水布埡電廠調(diào)速器一次調(diào)頻控制程序分析與優(yōu)化

鄭艷梅，饒士立

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

水布埡水力發(fā)電廠位于清江中游的巴東縣水布埡鎮(zhèn)，共有4臺水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量460 MW，裝機(jī)容量1 840 MW，是湖北電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻主力。目前4臺機(jī)組一次調(diào)頻的人工死區(qū)為±0.05 Hz。2017年5月，水布埡電廠4臺機(jī)組在進(jìn)行一次調(diào)頻復(fù)核試驗時，一次調(diào)頻動作正確、響應(yīng)及時，但一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量不足且不合格。目前電網(wǎng)對供電電能質(zhì)量要求越來越高，一次調(diào)頻功能已納入電網(wǎng)輔助服務(wù)考核，一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量不足將被電網(wǎng)考核。2017年4月，電網(wǎng)出現(xiàn)2次大的頻率波動，水布埡電廠每臺機(jī)組的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量兩次均不合格且被電網(wǎng)考核，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)損失。

1 原因分析

由圖1并查閱文獻(xiàn)[1]可知，水布埡電廠機(jī)組調(diào)速器控制模型為串聯(lián)型PID結(jié)構(gòu)。水布埡電廠調(diào)速器正常工作于開度控制方式，此調(diào)節(jié)方式下一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量以導(dǎo)葉開度為疊加量形成閉環(huán)控制，而開度疊加量僅依據(jù)調(diào)節(jié)頻差計算，未考慮水頭和其他因素的影響，即任何水頭下均以相同開度調(diào)節(jié)量疊加。一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量在不同水頭不同調(diào)節(jié)頻差下的有功功率調(diào)節(jié)量存在較大差異。水布埡電廠機(jī)組歷年來的水頭變化與防汛要求是相一致的。每年3月，水庫開始降低水位，全年的最低水位大概在6～9月底；汛期結(jié)束，大概從10月中旬開始抬升水位，直至11月中下旬，全年的最高水位大概11月底～第二年的3月。水頭的變化對機(jī)組負(fù)荷和一次調(diào)頻的效果有很明顯的影響因素。根據(jù)湖北清江水布埡水力發(fā)電廠1～4號機(jī)組一次調(diào)頻試驗報告，2013年11～12月，中國電力科學(xué)研究院進(jìn)行水布埡電廠機(jī)組的水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型參數(shù)測試期間的水頭大概在額定水頭185 m，而在2017年，一次調(diào)頻復(fù)核性試驗期間的水頭只有175 m，參數(shù)優(yōu)化前的頻率階躍擾動檢查性試驗中的調(diào)差率均不合格。除此之外，2017年4月，電網(wǎng)出現(xiàn)2次大的頻率波動，水布埡電廠每臺機(jī)組的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量兩次均不合格，查詢當(dāng)時水頭僅為170 m，與機(jī)組額定水頭185 m有一定差距。參考文獻(xiàn)[2]和[3]，并在前述分析基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：在調(diào)速器的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)算法中，需考慮水頭的變化。

圖1 水布埡電廠機(jī)組一次調(diào)頻控制模型原理圖

同時，在頻率階躍擾動試驗過程中，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)組導(dǎo)葉接力器的動作初始階段的機(jī)械阻尼比較大，小頻差擾動引起的功率變化小于等比例條件下的大頻差引起的功率變化。因此，也要考慮小頻差下的功率變化幅度問題。

2 優(yōu)化處理

由上分析，確定了水布埡電廠四臺機(jī)組調(diào)速器控制邏輯修改原則：

1)保持基本的調(diào)速器參數(shù)不變，以便保證AGC能夠穩(wěn)定運(yùn)行；

2)一次調(diào)頻邏輯要考慮水頭的變化；

3)一次調(diào)頻邏輯要考慮小頻差下的功率變化幅度問題。

修改后的調(diào)速器的一次調(diào)頻控制邏輯圖如圖2所示，增加了兩個函數(shù)環(huán)節(jié)，其他參數(shù)均未修改，F(xiàn)1(X)為頻差修正系數(shù)，F(xiàn)2(X)為水頭修正系數(shù)；修改各機(jī)組調(diào)速器電氣柜程序中一次調(diào)頻調(diào)節(jié)算法，對調(diào)速器負(fù)載開度模式下的一次調(diào)頻開度疊加量乘以系數(shù)予以適當(dāng)放大，以滿足調(diào)節(jié)要求?？紤]到水頭和調(diào)節(jié)頻差差異的影響，放大系數(shù)由頻差修正系數(shù)F1(X)和水頭修正系數(shù)F2(X)相乘得出。

圖2 優(yōu)化后的機(jī)組一次調(diào)頻控制模型原理圖

將4臺機(jī)組的一次調(diào)頻頻差絕對值Δf(已減去頻率死區(qū)0.05 Hz)，依據(jù)文獻(xiàn)[4]要求，按以下分段：0<Δf<0.05 Hz，0.05 Hz≤Δf<0.1 Hz，Δf≥0.1 Hz或Δf≤0 Hz。相應(yīng)區(qū)間的頻差修正系數(shù)取值如表1所示。

表1 F1(X)系數(shù)取值表

將4臺機(jī)組水頭h以下分段：195 m≤h≤201 m，185 m≤h<195 m，175 m≤h<185 m，175 m≤h<185 m，165 m≤h<175 m，h>201 m或h<153 m。相應(yīng)區(qū)間的水頭修正系數(shù)取值如表2所示。

表2 F2(X)系數(shù)取值表

修改4臺機(jī)組調(diào)速器電氣柜A、B套PLC控制程序，將主程序MAST Task下的Incdec子程序段中“%MF54:=%MF56*2.0/%MF110;”語句修改為如下語句：

IF %MW2024<=201 AND %MW2024>=195 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024<195 AND %MW2024>=185 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024<185 AND %MW2024>=175 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024<175 AND %MW2024>=165 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024<165 AND %MW2024>=153 THEN %MF32:=K1;END_IF;

IF %MW2024>201 OR %MW2024<153 THEN %MF32:=K1;END_IF;

%MF42:=ABS(%MF56);

IF %MF42>0.0 AND %MF42<0.05 THEN %MF49:=K2;END_IF;

IF %MF42>=0.05 AND %MF42<0.1 THEN %MF49:=K2;END_IF;

IF %MF42>=0.1 OR %MF42<=0.0 THEN %MF49:=K2;END_IF;

%MF54:=%MF56*2.0*%MF32*%MF49/%MF110;

上述語句中K1、K2為符號示例，K1為水頭修正系數(shù)，K2為頻差修正系數(shù)，修改程序時需以具體常數(shù)值代替，具體數(shù)值見表1、表2。

各機(jī)組程序修改完成后進(jìn)行通道切換試驗，確保機(jī)組空載和負(fù)載時調(diào)節(jié)控制功能正常。經(jīng)過優(yōu)化水布埡電廠4臺機(jī)組調(diào)速器一次調(diào)頻控制邏輯后，水布埡電廠機(jī)組運(yùn)行至今，沒有再出現(xiàn)一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量不合格的情況，避免了被電網(wǎng)考核，挽回了電廠的經(jīng)濟(jì)損失，為電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

3 結(jié) 語

一次調(diào)頻功能是水輪發(fā)電機(jī)組的必備功能之一，因此調(diào)速器一次調(diào)頻控制邏輯的完善與否至關(guān)重要，直接關(guān)系到機(jī)組一次調(diào)頻能否正確動作，一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量是否合格，對維持電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定影響巨大。同時，相應(yīng)的機(jī)組頻率測量精度、導(dǎo)葉開度測量精度、機(jī)組有功功率測量精度也會對機(jī)組的一次調(diào)頻能力產(chǎn)生影響。只有當(dāng)機(jī)組的測量元件的硬件性能和軟件設(shè)計均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求時，才能保證機(jī)組的一次調(diào)頻性能滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。