水轮机调速器和电网一次调频

1、水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频华中科技大学华中科技大学魏守平魏守平水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频1. 1.水轮机调节系统水轮机调节系统2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性）特性3. 3. 水轮机调节系统一次调频静态特性水轮机调节系统一次调频静态特性4. 4. 水轮发电机组功率增量水轮发电机组功率增量p p与电网频率偏差与电网频率偏差ff之之间的动态特性特性间的动态特性特性5. 5. 水轮发电机组并入电网运行的原理框图水轮发电机组并入电网运行的原理框图6. 6. 一次调频仿真框图及仿真一次调频仿真框

2、图及仿真7. 7. 基本结论基本结论水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统水轮机调节系统的结构如图所示。水轮机调节系统的结构如图所示。 其工作过程为：测量元件把机组转其工作过程为：测量元件把机组转速速n n（频率（频率f f）、功率）、功率PgPg、水头、水头H H、流量、流量QQ等参量测量出来，与给定信号和反等参量测量出来，与给定信号和反馈信号综合后，经放大校正元件控制馈信号综合后，经放大校正元件控制执行机构，执行机构操纵水轮机导水执行机构，执行机构操纵水轮机导水机构和桨叶机构，同时经反馈元件送机构和桨叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号至信号综合点。回反馈信号

3、至信号综合点。引水和泄水系 统水轮机、发电机电 网执行机构放大校正元件给定元件反馈元件被控制系统水轮机控制设备（系统）测量元件+水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统微机调速器自动调节部分框图微机调速器自动调节部分框图水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频1.水轮机调节系统PID结构图(1) PID器结构图(2) + + + + + + 比例 微分 积分 电液随动 系统 f f yu fg fc 频率 给定 机组 频率 测频 STy1 1 电气反馈 y + 1 KP STSKv1D1 yc 开度 G 给定 1 yPID yf + 数模 转换 1 K

4、I S 1 bp yu + fg fc 频率 给定 机组 频率 测频 STy1 1 电气反馈 y + 1 KP STSKv1D1 微分 比例 积分 yc 开度 G 给定 + + 1 + yPID yf 电液随动 系统 + + + 数模 转换 f f 1 KI S 1 bp 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性）特性 电网的一次调频是针对偏离了系统额定频率（50HZ）的频率偏差，按永态转差系数（调差系数）对机组进行功率控制。它是将电网（机组）频率（转速）信号送入调速器的“频率（转速）输入”端

5、口，频率（转速）给定值与其比较形成频率（转速）偏差，水轮机调速器根据这个偏差信号而进行调节实现的，它将频差变换为与成反比的机组频差调节功率。由于水轮机调节系统都有设定的速度变动率(功率永态差值系数)，它决定了这是一个有差调节，因而由各机组调节系统共同完成的一次调频，不可能完全弥补电网的功率差值，从而也不可能使电网频率恢复到额定频率（50Hz）附近的一个允许范围内。 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性）特性调速器传递函数方块图 1 u + fg fc 频率 给定 机组 频率 1 位移转换

6、y + KP 微分(D) 比例(P) 积分(I) bp yc 开度 G 给定 + + 1 + YPID 放大器 比例伺服阀 引导阀、主配压阀 主接力器 + + + 数模 转换 A2 3-2(3-1) 1 1 F KI S KDS 1+T1vS 1 TyS 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性）特性 为了进行电网负荷频率控制（LFC），使电网的功率差值得以弥补，从而使电网频率得以恢复，则必须采用电网的二次调频。其主要作用是：控制参加电网负荷频率控制的机组的目标功率值Pc；根据电网功率差值和频

7、率偏差，计算出机组的新的目标功率值，送至水轮机调节系统系统的“目标功率输入”端口，使水轮机调节系统系统实现对新目标功率值的调节。当二次调频作用使电网实现了新的功率平衡、电网频率恢复到正常值时，水轮发电机组实际上是在新的目标功率值Pc确定的静态工作点运行。水轮机调节系统一次/二次调频功能框图见图1。水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性）特性图图1 1 水轮机调节系统一次水轮机调节系统一次/ /二次调频二次调频1pe频率(转速)信号Fg +FFfP频率死区频率(转速)设定值fc机组目标功率+P

8、c TP机组实际功率cPPPID调节机组频率(转速) 功率NT水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性）特性图2以静态特性的形式表示了水轮机调节系统的一次和二次调频特性。（图中未考虑电网负荷频率特性（负荷频率自调节系数）：水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性特性1). 机组原始工况 静特性曲线pc1上A点：机组目标功率：pc1；机组实际功率：p1；机组频率：f1；速度变动率ep（(功率)永

9、态差值系数）：；电网发生功率缺额，折算到讨论的机组：功率缺额：p3-p1；2). 一次调频作用 电网功率缺额，引起电网频率降低，如果不进行调节，则按静特性曲线 pc1 ，频率应降至 ，各机组根据频率偏差进行一次调频， 讨论的机组增发了功率p2-p1，电网频率为f2（静特性曲线上B点）。即讨论的机组与电网其它机组一起进行了一次调频，但电网频率为，不可能恢复到扰动前的f1。1f 1f 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性）特性3). 二次调频作用 若电网二次调频将讨论的机组的目标功率由pc1修正

10、为pc2，则机组调速系统静特性由特性曲线pc1变为特性曲线pc2。最后的调节结果为特性曲线上C点：机组目标功率：pc2；机组实际功率：p3；机组频率：f1；速度变动率（(功率)永态差值系数）：ep；电网的功率缺额得以补偿，系统频率也恢复到扰动前的数值f1。 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性）特性 综上所述，电网在负荷扰动后，电网频率产生相对于频率（转速）给定的偏差，各机组的调速系统根据频率偏差f和（功率）调差系数ep进行一次调频，在较快的时间（815）内弥补了系统部分功率差值pc；在一

11、次调频的基础上，电网自动发电控制（AGC，二次调频），修正相关机组的目标功率值，通过调速系统的PID调节（静态主要依靠积分调节），最终可实现电网功率平衡和频率的恢复。 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频2. 2. 水轮机调节系统的负荷频率控制（水轮机调节系统的负荷频率控制（LFCLFC）特性）特性电网一次调频对水轮机调节系统的主要技术要求电网一次调频对水轮机调节系统的主要技术要求1). 并网发电机组均应参与电网一次调频；2).（功率）永态转差系数（火电机组调速系统称速度变动率）ep=4%5%(DL/T 1040-2007 电网运行准则(The Grid Operation c

12、ode)规定：ep3%)；3). 频率（转速）死区Ef=0.033Hz(DL/T 1040-2007 电网运行准则(The Grid Operation code)规定：在0.05Hz以内)；4). 响应特性：电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15秒内响应机组目标功率，在45秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3%内；稳定时间应小于1min；5). 负荷变化幅度限制：水电机组参与一次调频的负荷变化幅度，不加限制。一次调频功能为必备功能，不得由运行人员切除；不得在开度限制工况下运行。水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频3. 3. 水轮机调节系统一

13、次调频静态特性水轮机调节系统一次调频静态特性1). 1). 水轮机调节系统开环静特性水轮机调节系统开环静特性机组并入电网运行机组并入电网运行( (并联运行并联运行 parallel operation-parallel operation-几台机组同时向电网供电的运行方式几台机组同时向电网供电的运行方式) )。分。分析一次调频特性时，认为二次调频不起作用，即取功率给定恒定。析一次调频特性时，认为二次调频不起作用，即取功率给定恒定。水轮机调节系统开环静特性（机组功率对机组频率偏差的特性）用相对值表示为：水轮机调节系统开环静特性（机组功率对机组频率偏差的特性）用相对值表示为： 用绝对值表示，则有：

14、用绝对值表示，则有： 式中：式中： p对应于频率偏差（相对量）的机组功率增量（相对量）；对应于频率偏差（相对量）的机组功率增量（相对量）； F Fn n电网频率电网频率HzHz；f fn n电网频率相对值，；电网频率相对值，；E Ef f水轮机控制系统频率（转速）死区（绝对量，水轮机控制系统频率（转速）死区（绝对量，HzHz），（），（50-F50-Fn n）为）为+ +，为，为+ +；（；（50-F50-Fn n）为负，）为负，E Ef f为为- -；水轮机控制系统频率（转速）水轮机控制系统频率（转速）死区（相对量），；死区（相对量），； e ep p水轮机调节系统（功率）调差系数（速度变动

15、率）；水轮机调节系统（功率）调差系数（速度变动率）； P对应于频率偏差对应于频率偏差f （）（）HzHz的机组功率增量的机组功率增量MW MW ；PP机组额定功率机组额定功率MWMW。式中的负号，表示频率偏差与功率偏差方向相反。式中的负号，表示频率偏差与功率偏差方向相反。(50)/(50)1/nfpnfpfppFEefeefee 50/50pfreEFnPP水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频3. 3. 水轮机调节系统一次调频静态特性水轮机调节系统一次调频静态特性2). 水轮机调节系统闭环静特性所谓水轮机调节系统的闭环静特性，是指：机组带孤立负荷(孤立运行 isolated o

16、peration-电网中只有一台或相当于一台机组供电的运行方式)，水轮机调节系统闭环时，机组频率对负荷扰动的静态特性。基本方程：机组在稳定工况（静态）工作时，水轮机调节系统PID控制器的积分调节输入端，必需为零，即必需满足下式：peefpf水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频3. 3. 水轮机调节系统一次调频静态特性水轮机调节系统一次调频静态特性2). 水轮机调节系统闭环静特性机组输入功率(p- pL)与机组频率偏差(f)的静态关系为：式中： pL负荷扰动相对值； p在负荷扰动下的机组功率变化值； f 在负荷扰动pL 下的机组频率变化值； e ef f频率死区相对值； e ep

17、 p（功率）调差系数（速度变动率）；en 机组、负荷频率特性系数（自调节系数）；feppnLpeefpfpnfnLeeeepp1pnfpLeeeepf1水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频4.4.水轮发电机组功率增量水轮发电机组功率增量p与电网与电网频率偏差频率偏差f之间的动态特性特之间的动态特性特性性 1 u + fg fc 频率 给定 机组 频率 1 位移转换 y + KP 微分(D) 比例(P) 积分(I) bp yc 开度 G 给定 + + 1 + YPID 放大器 比例伺服阀 引导阀、主配压阀 主接力器 + + + 数模 转换 A2 3-2(3-1) 1 1 F KI

18、 S KDS 1+T1vS 1 TyS + f pK I KI G S G ep 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频4.4.水轮发电机组功率增量水轮发电机组功率增量p与电网频率偏差与电网频率偏差f之间的动态特之间的动态特性特性性特性(1).(1).由图2易得f至p的增量传递函数为：(2).(2).这是一个一阶惯性环节的传递函数，其时间常数是。当输入f为阶跃输入时，功率增量p的响应为： 曲线是一个指数变化规律， p(t)达到0.97 的时间约为 pppIppp1/1/1/( )( )(1/)1(/e )1(/e )1KItdxeeePSF SK e SbTSTS ( )(1/)

19、(1)(1/)(1)(1/)(1)pxpt dIpetTKIpetbTpK e tpptefeefeefe ( )KIptKIpIppp3.505(1/)( )3.505(/e )( )3.505(/e )( )tdxK esbTsTs水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频4.4.水轮发电机组功率增量水轮发电机组功率增量p与电网频率偏差与电网频率偏差f之间的动态特之间的动态特性特性性特性(3). (3). 积分调节积分调节(K(KI I) )得到的功率增量得到的功率增量p pKIKI的稳定值的稳定值( (也是最后的也是最后的稳定值稳定值p p) )为为( (参见式参见式(5)(5

20、)：(4). (4). 若要满足若要满足” ” 在在4545秒内机组实际功率与目标功率的功率偏秒内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的差的平均值应在其额定功率的3%3%内内”的要求，仅仅依靠的要求，仅仅依靠积分作用，则要求积分作用，则要求3.5053.505倍的时间常数小于倍的时间常数小于45s( )45s( )。在微机调节器的比例调节在微机调节器的比例调节(K(KP P) )作用下作用下在电网频率偏差在电网频率偏差f f，依靠比例增益，依靠比例增益K KP P 得到的机组功率增量为常数：得到的机组功率增量为常数：/fppfee I p3.505(1/)45( )K esK

21、PPpKf 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频4.4.水轮发电机组功率增量水轮发电机组功率增量p与电网频率偏差与电网频率偏差f之间的动态特之间的动态特性特性性特性在微机调节器的比例调节(KP)和积分调节(KI)的共同作用下 ( )(1/)(1)IpK e tfKIKPpPptppeeKf 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频4.4.水轮发电机组功率增量水轮发电机组功率增量p与电网频率偏差与电网频率偏差f之间的动态特性特性之间的动态特性特性数字实例数字实例 (1). e(1). ep p=0.05=0.05，K KP P=10=10，K KI I=1.6(1/s

22、)(=1.6(1/s)(对应的暂态转速差值系数对应的暂态转速差值系数b bt t=0.1,=0.1,缓缓冲时间常数冲时间常数T Td d=5.55s)=5.55s)(2).45s(2).45s时时, ,机组实际功率机组实际功率 与目标功率的功率与目标功率的功率 偏差为偏差为2.73%2.73%，小于要求的小于要求的3%3%。( )KIpt(1/)pefpf水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频5). 5). 根据以上的分析可以得出下列结论：根据以上的分析可以得出下列结论：(1). 电网一次调频工况下，影响机组实际功率响应特性的参数是微机调速器的积分增益KI和比例增益KP，其中，起

23、主要作用的是积分增益KI。(2). 以上理论分析表明，微机调速器比例积分(PI)调节的比例增益KP和积分增益KI推荐值为：由于电网一次调频的动态过程是一个较慢速的过程，机组惯性时间常数Ta、水流时间常数Tw、电网自调节系数en、接力器最短开机和关机时间Ts等参数，对于电网一次调频的动态过程没有实质性的影响。 (3.505/0.0545)1.558(1/ )100.6420.16.4IPtdtdKsKbTbTs水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频5. 5. 水轮发电机组并入电网运行的原理框图水轮发电机组并入电网运行的原理框图水轮发电机组并入电网运行的原理框图水轮发电机组并入电网运

24、行的原理框图水轮发电机组并入电网开环运行及仿真的原理框图水轮发电机组并入电网开环运行及仿真的原理框图 水 轮 机 控 制 系 统 水 轮 机 及引 水 系 统 频 率 给 定 fc LpD Df - - + 发 电 机 电 网 频 率 f 负 荷 扰 动 TpD+ 水 轮 机 控 制 系 统 水 轮 机 及引 水 系 统 频 率 给 定 Dfc=Dfo LpD - - + 发 电 机 电 网 频 率f 负 荷 扰 动 TpD+ 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频5. 5. 水轮发电机组并入电网运行的原理框图水轮发电机组并入电网运行的原理框图在电站现场检验水轮机调节系统是否满足

25、电网一次调频的技术要求，可以采用2种试验方法：(1). 闭环近似试验法水轮机控制系统系统正常运行，选择电网频率相对稳定的运行时段(例如在半夜零时以后)，认为试验时电网频率基本稳定、不随试验机组的出力变化而变化；阶跃变化微机调速器的频率给定fc，录制机组有功功率变化曲线(波形)，根据实测波形检验水轮机调节系统是否满足电网一次调频的技术要求。这种试验方法安全可靠，但是，试验中的电网频率变化将影响试验结果。(2). 开环试验法在做好安全措施的前提下，切断微机调速器的频率测量信号，使水轮机调节系统在开环状态运行；阶跃变化微机调速器的频率给定fc，录制机组有功功率变化曲线(波形)，根据实测波形检验水轮机

26、调节系统是否满足电网一次调频的技术要求。这种试验方法不受电网频率变化的影响，能得到准确的试验结果；但是，试验存在一定的事故隐患。水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频6. 6. 一次调频仿真框图及仿真一次调频仿真框图及仿真水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频6. 6. 一次调频仿真框图及仿真一次调频仿真框图及仿真1). 1). 仿真基本参数仿真基本参数e ep p=0.05=0.05，K KP P=10=10，K KI I=1.6(1/s)(=1.6(1/s)(对应的暂态转速差值系数对应的暂态转速差值系数bt=0.1bt=0.1，缓冲时间常数，缓冲时间常数T Td

27、 d=5.55s)=5.55s)， 频率给定阶跃频率给定阶跃 ( (相对值为相对值为0.004)0.004)，频率死区，频率死区Ef=0.033Hz(Ef=0.033Hz(相对值为相对值为0.00066) 0.00066) ，实际起作用，实际起作用的频率阶跃值为的频率阶跃值为0.167Hz (0.167Hz (相对值相对值0.00334 )0.00334 )，稳定后的功率增量等于功率增量的积分分，稳定后的功率增量等于功率增量的积分分量量p pKIKI：比例作用产生的功率增量比例作用产生的功率增量D Dp pKPKP为：为：其动态特性表达式为：其动态特性表达式为：在以下的仿真中采用下列基本参数：

28、在以下的仿真中采用下列基本参数：速度变动率速度变动率( (功率转速差值系数功率转速差值系数) )：e ep p = 0.05 = 0.05；水流时间常数：水流时间常数：T Tww =2.1s =2.1s；机组及负荷惯性时间常数：机组及负荷惯性时间常数：T Ta a = 8.43s = 8.43s；负荷自调节系数：负荷自调节系数：e en n = 1.0 = 1.0 ；接力器响应时间常数：接力器响应时间常数：T Ty y = 0.1s= 0.1s；接力器最短开启和关闭时间接力器最短开启和关闭时间T Ts s=10s=10s；(1/0.05)0.003340.06686.68%fKIpp KPPp

29、Kf(/)0.05(0.00334/0.05)(1)0.0668(1)pt dIeb TtK tpee水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频6. 6. 一次调频仿真框图及仿真一次调频仿真框图及仿真积分增益积分增益K KI I取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频6. 6. 一次调频仿真框图及仿真一次调频仿真框图及仿真积分增益积分增益K KI I取值对于电网一次调频的取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真动态过程影响的仿真. . 曲线曲线2 2满足公式，其一次调频动态满足公式，其一次调

30、频动态过程满足电网对于一次调频的动态过程满足电网对于一次调频的动态性能要求；性能要求；. . 积分增益积分增益K KI I愈大，一次调频动态过愈大，一次调频动态过程中的机组功率趋近稳定值的速度程中的机组功率趋近稳定值的速度愈快，但是，如果选择过小的积分愈快，但是，如果选择过小的积分增益增益K KI I将对电网的动态稳定不利；将对电网的动态稳定不利；. . 动态过程初期的反向调节，是由引动态过程初期的反向调节，是由引水系统的水击水系统的水击( (水锤水锤) )效应效应( (水流时间水流时间常数常数T TWW) )引起的；比例作用引起的；比例作用(K(KP P) )作作用的近似反映在图中用的近似反

31、映在图中+0.017+0.017与水击与水击效应引起的效应引起的-0.017-0.017之差，即：之差，即： (0.017-(-0.017)=0.034KPp水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频6. 6. 一次调频仿真框图及仿真一次调频仿真框图及仿真比例增益KP取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真 水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频6. 6. 一次调频仿真框图及仿真一次调频仿真框图及仿真比例增益KP取值对于电网一次调频的动态过程影响的仿真(1). 曲线1、2和3均满足要求，其一次调频动态过程满足电网对于一次调频的动态性能要求；(2). 比例增益KP愈大，一次调频动态过程中的机组功率趋近稳定值的速度愈快，但是3条动态波形相差不大，起主要作用的仍然是积分增益KI；(3). 动态过程初期的反向调节，是由引水系统的水击(水锤)效应(水流时间常数TW)引起的；比例作用(KP)作用的近似反映在图中+0.017与水击效应引起的-0.017之差，即： (0.017-(-0.017)=0.034KPp水轮机调速器和电网一次调频水轮机调速器和电网一次调频7. 7. 基本结论基本结论经过大量的水电站现场试验和仿真研究，可以得到下列结论：经过大量的水电站现场试验和仿真研究，可以得到下列结论：（1 1）. . 对水轮机调节系统建