水电机组一次调频与AGC典型控制策略的工程分析及优化_何常胜

（ ） ２ ０ １ ５， ３ ９ ３
· 工程应用 ·
比率为 ８ ７． ７％ 。 功率 控 制 模 式 在 国 内 投 入 运 行 较 少 ， 根据目前 ， 已运行机组的工程 试 验 和 数 据 分 析 提 出 以 下 注 意 事项及改进建议 。 ） 功率控制 模 式 调 节 目 标 为 机 组 功 率 ， １ Ｐ Ｉ Ｄ调
１ １］ ， 节的闭环回路包括了水轮机及引 水 系 统 ［ 在低负 荷段因转轮流态不 理 想 常 出 现 较 大 压 力 脉 动 ， 引起
此时功率死区选择不当 ， 将引起导叶频繁 负荷波动 ， 动作 ， 影响机组寿命 。 为阶跃变 ２） ＡＧ Ｃ 负 荷 指 令 由 监 控 系 统 输 出， 若阶跃量幅值 较 大 ， 导 叶 开 度 将 迅 速 大 幅 增 减， 化， 不利于机组安全运行 ， 建议采用斜坡函数输出 ， 优化 导叶开度增减速 率 。 选 用 图 １ 所 示 的 调 速 器 模 型 ， 参数 设 置 为 ： ＫＰ ＝０ห้องสมุดไป่ตู้ ２ ４， ＫＩ ＝０． １ ６， Ｋ Ｄ ＝０， ｅ ｐ＝ ， ４％ ， Ｅｆ ＝０． ０ ５Ｈ ｚ ＥＰ ＝０． ４ ５％ 。 按 照 南 方 电 网 ＡＧ Ｃ 调节速率每分 钟 应 不 小 于 ６ ０％ 所 控 机 组 额 定 功率的要求 ， 单步调节 设 为 ２ 斜率设为２ ３ ０ ＭＷ ， ０， 仿真结果如图 ３ 所示 。
第３ ９ 卷 第 ３ 期 ２ ０ １ ５年２月１ ０日
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ９Ｎ ｏ ． ３Ｆ ｅ ｂ． １ ０， ２ ０ １ ５
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ７ ５ ０ ０ Ａ Ｅ Ｐ Ｓ ２ ０ １ ４ ０ ２ ０ ８ ０ ０ ３
水电机组一次调频与 Ａ Ｇ Ｃ 典型控制策略的工程分析及优化
何常胜１，董鸿魁１，翟 鹏２，苏 杭１，王新乐１，丁永胜１
， 首先施加频差扰动 ０． 根据频率变化量与 １Ｈ ｚ 功率变化量的 比 值 可 得 理 论 调 频 量 为 １ ９． ２ ５ ＭＷ ， 即
图 １ 溪洛渡水电站模型框图 Ｆ ｉ ． １ Ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ Ｘ ｉ ｌ ｕ ｏ ｄ ｕ ｈ ｄ ｒ ｏ ｏ ｗ ｅ ｒ ｇ ｇ ｙ ｐ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ
： ／ ／ ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ａ ｅ ｓ ｉ ｎ ｆ ｏ ． ｃ ｏ ｍ１ － ｐ ｐ ４ ７
从图 １ 可 以 看 出 ， 稳态情况下保持机组功率为 设定值 ， 如果机组实 际 功 率 与 设 定 值 存 在 的 偏 差 超 出功 率 死 区 ， 该偏差将通过功率 Ｐ Ｉ Ｄ 环 节 的 作 用， 调整机组导叶开度 ， 拉回到功率死区范围内 ； 当系统 频率越限 时 ， 频 差 信 号 通 过 参 数ｅ ｐ 转换为功率偏 差， 与机组功率给定 、 机组实际功率反馈累加经功率 实现 一 次 调 频 作 用 。 模 型 中 功 率 指 令 由 Ｐ Ｉ Ｄ 环节 ， 监控系统模拟量输出 。 以下 通 过 溪 洛 渡 水 电 站 １ ５号机组一次调频与
（ ） １．云南电网电力研究院 ，云南省昆明市 ６ ５ ０ ２ １ ７； ２．西安热工研究院有限公司 ，陕西省西安市 ７ １ ０ ０ ３ ２
摘要 ：分析了云南省内已投运水电机组一次调频与自动 发 电 控 制 （ 的 典 型 控 制 策 略， 通过工 ＡＧ Ｃ） 程试验及数据分析 ， 逐一 指 出 其 特 点 及 不 足 。 提 出 功 率 控 制 模 式 下 机 组 采 用 斜 坡 函 数 作 为 ＡＧ Ｃ 负荷指令 ， 及采用比例 — 积分 — 微分 （ 变参数控制分别满足 ＡＧ Ｐ Ｉ Ｄ） Ｃ 负荷调节和一次调频响应的不 同要求 ； 开度控制模式下机组一次调频动作方向与 ＡＧ Ｃ 负荷指令方向相反时应屏蔽 ＡＧ Ｃ 负荷指 令， 以及 ＡＧ 应 短 暂 屏 蔽 一 次 调 频 功 能 等 策 略 。 优 化 了 一 次 调 频 与 ＡＧ Ｃ 负荷指令首先响 应 时 ， Ｃ 间的逻辑关系 ， 并对文中的典型控制策略给 出 了 合 理 的 可 行 性 建 议 ， 为 水 电 机 组 一 次 调 频 与 ＡＧ Ｃ 寻找更理想的配合策略提供了参考依据 。 关键词 ：水电机组 ；一次调频 ；自动发电控制 ；监控系统 ；调速器
１ 技术要求
南方电网在 ２ 中国南方电网自动 ０ ０ ９ 年施行的 《 ） 》 ， 发电 控 制 （ 技 术 规 范 中 针对一次调频与 ＡＧ Ｃ 机 组 在 执 行 ＡＧ ＡＧ Ｃ 配合问题提出 ： Ｃ 设定值时应 该不受一次调频功 能 的 影 响 ， 出力变化应该是二者 。 叠加的效果 对水电厂的调速机构不能实现一次调 应满足 ： 机组在执行 频和二次调频共同叠加的机组 ， ＡＧ Ｃ 调节任务时不应该受到一次调频功能的干扰 ； 一次 调 频 在 ＡＧ 一 Ｃ 调 节 间 断 时 期 应 该 正 常 响 应； 次调 频 在 动 作 过 程 中 如 果 有 新 的 ＡＧ Ｃ 调 节 命 令， 应该立即执 行 ＡＧ Ｃ 调 节 命 令 。 对 ＡＧ Ｃ 调节速率 要 求： 以 机 组 开 始 响 应 开 始 计 时， 到机组离目标 值 ５ ＭＷ 时结束 计 时 ， 计 算 机 组 的 调 节 速 率， 其值
０ 引言
一次 调 频 经 过 多 年 的 应 用 和 运 行 ， 为保证云南 电网及发电机组安 全 运 行 ， 提高电能质量及电网频 率控制水平 ， 迅速平 息 电 网 频 率 波 动 起 到 了 重 要 作
］ １ ３ － 。 一次调频是水电机组调节系统的自身频率／ 用［ 功率特性对电网的控制 ， 是由调速器的频率／功率静
１ ４ ６
何常胜 ， 等 水电机组一次调频与 ＡＧ Ｃ 典型控制策略的工程分析及优化
标为导叶开度 ， 一定的频差 Δ Ｐ ｆ 对应的机组功率 Δ 不同 ， 运行 水 头 高 时 Δ Ｐ ｙ 对应的机组功率增量 Δ 大； 运行水头低时 Δ Ｐ ｙ 对应的机组功率增量 Δ ４］ 。 小［ ） 功率控制模式下负荷指令直接由监控系统下 ２ 达模拟量去执行导 叶 开 度 ， 开度控制模式负荷指令 由监控系统经脉宽 调 制 ， 通过调速器积分后执行导 功率控制模 式 下 的 机 组 功 率 动 态 过 程 快 于 叶开度 ，
［３］ 。 应不小于每分钟 ６ ０％ 的所控机组额定功率 １ 南方电网在 ２ 南方电网电厂辅助 ０ ０ ９ 年施行的 《
调节 特 性 态特性通过调速器比例 — 积分 — 微分 （ Ｐ Ｉ Ｄ） 来实现的 ； 二 次 调 频， 即自动发电控制（ 是电 ＡＧ Ｃ） 经济 运 行 及 电 网 交 换 功 率 控 制 等 因 网从宏观控制 、 ４］ 。 一 次 调 频 与 ＡＧ 素上 ， 向 调 速 器 下 达 功 率 值［ Ｃ
图 ２ 溪洛渡水电站一次调频与 Ａ Ｇ Ｃ 联调试验曲线 Ｆ ｉ ． ２ Ｔ ｅ ｓ ｔ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｒ ｉ ｍ ａ ｒ ｇ ｑ ｙ ｐ ｙ Ａ Ｇ Ｃ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ Ｘ ｉ ｌ ｕ ｏ ｄ ｕ ｈ ｄ ｒ ｏ ｏ ｗ ｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｙ ｐ
］ ５ ８ － ， 是保持电网有功平衡和频率稳定的重要手段 ［ 伴
随 ＡＧ Ｃ 和一次调频考核等技术指标和规定的不断 完善 ， 一 次 调 频 与 ＡＧ Ｃ 的配合策略逐渐得到重
］ ９ １ ０ － 。 视［
云南 省 内 已 投 运 的 大 型 水 电 机 组 ， 其一次调频 的控制策略按原理可分为开度控制模式和功率控制 ］ １ １ １ ２ － 。 但由于 不 同 厂 家 设 计 理 念 的 差 别 ， 模式 ［ 使得 ＡＧ Ｃ 与一 次 调 频 配 合 策 略 演 化 出 多 种 解 决 方 案 。 本文从典型控制策略出发 ， 以大量试验数据为基础 ， 详细分析了云南省内典型机组 ＡＧ Ｃ 与一次调频控 详 述 了 一 次 调 频 和 ＡＧ 制策 略 原 理 ， Ｃ 间的关系及 不足 ， 并针对两种控制模式的优缺点进行归纳总结 ， 为水电机组一次调频与 ＡＧ Ｃ 寻找更理想的配合策 略提供了参考依据 。
ｆ Δ （ ） １ Ｐ Δ Ｃ 负荷指令由３ ２ ０ ＭＷ 频率响应后 将 机 组 ＡＧ ， 变化到 ２ ８ ０ ＭＷ 实 际 功 率 响 应 为 ２ ５ ９． ２ ３ ＭＷ， ｅ ｐ＝
ＡＧ Ｃ 指令引起的 调 功 量 和 一 次 调 频 作 用 引 起 的 调 频量的叠加与机组实际功率的变化量相吻合 。 机组 响应稳定后 ， 频率 恢 复 至 额 定 值 时 ， 调 频 分 量 消 失， 机组 出 力 恢 复 至 ＡＧ 实现了一次调频储 Ｃ 给 定 值， 备的有效 释 放 。 无 论 ＡＧ 机组一次调 Ｃ 是 否 投 入， 频均能正确响应 ， 且不会因为调频动作改变机组出 力， 将机组出力 拉 回 到 调 频 前 的 状 态 。 试 验 一 次 调 频作用产生的实际调节电量约为 ４ 机 ０ ９． ４ｋＷ ·ｈ， 组实际调节电量与理论调节电量的比值即调节电量
２． ２ 功率控制模式典型机组 溪洛渡水电站 总 装 机 容 量 为 １ 采 ８×７ ７ ０ ＭＷ， 用中水科技 Ｈ ９ ０ ０ ０ Ｖ ４． ０计算机监控系统和长江三 峡能事 达 电 气 股 份 有 限 公 司 生 产 的 ＷＢ Ｌ Ｄ Ｔ １ ５ ０ － 型调速器 。 控制模 式 为 功 率 控 制 模 式 ， 控制模型框 图如图 １ 所 示 。 图 中 ： ＫＰ 为 比 例 增 益 ； ＫＤ 为 微 分 ； ； 增益 ； 为积分增益 为微分时间常数 ＫＩ Ｔ１ ｅ ｖ ｐ 为功 率调差率 ； ｂ ｙｃ 为 导 叶 给 定 值 ； ｆｒ ｅ ｆ ｐ 为 永 态 转 差 率； 为频率给定值 ； Ｐｒ Ｐｇ ｆｇ 为频率反馈 ； ｅ ｆ 为功率给定 ； 为功率反馈 ； 为控制输出 。 ｙＰ Ｉ Ｄ
５］ 。 开度控制模式下的机组功率动态过程 ［ ） 功率控制模 式 时 ， 由于闭环回路中包含了电 ３
分 析 两 者 配 合 策 略， 观察机组出力 ＡＧ Ｃ 联调试验 ， “ 跟踪情况 ， 调频 ” 与“ 调 功” 功能是否均能正常发挥 。 作用且 互 不 影 响 试 验 时 全 厂 ＡＧ Ｃ 成组控制退 出、 单机 ＡＧ 切断 调 速 Ｃ 以及一次调频功能均投入 ， 使水轮机调节系统在开环状态 器的频率测量信号 ， 运 行， 外 接 频 率 发 生 器， 仿 真 机 组 频 率 阶 跃 变 化， 以下电站均采用 ＡＧ Ｃ 负荷指令通过监控系统调节 （ ， 参 数 设 置 为： 此试验方 法 ） ＫＰ ＝０． ２ ４， ＫＩ ＝０． １ ６， ， ， ， 频率死 区 功 率 死 区 Ｋ Ｄ ＝０ｅ Ｅｆ＝０． ０ ５Ｈ ｚ ｐ＝４％
２ 现有典型机组一次调频与 Ａ Ｇ Ｃ 配合策略
２． １ 功率／开度控制模式特征分析 ） 水电机组一次调频的控制模式是由水轮机调 １ 节系统的反馈方式决定的 。 功率控制模式一次调频 的调节目标为机 组 功 率 ， 频差 Δ ｆ 直接转化为机组 ； 功率 Δ 一定的 对 应 的 机 组 与 Ｐ Ｐ 是 固 定 的， Δ Δ ｆ 机组运行水头无关 。 开度控制模式一次调频调节目
水 轮 机 及 压 力 引 水 系 统、 发电机等环 液随动放大 、 节， 其稳定性随积分 增 益 或 功 率 调 差 率 增 大 明 显 变 差， 从而限制了机组一次调频的动态响应速度 ， 也比
］ ４ ５ － 。 较容易产生振荡 ［
ＥＰ ＝０． ４ ５％ 。 一 次 调 频 与 ＡＧ Ｃ 联调试验曲线 如图 ２ 所示 。 图中 ： ｆ 为 仿 真 频 率； ｙ 为 导 叶 开 度； 。 为有功功率 Ｐ
；修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ ４ ０ ２ ０ ８ ２ ０ １ ４ ０ ６ ２ ０ － － － － ） 。 云南电网公司科技项目 （ Ｋ－ＹＮ ２ ０ １ ２ ４ ３ ６ －
考核技术支持系统考核细则算法规范 》 中， 对一次调 频调节电量要求 ： 一次调频实际动作的调节电量／理 论动 作 调 节 电 量 的 百 分 比 小 于 ５ ０％ 则 判 为 １ ４］ 。 不合格 ［