大藤峽電廠7 號機組一次調頻相關試驗

程俊才，周精明，陳 晗

（廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 南寧 537226）

1 引言

電網頻率必須穩定于額定頻率（50 Hz）附近，過高或過低的頻率都會對電力系統產生危害，對于用戶：電網頻率過高或過低不僅會損壞電器而且會因電動機轉速的變化，影響精加工產品的加工質量；對于發電及變電系統：當電網頻率較低時變壓器的勵磁電流和鐵磁損耗也會增加，在同等負荷下變壓器的溫度有所增高，為滿足變壓器穩定運行必須降低其負荷。

一次調頻是水輪發電機組自動動作的一個過程，是相對電網額定頻率而言的，當電網負荷產生變化實時電網頻率與額定電網頻率產生偏差（不論是大于還是小于）且大于頻率死區后，水輪發電機組便會自動調節，根據頻率偏差Δf與永態轉差系數bp成反比的關系，通過增加或者減少水輪機活動導葉的開度從而改變有功功率進而減小實時電網頻率與額定電網頻率的偏差，這個過程稱為調速器系統一次調頻自動動作過程。在電網頻率出現波動時,機組一次調頻功能的發揮對電網頻率的穩定起到非常重要的作用[1]。

2 一次調頻技術要求

因水電機組相對火電機組調節過程簡單、調節幅度大、可調節范圍寬等優點；相對容量較小不能滿足電網基荷等缺點在電力系統中主要承擔調頻、調峰任務。在電網突然發生重大負荷波動時，水電機組一次調頻在毫秒級別內作出反應提供有功功率支援，提高電力系統的穩定性；對于在較短時間內負荷波動的情況可以優化電力系統調度，減小二次調頻動作次數。根據《南方區域“兩個細則”》,水電機組重要的調頻技術指標主要包括以下幾個方面：

（1）水輪發電機組一次調頻死區應小于等于±0.05 Hz；

（2）水輪發電機組永態轉差系數小于等于4%；

（3）當電網頻率變化達到一次調頻動作值到機組負荷開始變化所需的時間為一次調頻的響應滯后時間，應小于或等于3 s；

（4）機組參與一次調頻過程中，在電網頻率穩定后，機組負荷達到穩定所需的時間為一次調頻穩定時間，應小于60 s；

（5）AGC 功能不得和一次調頻功能相互沖突[2,3]。

3 調速系統測頻回路校準試驗

因機組在正常運轉時有一個頻率死區0.05 Hz,當電網頻率與機組頻率差值的絕對值小于頻率死區時機組正常不動作，但是當電網頻率與機組頻率差值的絕對值大于死區后一次調頻應立即動作。當機組在死區內提前動作或者大于死區后動作過慢或者不動作都會被調度統計為不合格動作,因為調度是在機組頻率正好越過死區時才開始統計機組是否可靠動作；如果機組在調度統計前動作，電網考核時就不會認定機組一次調頻正常動作,相反如果機組在越過頻率死區后動作過慢或者不動作就違反了南方電網兩個細則的要求，所以必須在一次調頻響應滯后時間內動作才算正確動作。這就像軍訓時踢正步一樣，當教練喊出口令時才能動，行動和口令必須保持一致,對于一次調頻正確動作來說系統頻率偏移0.05 Hz 的瞬間就是系統發出的動作指令,早了晚了都是不合格。這一點是提高動作正確率的關鍵點，所以調速器系統測頻回路的精度也是機組一次調頻能否正確動作的一項重要因素[4]。

試驗條件：機組停機，調速器綜合測試儀工頻信號接入調速器電氣控制柜機頻和網頻信號端子上。

試驗過程：利用調速器綜合測試儀對調速器電氣控制柜發送頻率信號，在電氣控制柜觸摸屏上查看相應的頻率數值。試驗數據見表1。

表1 調速器測頻回路校準記錄

通過調速器綜合測試儀仿真頻率與調速系統測頻回路進行比對，機組頻率和電網頻率回路誤差在49.900～50.100 Hz 范圍內最大誤差為0.001 Hz，符合給定50±0.1 Hz 頻率范圍內的測頻誤差最大值在0.005 Hz 以內的要求。

4 調速器綜合固有死區測定試驗

機組在50 Hz 基礎上施加正負階躍頻率偏差信號，直到導葉開度及有功功率開始產生相應變化，且一次調頻動作開關量發出動作信號，此時的階躍頻率偏差為一次調頻動作偏差頻率，此頻率與設定的人工死區的差值即為調速器系統的固有死區。固有死區的大小也是影響機組一次調頻能否正常動作的一項重要因素。

試驗條件：機組開機并網并記錄當時的有功功率、導葉開度、槳葉開度數值，永態轉差系數bp設值4%，試驗水頭約為16.6 m，調速器系統一次調頻動作人工死區設值0.050 Hz。

試驗過程：利用調速器仿真儀發出上擾一定量的頻率信號，通過錄波觀察當機組導葉開始響應及一次調頻開關量動作時記錄調速器機頻的頻率數值；同理通過發出下擾一定量的頻率信號錄波觀察[5]。

通過波形分析當原動機調速器仿真儀發出頻率上擾0.050 Hz 即調速器機組頻率為50.050 Hz 時，導葉開始響應動作及一次調頻動作開關量發出動作信號；當原動機調速器仿真儀發出頻率下擾0.051 Hz 即調速器機組頻率為49.949 Hz 時，導葉開始響應動作及一次調頻動作開關量發出動作信號。因設定一次調頻動作死區為0.050 Hz，可知調速器綜合固有死區向上接近為0.000 Hz，機組調速器綜合固有死區向下為0.001 Hz。機組綜合固有死區波形見圖1、圖2。

圖1 機組綜合固有死區上階躍波形

圖2 機組綜合固有死區下階躍波形

通過波形及數據分析可得，機組轉速死區ix（遲緩 率）= △f/f0×100%=0.001/50×100%=0.002%；符合“單機容量10 萬kW～20 萬kW（包括20 萬kW），遲緩率小于0.1%的要求”。

5 永態轉差系數bp 校驗試驗

試驗條件：進水口閘門、尾水閘門全關流道無水；永態轉差系數設值為4%；導葉開限100%；導葉開度50%；模擬機組大網發電態。

試驗過程：

（1）機組仿真儀的導葉開度反饋、槳葉開度反饋、機組機頻信號、有功功率信號、一次調頻動作信號分別接到調速器電氣控制柜的對應端子上；

（2）用短接線短接調速器電氣控制柜的開機令并松開；

（3）用短接線短接調速器系統的斷路器合閘令并保持模擬機組大網發電態；

（4）將機組仿真儀頻率從50.000 Hz 開始，以0.10 Hz 的步長遞增使導葉全關后，再以同樣的步長遞減使導葉全開，其中每間隔0.10 Hz 記錄一次機組頻率和相應導葉開度值。永態轉差系數波形見圖3。

圖3 bp=4%時靜態特性試驗波形

永態轉差系數的計算方法為圖3 所示的斜率：bp=-×100%=4.00%

6 一次調頻試驗

試驗條件：機組運行平穩，bP=4%,Kp=5%，Ki=4，Kd=0，調速器系統人工死區設為±0.05 Hz。

試驗過程：

（1）機組仿真儀的導葉開度反饋、槳葉開度反饋、機組機頻信號、有功功率信號、一次調頻動作信號分別接到調速器電氣控制柜的對應端子上；

（2）機組開機并網發電；

（3）在給定機組仿真儀50 Hz 頻率基礎上，給調速器分別施加±0.1 Hz、±0.15 Hz、±0.2 Hz 的階躍頻率擾動信號，每個信號保持60 s 以上，用以檢查一次調頻負荷響應滯后時間是否小于3 s；電網頻率變化超過機組一次調頻死區時是否在60 s 內實際出力達到穩定值，試驗過程全程錄波。以±0.1 Hz為例波形見圖4。

圖4 一次調頻試驗波形

7 一次調頻策略

根據一次調頻策略一次調頻調節過程如下：

如果一次調頻功能投入=1 且頻率偏差大于頻率死區，一次調頻將動作；調節量計算公式如下：

Y=-（（Δf）/50）/0.04）×100%

其中，0.04 為上述實驗得出的永態轉差系數bp，一般設置為4%；Δf為超過死區部分的頻差；Y為一次調頻調節產生的開度。

8 一次調頻與監控聯調試驗

試驗條件：機組調速器與監控系統間通信已建立完備能正常下發有功增加和減小令；永態轉差系數bp設值為4%、比例增益Kp設值為5%、積分增益Ki設值為4、微分增益Kd設值為0；試驗水頭約為16.6 m；調速器系統人工死區設值為±0.049 Hz。

試驗過程：機組帶初始有功功率85 MW，在16.344 s，由調速器系統仿真儀出發-0.10 Hz 的頻差信號使機組一次調頻動作，機組有功隨即增加，當第35.343 s，由監控發出7 號機組有功功率減小至60 MW 的減小令，機組有功隨即呈階梯狀減小，第76.693 s，機組有功穩定在62.492 MW，當第100.441 s由調速器仿真儀發出+0.10 Hz 頻差信號使一次調頻復歸，有功功率繼續減小，第118.741 s 機組有功功率穩定在58.589 MW[5]。一次調頻與監控系統聯調波形見圖5。

圖5 一次調頻與監控系統聯調波形

通過現場試驗和波形分析，當機組執行一次調頻指令過程中，遇到監控系統調節指令時，機組能夠正確執行監控的調節指令；機組執行監控有功調節過程中，一次調頻也能夠正常動作和復歸，即一次調頻和監控有功調節互不干擾。滿足《南方區域發電廠并網運行管理實施細則》中AGC 功能不得和一次調頻功能相互沖突。

9 跟蹤電網頻率響應運行試驗

試驗條件：永態轉差系數bp設值為4%、比例增益Kp設值為5%、積分增益Ki設值為4、微分增益Kd設值為0；試驗水頭約為16.6 m；因試驗時電網頻率相對穩定，調速器一次調頻死區設值為±0.015 Hz。

試驗過程：通過仿真儀對電網頻率、有功功率、導葉開度信號進行實時錄波，記錄電網頻率越過一次調頻死區（50±0.015 Hz）時調速器的工作情況。跟蹤電網頻率響應運行試驗波形見圖6。

圖6 跟蹤電網頻率響應運行試驗波形

通過真實跟蹤電網頻率驗證調速器一次調頻功能能夠根據電網頻率的變化而正確執行邏輯功能。

10 主要試驗結論

（1）大藤峽電廠7 號機組一次調頻死區設值為±0.05 Hz；

（2）大藤峽電廠7 號機組永態轉差系數設值4%；

（3）根據一次調頻試驗測得一次調頻的響應滯后平均時間為1.06 s，滿足《南方區域“兩個細則”》中小于等于3 s 的要求；一次調頻穩定平均時間為28.097 5 s，滿足《南方區域“兩個細則”》中小于等于60 s 的要求；

（4）目前大藤峽電廠還在建設期，AGC 功能暫未投入。

11 總結

根據一次調頻波形分析，大藤峽電廠7 號機組一次調頻功能完備，機組的一次調頻功能各實測性能指標滿足《南方區域“兩個細則”》一次調頻要求。通過機組試驗期間對一次調頻的跟蹤調試，對調速器系統有了進一步的認識。