桐柏抽蓄電站機(jī)組一次調(diào)頻相關(guān)試驗(yàn)

劉軒宇，張明芳

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺(tái)317200）

1 前言

桐柏抽水蓄能電站位于浙江省天臺(tái)縣棲霞鄉(xiāng)百丈村。安裝4臺(tái)300 MW立軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組。電站以500 kV電壓等級(jí)接入華東電網(wǎng)，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用任務(wù)。

各機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，受外界負(fù)荷變動(dòng)影響，電網(wǎng)頻率發(fā)生變化，各機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)即調(diào)速器系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)作用，改變各機(jī)組所帶的負(fù)荷，使之與外界負(fù)荷相平衡。同時(shí)，還盡力減少電網(wǎng)頻率的變化，這一過(guò)程即為一次調(diào)頻。機(jī)組調(diào)速器采用奧地利安德里茨的TC1703 XL數(shù)字調(diào)速器，該調(diào)速器具有穩(wěn)定精確運(yùn)行的特點(diǎn)，可滿足電站在各種工況下運(yùn)行及工況轉(zhuǎn)換的要求。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)方法和測(cè)點(diǎn)

當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)際頻率跟隨電網(wǎng)頻率變化。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)頻率在額定50 Hz附近小幅波動(dòng)，頻差較小，不便于測(cè)試驗(yàn)證機(jī)組的一次調(diào)頻性能。因此采用模擬頻率偏差的方法進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，通過(guò)修改電調(diào)內(nèi)部控制邏輯為試驗(yàn)程序，在軟件中實(shí)現(xiàn)頻率偏差的模擬。此時(shí)機(jī)組實(shí)際的頻率偏差被屏蔽，以避免電網(wǎng)頻率變化的影響。此外為驗(yàn)證頻率測(cè)量裝置的精度，試驗(yàn)期間在機(jī)組停機(jī)工況下，采用繼電保護(hù)裝置來(lái)校驗(yàn)頻率信號(hào)，經(jīng)驗(yàn)證，電調(diào)軟件中頻率與信號(hào)源頻率之間的差值在允許范圍（±0.003 Hz）內(nèi)。為更好地計(jì)算機(jī)組一次調(diào)頻的性能，試驗(yàn)過(guò)程需記錄機(jī)組有功功率、功率設(shè)定值、頻差、導(dǎo)葉指令、導(dǎo)葉開度、水頭等信號(hào)。上述數(shù)據(jù)采樣頻率不小于2 Hz，每次觸發(fā)頻差信號(hào)后，至少連續(xù)測(cè)量1 min時(shí)間。

2.2 計(jì)算依據(jù)

一次調(diào)頻效果DX=ΔQsY/ΔQjY（當(dāng)DX＜0，則：DX=0），當(dāng)一次調(diào)頻效果DX＞0，則機(jī)組一次調(diào)頻正確動(dòng)作1次；否則為不正確動(dòng)作1次。其中ΔQsY為一次調(diào)頻實(shí)際增量部分的積分電量，為相應(yīng)時(shí)間一次調(diào)頻理論計(jì)算積分電量其中ΔP（Δf，t）=-Δr（Δf，t）MCR/（NeKp）。本次數(shù)據(jù)分析中電量積分間隔時(shí)間取1 s，公式中其他參數(shù)說(shuō)明如下：

Δfsq為頻率控制死區(qū)；t0為電網(wǎng)頻率超出50±Δfsq的時(shí)刻；t調(diào)節(jié)為電網(wǎng)頻率超出50±Δfsq的時(shí)間；PST為電網(wǎng)頻率機(jī)組在t0時(shí)刻前10 s內(nèi)實(shí)際出力平均值；PSt為t0至t調(diào)節(jié)間機(jī)組實(shí)際出力（最大為60 s）；|Δr|為≥死區(qū)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；MCR為為機(jī)組額定有功出力；Ne為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速；Kp為轉(zhuǎn)速不等率。

3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

3.1 試驗(yàn)工況

水頭對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻性能有顯著影響，因此試驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷計(jì)劃曲線推測(cè)機(jī)組運(yùn)行水頭，從中選擇有代表性的水頭進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)桐柏電站目前的運(yùn)行情況，選取日常運(yùn)行的低水頭和高水頭兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

另外在不同的負(fù)荷工況下，機(jī)組一次調(diào)頻性能能也有所差異，應(yīng)選擇有代表性的工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)機(jī)組的核定運(yùn)行范圍，負(fù)荷工況選擇200 MW、240 MW、280 MW三點(diǎn)進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)條件

（1）機(jī)組本體設(shè)備和電調(diào)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，具備帶負(fù)荷運(yùn)行的條件，機(jī)組保護(hù)功能正常投入。

（2）調(diào)速器油壓系統(tǒng)正常，油壓為正常工作壓力。

（3）導(dǎo)葉開關(guān)時(shí)間滿足原來(lái)的設(shè)計(jì)要求。

（4）頻率信號(hào)校驗(yàn)合格，顯示正常。

（5）試驗(yàn)所需采集的信號(hào)已在數(shù)據(jù)采集設(shè)備和電調(diào)軟件中進(jìn)行設(shè)置，采樣精度和間隔能滿足要求。

（6）已按照試驗(yàn)方案要求的功能和指標(biāo)對(duì)相關(guān)控制邏輯和參數(shù)修改完畢，并對(duì)原程序和參數(shù)進(jìn)行了可靠備份。內(nèi)容包括：永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)、人工死區(qū)、最大負(fù)荷限幅、功率增減速率、導(dǎo)葉開啟關(guān)閉速率、滿足小頻差的負(fù)荷偏置等。

3.3 試驗(yàn)步驟

（1）試驗(yàn)前檢查

機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查，確認(rèn)運(yùn)行狀況良好。

將機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在280 MW，對(duì)一次調(diào)頻相關(guān)的電調(diào)邏輯進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查。

（2）一次調(diào)頻基本測(cè)試和優(yōu)化

在首個(gè)280 MW工況下，模擬不同的頻率偏差信號(hào)，測(cè)試機(jī)組的一次調(diào)頻基本性能，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線分析計(jì)算一次調(diào)頻指標(biāo)。在有必要時(shí)將在線修改參數(shù)對(duì)一次調(diào)頻響應(yīng)行為的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等進(jìn)行優(yōu)化。

（3）一次調(diào)頻性能完整測(cè)試

準(zhǔn)備工作全部完成后，在選取的不同水頭和不同試驗(yàn)負(fù)荷下，進(jìn)行完整的一次調(diào)頻性能測(cè)試。

1）頻率死區(qū)試驗(yàn)

確認(rèn)機(jī)組負(fù)荷不波動(dòng)，模擬頻差±0.045 Hz，確認(rèn)導(dǎo)葉或有功功率不發(fā)生變化，然后依次以±0.01 Hz幅度逐步增加模擬頻差，觀察和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，直到導(dǎo)葉或有功功率開始產(chǎn)生與此信號(hào)對(duì)應(yīng)的改變，此時(shí)的頻率偏差信號(hào)即是機(jī)組實(shí)際的頻率死區(qū)，待機(jī)組工況穩(wěn)定后，將偏差恢復(fù)到0 Hz。

2）響應(yīng)行為試驗(yàn)

機(jī)組穩(wěn)定情況下，模擬不同類型和幅值的轉(zhuǎn)速頻率偏差，確認(rèn)導(dǎo)葉和功率隨之增大/減小，待機(jī)組工況穩(wěn)定后，將頻率偏差恢復(fù)為0 Hz，觀察并記錄恢復(fù)過(guò)程。擾動(dòng)頻差幅度為；±0.05 Hz，±0.1 Hz，±0.15 Hz。（根據(jù)負(fù)荷選取適當(dāng)頻差）

3）負(fù)荷限制試驗(yàn)

在首個(gè)280 MW負(fù)荷工況點(diǎn)時(shí)，模擬±0.25 Hz的頻差，驗(yàn)證實(shí)際變化功率是否限制在±10%Pe（額定負(fù)荷）即±30 MW范圍內(nèi)。

4）投用負(fù)荷范圍試驗(yàn)

在280 MW負(fù)荷工況下，模擬0.25 Hz的正頻率偏差，驗(yàn)證機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷指令能否在最大出力處受限。

（4）小頻差在線觀測(cè)

上述試驗(yàn)結(jié)束，將頻率偏差由模擬值切換回實(shí)際值，并將人工頻率死區(qū)設(shè)置為±0.025 Hz左右，觀察和記錄機(jī)組在小頻差工況下負(fù)荷響應(yīng)性能。

（5）恢復(fù)工作

試驗(yàn)完成后，恢復(fù)機(jī)組電調(diào)相關(guān)邏輯到正常模式，交由運(yùn)行人員操作負(fù)荷或停機(jī)。待機(jī)組完全停機(jī)后，再拆除試驗(yàn)接線和安全隔離措施。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 頻差擾動(dòng)數(shù)據(jù)（200 MW）分析

1號(hào)機(jī)組200 MW時(shí)在高水頭下進(jìn)行了試驗(yàn)。

高水頭運(yùn)行時(shí)，所選擾動(dòng)頻差（扣除死區(qū)）為±0.05、±0.1及±0.15 Hz，試驗(yàn)結(jié)果正常。

一次調(diào)頻效果計(jì)算結(jié)果如表1所示，計(jì)算一次調(diào)頻目標(biāo)功率、積分電量和響應(yīng)速度時(shí)，轉(zhuǎn)速不等率按規(guī)定要求取4%。DX均＞0，一次調(diào)頻動(dòng)作正確；DX＞60%，均大于一次調(diào)頻性能指標(biāo)月平均值要求。

一次調(diào)頻響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表2所示，頻差信號(hào)產(chǎn)生后15 s內(nèi)機(jī)組出力響應(yīng)可滿足要求變化出力的90%以上；頻差信號(hào)產(chǎn)生后45 s內(nèi)機(jī)組實(shí)際出力與機(jī)組響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值均在機(jī)組額定有功出力的±3%以內(nèi)；頻差信號(hào)產(chǎn)生后，功率響應(yīng)滯后時(shí)間基本均在3 s左右。

表1 200 MW高水頭運(yùn)行時(shí)一次調(diào)頻效果DX計(jì)算

表2 200 MW高水頭運(yùn)行時(shí)一次調(diào)頻響應(yīng)計(jì)算

4.2 隨電網(wǎng)小擾動(dòng)數(shù)據(jù)分析

1號(hào)機(jī)組250 MW低水頭時(shí)，讓機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行觀察其一次調(diào)頻能力。調(diào)整一次調(diào)頻頻率死區(qū)為±0.03 Hz，一次調(diào)頻動(dòng)作情況如圖1所示（圖中頻差為減去頻率死區(qū)后的頻差），當(dāng)頻率發(fā)生變化，功率也發(fā)生變化，功率變化方向正確。從圖1中選取時(shí)間段為39.6～62.16 s，電網(wǎng)為負(fù)頻差時(shí)的數(shù)據(jù)分析：當(dāng)電網(wǎng)頻差超過(guò)頻率死區(qū)后，一次調(diào)頻開始動(dòng)作，計(jì)算一次調(diào)頻實(shí)際增量的積分電量ΔQsY為-0.010 9 MW·h，計(jì)算一次調(diào)頻理論積分電量ΔQjY為-0.004 37 MW·h，一次調(diào)頻效果DX=ΔQsY/ΔQjY=2.517，滿足電網(wǎng)考核要求，一次調(diào)頻動(dòng)作正確。

圖1中Y軸坐標(biāo)為導(dǎo)葉開度、實(shí)際功率、理論功率、頻差在設(shè)定范圍內(nèi)的百分比，X軸坐標(biāo)為相對(duì)時(shí)間（s）。

5 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

（1）機(jī)組出力響應(yīng)分析

圖1 250 MW低水頭改變頻率死區(qū)后隨網(wǎng)運(yùn)行一次調(diào)頻響應(yīng)曲線

桐柏抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組的一次調(diào)頻人工死區(qū)設(shè)為0.05 Hz，轉(zhuǎn)速不等率小于4%。

在試驗(yàn)頻差范圍內(nèi)，一次調(diào)頻效果DX均大于60%，滿足電網(wǎng)考核要求。頻差信號(hào)產(chǎn)生后15 s內(nèi)機(jī)組出力響應(yīng)可滿足要求變化出力的90%以上。頻差信號(hào)產(chǎn)生后45 s內(nèi)機(jī)組實(shí)際出力與機(jī)組響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值小于機(jī)組額定有功出力的±3%。

頻差發(fā)生后，一次調(diào)頻機(jī)組出力變化滯后基本在4 s以內(nèi)，與調(diào)速器程序內(nèi)部功率死區(qū)、調(diào)速器反饋信號(hào)延遲、水輪機(jī)固有的功率反調(diào)特性等有關(guān)。

（2）最大負(fù)荷限幅分析：機(jī)組的一次調(diào)頻最大限幅為額定功率的±10%。

（3）根據(jù)對(duì)試驗(yàn)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析，桐柏抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組一次調(diào)頻性能經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，基本滿足《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則（試行）》和《華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則（試行）》的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)組大修后，經(jīng)過(guò)一次調(diào)頻相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)組一次調(diào)頻性能滿足華東電網(wǎng)的各項(xiàng)考核要求，加深了對(duì)機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的了解。今后將根據(jù)新的電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行管理細(xì)則進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組一次調(diào)頻性能，全面保障華東電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。