于并网开度模式，将导叶接力器调整至50%行程附近。导叶开限全开，内部空载开限为0% 、Intd_bp=4% 、Intd_Kp=5、Intd_Ti=2.8、Intd_Td=0，设置一次调频死区为0.05Hz，通过TG2000测试仪模拟机频斜坡扰动（±0.1Hz/40s、±0.15Hz/50s），记录并观察调节器输出（YPID）信号的响应情况。忽略电子调节器的响应时间，可认定调节器输出（YPID）信号不响应的机频范围就是一次调频死区。

5.4.2 试验结果

试验结果见表6。

清蓄2号机组TSLG型调试器功率闭环与开度闭环控制回路中，一次调频死区设置、计算及比较模块相同，本项试验在功率闭环调节模式下进行机组的一次调频死区校验，开度闭环调节模式下效果相同。由表6校验结果可看出ef实测值与设定值一致，符合规程要求。扰动过程见图2。

表6 机组一次调频死区校验记录及结果

图2 频率斜坡上扰（0.1Hz/40s）校验一次调频死区

5.5 一次调频响应时间测定

5.5.1 试验内容

机组并网带210MW负荷，调速器分别设置在功率模式和开度模式，一次调频投入，设置Intd_bp=4%、一次调频死区ef=0.05Hz，在50Hz额定频率基础上给调速器机频施加阶跃扰动（±0.1Hz），测定调节参数Intd_Kp、Intd_Ti、Intd_Td组合下的一次调频性能，选定符合《规定》要求的参数组合作为运行值，再通过不同幅值的阶跃扰动（±0.10Hz、±0.15Hz、±0.2Hz）测定该组参数下的调速器的响应，评估其一次调频性能。

5.5.2 试验结果

以Intd_Kp=5、Intd_Ti=2.8和Intd_Td=0为调节参数，在功率闭环模式下进行不同幅值的频率扰动试验，试验过程见图3～图5，功率模式下一次调频响应特性见表7。

图 3 功率模式，Kp=5，Ti=2.8，Td=0，频率扰动 0.1Hz，一次调频调节过程

由以上数据可以看出，清蓄2号机组在功率调节模式下，以Intd_Kp=5、Intd_Ti=2.8和Intd_Td=0为调节参数，一次调频响应特性符合《规定》中要求的：①在电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组响应时间应小于等于3s；②在电网频率变化超过机组一次调频死区时，开始时的15s内机组出力（开度）实际调节量应达到△P(△f,t)（△Y(△f,t)）理论最大值的60%以上；③在电网频率变化超过机组一次调频死区后60s内，机组实际出力（开度）与响应目标偏差的平均值应达到理论计算的调整幅度的±8%内。