西南異步互聯下某大型水電站抑制低頻振蕩的調速系統參數優化與功能研究

胡保修，呂興強，劉 昆，韓向陽，黃世乾，李 帥

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川省成都市 610000）

0 引言

隨著區域間電網異步互聯，由于調速器控制參數的不適應性及水輪機組固有的“水錘效應”，會引發電網低頻振蕩甚至超低頻振蕩問題，電網頻率穩定問題凸顯[1-3]。本文從優化機組調速器關鍵控制參數（PID），完善低頻段機組調速器的調節特性方面入手，研究抑制異步互聯電網超低頻振蕩問題的措施。

首先對錦屏電站調速器控制系統配置、原理、結構進行簡單介紹。其次建立區域交直流電網模型，研究其動態特性，通過調速器與水輪機系統傳遞函數深入剖析水輪機組引發電網超低頻振蕩的原因；從而采取對西南電網內錦屏電站等大型水電機組調速器控制系統功能參數（PID）優化，即增加小網控制模式，降低電網超低頻振蕩風險。并仿真分析參數優化后對電網超低頻振蕩的抑制效果。最后提出采用水電機組調速系統功能調整及參數優化方法，是降低在水電機組固有水錘效應下的電網超低頻振蕩風險的有效措施。

1 錦屏電站水輪機調速器控制系統控制原理

錦屏一級電站作為西電東送的重要電源點，共安裝有6臺立軸混流式水輪機，單機額定出力611MW，由東方電機有限公司制造。水輪機型號為HLD438C-LJ-660，其水輪機控制系統采用南瑞SAFR-2000H系列水輪機調速器，用于水輪機的轉速控制和有功調節等。

根據水輪機組的調節特性和工作條件，先動態選擇PID參數，然后執行PID計算。同時，工況不同調用對應調節參數（比例、微分、積分、永態轉差系數、頻率設定值、開限、綜合負荷給定值、頻率死區等參數）。通過使用微控制器程序，可以實現每種情況下的參數更改和輸出調節器的計算。

導葉開度反饋量被引入到SAFR-2000微機型調速器控制系統中，通過引入付環PI控制，實現導葉多級閉環控制，達到導葉開度控制精度更高的目的，使調速器控制系統導葉開度測量更加準確、動態特性更加優良。動態控制水輪機轉速，向電網提供正阻尼并輔助可抗變性控制規律，有減弱系統振蕩的效果。

圖1中有兩個調節控制環，第一個Kp、KI、KD控制稱為主環控制，第二個Kp、KI控制稱為付環控制，PGV是綜合負荷給定。該系列微機型調速器控制系統導葉開度采樣周期為8ms，可以通過該程序達到閉環控制的目的，實現導葉閉環控制的功能?？刂戚敵隽侩妷盒盘朥表示導葉開度偏差。

圖1 調速器調節原理框圖Figure 1 The principle block diagram of governor regulation

Kp：控制主環比例系數；

KD：控制主環微分系數；

KI：控制主環積分系數；

KP2：導葉付環比例系數；

KI2：導葉付環積分系數；

Ty：接力反應時間常數，一般在0.2左右；

bp：永態轉差系數；

E：人工失靈區：整定在0～0.5Hz；

fg：機組頻率反饋；

fs：機組頻率給定；

PGV：綜合負荷給定。

該系列調速器控制系統PID算法運用南瑞公司研發的NARI-PID2控制算法，此控制算法優勢如下：

（1）有效地解決了差分PID控制算法增加微分死區的問題，并且在分散和數字量化之后有效帶寬不會變窄。

（2）可以有效抑制引水系統由于水流慣性對水輪機造成的水力振蕩，優化調速系統的調節質量，在不同頻率范圍內獲得最佳動態特性。

（3）優化抑制電網低頻振蕩的效果。

NARI-PID2控制算法原理框圖如圖2所示。

圖2 NARI-PID2控制算法原理圖Figure 2 Schematic diagram of NARI-PID2 control algorithm

執行NARI-PID2控制算法，對于電力系統低頻振蕩具有一定的抑制能力，但還不足以適應西南電網與華中電網轉異步運行后新運行模式，系統超低頻振蕩風險突出。錦屏一級電站調速器控制系統目前只具備大網及孤網運行模式，均無法適應西南電網異步運行后的電網穩定要求，需增加滿足西南電網異步互聯后的PID控制模式，即小網模式。并實現各模式之間的無擾動切換。

2 區域異步互聯系統響應特性分析

2.1 互聯電網模型

建立如圖3所示區域交直流系統模型。正常運行時，交流外送通道功率為0MW，發電機由8臺出力為600MW的機組組成，負荷1800MW，直流送出功率3000MW。發電機為計及阻尼繞組的6階模型，且計及調速器控制系統作用負荷為恒功率模型 ，直流為基于實際工程控制的仿真模型[4]。

圖3 區域交直流系統模型Figure 3 Regional AC-DC system model

BA：發電機并網母線；

BB：交直流送出通道送端母線；

BC：直流送出通道受端母線；

BD：交流送出通道受端母線；

Pg：區域發電機系統電磁功率；

Pd：直流通道送出功率；

Pa：交流通道送出功率；

P1：區域負荷功率。

2.2 異步互聯電網動態特性

如圖3所示系統模型，發電機轉子運動方程如式（1）和式（2）所示：

式中： Δw——轉子轉速變差；

Δδ——電氣功角偏差；

ΔPm——發電機組總機械功率；

ΔPg——系統總的電磁功率偏差；

ΔPd——直流輸出通道功率偏差；

ΔP1——區域負載功率偏差；

ΔPa——交流外送通道功率偏差；

D——系統阻尼系數；

Gm(s)——調速系統功率調控特性；

Gd(s)——直流功率調控特性；

G1(s)——負荷響應頻率功率調控特性；

Ng——機組臺數；

TJ——機組轉動慣量。

式（1）表示機械振蕩，式（2）表示電磁振蕩；對于恒定有功負荷控制模型及恒直流輸出通道功率系統，有ΔPd=ΔP1=0。

交流聯網時，系統內的功率不平衡導致轉速偏差Δw進而引起電氣功角偏差Δδ變化，以至于交流外送通道功率隨之變化，如式（3）所示：

式中：SEq——系統交流通道功率同步系數。

由式（3）可知，機械振蕩與電氣振蕩之間具有強關聯性，進而引發系統的機電振蕩。

異步互聯時，交流通道斷開，則式（3）所示交流通道功率偏差ΔPa與電氣功角偏差Δδ間關聯不復存在，機械振蕩與電磁振蕩關聯消失，系統內相關聯機組只有機械振蕩，頻率相對穩定。如式（1）所示，調速器控制系統調節特性將是決定區域異步互聯電網頻率穩定的重要因素。對于既定網內機組和電網類型，優化機組調速系統調節特性，通過調整調速器關鍵控制參數——比例、積分、微分參數，提高調速器控制性能，是抑制電網低頻振蕩問題的有效方式[5]。

3 水輪機調速器控制系統增加小網模式功能優化機理分析

3.1 西南電網結構變化

西南電網500kV骨干構架如圖4所示。渝鄂背靠背柔直工程投運后，西南電網通過渝鄂直流實現與華中電網異步互聯。另外西南電網均是通過特高壓直流與華東、西北電網異步互聯。開度模式小網參數：適應“西南—華中”直流聯網的模式（新增），“西南—華東”及“西南—西北”仍直流聯網。大網模式指西南與華中交流聯網，孤網模式指機組帶廠用電或小電網[6-7]。

圖4 西南電網異步互聯結構圖Figure 4 Asynchronous interconnection structure diagram of Southwest Power Grid

3.2 西南電網異步互聯暫態特性仿真分析

基于PSD-BPA仿真軟件，模擬四川資陽至重慶銅梁段三相接地故障，分析西南電網異步互聯后的響應能力。模型中西南電網大型水電機組和火電機組采用6階模型，并計及PSS、勵磁系統、調速系統的作用，負荷采用60%恒阻抗負荷與40%感應電動機負荷組合模型。

對上述故障，西南電網受擾后暫態響應特性如圖5～圖7所示，從圖5和圖6可以看出，發電機組間功率不平衡偏差隨其距故障點的距離不同而變化，首先系統內機群轉速時大時小，而后電氣功角隨著機組轉速變化而變化，最后系統內的不平衡功率被各機組分攤，且功率波動不受系統內輸電線路容量限制。最后引發系統0.067Hz左右的超低頻振蕩。

圖5 機組ΔP-Δω變化軌跡Figure 5 Variation trajectory of unit ΔP-Δω

圖6 Δω局部特征Figure 6 Local characteristics of Δω

圖7 Δω整體特征Figure 7 Overall characteristics of Δω

3.3 水電機組引發的超低頻振蕩原理分析

調速器和水輪機組成的系統表示如圖8所示。

圖8 調速器—水輪機系統模型圖Figure 8 Governor-turbine system model diagram

調速器與水輪機系統傳遞函數為式（4）和式（5）。式中，G、G調速、G水輪機分別為系統響應頻率變化、調速器、水輪機組的功率調控特性，ΔPm、DG、Δω、KG、Δδ分別為機組總機械功率偏差、水輪機組阻尼系數、轉子轉速偏差、機組功率同步系數、電氣功角偏差[8]。

由ΔPm與Δω的傳遞函數可知，DG＞0時，水輪機組向系統注入正阻尼。將S=jω帶入以上傳遞函數可計算得出調速器及水輪機組注入的阻尼系數跟隨頻率變化而變化。

模型中錦屏二級電站等大型水輪機組調速器設為7型（不含孤網參數），在超低頻段向系統注入負阻尼，并隨著水錘效應時間常數Tω越大，注入的負阻尼越多，如圖9所示。錦屏一級等大型水輪機組調速器設為8型（含孤網參數），大網參數模式下低頻段仍是向系統注入負阻尼，然而孤網參數模式下負阻尼顯著減少，甚至在0～0.07Hz段向系統注入正阻尼，如圖10所示。

圖9 錦屏二級水輪機組調速器阻尼系數在不同的水錘效應時間常數下變化趨勢Figure 9 Variation trend of damping coefficient of the governor of JinpingⅡturbine under different time constants of water hammer effect

圖10 錦屏一級水輪機組調速器阻尼特性Figure 10 Damping characteristics of the governor of the Jinping I turbine unit

對比分析孤網模式與大網模式調速器參數得出，孤網模式下調速器比例、積分參數增益相對大網功率模式較小，孤網參數模式下向系統注入的負阻尼顯著減少，特別頻率段甚至向系統注入正阻尼，能有效抑制超低頻振蕩。

3.4 錦屏電站水輪機調速器控制系統參數優化

結合上述分析得出，西南電網異步互聯后低頻振蕩問題加劇主要是由于系統內送端水電占比高，水輪機組的“水錘效應”向系統注入過多的負阻尼；優化水輪機組調速器控制PID參數可以很好地改善其“水錘效應”帶來的負阻尼特性，達到抑制低頻振蕩的目的。優化水輪機組調速器控制PID參數方式為：將調速器控制系統比例參數設為大網參數的2/3左右，大幅減小積分參數。錦屏電站優化后的調速器小網模式參數減緩水輪機組參與一次調頻的響應速度及調速相位特性，對抑制低頻振蕩效果良好，如圖11～圖12所示。

圖11 錦屏機組功率Figure 11 Jinping unit power

圖12 電網頻率偏差Figure 12 Grid frequency deviation

4 結束語

本文以小網模式下錦屏電站為對象，研究了調速器系統功能及參數優化對異步互聯后的西南電網超低頻振蕩的影響及抑制效果。建立模型仿真分析異步互聯后西南電網超低頻振蕩發生機理，分析得出：異步互聯后的西南電網低頻振蕩問題加劇主要是由于系統內送端水電占比高（70%）， 水輪機組的“水錘效應”向系統注入過多的負阻尼。由此提出了可通過減小調速器比例、積分參數，減小水輪機組提供的負阻尼，當參數設置合適時，甚至可以在特定低頻段向系統提供正阻尼，以抑制系統低頻振蕩。為抑制低頻振蕩，提出了優化西南電網境內大型水輪機組調速器控制系統PID調節參數的措施，以錦屏電站為例，將比例減小約1/3、大幅減小積分環節增益，并通過仿真驗證了抑制效果顯著。