水电机组一次调频性能优化研究

Fig.1 PID regulator model of hydraulic turbine governing system
1 水电机组一次调频概述
水电机组一次调频是指水轮机调节系统的被控 制对象(水电机组)在联网运行(大电网运行）中 5当 系统频率变化超过调节系统的频率（转 速 ）死 区 尽 时 ，水 轮 机 调节系统将根据频率静态特性（调差特 性 ）所固有的能力，按 整 定 的 调 差 傘 & / 永态转差系 数 \自 :行 改 变 导 叶 开 度 （或轮叶转角或喷针/折向 器 开 度 ），从 而 引 起 机 组 有 功 功 率 的 变 化 ，进而 影 响 电网频率的调节行为[2]。水电机组调速系统的调 节器部分模型通常如圏1 所 示 ，电液随动系统模型 如 _2所 示 0
c p(P re£)为功率给定，只在功率调节模式时起作用， 根据调 节模 式不同 ， 和 c p(p Kf)苛 相 互 切 换 ;Pin
(p e)表S 机组输出功率;& 为调节器对导叶随动系
统的控制输出；
分别比例増益、积分増益、
微分增益;?V 为微分衰减时间常数;I N T _ ^ IN T miB
导叶开度^有功功率的调节方式。导 叶 开 度 ^有 功 功 率 环 节 受 到 水 轮 机 工 作 水 头 的 影 响 ，因 此 ，在开度 模式 下 ，无法忽视水头对一次调频的影响。调速器 功率模式采用频差— 有功功率— 导叶开度调节方
式 ，可以有效地解决这个问题，但应注意运行参数的 选 择 ，避 免 出 现 大 的 超 调 ，保 证 机 组 的 安 全 稳 定 运行。 2.3 —次 调 频 与 AGC协调控制
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长江科学院院报
.2016 年
统 纯 延 迟 的 时 间 ; 为 纯 延 时 环 节 ; r yI为圭配压阀 反应时间常数；7；为 接 力 器 响 应 时 间 常 数 ;^„和
分别为接力器最快关闭速度和接力器最快开启 速度^_和分别为接力器位移上限和接力器位 移下限;ye 为导叶接力器行程a
水电机组一次调频性能优化研究
高晓光，李小军，唐戢群
貴州电两■限資爾舍司:电i J 科 学研究脘，贵 阳 550002)
T 摘 要 : 为渝足电网对水电机组一欲调频的要求，对水电机鍾一棱调频典虚问题及键响_ 素 迸 行 分析 。提出了
PID 一种水电机组一次调顧性能的优化方法，详细分析了水轮机调速擬开度控制模式和功率©制模式:下的 参数优
2 水电机组一次调频性能优化
水电机组一次调频优化要处理好以下几个基本 问题：
( 1 ) 响应滞后时间及调节速度。 ( 2 ) 调节深度，即调脅量^ (3 ) [:~•次调频与. AGC ( Autoiiiatioii Gaierator Control)协 调 控 制 0 2.1 一次调频响应滞后时间及调节速度 响 应 滞 后 时 间 及 调 节 速 度 可 以 通 过 优 化 PID 参数实现。开度 模 式 下 的 P ID 控制 参 数 的 设 置 ，应 选 取 较 大 的 心 和 & 值 ，‘ 值 一 般 取 L 其 中 , & 的 设置以一次调频频率扰动过程中一次调频开度响应 滞后时间在3.0 s以内,,i 不出现较大的水压变化和 功率反调作为选取依据;馬的设置应保证在.不出现 超 调 的 情 况 下 尽 量 攻 大 值 ，以 减 小 一 次 调 频 的 调 节 时间。因 开 度 模 式 下 设 置 &对 一 次 调 频 响 应 过 程 的 影 响 非 常 小 ，且 现 行 电 力 行 业 标 准 13]及 电 网 调 度 管理部门也规定，开度控制模式下不设微分增益，因 此 ，& 值 设 置 为 0 。 在:功傘:模式条件下，为同时保证功率模式下_的 PID 调节速动性和稳定性，既满足调速系统对调节 i l 升时间、调节稳定时间的要求，同时又要满足稳定 性的要求，避免出现小负荷低频振荡，功 率 模 式 PID 参数可采用以下2 种设置形式。 ( 1 ) 对于大中型水轮发电机组，大计算偏差时, 即当机组功率目标值与功率实发值的差值AP = 匕 f 二& - pin超出±1〇 MW ,采 用 较 小 P ID 参 数 ;小 计 算 偏 差 下 ，即当机组 功 率 目 标 值 与 功 率 实 发 值的差值 Ai3 = P„f - P E = ^ ,在±10MW 以内， 采用较大PID参数。 对于小型水轮发电机组，A P 可以取机组额定 功 率 的 5%.〜1 0 % a, ⑵ 大 小 计 算 偏 差 均 采 用 较 小 PID 参 数 。对于 条 件 （1)下 的 PID设 置 方 式 ，为保证调节稳定性，采 用 较 小 P ID 参数可有效控制调节速率，在小偏差条 件 下 ，因为计算偏差过小，调节速 度 较 慢 ，采用增加 积 分 参 数 的 办 法 ，加 快 调 节 趋 于 稳 定 区 间 的 速 度 。 对于条件(2)下 的 PID 设 置 方 式 ，可以有效保
第 10期
高晓光等水电机组一次调频性能优化研究
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针 对 问 题 （2 ) ，可以采用调速器功率调节模式 的实现来解决。水轮机运行水头对一次调频产生影 响 ，主要是由于调速器本身运行在开度模式。在开 度 模 式 条 件 下 ，当 一 次 调 频 动 作 时 ，调速器根据网频 与 额 定 频 率 产 生 的 偏 差 计 算 导 叶 开 度 目 标 值 ，并执 行 动 作 。因 此 ，开 度 模 式 一 次 调 频 的 本 质 是 频 差 —
分别为积分运算J l 跟 和 积 分 运 算 下 限 为 开 环
增量环节，用以加快调节速度s 图 2 中，71为随动系
收稿日期:2〇15-08-匁;修回日期:20_15-09-29
作者简介:高徽忠(1981-J .,鼠 .1 _ 1 开 齐 哈 尔 人 颊 金 .主要:认事本电机姐《节 寒 统 賴 霁 试 验 及 料 赃 _|,(.电域_)0851-8559279S
3 工程验证
按照上述性能优化方法，进 行 某 600 MW水电 机组调速系统软硬件改造，并增设了功率调节模式， 完成相关性能测试。由信号发生器模拟机组频率 50.10,49.90,50.15,49.85 Hz，并在 3 5 % 及 6 5 % 2 个 开度下测试调速系统一次调频性能，表 1 为优化前 后多次测量结果平均值的对照表。
第 33卷 第 10期 2016年 10月
长江科学院院报
Journa里of Yangtze River Scientific Research Institute
doi ：10.11988/ckyyb.20150726
Vol.33 No.10 Oct. 2 0 1 6
2016,33(10)：145-148
一次调频与二次调频（即 AGC) 的协调控制则 应 以 二 次 调 频 优 先 ，但 一 次 调 频 动 作 时 ，二次调频不 应 施 加 干 扰 [5]。因 此 ，在 监 控 系 统 及 调 速 器 程 序 实 现时应注意处理好二者之间的协调关系。开度模式 下 的 一 次 、二 次 调 频 协 调 关 系 处 理 由 监 控 系 统 实 现 。 功 率 模 式 下 则 由 调 速 器 自 身 实 现 ，且 往 往 表 现 为 一 次 、二次调频相互叠加，两者有机统一。
图 3 优化前后的一次调频静态特性曲线 (未考虑负荷限制幅度}
Fig.3 Static performance curve of primary frequency regulation ( PFR ) before and after optimization ( without regard to power limit range j
证 调 节 过 程 的 稳 定 性 ，但 调 节 时 间 较 前 者 偏长 。 2.2 —次调频调节深度
调节深度则受到计算死区和永态转差系数的影 响 。在 实 际 工 程 中 ，一 次 调 频 调 节 深 度 往 往 存 在 2 个方面的问题：
( 1 ) 小频率偏差范围功率调令囊不足B 这是由 于 调 节 系 统 死 区 、传 感 器 测 量 误 差 以 及 运 行 水 头 等 因素叠加产生。
PID s AGC 化 方 法 ,提出裉据偏差变化倉行调整 参 数 大 小 ，，弁 玫 变 ^次 调 频 卦 寡 死 麗 _ 时 针 ||一 次 谪 频 和 协调控
AGC 制 策 略 提 出 了 会 理 建 研 爽 结 畢 表 明 :以 功 率 调 节 作 为 优 先 控 制 模 式 ，可 保 怔 一 次 调 频 与
的有机统一;通
T M W 过调速系统瑭件改造及内部程序实现，1 完戒一次调频性能优化和改:进。经 600
水 电 机 组 实 际 工 程 验 证 ，一
次调频性能得到通:鲁，对 水 电 机 组 调 频 性 能 优 化 有 一 鱼 的 借 鉴 愈 义
关 键 词 :水电机组;调逋系赢一次调.频;功:率機式;调节深度
中 图 分 类 号 :TK730.4
文 献 标 志 码 :A
文 章 编 号 ：1001-5 4 8 5 (2016) 1 0 -0 1 4 5 -0 4
水电机组由于具有宽广的调节范围及较好的调 节 速 度 ，开、停 机 、负荷增减过程较快，控 制 灵 活 ，多 在电网中承担调峰、调频 的 任 务 。水电机组调速系 统 性 能 的 优 劣 ，特 别 是 一 次 调 频 性 能 ，倉接影响电网 的安全稳定运行。水电机组的调节特性比较复杂、 个性:突虚，影鹏因.素 较 多 ，请 如 PID ( proportional-integral-deriv.at.iv_e)调 节 参 数 适 處 性 、域:有压过水系统 的 水 击 现 象 引 起 的 功 率 反 调 、因 水 轮 机 特 性 曲 线 差 异 造 成 的 开 度 -功 率 曲 线 非 线 性 等 问 题 。因 此 ，水 电机组一次调频特性优化应充分考虑水轮机引水系 统的多样性、差异 性 、水力特性的复杂性、多变性及 非最小相位特性11]等6
表 1 某 600 M W 水电机组一次调频性能 改 进 情 况 （平 均 值 ）
Table 1 Improvement of PFR performance of 600MW hydro-turbine ( mean value)
( 2 ) 水轮机运行水头对一次调频调节深度的影 响 较 大 ，特 别 是 运 行 水 头 变 化 范 围 较 大 的 机 组 ，受综 合 特 性 影 响 ，在 高 水 位 时 导 叶 动 作 对 出 力 影 响 较 为 敏 感 ，但 在 低 水 位 、，高 开 度 时 甚 至 出 现 导 叶 增 加 ，出 力不变的情况。
针对问题（1 ) ，有 2 种 处 理 方 式 :一 ^采 用 较 小 的 永 态 转 差 率 值 ，这 样 可 以 使 得 相 同 频 差 条 件 下 ，获得更大的导叶开度调节鼋，即功率调节量4这 种补偿方式,在补偿小频差调节量的同时，使得大频 差的调货量以比例方式放大，不利于机组稳定运行。 二 是 采 用 整 体 补 偿 固 定 数 值 调 节 量 ，通 过 改 变 一 次 调频计算死区的方式实现，或者通过调整频差.4/■与 调 节 功 率 对 应 关 系 实 现 ，发 电 机 组 输 出 功 率 和 频 率 关系的曲线称为机组的功率- 频 率 静 态 特 性 ，可近 似用倉线来表示，如 图 3 所示w ; 这样的改进方式, 仅 反 映 在 电 网 频 率 出 现 小 波 动 的 情 况 ，在 补 偿 调 节 量 的 同 时 ，不 影 响 机 组 及 电 网 的 稳 定 运 行 。
图 1 中，开度反馈及功率反馈仅对积分环节起
图 2 电液随动系统模型 Fig.2 Electro-hydraulic servo system model
作用;理论及实践表明，此模型具有较好的动态性能 及较宽的稳定域。图 1 中：c, 表 示频率给定;/ 为机
组 频 率 和 ' 分 别 为 人 3 ：开度死区和人工功率 死区;&表开度给定,在开度调节模式时起作用；