胡長(zhǎng)碩，徐競(jìng)喆，姚國(guó)華

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州思綠能源科技有限公司，浙江 杭州 310012)

土耳其甘然水電站一次調(diào)頻試驗(yàn)問題分析與改進(jìn)

胡長(zhǎng)碩1，徐競(jìng)喆2，姚國(guó)華2

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州思綠能源科技有限公司，浙江 杭州 310012)

摘要：土耳其甘然水電站于2013年10月完成調(diào)試，投入運(yùn)營(yíng)。2015年，應(yīng)電網(wǎng)要求增加一次調(diào)頻功能；經(jīng)過多次試驗(yàn)和改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了該功能。圖5幅。

關(guān)鍵詞：水電站；一次調(diào)頻；分析；試驗(yàn)

1概述

土耳其甘然水電站安裝有2臺(tái)21 MW立式混流機(jī)組，2013年10月完成調(diào)試，正式并網(wǎng)發(fā)電。2015年，按照土耳其電網(wǎng)的最新規(guī)定，該電站需具備一次調(diào)頻功能，需對(duì)電站的調(diào)速器和自動(dòng)化監(jiān)控功能進(jìn)行改造。在改造過程中，工作人員先嘗試使用導(dǎo)葉開度閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，碰到了調(diào)節(jié)性能差以及與AGC功能沖突等問題；隨后改成以功率閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，成功地解決了以上問題，取得了良好的調(diào)頻效果。

一次調(diào)頻是指當(dāng)電網(wǎng)頻率偏移額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)組有功功率的增加(頻率下降時(shí))或減少(頻率升高時(shí))，以便電網(wǎng)頻率迅速回到額定值范圍的特性。土耳其水電站的一次調(diào)頻驗(yàn)收步驟借鑒歐洲模式，具體來說，機(jī)組必須要完成頻差擾動(dòng)試驗(yàn)、靈敏度試驗(yàn)和24 h連續(xù)試運(yùn)行試驗(yàn)。

1.1　頻差擾動(dòng)試驗(yàn)

此試驗(yàn)是將機(jī)組帶到某一負(fù)荷，然后將模擬輸入的系統(tǒng)頻率在額定頻率50 Hz的基礎(chǔ)上增加和減少200 MHz，觀察機(jī)組有功功率的變化情況。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行功率達(dá)到額定功率的90%時(shí)，試驗(yàn)效果如下：

(1) 機(jī)組頻率減少200 MHz，降至49.8 Hz時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下所示(見圖1)。

圖1機(jī)組頻率減少200 MHz，降至49.8 Hz時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1中黑色線條為機(jī)組實(shí)際功率，紅色線條分別為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的上下區(qū)間線，綠色部分為調(diào)整目標(biāo)線。整個(gè)試驗(yàn)過程分為3個(gè)階段，分別為前30 s、30～90 s和90 s后。試驗(yàn)要求機(jī)組在頻率由50 Hz降為49.8 Hz后的30 s內(nèi)，機(jī)組功率能夠迅速上升10%的額定功率，實(shí)際功率與目標(biāo)功率的差不低于額定功率的1%；前90 s內(nèi)，實(shí)際功率與目標(biāo)功率的差不高于額定功率的2%，90 s之后不高于額定功率的1%。要求每個(gè)階段的數(shù)據(jù)正確率都在90%以內(nèi)。

同理，當(dāng)機(jī)組頻率增加200 MHz，達(dá)到50.2 Hz時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下所示(見圖2)。

圖2機(jī)組頻率增加200 MHz，達(dá)到50.2Hz時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2　靈敏度試驗(yàn)

除了調(diào)速系統(tǒng)軟件內(nèi)部設(shè)置的人工死區(qū)外，調(diào)速系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)均會(huì)存在一定的不靈敏區(qū)(轉(zhuǎn)速死區(qū))，通過此試驗(yàn)可檢查機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)在頻差極為微小時(shí)能否做出響應(yīng)。試驗(yàn)中以模擬系統(tǒng)頻率增加和減少5 MHz和10 MHz為例(見圖3)。

圖3靈敏度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖3可見，當(dāng)輸入的模擬系統(tǒng)頻率增加或減少時(shí)，調(diào)速器都能捕捉到頻差并使機(jī)組有功功率做出相應(yīng)的變化。

1.3　24 h連續(xù)試校核試驗(yàn)

當(dāng)機(jī)組完成以上模擬測(cè)試之后，將調(diào)速器輸入的電網(wǎng)頻率由模擬頻率改回電網(wǎng)實(shí)際網(wǎng)頻，記錄網(wǎng)頻的變化以及機(jī)組功率的變化，連續(xù)24 h查看機(jī)組功率是否能做出正確的響應(yīng)。24 h內(nèi)的所有數(shù)據(jù)合格率達(dá)到90%及以上時(shí)表示實(shí)驗(yàn)成功(見圖4)。

圖424 h連續(xù)試校核試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4中綠色曲線為軟件根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)頻率變化模擬出的最理想的功率變化曲線，紅色曲線中間區(qū)間為根據(jù)綠色曲線加減機(jī)組額定功率的1%組成的上下限范圍。黑色曲線為發(fā)電機(jī)實(shí)際功率曲線。當(dāng)實(shí)際功率曲線在上下限曲線范圍內(nèi)時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。

2改造前AGC控制原理

本次一次調(diào)頻改造前，甘然水電站AGC 調(diào)節(jié)系統(tǒng)分為監(jiān)控層和調(diào)速器層。監(jiān)控層由上位機(jī)(監(jiān)控電腦)和下位機(jī)(機(jī)組LCU)構(gòu)成，按照運(yùn)行人員的指令，上位機(jī)將設(shè)定功率下發(fā)到下位機(jī)，下位機(jī)再將上位機(jī)下發(fā)的有功功率給定值和發(fā)電機(jī)實(shí)際有功功率進(jìn)行比較；當(dāng)兩者相差超過設(shè)定的死區(qū)值時(shí)，通過PID 運(yùn)算，在每一個(gè)PID 運(yùn)算周期，輸出脈寬信號(hào)(50 ms左右)給相應(yīng)的增、減有功繼電器。增、減有功繼電器采用硬接線的方式將繼電器輸出接點(diǎn)傳至調(diào)速器。調(diào)速器通過開度變送器采集機(jī)組的導(dǎo)葉開度，根據(jù)繼電器節(jié)點(diǎn)信號(hào)對(duì)機(jī)組導(dǎo)葉開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率的目的。

3問題

改造初期，由于機(jī)組調(diào)速器未配置功率變送器，因此，工作人員嘗試以導(dǎo)葉開度閉環(huán)進(jìn)行一次調(diào)頻，碰到了一系列的問題，未能達(dá)到理想的調(diào)頻效果。

3.1　PLC對(duì)導(dǎo)葉開度傳感器的采集精度受限

如下所示(見圖5)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為18 000 kW，模擬輸入電網(wǎng)頻率為50 Hz時(shí)，導(dǎo)葉開度為69.6%。此時(shí)，將模擬輸入的電網(wǎng)頻率設(shè)為49.8 Hz，一次調(diào)頻功能將機(jī)組負(fù)荷增加到20 000 kW，試驗(yàn)的曲線結(jié)果符合要求。隨后，將模擬輸入的電網(wǎng)頻率設(shè)回到50 Hz，一次調(diào)頻功能將機(jī)組導(dǎo)葉調(diào)回到69.6%；然而機(jī)組負(fù)荷只減到18 460 kW，并未回到18 000 kW的理論值，實(shí)驗(yàn)失敗。

將導(dǎo)葉開度接入到檢測(cè)系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開度沒有能完全回到69.6%。但由于導(dǎo)葉開度傳感器在PLC中只能顯示小數(shù)點(diǎn)后一位，系統(tǒng)默認(rèn)其已經(jīng)回到原值。因此，一次調(diào)頻出現(xiàn)了故障，有功功率無法回到原值。

3.2　參數(shù)問題

電網(wǎng)對(duì)一次調(diào)頻的考核目標(biāo)值是有功功率，而調(diào)速器工作在開度模式，在一次調(diào)頻動(dòng)作后，調(diào)速器根據(jù)頻差換算成需要變動(dòng)的導(dǎo)葉開度大小。由于導(dǎo)葉開度和有功功率之間的關(guān)系為非線性，并且在不同的水頭下, 同一導(dǎo)葉開度對(duì)應(yīng)的有功功率也不同，所以調(diào)速器在開度模式下的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)可能會(huì)出現(xiàn)同一設(shè)定參數(shù)無法同時(shí)滿足不同功率的試驗(yàn)要求，最終無法順利通過試驗(yàn)。

3.3　一次調(diào)頻與AGC功能沖突

在改進(jìn)前，機(jī)組的AGC 功能是由機(jī)組LCU通過有功功率的閉環(huán)來調(diào)節(jié)的，當(dāng)功率偏差超過設(shè)定死區(qū)時(shí)，機(jī)組LCU開始進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以保證實(shí)際負(fù)荷值與給定值的偏差在死區(qū)范圍內(nèi)。在增加以導(dǎo)葉開度閉環(huán)調(diào)節(jié)的一次調(diào)頻功能后，當(dāng)調(diào)速器因一次調(diào)頻動(dòng)作對(duì)機(jī)組有功功率進(jìn)行調(diào)整時(shí), 必定會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的有功功率與設(shè)定值的偏差超出死區(qū)范圍。這時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的AGC會(huì)將因一次調(diào)頻進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整后引起的與給定值的偏差重新調(diào)整回來, 這樣就導(dǎo)致機(jī)組處于一直不停的調(diào)整中，使一次調(diào)頻功能失去作用。

圖5以導(dǎo)葉開度閉環(huán)進(jìn)行一次調(diào)頻時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4改進(jìn)方法

通過以上嘗試，發(fā)現(xiàn)調(diào)速器以導(dǎo)葉開度閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)無法滿足土耳其一次調(diào)頻功能試驗(yàn)要求。因此，在調(diào)速器上新增了功率變送器，將調(diào)速器控制程序由導(dǎo)葉開度閉環(huán)調(diào)節(jié)改為根據(jù)有功功率閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

調(diào)速器以有功功率閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，功率可以精確到幾十千瓦，一旦功率超過死區(qū)值，調(diào)速器直接以有功功率給定與當(dāng)前有功功率的偏差進(jìn)行PID 運(yùn)算，實(shí)時(shí)作用于導(dǎo)葉接力器；調(diào)速器可以不斷進(jìn)行調(diào)整，最終滿足調(diào)整要求。同時(shí)，采用有功功率閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，繞過了導(dǎo)葉開度和有功功率不是線性關(guān)系這一問題，只要系統(tǒng)的PID參數(shù)設(shè)置合理，就能完成調(diào)節(jié)。

使用有功功率閉環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)AGC直接將有功功率的設(shè)定值發(fā)送到調(diào)速器上，完全由調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就避免了在開度閉環(huán)時(shí)AGC與一次調(diào)頻的沖突問題。

5對(duì)監(jiān)控程序的修改

甘然水電站使用調(diào)速器有功功率進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)后，為配合一次調(diào)頻功能，對(duì)水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)做了如下調(diào)整：

(1)增加了1臺(tái)上位機(jī)電腦執(zhí)行調(diào)頻PFC(Primary Frequency Control)功能。

(2)由新增的PFC電腦程序與調(diào)速器PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)調(diào)速器數(shù)據(jù)的讀取、PFC功能的開關(guān)以及有功功率的設(shè)定。

(3)監(jiān)控程序?qū)C(jī)組的功率調(diào)整功能與PFC功能匹配。

(4)對(duì)投入PFC功能的負(fù)荷區(qū)間進(jìn)行限制。

6結(jié)語

國(guó)內(nèi)很多電站對(duì)一次調(diào)頻驗(yàn)收考核的參數(shù)是針對(duì)導(dǎo)葉開度而不是機(jī)組的有功功率，所以在國(guó)內(nèi)以導(dǎo)葉開度閉環(huán)能夠滿足要求為主。而在土耳其，驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所以需要對(duì)國(guó)內(nèi)方案進(jìn)行改造。土耳其甘然水電站一次調(diào)頻方案在經(jīng)過改造后，最終滿足了驗(yàn)收的要求。

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡(jiǎn)介：胡長(zhǎng)碩(1980-)，男，工程師，主要從事電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件開發(fā)工作。

收稿日期：2015-09-01

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