云南電網(wǎng)異步運行后大型水電機(jī)組一次調(diào)頻過程中積分電量的計算

王浩，何常勝

（云南電力試驗研究院（集團(tuán)）有限公司，云南 昆明 650217）

0 前言

云南電網(wǎng)異步運行期間，各大型水電機(jī)組均采用較小的調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻參數(shù)，調(diào)頻時間變慢，且一次調(diào)頻動作更為頻繁。機(jī)組在一次調(diào)頻調(diào)節(jié)過程當(dāng)中，其實際積分電量會受調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻參數(shù)、頻率變化量等因素的影響而不達(dá)標(biāo)，各水電廠也因此頻繁受到考核。

本文以云南某大型水電機(jī)組的一次調(diào)頻過程為例，對其實際積分電量和理論積分電量展開研究，從機(jī)組實際運行現(xiàn)狀出發(fā)揭示其原因，并對兩個細(xì)則輔助服務(wù)一次調(diào)頻考核的完善提出建議。

1 試驗過程

某水電站立軸混流式機(jī)組，單機(jī)容量700 MW，額定水頭197 m，一次調(diào)頻頻率死區(qū)0.05 Hz，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)差率ep=4%，調(diào)速系統(tǒng)控制模式為功率模式。

試驗水頭217.8 m，機(jī)組帶525 MW 負(fù)荷運行，單機(jī)AGC 退出，通過外接試驗設(shè)備對調(diào)速器施加±0.07 Hz、±0.08 Hz、±0.15 Hz 頻率階躍信號，記錄機(jī)組頻率、導(dǎo)葉開度、有功功率波形。如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 功率模式下525 MW負(fù)荷時±0.07 Hz頻率階躍錄波圖

圖2 功率模式下525 MW負(fù)荷時±0.08 Hz頻率階躍錄波圖

圖3 功率模式下525 MW負(fù)荷時±0.15 Hz頻率階躍錄波圖

該電站調(diào)速系統(tǒng)采用功率模式，以實際功率作為反饋量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從圖1 可以看出，當(dāng)頻率階躍為±0.07 Hz 時，超過頻率死區(qū)0.02 Hz，頻差較小，理論有功功率的動作量也較小，而實際機(jī)組功率是在功率死區(qū)范圍內(nèi)的波動值，機(jī)組功率的波動性使其作為反饋量會影響到一次調(diào)頻的精度，使得導(dǎo)葉開度的動作量及調(diào)節(jié)的速率變慢，有功功率的響應(yīng)及調(diào)節(jié)速率較慢。

當(dāng)頻率階躍為±0.08 Hz 及±0.15 Hz 時，頻差相對較大，理論有功功率和導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)量較大，動作效果更為明顯，從圖2 和圖3 也可以看出，導(dǎo)葉開度及有功功率的響應(yīng)及調(diào)節(jié)速率明顯加快。

2 積分電量計算

2.1 積分電量計算

理論積分電量按如下公式進(jìn)行計算：

其中，Qr為理論積分電量（ 單位：kW·h）；Δf為頻率偏差；Pr為機(jī)組額定功率（單位：kW）；fr為額定頻率；ep為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)差率。

通過將錄波數(shù)據(jù)中的頻率試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 軟件中，利用上述公式計算理論積分電量。

實際積分電量按如下公式進(jìn)行計算：

其中，Qt為實際積分電量（ 單位：kW·h）；t0為頻率偏差超過頻率死區(qū)的時刻；Pt為機(jī)組實時功率（單位：kW）；P0為t0時刻機(jī)組有功功率（單位：kW）。

通過將錄波數(shù)據(jù)中的時間和有功功率試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 軟件中，計算當(dāng)實際有功功率開始變化至穩(wěn)定時的功率積分量。

2.2 積分電量的計算結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 一次調(diào)頻考核依據(jù)

南方區(qū)域“兩個細(xì)則”（2020 版）中根據(jù)系統(tǒng)頻率波動頻次及頻差大小，分小擾動和大擾動分別進(jìn)行考核，頻差界限取0.06 Hz。

對小擾動，在一次調(diào)頻評價考核周期內(nèi)，僅考核一次調(diào)頻實際出力變化量與系統(tǒng)頻率偏差數(shù)值的正負(fù)號是否匹配，若高頻減出力或低頻增出力，則記為合格。

對大擾動，采用分段考核方式，以2 min為一個考核時段，當(dāng)系統(tǒng)頻率超出一次調(diào)頻死區(qū)30 s、60 s、120 s 以內(nèi)時，若實際出力變化量與系統(tǒng)頻率偏差數(shù)值的正負(fù)號相反（高頻減出力或低頻增出力）且一次調(diào)頻實際動作的積分電量與理論動作積分電量的比值分別大于30%、50%、80%，統(tǒng)計為合格。

3.2 積分電量計算結(jié)果分析

由公式（1）（2）可以看出，理論積分電量隨頻差而改變，實際積分電量是機(jī)組有功功率隨時間的積分值。

以給定頻率擾動+0.07 Hz 為例，由圖4 可以看出機(jī)組理論積分電量為一條直線，而實際積分電量是與直線偏差較大的曲線。一方面，這是由于水電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)有較強(qiáng)的滯后性，水錘現(xiàn)象導(dǎo)致的功率反調(diào)使得水電機(jī)組一次調(diào)頻過程中存在功率響應(yīng)滯后現(xiàn)象，其時間通常為頻率發(fā)生擾動后的1～3 s；另一方面，頻率擾動量較小，對于功率控制模式的機(jī)組，其導(dǎo)葉調(diào)節(jié)速率較慢也會影響功率的調(diào)節(jié)，這就導(dǎo)致在一次調(diào)頻期間，機(jī)組實際積分電量與理論積分電量會有較大偏差，由表1 可以看出，頻率擾動+0.07 Hz 時實際積分電量的占比在30 s、60 s、120 s 時分別為10.02%、28.77%、65.62%，不滿足“兩個細(xì)則”考核標(biāo)準(zhǔn)。

表1 頻率上階躍時積分電量計算結(jié)果

圖4 功率模式下525 MW負(fù)荷時頻擾+0.07 Hz

當(dāng)給定頻率擾動增大為+0.08 Hz、+0.15 Hz 時，雖然實際積分電量在一次調(diào)頻初期也會受到影響，但相較于+0.07 Hz 時，隨著頻差的增大，導(dǎo)葉開度及有功功率的響應(yīng)及調(diào)節(jié)速率明顯加快，從圖5、圖6 可以看出機(jī)組實際積分電量曲線更趨近理論積分電量，也更接近直線。由表1 可以看出，+0.08 Hz 時，實際積分電量的占比在30 s、60 s、120 s 時分別為38.77%、53.46%、70.06%；+0.15 Hz 時，分別為57.26%、72.61%、84.16%，基本滿足“兩個細(xì)則”考核標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 功率模式下525 MW負(fù)荷時頻擾+0.08 Hz

圖6 功率模式下525 MW負(fù)荷時頻擾+0.15 Hz

隨著頻率擾動量的增大，實際積分電量的占比是逐漸提高的。當(dāng)頻差為0.08 Hz 及以上時，機(jī)組實際積分電量基本滿足“兩個細(xì)則”考核標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)頻差為0.06 Hz～0.08 Hz 之間時，由于一次調(diào)頻參數(shù)和機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身的滯后性，在此頻差段內(nèi)，機(jī)組實際積分電量一般很難滿足“兩個細(xì)則”考核標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

云南電網(wǎng)異步運行后，水力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻動作更為頻繁，電網(wǎng)頻率波動在±0.07 Hz以內(nèi)為主，偶爾會超過±0.1 Hz，且一次調(diào)頻持續(xù)時間較短，一般在30 s 以內(nèi)。而且電網(wǎng)時刻存在無規(guī)律的功率波動，在一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量較小的情況下，也會影響一次調(diào)頻積分電量。現(xiàn)各大型水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)均采用較小的一次調(diào)頻PID 參數(shù)，特別是在頻擾較小的一次調(diào)頻動作時，機(jī)組的有功調(diào)節(jié)速率更慢，導(dǎo)致電廠一次調(diào)頻積分電量不滿足“兩個細(xì)則”考核標(biāo)準(zhǔn)要求。

目前大型水電廠機(jī)組運行時，一次調(diào)頻積分電量經(jīng)常因不滿足“兩個細(xì)則”考核標(biāo)準(zhǔn)而受到考核，鑒于當(dāng)前云南電網(wǎng)實際頻率波動及大型水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻PID 參數(shù)設(shè)置實際情況，筆者認(rèn)為“兩個細(xì)則”考核標(biāo)準(zhǔn)中對水電機(jī)組一次調(diào)頻積分電量的考核辦法應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修正，建議區(qū)分小擾動和大擾動的頻差界限由0.06 Hz 提高至0.07 Hz 以上。