轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量影響因素研究

黃燦成

（大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

一次調(diào)頻（Primary Frequency Regulation，縮寫PFR）是有效保證電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定的重要手段[1]，發(fā)電機組配備的一次調(diào)頻功能可抑制大負(fù)荷擾動引起的頻率波動[2]，同時對短時電網(wǎng)負(fù)荷波動調(diào)節(jié)能減少二次調(diào)頻動作，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率、優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度。因此，一次調(diào)頻被國家監(jiān)管局列入并網(wǎng)發(fā)電機組必須提供的基本輔助服務(wù)之一[3]。而又由于水電機組具有調(diào)節(jié)過程簡單、負(fù)荷調(diào)節(jié)速率快、調(diào)節(jié)幅度大、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟等優(yōu)點，因此水電機組一次調(diào)頻對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定有重大影響。為了規(guī)范各水電運行企業(yè)一次調(diào)頻運行管理，電力監(jiān)管部門也制定了詳盡的考核辦法對水電機組實際一次調(diào)頻運行情況進行統(tǒng)計和考核[4-6]。

目前關(guān)于水電機組一次調(diào)頻的研究大多集中于調(diào)速器控制策略[7-9]、一次調(diào)頻試驗及性能優(yōu)化[10-11]、水電機組一次調(diào)頻特性對電網(wǎng)的影響以及一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)動作[12-15]等方面，所得成果也頗為豐碩，與此同時，實際運行中盡管一次調(diào)頻試驗的性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件的要求，但水電機組一次調(diào)頻貢獻電量達不到電力監(jiān)管部門要求的情況仍較為普遍，這不僅極大地影響源網(wǎng)協(xié)調(diào)，也對水電企業(yè)的電量經(jīng)濟效益產(chǎn)生較大的損害。

本文通過數(shù)值仿真，對轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組一次調(diào)頻積分電量的影響因素進行分析研究，建立包括調(diào)節(jié)器、電氣液壓隨動系統(tǒng)、水輪機模型及參數(shù)，通過仿真計算，找尋控制規(guī)律，力圖指導(dǎo)、改進一次調(diào)頻運行管理質(zhì)量，提高機組一次調(diào)頻貢獻電量合格率。

1 仿真模型及貢獻電量計算方法

1.1 轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻仿真模型

建立的轉(zhuǎn)槳水電機組一次調(diào)頻仿真模型包括調(diào)節(jié)器和電氣液壓隨動系統(tǒng)、水輪機3部分。調(diào)節(jié)器模型選取國內(nèi)水電機組廣泛應(yīng)用的并聯(lián)PID控制的電子調(diào)節(jié)器、電氣液壓模型選取電力系統(tǒng)常用的PSD-BPA中的標(biāo)準(zhǔn)化模型、水輪機模型選擇轉(zhuǎn)槳式水輪機模型[16-21]，3部分模型分別如圖1、圖2、圖3所示。圖1中Δω為調(diào)速系統(tǒng)輸入頻差、Ef為一次調(diào)頻人工頻率死區(qū)、KP為調(diào)速器的比例系數(shù)、KD為調(diào)速器的微分系數(shù)、T1V為調(diào)速器的微分時間常數(shù)、KI為調(diào)速器的積分系數(shù)、bp為調(diào)速器開度閉環(huán)模式下的永態(tài)差值系數(shù)；EP為功率調(diào)節(jié)死區(qū)；Ey為開度調(diào)節(jié)死區(qū)；ep為調(diào)速器功率模式功率調(diào)差系數(shù)；PIDMIN為調(diào)節(jié)器輸出下限，PIDMAX為調(diào)節(jié)器輸出上限。圖1所示模型各開關(guān)連接位置表示調(diào)速器處于開度閉環(huán)模式且可投入一次調(diào)頻。

圖2 電氣液壓隨動系統(tǒng)模型

將圖1～圖3模型順序相連即可組成軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組一次調(diào)頻仿真模型?？稍谀Ｐ洼斎攵四M頻差信號Δω使調(diào)節(jié)器模型輸出YPID控制信號，電氣液壓隨動系統(tǒng)模型根據(jù)YPID信號模擬導(dǎo)葉、槳葉開度的動作情況，電氣液壓隨動系統(tǒng)模型輸出的導(dǎo)葉、槳葉開度信號進入轉(zhuǎn)槳式水輪機模型可得到仿真功率。各模型參數(shù)可通過現(xiàn)場實測和模型參數(shù)辨識獲取。

圖1 調(diào)節(jié)器模型

圖3 轉(zhuǎn)槳式水輪機模型

1.2 一次調(diào)頻貢獻電量計算方法

電力監(jiān)管部門對發(fā)電機組一次調(diào)頻貢獻電量的考核評價是評價參與一次調(diào)頻機組在一次調(diào)頻動作期間的實際積分電量（QSJ）占對應(yīng)時間段的機組一次調(diào)頻理論積分電量（QJS）的比例GHI是否達到規(guī)定值，即GHI=QSJ/QJS。QSJ、QJS計算方法如下：

（1）、（2）式中，t0為電網(wǎng)頻率越過機組一次調(diào)頻動作死區(qū)時刻，即為開始計算積分電量的起始時刻；tt為計算積分電量結(jié)束時刻（通常為電網(wǎng)頻率進入一次調(diào)頻動作死區(qū)時刻，一般最長為t0+60 s）；Pt為機組一次調(diào)頻動作期間t時刻實發(fā)有功功率；P0為t0時刻機組實發(fā)有功功率；ft為一次調(diào)頻動作時段內(nèi)t時刻實際電網(wǎng)頻率；Ef為機組調(diào)速器設(shè)定的一次調(diào)頻死區(qū)（一般不大于0.05 Hz）；Pr為參與一次調(diào)頻機組的額定功率；fr為電網(wǎng)額定頻率；ep為機組功率調(diào)差系數(shù)（一般取值為4%）。

2 一次調(diào)頻貢獻電量影響因素分析

為進一步研究水電機組一次調(diào)頻貢獻電量的影響因素，選取某水電廠單機額定出力150 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組為例進行數(shù)值仿真分析。該機組主要參數(shù)信息如下：水輪機型號為ZZA813a-LH-1040、額定水頭19.5 m、最低水頭8.65 m、最高水頭31.5 m、額定轉(zhuǎn)速62.5 r/min。發(fā)電機型號為SF150－96/15640、額定容量 150 MW/171.4 MVA，正常并網(wǎng)時調(diào)速器工作于開度閉環(huán)模式。其調(diào)速系統(tǒng)電氣液壓隨動系統(tǒng)及水輪機主要模型參數(shù)見表1。

表1 電氣液壓隨動系統(tǒng)及水輪機模型主要參數(shù)

因?qū)λ姍C組一次調(diào)頻性能進行測試時，一般選擇在某一穩(wěn)定工況點進行有效頻差變化不低于0.1 Hz的擾動頻率[22-23]，所以本文主要以上述模型及參數(shù)為基礎(chǔ)，模擬在31.5 m水頭下，初始導(dǎo)葉開度為75%時+0.15 Hz的階躍頻差作為水電機組模型的輸入，不同調(diào)速器參數(shù)以及不同水頭協(xié)聯(lián)關(guān)系下的轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻過程，計算不同調(diào)速器參數(shù)和水頭工況下的一次調(diào)頻貢獻電量比例并分析變化趨勢。

2.1 調(diào)速器參數(shù)對貢獻電量的影響研究

在調(diào)速器開度閉環(huán)模式下一次調(diào)頻可調(diào)整的參數(shù)通常有人工頻率死區(qū)Ef、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp、比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI、微分系數(shù)KD。

2.1.1 人工頻率死區(qū)Ef對貢獻電量的影響

置調(diào)速器參數(shù)bp=0.04、KP=8、KI=8、KD=0時，不同Ef下一次調(diào)頻貢獻電量比例的計算結(jié)果如圖4所示。隨著Ef的增大，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻比例呈線性遞減規(guī)律。如圖4所示，當(dāng)Ef取值為0.01 Hz時一次調(diào)頻貢獻比例為1.504，將Ef增大至0.05 Hz時一次調(diào)頻貢獻比例僅為0.981。

圖4 不同Ef一次調(diào)頻貢獻電量比例變化趨勢

從圖5仿真計算的結(jié)果來看，人工頻率死區(qū)Ef越小，實際上相當(dāng)于增大了有效頻差，一次調(diào)頻動作有功功率變化幅度越大，一次調(diào)頻貢獻電量也就越大。但是，人工頻率死區(qū)的減小，勢必增加機組一次調(diào)頻動作次數(shù)，增加調(diào)速器機械部分的往復(fù)動作次數(shù)，在一定程度上會增加機械部分疲勞，影響設(shè)備壽命。所以Ef不宜設(shè)置過小，一般按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)文件要求設(shè)置為0.04～0.05 Hz即可。

圖5 不同Ef一次調(diào)頻有功功率動作過程

2.1.2 永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bP對貢獻電量的影響

置調(diào)速器參數(shù)Ef=0.05、KP=8、KI=8、KD=0 時，不同bP下一次調(diào)頻貢獻電量比例的計算結(jié)果如圖6所示。隨著bP的增大，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻比例隨之減小，并呈下拋物線狀。如圖6所示，當(dāng)bP取值為0.01時一次調(diào)頻貢獻比例為6.10，將bP增大至0.05時一次調(diào)頻貢獻比例減小為0.79。變化幅度非常大。

從仿真計算的結(jié)果來看，減小永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bP，可較大幅度的提高一次調(diào)頻貢獻電量比例。但是，考慮到電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，bP需按照各區(qū)域電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件要求設(shè)定，一般設(shè)置為0.04。

2.1.3 比例系數(shù)KP對貢獻電量的影響

置調(diào)速器參數(shù)Ef=0.05、bP=0.04、KI=8、KD=0時，不同KP下一次調(diào)頻貢獻電量比例的計算結(jié)果如圖7所示。隨著KP的增大，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻比例隨之微弱增大，并呈現(xiàn)線性規(guī)律。如圖7所示，當(dāng)KP取值為3時一次調(diào)頻貢獻比例為0.972，將KP增大至15時一次調(diào)頻貢獻比例也僅為0.992，僅增長0.02。

從圖8仿真的一次調(diào)頻有功動作過程曲線的結(jié)果來看，比例系數(shù)KP越大，其有功反調(diào)值越大，但達到穩(wěn)定值也越快；因有功反調(diào)值越大，積分電量越??；而調(diào)節(jié)過程越快達到有功穩(wěn)定值，積分電量越大。故增大比例系數(shù)KP雖對轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例有一定的增長，但增長的幅度較小。

置調(diào)速器參數(shù)Ef=0.05、bP=0.04、KP=8、KD=0 時，不同KI下一次調(diào)頻貢獻電量比例的計算結(jié)果如圖9所示。隨著KI的增大，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻比例隨之增大，并呈上拋物線狀。如圖9所示，當(dāng)KI取值為3時一次調(diào)頻貢獻比例為0.914，將KI增大至15時一次調(diào)頻貢獻比例增大至0.998，增長了0.083，較比例系數(shù)的增長幅度大。

圖9 不同KI下一次調(diào)頻貢獻電量比例變化趨勢

從圖10仿真的一次調(diào)頻有功調(diào)節(jié)過程來看，隨著KI的增大（3增加至15），轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻有功調(diào)節(jié)過渡過程大幅加快，有功功率達到穩(wěn)定值的時間較大幅度變短。故增大積分系數(shù)KI可以較增大Kp更有效提高轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例。

圖10 不同KI一次調(diào)頻有功動作過程

2.1.5 微分系數(shù)KD對貢獻電量的影響

置調(diào)速器參數(shù)Ef=0.05、bP=0.04、KP=8、KI=8時，不同KD下一次調(diào)頻貢獻電量比例的計算結(jié)果如圖11所示。隨著KD的增大，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例隨之呈現(xiàn)線性微弱減小的規(guī)律。如圖11所示，當(dāng)KD取值為0時一次調(diào)頻貢獻電量比例最大，為0.981，將KD增大至15時一次調(diào)頻貢獻電量比例僅為0.972，變化幅度微弱。

圖11 不同KD一次調(diào)頻貢獻電量比例變化趨勢

且從圖12仿真計算的結(jié)果來看，當(dāng)KD分別置為 3、6、9、12、15 時，仿真所得的轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程有功功率曲線幾乎重合，即KD對一次調(diào)頻過渡過程影響較小。綜上可見，積分系數(shù)KD對轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例影響較小，故在實際運行中一般把KD設(shè)置為0。

圖12 不同KD一次調(diào)頻有功動作過程

2.2 水頭對一次調(diào)頻貢獻電量的影響

置調(diào)速器參數(shù)Ef=0.05、bP=0.04、KP=9、KI=8、KD=0時，不同水頭下一次調(diào)頻貢獻電量比例的計算結(jié)果如圖13所示，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例與水頭高低關(guān)聯(lián)性不大。當(dāng)水頭為8.65 m時一次調(diào)頻貢獻電量比例為1.717，水頭為16 m時一次調(diào)頻貢獻電量比例為3.597。水頭為21 m時一次調(diào)頻貢獻電量比例為3.573，水頭為31.5 m時一次調(diào)頻貢獻電量比例為0.982。

圖13 不同水頭一次調(diào)頻貢獻電量比例對比

由于在導(dǎo)葉初始開度為75%時+0.15 Hz的階躍頻差影響下，各水頭下調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度變化是一致的，但是結(jié)合圖14分析，其槳葉開度變化是有差異的：16 m水頭時，槳葉開度隨導(dǎo)葉開度變化的幅度最大（槳葉開度由12.6%關(guān)至5.6%，變化了7%），因此其一次調(diào)頻貢獻電量比例最大；31.5 m水頭時，槳葉開度隨導(dǎo)葉開度變化的幅度最?。~開度由97.6%關(guān)至96.6%，僅變化1%），因此其一次調(diào)頻貢獻電量比例最小。即轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例的大小與水頭的高低無直接關(guān)系，而是與各水頭下的導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系相關(guān)，協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線越陡，一次調(diào)頻貢獻電量比例越大。

（2）撰寫技術(shù)指導(dǎo)原則規(guī)定，抗菌藥說明書中應(yīng)“提供抗菌藥體外敏感性試驗結(jié)果。敏感性試驗資料應(yīng)包括試驗方法、敏感性試驗結(jié)果解釋標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制?！蔽覈恼f明書沒有提供這方面的完整資料，而英文說明書則較完善地提供了這方面的資料。

圖14 不同水頭下導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系圖

2.3 一次調(diào)頻動作時長對貢獻電量的影響

在31.5 m水頭下，置調(diào)速器參數(shù)Ef=0.05、bP=0.04、KP=9、KI=8、KD=0時，不同一次調(diào)頻動作時長（積分計算時長）的一次調(diào)頻貢獻電量比例的計算結(jié)果如圖15所示。一次調(diào)頻貢獻電量比例隨著一次調(diào)頻動作時長（積分計算時長）的增大而增大，呈弧形變化。當(dāng)一次調(diào)頻動作時長為10 s時，其一次調(diào)頻貢獻電量比例為0.323，當(dāng)一次調(diào)頻動作時長為15 s時，其一次調(diào)頻貢獻電量比例為0.558，當(dāng)一次調(diào)頻動作時長為30 s時，其一次調(diào)頻貢獻電量比例為0.838，而當(dāng)一次調(diào)頻動作時長為60 s時，其一次調(diào)頻貢獻電量比例則增加至0.982。

圖15 不同動作時長一次調(diào)頻貢獻電量比例對比

上述數(shù)據(jù)變化趨勢表明轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例隨著一次調(diào)頻動作時長（積分計算時長）的影響較大，一次調(diào)頻動作時長越大一次調(diào)頻貢獻電量比例越大。

3 結(jié)論

本文通過建立轉(zhuǎn)槳式水電機組模型開展了一次調(diào)頻貢獻電量的影響因素的分析研究。主要結(jié)論如下：

（1）減小一次調(diào)頻人工頻率死區(qū)Ef、減小永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bP均可有效增加轉(zhuǎn)槳式水電機組的一次調(diào)頻貢獻電量比例。減小一次調(diào)頻人工頻率死區(qū)Ef，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻比例呈線性遞增規(guī)律；增大永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bP，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻比例隨之減小，并呈下拋物線狀。但考慮到一次調(diào)頻動作頻繁對設(shè)備壽命的影響以及對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，不宜將這兩個參數(shù)值設(shè)置過小。

（2）增大KP、KI，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例均增大，但KI對一次調(diào)頻貢獻電量比例影響較大。隨著KP的增大，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻比例隨之線性微弱增大；隨著KI的增大，轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻比例隨之增大，并呈上拋物線狀。

（3）積分系數(shù)KD對轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例影響較小，且當(dāng)KD取值為0時一次調(diào)頻貢獻電量比例最大，故在實際運行中一般把KD設(shè)置為0。

（4）轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例的大小與水頭的高低無直接關(guān)系，而是與各水頭下的導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系相關(guān)，協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線越陡，一次調(diào)頻貢獻電量比例越大。

（5）轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量比例隨著一次調(diào)頻動作時長（積分計算時長）的影響較大，一次調(diào)頻動作時長越大一次調(diào)頻貢獻電量比例越大。

綜上，本文研究明確了調(diào)速器參數(shù)和水頭、一次調(diào)頻動作時長對轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻貢獻電量的影響規(guī)律。在生產(chǎn)實踐中，可以此為指導(dǎo)優(yōu)化轉(zhuǎn)槳式水電機組一次調(diào)頻運行質(zhì)量，提高一次調(diào)頻貢獻電量達標(biāo)率。