桐柏抽水蓄能電站一次調(diào)頻性能試驗與分析

朱佳，戴建軍

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江天臺317200）

桐柏抽水蓄能電站一次調(diào)頻性能試驗與分析

朱佳，戴建軍

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江天臺317200）

為驗證桐柏抽水蓄能電站機組調(diào)速器系統(tǒng)檢修后一次調(diào)頻性能是否滿足《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則（試行）》和《華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則（試行）》中關(guān)于一次調(diào)頻性能指標的要求，對機組進行了一次調(diào)頻性能試驗，并分析試驗結(jié)果，在保證機組安全穩(wěn)定運行的前提下，對調(diào)速器參數(shù)進行優(yōu)化，使得機組一次調(diào)頻性能達到電網(wǎng)要求。

抽水蓄能；調(diào)速器；一次調(diào)頻；PID；調(diào)節(jié)參數(shù)

1 引言

桐柏抽水蓄能電站位于浙江省天臺縣，總裝機容量為1 200 MW，設(shè)有4臺單機300 MW的立軸單極混流可逆式機組，在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用任務(wù)。

抽水蓄能機組具備較強的一次調(diào)頻能力,是電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要保證。為了更好地發(fā)揮大型抽水蓄能機組在電力系統(tǒng)中的作用，對大型抽水蓄能機組進行一次調(diào)頻性能試驗及優(yōu)化，顯得尤為重要。桐柏抽水蓄能電站根據(jù)《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則（試行）》和《華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則（試行）》中關(guān)于一次調(diào)頻性能指標的要求，對機組進行了一次調(diào)頻性能試驗。本文以桐柏抽水蓄能電站1號機為例，介紹了大型抽水蓄能機組一次調(diào)頻性能試驗及分析。

2 一次調(diào)頻技術(shù)指標

華東電網(wǎng)要求水電機組應(yīng)該達到的一次調(diào)頻技術(shù)指標如下，一次調(diào)頻性能試驗即以此指標為指導(dǎo)。

（1）機組一次調(diào)頻的頻率死區(qū)控制在±0.05 Hz范圍內(nèi)；

（2）機組的轉(zhuǎn)差率不大于4%；

（3）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，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%；

（4）機組調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04%；

（5）投運范圍：機組一次調(diào)頻投運范圍為機組核定的有功出力范圍，即機組在核定的最低和最高有功出力范圍內(nèi)。

（6）響應(yīng)行為：額定水頭在50 m及以上的水電機組，其一次調(diào)頻負荷響應(yīng)滯后時間應(yīng)小于4 s；額定水頭在50 m及以下的水電機組，其一次調(diào)頻負荷響應(yīng)滯后時間應(yīng)小于8 s；當電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻的頻率死區(qū)時，機組一次調(diào)頻的負荷調(diào)整幅度應(yīng)在15 s內(nèi)達到該工況下的一次調(diào)頻目標負荷調(diào)整幅度的90%；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±3%以內(nèi)。

3 轉(zhuǎn)速死區(qū)測試

針對一次調(diào)頻技術(shù)指標中轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04%的要求，按《DL/T496-2001水輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置調(diào)整試驗導(dǎo)則》中的靜特性法測轉(zhuǎn)速死區(qū)的試驗步驟，在bp＝6%工況下測試調(diào)速器固有的轉(zhuǎn)速死區(qū)。試驗結(jié)果如表1所示，計算得出轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.012%，滿足考核要求。

表1.號機轉(zhuǎn)速死區(qū)數(shù)據(jù)

4 一次調(diào)頻性能試驗方法和內(nèi)容

4.1.驗方法

一次調(diào)頻的試驗方法是通過模擬頻率偏差（頻率參考-實際機頻），使機組功率跟隨頻差發(fā)生變化來驗證原動機一次調(diào)頻的功能和性能。為避免實際機頻波動對響應(yīng)的影響，在電調(diào)中增加臨時邏輯，試驗時不使用實際頻率偏差，切換到人為設(shè)定的固定頻差值。

4.2.驗工況

抽水蓄能機組與常規(guī)水電機組的顯著差異之一是水頭變化頻繁且幅度大，而水頭對機組功率有非線性影響，此外導(dǎo)葉開度對機組功率也有非線性影響。為確保機組在所有運行工況下均滿足一次調(diào)頻響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性，需選取有代表性的工況進行試驗。

根據(jù)歷史運行經(jīng)驗，選取日常運行水頭范圍內(nèi)的高水頭和低水頭，并在同一水頭下分別在運行負荷范圍的最低負荷，中間負荷和高負荷3個負荷點進行一次調(diào)頻性能考核：

高水頭（275 m左右）：200 MW、250 MW、300 MW；

低水頭（245 m左右）：200 MW、250 MW、300 MW。

4.3.驗內(nèi)容

在不同水頭下的3個試驗主要負荷點選取的6個一次調(diào)頻性能考核工況下，分別進行下列試驗：

（1）頻率死區(qū)試驗（±0.05 Hz）；（2）小幅度頻差試驗（±0.15 Hz）；（3）大幅度頻差試驗（±0.20 Hz）；（4）電網(wǎng)事故頻差試驗（±0.3 Hz）。

5 1號機一次調(diào)頻性能試驗分析

5.1.率死區(qū)

調(diào)速器邏輯中人工死區(qū)設(shè)為±0.04 Hz，頻率死區(qū)測試時設(shè)頻率偏差為±0.05 Hz，測試導(dǎo)葉和負荷是否變化。圖1是低水頭300 MW工況下頻率死區(qū)響應(yīng)曲線，圖2是高水頭300 MW工況下頻率死區(qū)響應(yīng)曲線。各工況下頻差大于人工死區(qū)后導(dǎo)葉均立即動作，但負荷響應(yīng)相對緩慢，存在滯后。

圖1.水頭300 MW工況頻率死區(qū)曲線

圖2.水頭300 MW工況頻率死區(qū)曲線

5.2.應(yīng)行為

一次調(diào)頻性能試驗在不同工況下分別進行了不同幅度的頻差階躍試驗，在此選取兩個有代表意義工況下的試驗曲線分析。選取的試驗曲線針對水機的非線性特征，若低水頭高負荷工況下一次調(diào)頻響應(yīng)速度符合要求，則基本所有工況響應(yīng)速度均符合；若高水頭低負荷工況下一次調(diào)頻穩(wěn)定，則基本所有工況響應(yīng)特性均不會有嚴重超調(diào)和振蕩。

圖3是低水頭300 MW工況下階躍頻差為-0.2 Hz的響應(yīng)曲線，負荷響應(yīng)速度稍慢，響應(yīng)延遲大于4 s。圖4是高水頭200 MW工況下階躍頻差為+0.2 Hz的響應(yīng)曲線，負荷響應(yīng)迅速，負荷響應(yīng)有超調(diào)和衰減過程，但總體響應(yīng)特性穩(wěn)定。

圖3.水頭300 MW工況-0.2 Hz響應(yīng)曲線

圖4.水頭200 MW工況+0.2 Hz響應(yīng)曲線

5.3.運范圍測試

調(diào)速器邏輯設(shè)置機組并網(wǎng)后一次調(diào)頻即投入，無一次調(diào)頻投運范圍下限，機組最大出力限幅為額定的104%。圖5是低水頭200 MW工況下模擬-0.15 Hz頻差的響應(yīng)曲線，當機組運行于核定負荷調(diào)節(jié)范圍下限時，若頻率升高，機組功率將根據(jù)頻差大小相應(yīng)降低，無一次調(diào)頻投運范圍下限。圖6是低水頭300 MW工況下模擬+0.2 Hz頻差的響應(yīng)曲線，按頻差計算，功率設(shè)定值應(yīng)為322.95 MW，由于一次調(diào)頻上限功能作用，功率設(shè)定值限制在軟件設(shè)定的最大超發(fā)功率312 MW，機組實際負荷響應(yīng)能達設(shè)定值，但導(dǎo)葉開度接近開限。

圖5.水頭200 MW工況-0.15 Hz響應(yīng)曲線

5.4.頻限幅測試

調(diào)速器邏輯設(shè)置±10%額定負荷的調(diào)頻限幅，轉(zhuǎn)差率等于4%對應(yīng)±0.25 Hz的頻率偏差，當頻率偏差大于±0.25 Hz時，機組功率設(shè)定值變化將限制在額定負荷的±10%。圖7是低水頭300 MW工況模擬-0.3 Hz頻率偏差的響應(yīng)曲線，功率設(shè)定值被限制在270 MW。

圖6.水頭300 MW工況+0.2 Hz響應(yīng)曲線

圖7.水頭300 MW工況一次調(diào)頻限幅功能

5.5.1.機一次調(diào)頻性能試驗結(jié)論

通過對1號機進行一次調(diào)頻性能試驗并對試驗結(jié)果進行分析，針對1號機得到如下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)差率參數(shù)設(shè)4%時，功率設(shè)定值按相應(yīng)函數(shù)關(guān)系變化，實際響應(yīng)功率與設(shè)定值偏差在0.8 MW功率死區(qū)范圍內(nèi)；

（2）靜特性試驗，表明調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04%；

（3）電調(diào)人工死區(qū)設(shè)為±0.04 Hz，頻率死區(qū)小于±0.05 Hz；

（4）實際最大調(diào)整負荷限幅為機組額定負荷的±10%；

（5）一次調(diào)頻投運范圍無下限，最高出力限制為104%；

（6）在高水頭整個投運負荷范圍內(nèi)（200 MW～300 MW）和低水頭低負荷段，一次調(diào)頻響應(yīng)滯后在4 s左右，15 s和45 s的響應(yīng)行為指標均滿足要求；

（7）在低水頭高負荷工況，受機組固有的功率反調(diào)特性影響，一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時間稍大于4 s；受機組固有的功率響應(yīng)非線性影響，一次調(diào)頻的響應(yīng)行為將稍微變慢，達90%目標負荷時間大于15 s。

綜上所述，桐柏抽水蓄能電站1號機組具有一次調(diào)頻功能，在投運負荷范圍內(nèi)（200 MW～300 MW）和正常運行水頭范圍（245 m～275 m）內(nèi)，一次調(diào)頻性能基本滿足試驗考核指標要求。針對在低水頭高負荷工況一次調(diào)頻的響應(yīng)行為稍慢，達90%目標負荷時間大于15 s的情況，需要通過修改調(diào)速器PID參數(shù)進行調(diào)整，由于調(diào)整參數(shù)對調(diào)速器性能影響較大，需進一步深入分析討論后再進行優(yōu)化。

6 結(jié)論

桐柏抽水蓄能電站通過機組的一次調(diào)頻性能試驗,加深了對機組調(diào)速器系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性的了解,發(fā)現(xiàn)了存在的問題，指出了下一步研究的方向。今后將針對存在的問題進一步分析研究，提高機組一次調(diào)頻性能，全力保障華東電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則（試行）[Z].

[3]華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則（試行）

TV743

A

1672-5387（2017）09-0006-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.09.003

2017-06-19

朱佳（1982-），男，工程師，從事抽水蓄能電廠運行維護工作。