重慶江口水電廠一次調(diào)頻試驗

程 勝， 喻 建 波， 劉 凱

(1.大唐重慶分公司，重慶 401147;2.重慶電力設(shè)計院，重慶 400030;3.重慶市電力公司物流服務(wù)中心，重慶 400014)

發(fā)電機組一次調(diào)頻是指當電網(wǎng)頻率超出規(guī)定的范圍后，電網(wǎng)中參與一次調(diào)頻的各發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)將根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化按負荷-頻率曲線自動地增加或減小機組的功率，從而達到新的平衡，并且將頻率的變化限制在一定的范圍內(nèi)。機組的一次調(diào)頻功能對電網(wǎng)及機組的安全穩(wěn)定運行有著極其重要的作用。根據(jù)重慶電網(wǎng)要求，江口水電廠所有機組必須全部具備一次調(diào)頻功能。通過對江口水電廠機組進行一次調(diào)頻試驗以檢驗機組一次調(diào)頻功能，在確保機組安全穩(wěn)定運行的情況下，測試并確定一組一次調(diào)頻運行參數(shù)，以滿足一次調(diào)頻性能要求。

江口水電廠位于重慶市武隆縣江口鎮(zhèn)，安裝3臺100 MW水輪發(fā)電機組，發(fā)電機型號為SF100－28/7650，水輪機型號為 HLS186 －LJ－347.7，額定轉(zhuǎn)速為214.3 r/min，額定水頭為106 m，調(diào)速器為武漢事達公司生產(chǎn)的 BWT－80－4.0－STARS型裝置，監(jiān)控系統(tǒng)采用北京水科院自動化所研究開發(fā)的H9000系統(tǒng)。

1 一次調(diào)頻對水電機組的主要技術(shù)要求

依照《華中電網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻運行管理規(guī)定(試行)》(以下稱《規(guī)定》)的要求，并根據(jù)《水輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置調(diào)整試驗導(dǎo)則》DL/T496－2001等相關(guān)標準，明確一次調(diào)頻的主要技術(shù)指標為:

(1)機組一次調(diào)頻頻率死區(qū)控制在±0.05 Hz以內(nèi);機組永態(tài)轉(zhuǎn)差率不大于4%;機組調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04%;最大調(diào)整負荷限幅:為確保一次調(diào)頻投入后機組的安全運行，暫定一次調(diào)頻的最大調(diào)整負荷限制幅度為機組額定負荷的±10%。

(2)響應(yīng)行為。①額定水頭在50 m及以上的水電機組，一次調(diào)頻負荷響應(yīng)滯后時間應(yīng)小于4 s;②當電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時，機組一次調(diào)頻的負荷調(diào)整幅度應(yīng)在15 s內(nèi)達到一次調(diào)頻的最大負荷調(diào)整幅度的90%;③在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時開始的45 s內(nèi)，機組實際出力與機組響應(yīng)目標偏差的平均值應(yīng)在機組額定有功出力的±5%以內(nèi)。

2 實現(xiàn)一次調(diào)頻功能的技術(shù)措施

江口水電廠機組調(diào)速器采用的調(diào)節(jié)模式為:

(1)開機和空載運行時以頻率調(diào)節(jié)模式為主，永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp=0，人工死區(qū)為0，PID調(diào)節(jié)參數(shù)采用空載參數(shù)。

(2)機組并網(wǎng)后自動轉(zhuǎn)換為開度調(diào)節(jié)模式，永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp=6%，人工死區(qū)為0.5 Hz，即為設(shè)定值，PID調(diào)節(jié)參數(shù)采用負載參數(shù)，此時功率調(diào)節(jié)通過自動發(fā)電控制(AGC)功能直接作用于功率給定，實現(xiàn)功率閉環(huán)控制。

在不投入一次調(diào)頻功能時，機組并網(wǎng)運行后，機組頻率在數(shù)值上等于電網(wǎng)頻率。由于人工頻率死區(qū)較大，因此，調(diào)速器主要以功率調(diào)節(jié)為主;投入一次調(diào)頻后，bp=4%，人工死區(qū) =0.05 Hz，設(shè)定值減小，當頻率波超過人工死區(qū)時，調(diào)速器按負荷-頻率曲線實現(xiàn)頻率有差調(diào)節(jié)。因此，根據(jù)一次調(diào)頻功能的投退狀況，調(diào)速器的bp和頻率人工死區(qū)為兩套不同的參數(shù)。

江口水電廠3臺機組調(diào)速器最初是不具備一次調(diào)頻功能的，要實現(xiàn)一次調(diào)頻，需要對原有的調(diào)速器參數(shù)進行新的設(shè)置，同時在計算機監(jiān)控系統(tǒng)中增加相應(yīng)的功能，最后通過一次調(diào)頻試驗以驗證機組是否具備一次調(diào)頻功能。在一次調(diào)頻試驗前對調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)進行了完善，采取了以下措施:

(1)增加調(diào)速器一次調(diào)頻PID參數(shù)，在機組負荷工況下通過一次調(diào)頻功能投/退開關(guān)實現(xiàn)對PID參數(shù)的調(diào)用，以便實現(xiàn)一次調(diào)頻動作過程中調(diào)速器響應(yīng)的快速性和準確性。

(2)根據(jù)重慶市調(diào)的規(guī)定，一次調(diào)頻功能投入不得擅自切除。為了方便一次調(diào)頻功能的投/退，在調(diào)速器電控柜和監(jiān)控系統(tǒng)上位機操作畫面上加裝一次調(diào)頻投/退功能開關(guān)。

(3)由于一次調(diào)頻動作時的頻率有差調(diào)節(jié)和AGC閉環(huán)調(diào)節(jié)將同時作用于導(dǎo)葉，從而造成機組功率振蕩。因此，要求機組一次調(diào)頻動作時，調(diào)速器將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)動作信號，監(jiān)控系統(tǒng)閉鎖有功調(diào)節(jié)閉環(huán);機組一次調(diào)頻結(jié)束后，調(diào)速器將向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)一次調(diào)頻動作復(fù)歸信號，監(jiān)控系統(tǒng)依此信號恢復(fù)有功調(diào)節(jié)閉環(huán)。

(4)修改調(diào)速器發(fā)電控制程序，進行一次調(diào)頻動作時最大負荷限制。此時調(diào)速器為開度調(diào)節(jié)模式，采用功率反饋進行輸出限制很容易造成機組超調(diào);同時，機組監(jiān)控有功調(diào)節(jié)閉環(huán)失去作用，功率的調(diào)節(jié)完全由調(diào)速器完成，增加限制的目的是防止機組過負荷。

3 一次調(diào)頻試驗

3.1 試驗方法

用外接頻率信號發(fā)生器的方法模擬系統(tǒng)頻率，通過調(diào)整頻率信號發(fā)生器的發(fā)生頻率使模擬的系統(tǒng)頻率超過人工頻率死區(qū)，觀察此時發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)動作情況以及機組負荷變化，并用試驗儀器進行錄波分析。

3.2 試驗內(nèi)容及步驟

(1)在停機狀態(tài)下進行一次調(diào)頻試驗接線。接線無誤后申請開機并網(wǎng)帶10%額定負荷。模擬“PT斷線”以檢驗調(diào)速器系統(tǒng)的保護功能。

(2)有功功率、導(dǎo)葉開度輸入信號率定。調(diào)整負荷到60%額定負荷以率定零位，調(diào)整負荷到額定負荷以率定滿度。

(3)調(diào)整負荷到80%額定負荷，把TG2000測試系統(tǒng)的頻率輸出信號設(shè)定為50 Hz接入調(diào)速系統(tǒng)測頻回路，并將調(diào)速器切至“自動”運行方式。

(4)對調(diào)速系統(tǒng)測頻回路進行校準。把TG2000測試系統(tǒng)的頻率輸出信號設(shè)定為50 Hz，接入調(diào)速器的機頻信號輸入端，并在49.8～50.2 Hz范圍內(nèi)以0.05 Hz的增幅逐步增加給定頻率(標稱值)，記錄調(diào)速系統(tǒng)的實測頻率值，再根據(jù)實際情況進行校正，使其測頻誤差≤0.005 Hz。

(5)用階躍頻率法測試機組調(diào)速系統(tǒng)綜合固有死區(qū)，以確定人工死區(qū)設(shè)置。將調(diào)速器人工頻率死區(qū)設(shè)為±0.05 Hz，并在50 Hz基礎(chǔ)上給調(diào)速器施加±0.05 Hz的階躍頻率信號。在調(diào)速系統(tǒng)沒有響應(yīng)的情況下，以0.005 Hz的增減幅度繼續(xù)施加階躍頻率信號(圖1)。當頻率為50.065和49.935 Hz時，導(dǎo)葉開度信號開始變化，確認一次調(diào)頻功能啟動，此時的頻率偏差信號(±0.065 Hz)與設(shè)定的人工頻率死區(qū)(±0.05 Hz)之差即為機組調(diào)速系統(tǒng)綜合固有死區(qū):±0.10 Hz。轉(zhuǎn)速死區(qū)ix(遲緩率):ix=×100%=0.02%。根據(jù)指標要求將人工頻率死區(qū)設(shè)為±0.04 Hz，進行機組一次調(diào)頻死區(qū)檢驗。

圖1 一次調(diào)頻頻率死區(qū)校核示意圖

(6)校核機組一次調(diào)頻的響應(yīng)行為。在50 Hz基礎(chǔ)上給調(diào)速器分別施加 ±0.1 Hz、±0.15 Hz、±0.2 Hz的階躍頻率信號，每個信號持續(xù)60 s，以檢驗調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)行為(圖2)。在其響應(yīng)行為不滿足技術(shù)指標的情況下，對調(diào)速器系統(tǒng)的相關(guān)程序及參數(shù)進行了調(diào)整，最后確定了一組新參數(shù):bt=10% 、Td=2 s、Tn=0 s。

(7)校核機組一次調(diào)頻的最大調(diào)整負荷限幅，在50 Hz基礎(chǔ)上給調(diào)速器分別施加±0.25 Hz的階躍頻率信號，每個信號持續(xù)60 s，考查機組負荷變化值是否超過±10%額定負荷。兩次擾動試驗結(jié)果見表1。

圖2 一次調(diào)頻響應(yīng)行為示意圖

(8)跟蹤電網(wǎng)頻率試驗。對電網(wǎng)頻率、有功功率和導(dǎo)葉開度信號進行實時錄波，記錄電網(wǎng)頻率越過一次調(diào)頻頻率死區(qū)(50±0.05 Hz)時調(diào)速器動作情況。

(9)考查當AGC及有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)投入時機組一次調(diào)頻的響應(yīng)。在50 Hz基礎(chǔ)上給調(diào)速器施加±0.15 Hz階躍頻率信號，考查機組一次調(diào)頻的響應(yīng)情況。

4 試驗結(jié)論分析

表1 負荷階躍擾動試驗數(shù)據(jù)表

對1號機組的示波圖記錄、試驗記錄表等現(xiàn)場試驗結(jié)果進行分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)機組調(diào)速系統(tǒng)測頻回路經(jīng)校核后將誤差控制在0.005 Hz范圍以內(nèi)。

(2)測得機組調(diào)速系統(tǒng)綜合固有死區(qū)為±0.010 Hz，故將人工頻率死區(qū)設(shè)置為 ±0.04 Hz，基本能滿足將一次調(diào)頻的頻率死區(qū)控制在±0.05 Hz以內(nèi)的指標要求。

(3)根據(jù)機組調(diào)速系統(tǒng)綜合固有死區(qū)(±0.010 Hz)計算出機組調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.02%，滿足小于0.04%的要求。

(4)機組的永態(tài)轉(zhuǎn)差率bp滿足不大于4%的指標要求。

(5)滿足一次調(diào)頻的最大調(diào)整負荷限制幅度為機組額定負荷的±10%的指標要求。

(6)響應(yīng)行為:①一次調(diào)頻負荷響應(yīng)滯后時間平均為1.8 s，符合小于4 s的要求。②一次調(diào)頻負荷響應(yīng)穩(wěn)定時間(負荷調(diào)整幅度達90%)平均為12 s，符合小于15 s的要求。③在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時開始的45 s內(nèi)，機組實際出力與機組響應(yīng)目標偏差的平均值為機組額定有功出力的±1.8%，在5%的要求范圍內(nèi)。

(7)修改調(diào)速器人工頻率死區(qū)后，導(dǎo)葉開度能夠?qū)嶋H電網(wǎng)頻率大于一次調(diào)頻死區(qū)的擾動進行響應(yīng)，但有功功率變化不明顯，這主要是由于外接有功功率變送器的量程偏大，使率定的范圍相應(yīng)增大(為40～100 MW，而一般為60% ～100%額定有功功率)，以致小幅的有功功率變化在示波記錄圖上看不出來。今后一定要根據(jù)現(xiàn)場情況配置不同量程的傳感器。

(8)在AGC及有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)投入的情況下，機組一次調(diào)頻啟動且有功功率擾動達到穩(wěn)定狀態(tài)后，AGC及有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)才開始起作用，兩者相互不影響。但當頻率擾動在AGC調(diào)節(jié)后才回到中心頻率，就會再次出現(xiàn)一個有功功率的偏差，AGC調(diào)節(jié)會再次使其回到初始有功功率。

綜上所述，江口水電廠機組具有一次調(diào)頻能力，具備投入一次調(diào)頻功能的條件。