水电机组一次调频关键问题探讨

水电机组一次调频关键问题探讨

当电网频率超过规定的正常范围时，线路的调幅系统将自动降低或增加线路的输出功能。机组一次调频功能对电网和机组的安全稳定运行有着极其重要的影响,根据调度部门的规定,所有并入电网运行的机组都必须进行合理的整定设置以具备和投入一次调频功能。水电机组与火电机组相比,具有负荷调节速率快、调节幅度大、调整范围广、调整方向可以不加以限制等优点,可以在电网突发大负荷变化时提供更大、更持久的功率支援,一般不存在限幅的问题,因此水电机组更适合担负系统的一次调频任务。但在实际应用中,由于水电机组的特性和调速器的设计等原因,可能导致水电机组一次调频的性能较差。因此有必要针对水电机组一次调频存在的关键问题进行探讨,提出解决办法。1次调速器pid参数的确定一次调频管理规定要求,机组的一次调频功能应通过现场试验验证达到规定的技术指标,并作为商业化运行的条件之一。影响机组一次调频性能的因素,除了水电机组的特性外,主要与调速器的PID参数设置有关。采用输入信号阶跃变化用于控制系统的性能评价,是控制工程的经典方法。对机组一次调频性能的评价,一般以模拟频率阶跃变化后,机组出力变化的过渡过程情况为依据。在进行一次调频功能试验时,以频率阶跃变化后,机组出力响应滞后时间、调节时间、稳定时间等指标满足一次调频管理规定要求,同时又保证机组的负荷调整不至于过快为原则,来优化选择一组参数作为一次调频运行的PID参数。实际上,系统频率是不可能以阶跃方式变化的,即使系统因为某种原因出现机组甩负荷,导致系统负荷阶跃变化,但由此引起的系统频率变化也是缓慢的。如华中电网进行的全网一次调频联调试验中,在系统甩600MW负荷时,在某机组所检测到的从频率开始变化到频率稳定历时达10s以上。显然,以频率阶跃变化所选定的调速器PID参数,在系统频率缓慢变化时,其一次调频功能运行方式下的机组出力变化的响应时间、调节时间等重要性能指标会大大降低,影响系统的频率恢复能力。为保证在系统实际频率变化的情况下,调速器PID参数满足一次调频性能要求,现场试验应模拟系统频率实际变化情况。因此,调度部门应根据系统典型故障下频率变化的实际规律,提供较为明确的用于现场试验的频率变化曲线,以便选取更为合适的调速器PID参数。2对一次调调负荷限幅设置一次调频的最大调整负荷限幅,是从火电机组移植过来的。对于火电机组的汽轮机调节而言,锅炉的响应能力与汽压超界问题是制约机组一次调频幅度的主要因素。因此,一次调频管理规定对不同类型的火电机组确定了不同的一次调频的最大调整负荷限幅,同时也对水电机组规定了一次调频的最大调整负荷限幅值。水电机组参与一次调频的最大优势,在于它可以不受限制地进行大范围的一次调频,可以在机组负荷的全范围内轻易调节,这将使得在电网频率偏离稳态值很大的事故情况下,作出比火电机组大得多的贡献,为电网频率安全恢复赢得宝贵时间。因此,可以考虑不对水电机组的一次调频负荷调整幅度进行限制。但如有可能,应考虑避开振动区运行,同时对不同水头下并网运行时的最大导叶开度和最小导叶开度进行限制,以防止因系统频率偏差过大,导致机组过负荷或处于电动机方式运行,引起机组过负荷和逆功率保护动作停机,避免产生对系统频率稳定的不利影响。3水轮发电机组功率反调节特性在对水轮发电机组进行负荷调整时,导叶开度会发生改变,引用流量和水轮机水力矩也跟着发生变化,而流量的变化会在引水系统中引起水击,反过来引起水轮机水力矩的变化。引水系统的水击现象对于水轮机特性的影响是不可忽视的,特别是这种影响在初始时是与导叶开度调节相反的。比如当系统负荷增大、频率降低时,需增大导叶开度以加大流量、增加水轮机水力矩,但由于流量增大瞬间所引起的负水击会使水轮机的工作水头降低,反而减少了水轮机水力矩,水轮发电机组输出的有功功率反而会减少;同样在系统负荷减少的情况下,由于导叶开度减小引起的正水击使工作水头升高,水轮发电机组输出的有功功率反而会增加。这也就是通常所说的水轮发电机组的“功率反调节”。水轮发电机组功率反调节特性的存在,会导致一次调频负荷响应滞后时间增大,并且在调节初期由于出力变化的方向与要求变化的方向相反,实际上会加剧系统频率的恶劣变化。水轮发电机组功率反调节与导叶开度变化的速率和大小有关,即导叶开度变化越快,开度变化越大,功率反调节越严重。而对机组一次调频特性来说,导叶开度变化的速率和大小又与系统频率变化的速率和大小有关,即在相同的调速器PID参数下,系统频率变化越快,变化越大,则导叶开度变化也就越快,频率呈阶跃变化时,导叶开度变化的速率最快。但在一次调频联调试验时发现,系统频率变化的速率是比较慢的,并且不可能呈阶跃变化,因此水轮发电机组的功率反调节对机组一次调频功能的影响,可以忽略。4无功功率调节量计算方法由于大多数水轮机调速器是以导叶开度作为调节目标值,因此在不同的水头下,一次调频动作后的有功功率实际调节量是不同的,要准确得到实际有功功率调节量,必须首先掌握不同水头下有功功率与导叶开度的关系曲线。调度部门为了准确掌握水电机组的一次调频的有功功率实际调节量,就必须了解参与一次调频的所有每台机组的有功功率与导叶开度的关系曲线,这样就增加了工作量,而且还不一定能够准确地计算有功功率调节量。另外,由于受蜗壳进口水压和尾水管水压脉动变化的影响,在导叶开度保持不变时,水电机组有功功率电量值的波动值也较大,因此水电机组的有功功率的测量,必须进行滤波,取其过程平均值。但根据目前的检测手段,很难准确测量一次调频动作过程的有功功率变化过程。根据一次调频功能试验和联调试验结果,在一次调频动作下,导叶开度的变化过程比较稳定,没有大的波动,容易测量准确。因此建议将导叶开度(导叶接力器行程)作为一次调频动作后的考核目标值。5调速器回用时间根据一次调频管理规定要求,需要对机组一次调频动作次数进行统计。一般认为,在机组频率偏差从超过一次调频死区并恢复到一次调频死区以内时,即为一次调频动作1次。但实际应用中发现,调速器在短时间内统计到的一次调频动作次数很多,甚至1天能够达到近万次。分析原因,是由于机组频率偏差不断地来回跨越人工频率死区,使得计数较多。为此,需要设定回程差来解决,即当频率偏差越过人工死区(如±0.05Hz)后即计数1次,如果频率偏差一直处于较大值而来回跨越人工频率死区上限或下限时,就不再计数了,只有当频率偏差回复到某一规定值(如±0.04Hz)即回程差以下后,频率偏差再次增大越过人工频率死区后,才再计数1次。这样就避免了频率偏差在人工频率死区边缘来回变化时,计数过多的现象。6次高效调节系统运行方面贯流式水轮机和轴流转桨式水轮机都属于转桨式机组,转桨式机组正常运行时,在不同水头下,不同的导叶开度对应不同且唯一的桨叶转角,这就是所谓的协联关系。转桨式机组在协联运行状态,其效率最高,机组运行稳定性状况最佳,因此一般不允许机组在非协联工况下运行。但在机组进行有功功率调整的过渡过程中,导叶开度调整后,由于桨叶转角的调整不能够及时达到协联关系状态,因此实际处于非协联运行状态,对机组稳定运行不利。现场试验发现,贯流式机组在负荷频繁调节时,机组各部位的振动、摆度幅值较稳定运行时明显增大,水导摆度、水导轴承体振动及转轮室振动剧增,并且振动幅值严重超标,调速器油压装置油泵启动时间缩短。另外,由于转桨式水电机组额定水头一般都比较低,水库上、下游水位的波动对机组工作水头的影响较大,如某200MW的轴流转桨式机组,在导叶开度不变的情况下,单机本身负荷波动范围达0.5%～2%,全厂实际有功误差可达7～28MW,这样对于一次调频的考核就会受到影响。对于投入一次调频功能的转桨式机组,应从如下方面予以重视和考虑:(1)处于负荷末端的电厂,如果系统稳定运行期间,其系统频率偏差长期较大,应考虑将转桨式机组的人工频率死区适当加大。因为在系统稳定运行时,对于联络线的考核频率来说是合格的,但某些点的频率可能会超过规定的频率死区,如果频率长期在越过死区不大的范围内变化,势必造成转桨式机组调节频繁,而对系统的贡献并不大。因此可以考虑由混流式机组或火电机组来进行频率调节,适当加大转桨式机组的频率死区,让其在系统异常、频率变化较大时再发挥一次调频的作用。(2)对于一次调频性能的考核,应充分考虑转桨式机组的特性。对一次调频的出力响应滞后时间、调节时间、稳定时间以及调节量、贡献电量等指标,转桨式机组可能不完全满足规定的要求,因此在进行一次调频考核时,应予以考虑。7次频谱与agc负荷调整现代调速系统除了完成发电机组频率调节任务之外,还可以具有电网一次调频、二次调频和区域电网负荷频率控制等附加的控制功能。由调速器的功率频率静态调差特性和电力系统的负荷频率静态效应特性对系统频率所进行的相互调节作用为一次调频过程。由于一次调频是发电机组和系统负荷之间的自然调节特性,因此具有快速响应频率变化的特点。发电机组的功率变化量是根据频率变化量与调差系数固定比例关系而得出的,所以一次调频的结果只能是有差调频;自动发电控制(AGC)的最终作用机制是上下平移发电机组调速器的功频静态调差特性曲线位置,其调节作用为二次调频过程。因此,调速器应在二次调频设定的功频静态调差特性曲线位置的基础上完成一次调频过程,共同实现无差调频。两者之间理论上是不同的作用机制,是相互协同关系,不应存在相互矛盾的问题。但在实际应用中发现,AGC和一次调频还是存在一定的矛盾。AGC的负荷指令一般是由调度给出,然后通过电厂监控系统再进行负荷下达,而负荷的最终调整还是需要通过调速器来实现,调速器实际上成了监控系统的执行机构。监控系统为了保证负荷调整的准确性,一般采用闭环调节,随时对存在的负荷偏差进行调节,保证实际负荷值与给定值的偏差在允许范围内。一次调频是调速器根据系统频率偏差,通过调速器自动调节来实现负荷调整。监控系统除了接受AGC的自动和人工指令或电厂运行人员的操作指令外,不会接受其他的负荷调节指令。因此调速器因一次调频动作而调整的负荷,监控系统是不知道的,而监控系统又是闭环调节,会将一次调频进行负荷调整后引起的与给定值的偏差重新调整过来,这样就导致机组一次调频功能失去作用。这就是在实际应用中一次调频与AGC负荷调整的矛盾。针对存在的问题,曾有人提出解决方案。一是一次调频动作期间闭锁AGC负荷调整,二是AGC负荷调整期间闭锁一次调频,实际上这2种方法都存在一定的问题。首先分析一次调频动作期间闭锁AGC负荷调整存在的问题。在调速器一次调频动作,即频率偏差大于人工频率死区后,调速器会响应频率变化值进行负荷调整,这时由调速器将一次调频动作信号传递给监控系统,由监控系统闭锁AGC的负荷调整,即监控系统不给调速器发送新的负荷调整指令。这样虽然可以消除监控系统对存在的负荷指令与实际负荷偏差进行调节作用,保证一次调频功能起作用,但却妨碍了AGC进行二次调频的正常调节功能。如果频率偏差持续或继续增大,一次调频动作不能复归,AGC负荷调节指令将无法传递给调速器,实际上当频率偏差较大时,必须通过AGC的二次调频作用实现无差调节,将系统频率偏差调节到允许的范围内。另外当调速器一次调频动作信号异常时,如长期给出动作的误动信号,也会影响AGC的负荷调整。采用AGC负荷调整期间闭锁一次调频也存在同样的问题。当机组一次调频动作时,调速器将向监控系统发动作信号,监控系统依据调速器动作信号闭锁有功调节闭环;机组一次调频结束后,调速器将向监控系统发一次调频动作复归信号,监控系统依此信号恢复有功调节闭环。在调速器一次调频动作还未结束的过程中,如果目标功率值改变,监控系统将会重新控制调速器,下发脉冲调功指令的同时给调速器1个“二次调频投入”信号,调速器接收这个信号后就在当前导叶开度给定的基础上响应外部给定信号,而不再将频差增量叠加开度给定,实际上接收到这个信号后,调速器的一次调频功能退出。当频率恢复到人工频率死区范围内,一次调频动作结束后就将外部的这个信号状态复归,调速器一次调频重新进入备投状态,等待满足下一个一次调频的条件而动作。在二次调频命令下发前,如果一次调频不能恢复的话,一旦二次调频指令下发就以二次调频控制为主,一次调频调节退出。一般的做法是,在AGC通过监控系统进行负荷调整时,监控系统进行闭环调节,即调整后的负荷是AGC指令值,此时如果有一次调频动作,也不会起作用。在监控系统负荷调整完成后,退出其负荷闭环调节功能,此时如果有一次调频动作,就会根据一次调频的作用进行负荷调整,如果AGC没有新的调节指令,就不会将由于一次调频动作存在的误差进行弥补。在实际中,AGC负荷调整的指令变化是比较频繁的,特别是对于水电机组,在机组运行期间,可能就没有一次调频动作的时间间隔,因此实际导致一次调频并不起作用。另外,如果在AGC指令调节完成后,退出负荷的闭环调节,也就是运允许在负荷给定值与实际值的偏差,这样就会导致电厂被AGC管理的规定考核。由此看来,以上2种方式都是不可行的。虽然一次调频管理规定中明确指出,对于因一次调频的负荷调整而产生的机组实际负荷与计划曲线的偏差,在相关考核中予以免责,但在实际操作的技术手段上还没有有效的办法。比较可行的办法是,在机组因一次调频进行负荷调整时,调速器应将一次调频的动作信号送给监控系统,监控系统此时将调整后的负荷直接叠加在AGC的负荷给定上,这样在一次调频动作进行负荷调整后的实际负荷与给定值就一致了,监控就不会再进行负荷的调整了。同时监控系统应将此调整量送给调度部门,在调度部门进行AGC的考核时予以免责。8同时网机组的一次强调算法目前,调度部门对于机组一次调频性能的监测、分析与考核主要依赖于“电网一次调频统计分析系统”,系统的数据主要来源于电网EMS系统,该系统存在数据精度、系统频率采集、系统的时间偏差等问题,因此无法准确掌握系统频率变化后机组一次调频动作情况,引起考核误差。鉴于此,有必要重新开发新的一次调频在线监测系统,准确真实地掌握系统频率变化后机组一次调频及系统频率恢复的过程,为准确进行一次调频和系统频率稳定提供数据支持。考虑到PMU装置采集精度、刷新速率和网络优化速率等优点,并网机组一次调频相关数据(机组频率、导叶开度、有功功率、动作次数)可通过PMU装置传送给电厂和调度部门的监测系统,在此基础上开发一次调频监测系统。对于没有安装PMU装置的电厂,可以考虑研制专用的一次调频数据采集系统,与调度联网进行数据交换,可以实现高速数据采集。一次调频管理规定中,对于机组一次调频的奖惩的计算,主要考虑一次调频运行的正确动作率和贡献电量,且这里的电量是绝对电量值。由于水电机组额定容量比较小,特别是那些低水头的转桨式水电机组,容量一般在50MW以下,与大容量的火电机组相比,其一次调频贡献电量很小。在目前的考核方式下,会导致水电厂并不会关心机组投入一次调频后会有多少奖励,而仅考虑不被惩罚就行了。特别是在AGC和一次调频同时对水电机组进行考核时,更关心AGC的考核,这样水电机组一次调频动作的优越性能就会大打折扣。因此建议在进行一次调频贡献电量考核时,以机组贡献电量占机组总发电量的比例进行,这样对不同容量机组就有了比较公平的考核标准。9自由模糊控制方式下的功率调节从一次调频功能试验结果看,一次调频存在的与AGC负荷调整的矛盾、一次调频负荷响应速度、一次调频调节目标值、一次调频最大调节幅度限制等问题,其主要原因,就是大部分调速器不是以机组有功功率作为调节目标值,而是以接力器行程即导叶开度作为调节目标值的,这样导致调速器并不知道所要调节的目标功率为多少,因此无法由调速器进行有功功率的直接调节。之所以水轮机调速器没有实现以有功功率作为调节目标值的功率调节,主要是由于水电机组的运行性能与水头的变化有密切关系,在不同水头下,导叶接力器行程与机组有功功率关系是变化的,且在同一水头下,其关系曲线也不是线性的,因此很难准确掌握导叶开度变化后机组有功功率变化的情况。并且,水轮机调速器在早期就是将导叶开度作为调节目标,虽然实现了调速器微机化,但由于没有对调速器进行有功功率闭环调节的需要,因此,调速器主要以导叶开度作为调节目标。目前,大部分水电机组的功率闭环调节是由监控系统完成,由监控系统将需要调节的增减指令以脉冲量形式送给调速器,调速器根据脉冲宽度的大小,相应调整导叶开度,在有功功率实际测量值进入调整目标的死区范围内,即完成一次负荷调整过程。从理论上说,实现水轮机调速器的功率调节功能是可行的,可由直接功率调节和间接功率调节2种方法来实现。直接功率调节,是通过对给定功率及频率值与实测值进行对比,计算得出功率期望值后,通过PID计算输出信号控制导叶开度,该输出信号为比例、积分、微分部分的和迭加上前馈信号。而间接功率调节,就是指在给定功率调整值后,调速器根据不同水头下有功功率与导叶开度的对应关系,计算出在相应水头下给定的有功功率给定所对应的开度值给定,然后通过PID控制方式操作导叶达到给定开度。采用直接功率调节,由于不关心在有功功率调整过程中导叶开度调整的大小,因此会由于运行水头的变化,造成超调或调节时间过长的现象。其解决办法是,在一次有功功率调节过程中,根据有功功率给定值与实际值偏差,随时改变PID调节参数,也就是所谓的分段调节,在偏差大时,调节速快一些,在偏差小时,调节速度适当慢一些。采用间接功率调节在实际应用中往往出现超调或调节时间长的问题,其主要原因是:测量到的净水头值不准确;有功功率与导叶开度的关系曲线一般由模型特性曲线得到,而实际关系曲线与理论曲线偏差较大;关系曲线过少而水头变化幅度较大,导致插值误差较大等。通过试验证实,准确获取有功功率与导叶开度关系曲线,以及提高运行水头和有功功率的测量精度后,其调节效果还是满足要求的。一般根据不同水头段,设置不同的PID调节参数,保证在不同水头下的有功功率调节过程基本一致,均能满足运行要求。在实现了调速器的功率调节后,监控系统的功率闭