浙江仙居抽水蓄能电站机组一次调频功能分析及优化

14第43卷 第S2期
2020年12月
Vol.43 No.S2
Dec.2020
水 电 站 机 电 技 术
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
0 引言
浙江仙居抽水蓄能电站安装 4 台375 MW抽水蓄能机组，总装机容量为1 500 MW，年平均发电量为25.125亿kW·h，年平均抽水电量为32.63亿 kW·h。

水泵水轮机为立轴、单级、混流可逆形式，额定水头 447.0 m，额定转速 375 r/min。

仙居电站一次调频的控制由调速器实现，该设备为TC1703XL 型调速器系统，主要包括调速器控制单元、转速信号器、电源供给单元及触摸屏等部分，配置有冗余CPU，出现主CPU故障时能自动无干扰的切换到备用CPU运行，有效保证一次调频等功能。

随着国家工业、经济的不断增强，电网容量也随之变大，电网频率波动相对较小。

当频率波动时，为保证电网频率稳定，需要机组及时启动一次调频并有效补充或消耗功率。

但随着我国抽水蓄能机组单机容量的不断增大，机组转动惯量增大，导致机组一次调频的效果不甚理想，特别是在电网频率变化较小、时间较短时。

1 抽水蓄能机组一次调频功能介绍
1.1 一次调频逻辑介绍
仙居抽蓄机组一次调频仅当机组在功率模式或开度模式下投入。

机组频率（电网频率）超过人工失灵死区（0.05 Hz）时，即当所测量频率小于49.95 Hz 或大于50.05 Hz，一次调频功能被激活。

设机端频率为50.10 Hz，此时超过频率死区0.05 Hz，即超0.1 %，调速器的B p设为4%，此时调速器的功率设定值应在原功率设定值基础上变化0.1%/4%，即变化2.5%，当机组此时按照设定375 MW功率运行时，一次调频动作相应减少2.5%×375 MW=9.375 MW。

在开度模式下，此刻则将减少导叶开度2.5%。

同时，一次调频调节值为±37.5 MW或±10%导叶开度。

同时不超过调速器功率设定值上限及导叶电气开限。

1.2 功率、频率测量及反馈
仙居抽蓄机组频率（测速）由残压测速和齿盘测速经过比较后得出，其中残压信号取自机端电压变送器（PT），齿盘测速信号取自水车室齿盘探头，获取后的模拟信号通过电调AI模块、PE0001及CM0842通信模块送至CPU进行逻辑判断。

多个齿盘测速比较后取大值，然后再与残压测速比较，两者偏差大于1.5 %时，选择齿盘信号作为频率输出信号，两者偏差小于0.3 %时，选择残压信号作为频率输出信号。

其中，频率采集装置PE0001测量精度0.1%，满足《华东区域发电厂并网运行管理实施细则》频率采集装置测量精度误差应不大于0.001 Hz的要求。

收稿日期：2020-09-30
作者简介： 郭晓敬（1987-），男，工程师，从事抽水蓄能电站建设、生产、经营等管理工作。

浙江仙居抽水蓄能电站机组一次调频功能分析及优化
郭晓敬，刘 彬，龙长波，廖肇鸿
（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 台州 317300）
摘 要： 分析了电网频率变动期间，抽水蓄能机组转动惯量对功率的影响，通过设置转动惯量补偿功率，有效保证一次调频时机组功率的及时输出，达到优化抽水蓄能机组一次调频功能，一定程度上保障了电网的安全。

关键词： 抽水蓄能机组；调速器；一次调频；转动惯量
中图分类号：TM761+.2 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2020）S2-0014-04
DOI：10.13599/ki.11-5130.2020.S2.005
15第S2期郭晓敬，等：浙江仙居抽水蓄能电站机组一次调频功能分析及优化
图1 电调功率、频率测量回路
2 仙居抽蓄一次调频调节能力分析
2.1 机组转动惯量导致一次调频考核基准功率抬升
仙居抽蓄电站单台机组容量 375 MW ，转动部件重量约650 t，机组并网稳定运行时，机组转动部分的动能、机组发出功率、机组定转子等电气部分产生热能、转动部件在风洞内受到阻力消耗的功率等于导叶在当前开度下水流作用于转轮而做的功率，即：P水=P动能+P机端+P热量+P阻力
上式中，P水=9.81HQη，P动能=
（其中，转动惯量GD2=）。

当机组并网稳定运行时，上述公式即为：9.81HQη=ω2GD2+P机端+P热量+P阻力
其中：f p为极对数，n为转速），ω=2πf，因此可知：
9.81HQη=2π2GD2f2+P机端+P热量+P阻力
由于导叶开度与流量Q成正比，即；θ∝Q；GD2为转动部分本身特性,π为常数，η相对稳定，将上述公式转换为：
a Hθ=
b f2+P机端+P热量+P阻力
根据上式，当电网频率f异常下降时，由于导叶控制响应存在滞后性，在变化的相对短暂时间内机端功率变化仍然在功率调节死区内，导叶开度将不做调节，同时机组发热量及机组阻力在此刻（短时）相对稳定且较小（本分析可以忽略），可知aθ=b f2↓+P机端↑，即发生网频下降，机端功率瞬时将出现反调抬升，如图2中t1时间节点后实际出力瞬时由373.4 MW上升至374.7 MW，反调抬升约1.3 MW，随后实际出力再逐渐下降，当至t2时刻，电网频率低于49.95 Hz，达到一次调频启动条件，电网依据相关考核条款开始进行一次调频考核，将依据此刻的机端功率P2作为考核功率（约374.1 MW），此时机端功率相对正常发电时已抬升约
0.7 MW。

图2 某次3号机组一次调频动作后出力情况
由于P动能=2π2G D2f2，功率反调的大小将受到f变化及本身转动惯量的影响，机组质量越大、体积越大（转动半径），将导致机端功率反调越大。

此次电网调频动作期间，仙居电站运行机组反调及抬升考核基准情况见表1。

表1 机组反调及抬升考核功率表
1号机组2号机组3号机组4号机组反调功率
P max-P
1
/MW
1.3 1.2 1.3 1.5
抬升考核功率
P
2
-P1/MW
0.70.80.7 1.0
2.2 小频差时一次调频调节能力不足
当检测到机组频率（电网频率）超过人工失灵死区（0.05 Hz），一次调频功能被激活并输出CON;E-F （图3），并与B p进行计算。

若机端频率49.945 Hz。

则超过频率死区0.005 Hz即超0.01%，调速器的功率设定值应在原功率设定值基础上变化0.01%/4 %，即变化0.25%，机组日常均以375 MW功率运行，因此一次调频动作将导致机组有功设定值相应增加0.25%×375 MW=0.9375 MW，需要调节的功率小于反调功率（P max-P1），同时与抬升后的考核基准功率P2几乎相同，即理论上此刻该机组应上升为
p×n 60
16第43卷
水 电 站 机 电 技 术
P
1
+0.937 5 MW，因反调抬升后的考核基准功率为P2（约P1+0.7 MW），因此此时机组出力与考核功率几乎相同，由于机组运行期间流道非稳流，水流的扰动将影响机组出力，极大可能导致机组出现考核情况（图3）。

3 仙居抽蓄一次调频程序优化及试验
3.1 一次调频程序优化
针对仙居抽蓄机组转动惯量较大及小频差时一次调频能力不足的问题。

依据一次调频实际动作积分电量核算原则△QSY=（式中：△QSY为一次调频实际动作积分电量；t0为电网频率等于50±△f sq的时刻；t调节为电网频率超出50±△f sq时间，最大值为60 s；PST为发电机组在t
时刻前10 s内实际出力平均值；PS t为发电机组在t0时刻后t调节时间内机组实际出力）对一次调频逻辑进行优化（图4）。

为了保证一次调频时快速及时调节功率并抵消转动惯量对功率的影响，在调节逻辑中增加转动惯量功率补偿△p（定值）。

同时电网是从正常频率逐渐变化至一次调频动作频率（50±0.05），因此当一次调频动作后1 s内需及时启动以上转动惯量补偿功率△p，其中1 s的延时主要过滤测量信号的抖动。

3.2 一次调频能力试验
机组230 MW低水头时，让机组并网运行观察其
图3 一次调频功率回路逻辑
图4 优化后一次调频功率回路逻辑（下转第27页）
27第S2期吴杨兵，等：频率紧急协调控制系统在抽蓄电站中的应用
入，则低频各轮次按照台数及优先级切除相应水泵。

低频动作逻辑见图
4。

图4 低频动作逻辑图
4 应用实践
华东电网频率协控系统自2016年5月开始组建，先后完成系统联调，真机切泵试验并投入运行。

4年来，频率协控系统运行稳定，安全可靠，真正成为华东电网系统保护的重要组成部分。

抽蓄电站作为电网重要组成部分，同时作为频率协控系统执行站接收总站的切泵命令，为特高压直流系统的安全稳定运行提供坚实安全保障。

5 结束语
本文通过介绍华东电网频率协控系统架构，并以仙居抽蓄执行站为实例，深刻阐述频率协控系统的工作原理及动作逻辑，实现对电网，尤其是特高压直流输电系统的全方位保护，有力保障电网安全稳定运行。

结合应用实践，充分论证频率协控系统的安全可靠性能及在保护系统中的重要性，对于进一步推进大电网、安全电网和特高压直流建设提供重要理论基础和实践支撑。

参考文献：
[1] 张沛云，等.电力系统继电保护原理及运行[M].北京：中
国电力出版社，2012.
[2] 全国电网运行与控制标准化技术委员会.《电力系统安
全稳定导则》《电力系统技术导则》条文释义与学习辅导[M].北京：中国电力出版社，2020.
[3] 徐浩原.特高压直流线路保护研究现状分析[J].电力设
备，2019（20）.
[4] 南京南瑞继保电气有限公司.华东电网频率紧急协调控
制系统说明书[Z]，2016.
一次调频能力。

调整一次调频频率死区为±0.025 Hz，一次调频动作情况如图5所示（图中频差为减去 频率死区后的频差），当频率发生变化，功率也发生变化，功率变化方向正确。

从图5中选取时间段为290~318.4 s，电网为负频差时的数据分析：当电网频差超过频率死区后，一次调频开始动作，计算一次调频实际增量的积分电量△QsY为-0.013 6 MW·h，计算一次调频理论积分电量△QjY为-0.013 1 MW·h，一次调频效果DX=△QsY/△QjY=1.043，满足电网考核要求，一次调频动作正确。

4 总结
由于机组转动惯量影响导致抽水蓄能机组在小频差下一次调频能力不足，通过增加转动惯量补偿功率 的方法，达到优化一次调频功能，一定程度上保障了电网的安全。

参考文献：
[1] 李海波，仇岚.宜兴抽水蓄能电站调速器的优化控制[J].
水电站机电技术，2013（4）:36-38.
[2] 华东区域发电厂并网运行管理实施细则[Z].
（上接第16页
）
图5 230 MW低水头改变频率死区后随网运行
一次调频相应曲线
108Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station(Vol. 43 No.S2)
ABSTRACTS
Introduction to performance and structure characteristics of pump turbine in Zhejiang Xianju Pumped
Storage Power Station
ZHAO Zhi-wen, ZHU Si-duo
(Zhejiang Xianju Pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China)
Abstract: Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station, equipped with four mixed-flow reversible hydroelectric generating units with a single unit capacity of 375MW, is the first pumped storage unit with the largest single unit capacity of pumped storage industry in China, which completely adopts domestic design, manufacture and construction management. It is an important milestone in the development of pumped storage units in the process of localization. The pump turbine equipment of the power station is manufactured by Harbin Electric Machinery Factory, the guide bearing adopts thin oil lubricated block tile structure, and the spindle seal adopts radial spring structure and so on. In this paper, the performance and structural characteristics of pump turbine in Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station are introduced in detail.
Keywords: pump turbine; performance; structural characteristics
nalysis and improvement of overload operation of Zhejiang Xianju pumped Storage Power Station
ZHU Xi
(Zhejiang Xianju pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China)
Abstract: The issue of overload operation of Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station is described, and the rationality of overload protection is analyzed.
Keywords: pumped storage; active power; reactive power; overload protection
Analysis and Optimization of Primary Frequency Modulation function of Zhejiang Xianju pumped Storage
Power Station
GUO Xiao-jing, LIU Bin, LONG Chang-bo, LIAO Zhao-hong.
(Zhejiang Xianju pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China)
Abstract: Analyzed the influence of the moment of inertia of the pumped storage unit on the power during a frequency change of the power grid, by setting the moment of inertia compensation power, the timely output of the unit power during the primary frequency regulation is effectively guaranteed to optimize the primary frequency regulation function of the pumped storage unit, which ensures the safety of the power grid to a certain extent.
Keywords: pumped storage unit; governor; primary frequency modulation; moment of inertia
Brief introduction of electrification Test method for 500kV Lightning arrester in Xianju Pumped Storage
Power Station
WANG Kui-gang 1, SHI Yi-mei 2, DU Wen-jun 1, ZHANG Bo 1
(1.Zhejiang Xianju Pumped Storage Co., Ltd., Taizhou 317300, China;
2.Zhejiang Jinyun Pumped Storage Co., Ltd.of State Grid Xinyuan Company Ltd., Lishui 323000, China) Abstract: The scope, content, preparation and process of electrification test of zinc oxide arrester in Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station are introduced in detail, which has valuable reference value for the electrification test of zinc oxide arrester in other pumped storage power stations.
Keywords: pumped storage; 500kV; zinc oxide arrester; live test; secondary voltage method; induction plate method; harmonic method.。