喜河水電廠機組一次調頻試驗

申吳剛

（陜西漢江投資開發有限公司喜河水力發電廠 陜西 石泉 725271）

機組一次調頻 (primary frequency regulation，PFR)是指當電網頻率超出規定的正常范圍后，電網頻率的變化將使電網中參與一次調頻的各機組調速系統根據電網頻率的變化自動地增加或減小機組的功率，從而達到新的平衡，并且將電網頻率的變化限制在一定的范圍內。一次調頻是確保電力系統頻率穩定的主要途徑之一，目前國內機組大多具備投入一次調頻功能的條件，并應按規定投入一次調頻功能。一次調頻涉及到的控制邏輯和參數也應根據電網實際運行進行正確和必要的試驗，從而充分發揮作用。

喜河水電廠是陜西南部電網漢江上游七級水電站的第3級，位于石泉、漢陰交界處，安裝3臺60MW的軸流轉漿式水輪發電機組。機組調速器為武漢事達電器股份有限公司研制生產的DFWST100-6.3-STARS自復中式微機雙調調速器。本文重點介紹了喜河水電廠機組一次調頻試驗的內容和結果。

1 調速器構成、特點及主要參數

1.1 基本構成

DFWST100-6.3-STAR調速器是一種具有比例、積分、微分(PID)調節規律的新型數字式微機調速器，由自復中式伺服電機直線位移轉換器作為電液轉換元件，額定工作油壓6.3mPa，主配壓閥直徑100mm。由PLC調節器、液壓隨動系統、油壓裝置三部分組成。

1.2 結構特點

（1）可靠性高。采用進口高可靠性可編程控制器 (PLC)和智能觸摸顯示控制單元(HMI)。伺服電機直線位移轉換器，線性度好，反應靈敏，可靠性強并具有斷電自復中功能。

（2）可操作性強。智能化觸摸顯示技術的應用取消了大多數按鍵和按鈕，操作簡單。

（3）外形美觀。機械液壓部分采用直連方式，無杠桿和明管。

1.3 主要參數

調速器調節規律位為PID調節，測頻方式為殘壓測頻+齒盤測頻。測頻分辨率：±0.0015Hz；頻率信號：電壓互感器 (0.3～150V)；測頻范圍：48Hz～52Hz；測頻分辨率：±0.0015Hz；永態轉差系數bp：(0～10)%；暫態轉差系數bt：(5～200)%；緩沖時間常數 Td：(2～20)s；加速度時間常數 Tn：(0～2.0)s；頻率(轉速)失靈區：Ef=（0 ～ ±0.3Hz）；功率、開度失靈區：Ey/p=(0～±5)%；可調頻率給定：45Hz～55Hz。

2 試驗準備

2.1 環境

試驗溫度：10℃；相對濕度：75%；水頭：31.65m；人工水頭設定：25m。

2.2 試驗儀器

水輪機調速器綜合仿真測試系統，測頻、發頻精度0.001Hz；WS10SG型位移變送器；2臺壓力變送器。

2.3 試驗測點及信號引入情況

3 一次調頻試驗

3.1 測頻單元校驗

利用測試仿真儀發高精度的頻率信號，調速器的分辨率為0.01Hz，將輸出接入調速器的頻率測量端。調整信號源頻率輸出值，記錄測頻單元的數值，見表2，測試值為調速器顯示值，相差0.01Hz。

3.2 一次調頻功能設定與檢查

根據電力管理和調度部門的要求，并網發電機組必須具備和投入一次調頻功能，我們給機組增加了一次調頻功能，包括：增設一次調頻限幅功能，通過設定一次調頻過程頻率差進行限制，達到一次調頻限幅的目的；增設一次調頻專用調節參數，一次調頻開關投入后采用專用參數；增加一次調頻動作接點，將一次調頻動作情況上報至監控系統。

表1 試驗測點布置

表2 頻率校驗 （單位：Hz）

3.3 靜特性試驗

在機組靜止條件下，將調速器參數設置為bt=0.05、Td=2、Tn=0、bp=6%、人工頻率死區Ef=0，將調速器調節模式置為開度調節模式，將測試仿真儀發出的頻率信號引入調速器機頻測量端，做機組靜特性試驗，利用測試仿真儀自動記錄試驗過程。利用一元線性回歸分析方法，計算出該調速器的轉速死區、非線性度以及永態轉差系數bp的校驗值，并繪制該調速器靜特性曲線圖（見圖1）。

轉速死區：0.03%（超過國標要求的≯0.02%的規定）；非線性渡：0.53%（滿足國標要求的＜5%）；試驗時永態差值系數設為bp=6%，校驗值：開啟方向運動時bp計算值為6.03%，關閉方向運動時bp計算值為6.0%；槳葉隨動系統的不準確度ia=0.63%（滿足國標要求的≯0.8%）；實測協聯曲線與理論協聯關系曲線的偏差：0.5%（滿足國標要求的≯1.0%）。

3.4 一次調頻頻率階躍擾動試驗

機組并網帶負荷穩定運行，將測試儀的變頻信號源輸出的信號引入機頻測量端子，機組處于開環狀態，一次調頻功能投入，選擇幾組調節參數，利用測試儀發出頻率階躍信號，記錄整個擾動過程主接力器輸出、機組功率等信號。

調速器并網調節為PI調節，無微分，調節參數的設置如表3中的參數。其中導葉和槳葉的死區不是計算死區，和頻率死區的概念不一樣，是在調節過程中接力器行程目標值和實際值相差超過死區才進行調節，但不影響目標值和調節量，但影響調節速度，一次調頻過程的導葉接力器和槳葉接力器調節過程呈臺階狀就是由于動作死區引起的。動態一次調頻的初始工況為機組帶50MW，表4為動態一次調頻頻率階躍擾動試驗結果，計算以機組出力為目標值。

同時在一次調頻過程中由于引水系統的水擊效應，將使得一次調頻過程可能出現功率反調，存在一個調節滯后時間，將明顯惡化一次調頻性能，也不利于調度考核。因此在試驗中一要提高調節響應速度，二要降低調節中的功率反調，縮短滯后時間，避免機組出現較大的波動。

第一組調節參數下功率值達到調節量90%的時間在40s左右，調節穩定時間在50s以上，主要由于調節參數不合理，調節速度較慢，另外調速器設置的導葉接力器和槳葉接力器動作死區較大也對調節速度有影響，調節滯后時間也較長，因此需要對調節參數進行調整，減少接力器動作死區值。

在第二組參數下調節速度略有提高，但還是超過標準要求，需要進一步優化。

第三組參數在±0.15Hz的頻率擾動下，達到90%的時間均小于15s，條件穩定時間在30s以內，調節滯后時間在2s以內。機組為低水頭軸流轉槳式機組功率反調較小，以及本身功率擺動較大，在無調節情況下功率擺動值達到額定功率的2.5%左右，在三組參數下的一次調頻試驗未測到明顯的功率反調。

3.5 一次調頻實際電網頻率擾動試驗

為進一步考察機組實際一次調頻過程中調速系統的調節特性，將一個電網頻率擾動過程頻率變化信號通過仿真測試儀發頻，接入機頻測量端，模擬實際電網頻率擾動過程如圖4所示，主接力器及機組功率隨著頻率的波動調節，一次調頻過程正常。

綜合以上的一次調頻試驗，將調速器調節參數設置為：bt=5、Td=6、bp=4%、人工死區Ef=0.05Hz。一次調頻各項性能指標較好，并且滿足陜西省電力調度中心關于一次調頻相關技術指標。

表3 調節參數設置

表4 一次調頻試驗結果

圖1 靜特性曲線圖

圖2 第三組參數頻率下擾0.15Hz

4 結論

通過一次調頻試驗，優化了調速器一次調頻調節性能。驗證了在參數為bt=5、Td=6、bp=4%、人工死區Ef=0.05Hz，一次調頻過程達到目標出力90%的時間小于15秒，完全響應的時間小于30s；一次調頻調節滯后時間為1.9s，小于4s；一次調頻過程無明顯的功率反調。一次調頻性能指標滿足陜西省電力調度中心關于并網水電機組一次調頻的技術規定，具備一次調頻能力。

[1]李華.水電機組一次調頻性能的測試與分析[J].西北電力技術，2005，33(1)∶20-23.

[2]魏守平.水輪機控制工程[M].武漢∶華中科技大學出版社.2005.