一種功率模式調(diào)速器并網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化的實現(xiàn)方式

蘇 杭 何常勝 何建宇

（云南電力試驗研究院（集團(tuán)）有限公司，云南昆明 650217）

1 調(diào)速器并網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化的意義與目的

云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步相連，對主力水電廠調(diào)速器并網(wǎng)調(diào)節(jié)控制提出新要求[1]。由調(diào)速器主導(dǎo)實現(xiàn)的電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)控制可以分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻。一次調(diào)頻為頻率超越死區(qū)后調(diào)速器對功率的自發(fā)調(diào)節(jié)，屬于有差調(diào)節(jié)，不能維持電網(wǎng)頻率保持不變，只能緩解電網(wǎng)頻率的偏離度。需要二次調(diào)頻，調(diào)度機(jī)構(gòu)下發(fā)指令，機(jī)組按照一定調(diào)節(jié)速率對出力進(jìn)行調(diào)整，滿足系統(tǒng)頻率和功率控制目標(biāo)要求。

目前，二次調(diào)頻主要靠自動發(fā)電控制（AGC）實現(xiàn)。云網(wǎng)某大型水電廠裝機(jī)容量為6×225 MW，承擔(dān)數(shù)量可觀的基礎(chǔ)負(fù)荷，調(diào)速器并網(wǎng)調(diào)節(jié)模式為功率模式。常見開度模式，功率模式一次和二次調(diào)頻均依賴調(diào)速器PID控制實現(xiàn)，有利于網(wǎng)側(cè)穩(wěn)定，已被多家應(yīng)用（溪洛渡18×770 MW、烏東德左岸6×850 MW、白鶴灘在建16×1 000 MW）。某廠調(diào)速器并網(wǎng)調(diào)節(jié)存在的問題是一次調(diào)頻和AGC有功調(diào)節(jié)速率不合理，反調(diào)及超調(diào)現(xiàn)象明顯，無法滿足異步聯(lián)網(wǎng)相關(guān)要求，有必要進(jìn)行調(diào)速器并網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化。

調(diào)速器并網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化目的：

（1）一次調(diào)頻進(jìn)行較慢速率的調(diào)節(jié)，減小反調(diào)及超調(diào)，在電網(wǎng)頻率波動時提供正阻尼，滿足異步聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)頻率穩(wěn)定性要求；AGC以較快速率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速率滿足國家能源局《南方區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實施細(xì)則》及《南方區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細(xì)則》（以下簡稱“兩個細(xì)則”）考核要求（AGC有功調(diào)節(jié)速率不低于20%Pr/min，Pr為單機(jī)額定功率）。

（2）優(yōu)化調(diào)整后，一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)關(guān)系滿足《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 1245—2013）項目以及《南方電網(wǎng)自動發(fā)電控制（AGC）技術(shù)規(guī)范》（Q/CSG 1203033—2017）項目要求。

2 調(diào)節(jié)指標(biāo)評價方式

2.1 AGC調(diào)節(jié)速率

目前，“兩個細(xì)則”尚未對AGC有功調(diào)節(jié)速率計算方式有明確界定，參照《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》（DL/T 563—2016）進(jìn)行設(shè)置，即AGC調(diào)節(jié)速率為|Pset-P0|×60/Tp（Pset為功率目標(biāo)值、P0為初始功率、Tp為調(diào)節(jié)時間）[2]，其中Tp為從有功給定階躍起至有功波動相對值不超過±1%為止的時間。

2.2 一次調(diào)頻調(diào)節(jié)速率

一次調(diào)頻調(diào)節(jié)速率以調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間計算，參照《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 1245—2013）的相關(guān)要求，即頻差超越死區(qū)一次調(diào)頻動作至機(jī)組負(fù)荷達(dá)到100%穩(wěn)態(tài)值的時間；調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間限值按《云南電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定》中限值計算，即45 s。

2.3 反調(diào)和超調(diào)指標(biāo)

一次調(diào)頻反調(diào)量（%）以反調(diào)峰值功率計算，其限值參考《同步發(fā)電機(jī)原動機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測與建模導(dǎo)則》（DL/T 1235—2019）的相關(guān)要求計算，即總調(diào)節(jié)量的10%，AGC反調(diào)量暫不作考核限制[3]；超調(diào)量（%）限值參考《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》（DL/T 563—2016）進(jìn)行，即5%Pr（11.25 MW）。

3 調(diào)速器模型分析

以該廠#1機(jī)組為對象，調(diào)速器為PI（無微分）調(diào)節(jié)，傳遞函數(shù)框圖如圖1所示。

圖1 #1機(jī)組調(diào)速器傳遞函數(shù)框圖

圖中：bp——永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)；Δp——功率偏差；Kp——比例增益；Ki——積分增益。

功率-水頭非線性插值環(huán)節(jié)根據(jù)實際運(yùn)行水頭由程序內(nèi)部寫定。由控制原理可知，某水頭下機(jī)組功率p對階躍輸入量Δr的響應(yīng)p(t)為指數(shù)曲線：

式中：f(Kp,Ki,bp)、g(Kp,Ki,bp)、ξ(Kp,Ki,bp)——Kp、Ki、bp的函數(shù)；Δr——頻率或功率偏差。

計算響應(yīng)速率：

在南網(wǎng)要求不修改并網(wǎng)bp和死區(qū)ef的條件下，Kp、Ki參數(shù)和階躍量Δr對過渡過程品質(zhì)和調(diào)節(jié)速率有著決定影響，改變Kp、Ki可以改變一次調(diào)頻或AGC的調(diào)節(jié)速率；較大的有功給定對應(yīng)較大AGC調(diào)節(jié)速率；一次調(diào)頻與AGC共用一組PI參數(shù)，改變一次調(diào)頻參數(shù)會影響AGC調(diào)節(jié)速率。

4 優(yōu)化方案

按異步聯(lián)網(wǎng)要求，一次調(diào)頻調(diào)節(jié)優(yōu)化以遏制反調(diào)為主；AGC是平息電網(wǎng)頻率波動不可或缺的重要保障，南網(wǎng)體系對AGC調(diào)節(jié)速率具有嚴(yán)格考核[5]，AGC調(diào)節(jié)優(yōu)化以確保速率為主。

基于單參數(shù)功率模式調(diào)速器模型結(jié)構(gòu)，提出兩階段優(yōu)化方案，即改變Kp、Ki以抑制一次調(diào)頻調(diào)節(jié)速率；新增一組PI參數(shù)，優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)速率。

4.1 一階段優(yōu)化

使用MATLAB-simulink平臺搭建模型計算優(yōu)化參數(shù)，原參數(shù)Kp=0.2、Ki=0.5、Kd=0、bp=4%、ef=0.05 Hz；優(yōu)化后Kp=0.1、Ki=0.4。試驗方案為機(jī)組退出成組，退出單機(jī)AGC；進(jìn)行一次調(diào)頻試驗，加模擬頻差±0.2 Hz；投入單機(jī)AGC，進(jìn)行AGC有功階躍試驗，上位機(jī)有功給定±20、±10 MW。試驗工況#1水頭76 m，負(fù)荷190 MW，錄制機(jī)組頻率、有功給定與有功反饋模擬量信號。

結(jié)果如圖2所示。

圖2 #1機(jī)組一階段優(yōu)化實測結(jié)果

調(diào)節(jié)指標(biāo)如表1所示。

表1 #1機(jī)組一階段優(yōu)化前后調(diào)節(jié)指標(biāo)匯總

一階段優(yōu)化后，#1機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)時間明顯加長，但未超規(guī)程限值；優(yōu)化前一次調(diào)頻、AGC均呈現(xiàn)明顯反調(diào)、超調(diào)，優(yōu)化后基本消除，過渡過程平穩(wěn)，調(diào)節(jié)品質(zhì)較好。±20 MW時，AGC調(diào)節(jié)速率從87%Pr/min降至33%Pr/min；±10 MW時，從49%Pr/min降至11%Pr/min。

結(jié)果表明，PI參數(shù)的改變致使AGC小階躍調(diào)節(jié)速率不滿足“兩個細(xì)則”要求。

4.2 二階段優(yōu)化

二階段優(yōu)化后#1機(jī)組調(diào)速器傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。

圖3 二階段優(yōu)化后#1機(jī)組調(diào)速器傳遞函數(shù)框圖

二階段優(yōu)化方案：已完成整定的一次調(diào)頻參數(shù)（PI-1）不變，調(diào)速器新增一組AGC快參數(shù)（PI-2），執(zhí)行AGC調(diào)節(jié)時調(diào)用PI-2，實現(xiàn)AGC的快速調(diào)節(jié)；一次調(diào)頻動作時，調(diào)用PI-1以滿足一次調(diào)頻要求。調(diào)速器程序?qū)崿F(xiàn)邏輯為：AGC接收指令Pset后調(diào)用PI-2，延時5 s切換至PI-1；一次調(diào)頻動作時有AGC指令時，調(diào)用PI-2進(jìn)行有功快速調(diào)節(jié)。

試驗方案：#1機(jī)組退出成組，投入單機(jī)AGC：進(jìn)行AGC有功階躍試驗，上位機(jī)有功給定±5、±10、±20 MW；一次調(diào)頻與AGC配合調(diào)節(jié)試驗，一次調(diào)頻模擬頻差±0.2 Hz，調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，上位機(jī)有功給定±10 MW。

試驗工況#1水頭74 m，負(fù)荷190 MW，錄制機(jī)組頻率、有功給定與有功反饋模擬量信號。

結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 #1機(jī)組二階段優(yōu)化實測結(jié)果（AGC調(diào)節(jié)速率）

圖5 #1機(jī)組二階段優(yōu)化實測結(jié)果（一次調(diào)頻與AGC配合）

二階段優(yōu)化后，#1機(jī)組一次調(diào)頻動作正常，一次調(diào)頻功能不受影響；一次調(diào)頻調(diào)節(jié)時間保持不變，但AGC調(diào)節(jié)速率有大幅提高，±20 MW階躍速率從33%Pr/min大幅提高至71%Pr/min，±5 MW階躍速率達(dá)到20%Pr/min。過渡平穩(wěn)，但AGC調(diào)節(jié)出現(xiàn)較大反調(diào)（最大約19%）；一次調(diào)頻動作后，AGC有新指令下達(dá)時，調(diào)速器調(diào)用AGC參數(shù)（保持5 s）完成有功調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)量為一次調(diào)頻與AGC兩者疊加，此一次調(diào)頻與AGC的協(xié)調(diào)關(guān)系滿足相關(guān)要求。

本次優(yōu)化結(jié)果中，AGC調(diào)節(jié)出現(xiàn)較大反調(diào)，但南網(wǎng)及規(guī)程對AGC反調(diào)指標(biāo)暫未加限制，故優(yōu)化結(jié)果滿足預(yù)期。雙參數(shù)并網(wǎng)調(diào)節(jié)策略具備一定的工程價值，能夠確保一次調(diào)頻和AGC兩種調(diào)節(jié)作用充分發(fā)揮。

機(jī)組二階段優(yōu)化前后調(diào)節(jié)指標(biāo)匯總?cè)绫?所示。

表2 #1機(jī)組二階段優(yōu)化前后調(diào)節(jié)指標(biāo)匯總

5 結(jié)語

（1）單參數(shù)功率模式調(diào)速器存在一次調(diào)頻與AGC調(diào)節(jié)優(yōu)化沖突。本方案優(yōu)化后效果顯著，有功調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)，調(diào)節(jié)品質(zhì)較好。減小Kp、Ki參數(shù)可以降低一次調(diào)頻速率，有效抑制反調(diào)和超調(diào)；增加一組AGC快參數(shù)，一次調(diào)頻功能、調(diào)節(jié)時間保持不變，AGC調(diào)節(jié)速率大幅提高；一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)關(guān)系可以滿足要求。

（2）一次調(diào)頻動作且同一時刻AGC目標(biāo)值改變時，一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程初期將按AGC快參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，響應(yīng)數(shù)秒后進(jìn)入小參數(shù)調(diào)節(jié)。AGC新目標(biāo)值與一次調(diào)頻指令同時存在時，減小一次調(diào)頻初期的響應(yīng)速率。