水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻華中科技大學(xué)魏守平水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性3.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻靜態(tài)特性4.水輪發(fā)電機組功率增量Δp與電網(wǎng)頻率偏差Δf之間的動態(tài)特性特性5.水輪發(fā)電機組并入電網(wǎng)運行的原理框圖6.一次調(diào)頻仿真框圖及仿真7.基本結(jié)論水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。其工作過程為：測量元件把機組轉(zhuǎn)速n（頻率f）、功率Pg、水頭H、流量Q等參量測量出來，與給定信號和反饋信號綜合后，經(jīng)放大校正元件控制執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)操縱水輪機導(dǎo)水機構(gòu)和槳葉機構(gòu)，同時經(jīng)反饋元件送回反饋信號至信號綜合點。水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)微機調(diào)速器自動調(diào)節(jié)部分框圖水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻1.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID結(jié)構(gòu)圖(1)

PID器結(jié)構(gòu)圖(2)水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性

電網(wǎng)的一次調(diào)頻是針對偏離了系統(tǒng)額定頻率（50HZ）的頻率偏差，按永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)（調(diào)差系數(shù)）對機組進行功率控制。它是將電網(wǎng)（機組）頻率（轉(zhuǎn)速）信號送入調(diào)速器的“頻率（轉(zhuǎn)速）輸入”端口，頻率（轉(zhuǎn)速）給定值與其比較形成頻率（轉(zhuǎn)速）偏差，水輪機調(diào)速器根據(jù)這個偏差信號而進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)的，它將頻差變換為與成反比的機組頻差調(diào)節(jié)功率。由于水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)都有設(shè)定的速度變動率(功率永態(tài)差值系數(shù))，它決定了這是一個有差調(diào)節(jié)，因而由各機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)共同完成的一次調(diào)頻，不可能完全彌補電網(wǎng)的功率差值，從而也不可能使電網(wǎng)頻率恢復(fù)到額定頻率（50Hz）附近的一個允許范圍內(nèi)。

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性調(diào)速器傳遞函數(shù)方塊圖水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性為了進行電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制（LFC），使電網(wǎng)的功率差值得以彌補，從而使電網(wǎng)頻率得以恢復(fù)，則必須采用電網(wǎng)的二次調(diào)頻。其主要作用是：控制參加電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制的機組的目標(biāo)功率值Pc；根據(jù)電網(wǎng)功率差值和頻率偏差，計算出機組的新的目標(biāo)功率值，送至水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)系統(tǒng)的“目標(biāo)功率輸入”端口，使水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)系統(tǒng)實現(xiàn)對新目標(biāo)功率值的調(diào)節(jié)。當(dāng)二次調(diào)頻作用使電網(wǎng)實現(xiàn)了新的功率平衡、電網(wǎng)頻率恢復(fù)到正常值時，水輪發(fā)電機組實際上是在新的目標(biāo)功率值Pc確定的靜態(tài)工作點運行。水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次/二次調(diào)頻功能框圖見圖1。水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性圖1水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次/二次調(diào)頻頻率(轉(zhuǎn)速)－信號Fg+頻率死區(qū)頻率(轉(zhuǎn)速)設(shè)定值fc機組目標(biāo)功率+Pc

－

機組實際功率PID調(diào)節(jié)機組頻率(轉(zhuǎn)速)功率NT

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性圖2以靜態(tài)特性的形式表示了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一次和二次調(diào)頻特性。（圖中未考慮電網(wǎng)負(fù)荷頻率特性（負(fù)荷頻率自調(diào)節(jié)系數(shù)））：水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性1).機組原始工況靜特性曲線pc1①上A點：機組目標(biāo)功率：pc1；機組實際功率：p1；機組頻率：f1；速度變動率ep（(功率)永態(tài)差值系數(shù)）：；電網(wǎng)發(fā)生功率缺額，折算到討論的機組：功率缺額：p3-p1；2).一次調(diào)頻作用電網(wǎng)功率缺額，引起電網(wǎng)頻率降低，如果不進行調(diào)節(jié)，則按靜特性曲線①pc1，頻率應(yīng)降至，各機組根據(jù)頻率偏差進行一次調(diào)頻，討論的機組增發(fā)了功率p2-p1，電網(wǎng)頻率為f2（靜特性曲線①上B點）。即討論的機組與電網(wǎng)其它機組一起進行了一次調(diào)頻，但電網(wǎng)頻率為，不可能恢復(fù)到擾動前的f1。水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性3).二次調(diào)頻作用若電網(wǎng)二次調(diào)頻將討論的機組的目標(biāo)功率由pc1修正為pc2，則機組調(diào)速系統(tǒng)靜特性由特性曲線①pc1變?yōu)樘匦郧€②pc2。最后的調(diào)節(jié)結(jié)果為特性曲線②上C點：機組目標(biāo)功率：pc2；機組實際功率：p3；機組頻率：f1；速度變動率（(功率)永態(tài)差值系數(shù)）：ep；電網(wǎng)的功率缺額得以補償，系統(tǒng)頻率也恢復(fù)到擾動前的數(shù)值f1。

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性綜上所述，電網(wǎng)在負(fù)荷擾動后，電網(wǎng)頻率產(chǎn)生相對于頻率（轉(zhuǎn)速）給定的偏差，各機組的調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)頻率偏差Δf和（功率）調(diào)差系數(shù)ep進行一次調(diào)頻，在較快的時間（8″~15″）內(nèi)彌補了系統(tǒng)部分功率差值pc；在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)自動發(fā)電控制（AGC，二次調(diào)頻），修正相關(guān)機組的目標(biāo)功率值，通過調(diào)速系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)（靜態(tài)主要依靠積分調(diào)節(jié)），最終可實現(xiàn)電網(wǎng)功率平衡和頻率的恢復(fù)。水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻2.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制（LFC）特性電網(wǎng)一次調(diào)頻對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要技術(shù)要求1).并網(wǎng)發(fā)電機組均應(yīng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻；2).（功率）永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)（火電機組調(diào)速系統(tǒng)稱速度變動率）ep=4%~5%(DL/T1040-2007電網(wǎng)運行準(zhǔn)則(TheGridOperationcode)規(guī)定：ep≤3%)；3).頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)Ef=±0.033Hz(DL/T1040-2007電網(wǎng)運行準(zhǔn)則(TheGridOperationcode)規(guī)定：在0.05Hz以內(nèi))；4).響應(yīng)特性：電網(wǎng)頻率變化超過一次調(diào)頻頻率死區(qū)時，機組應(yīng)在15秒內(nèi)響應(yīng)機組目標(biāo)功率，在45秒內(nèi)機組實際功率與目標(biāo)功率的功率偏差的平均值應(yīng)在其額定功率的3%內(nèi)；穩(wěn)定時間應(yīng)小于1min；5).負(fù)荷變化幅度限制：水電機組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度，不加限制。一次調(diào)頻功能為必備功能，不得由運行人員切除；不得在開度限制工況下運行。水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻3.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻靜態(tài)特性1).水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)開環(huán)靜特性機組并入電網(wǎng)運行(并聯(lián)運行paralleloperation-幾臺機組同時向電網(wǎng)供電的運行方式)。分析一次調(diào)頻特性時，認(rèn)為二次調(diào)頻不起作用，即取功率給定恒定。水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)開環(huán)靜特性（機組功率對機組頻率偏差的特性）用相對值表示為：

用絕對值表示，則有：

式中：Δp—對應(yīng)于頻率偏差（相對量）的機組功率增量（相對量）；Fn—電網(wǎng)頻率[Hz]；fn—電網(wǎng)頻率相對值，；Ef—水輪機控制系統(tǒng)頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)（絕對量，Hz），（50-Fn）為+，為+；（50-Fn）為負(fù)，Ef為-；—水輪機控制系統(tǒng)頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)（相對量），；ep—水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（功率）調(diào)差系數(shù)（速度變動率）； ΔP—對應(yīng)于頻率偏差Δf（）[Hz]的機組功率增量[MW]；P—機組額定功率[MW]。式中的負(fù)號，表示頻率偏差與功率偏差方向相反。水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻3.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻靜態(tài)特性2).水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)閉環(huán)靜特性所謂水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閉環(huán)靜特性，是指：機組帶孤立負(fù)荷(孤立運行isolatedoperation-電網(wǎng)中只有一臺或相當(dāng)于一臺機組供電的運行方式)，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)閉環(huán)時，機組頻率對負(fù)荷擾動的靜態(tài)特性?；痉匠蹋簷C組在穩(wěn)定工況（靜態(tài)）工作時，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID控制器的積分調(diào)節(jié)輸入端，必需為零，即必需滿足下式：水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻3.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻靜態(tài)特性2).水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)閉環(huán)靜特性機組輸入功率(Δp-ΔpL)與機組頻率偏差(Δf)的靜態(tài)關(guān)系為：式中：ΔpL—負(fù)荷擾動相對值；Δp—在負(fù)荷擾動下的機組功率變化值；Δf

——在負(fù)荷擾動ΔpL下的機組頻率變化值；ef—頻率死區(qū)相對值；ep—（功率）調(diào)差系數(shù)（速度變動率）；en— 機組、負(fù)荷頻率特性系數(shù)（自調(diào)節(jié)系數(shù)）；水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻4.水輪發(fā)電機組功率增量Δp與電網(wǎng)頻率偏差Δf之間的動態(tài)特性特性水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻4.水輪發(fā)電機組功率增量Δp與電網(wǎng)頻率偏差Δf之間的動態(tài)特性特性(1).由圖2易得Δf至Δp的增量傳遞函數(shù)為：(2).這是一個一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，其時間常數(shù)是。當(dāng)輸入Δf為階躍輸入時，功率增量Δp的響應(yīng)為：

曲線是一個指數(shù)變化規(guī)律，Δp(t)達(dá)到0.97的時間約為

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻4.水輪發(fā)電機組功率增量Δp與電網(wǎng)頻率偏差Δf之間的動態(tài)特性特性(3).積分調(diào)節(jié)(KI)得到的功率增量ΔpKI的穩(wěn)定值(也是最后的穩(wěn)定值Δp)為(參見式(5))：(4).若要滿足”在45秒內(nèi)機組實際功率與目標(biāo)功率的功率偏差的平均值應(yīng)在其額定功率的3%內(nèi)”的要求，僅僅依靠積分作用，則要求3.505倍的時間常數(shù)小于45s()。在微機調(diào)節(jié)器的比例調(diào)節(jié)(KP)作用下在電網(wǎng)頻率偏差Δf，依靠比例增益KP得到的機組功率增量為常數(shù)：水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻4.水輪發(fā)電機組功率增量Δp與電網(wǎng)頻率偏差Δf之間的動態(tài)特性特性在微機調(diào)節(jié)器的比例調(diào)節(jié)(KP)和積分調(diào)節(jié)(KI)的共同作用下水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻4.水輪發(fā)電機組功率增量Δp與電網(wǎng)頻率偏差Δf之間的動態(tài)特性特性數(shù)字實例(1).ep=0.05，KP=10，KI=1.6(1/s)(對應(yīng)的暫態(tài)轉(zhuǎn)速差值系數(shù)bt=0.1,緩沖時間常數(shù)Td=5.55s)(2).45s時,機組實際功率與目標(biāo)功率的功率偏差為2.73%，小于要求的3%。水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻5).根據(jù)以上的分析可以得出下列結(jié)論：(1).電網(wǎng)一次調(diào)頻工況下，影響機組實際功率響應(yīng)特性的參數(shù)是微機調(diào)速器的積分增益KI和比例增益KP，其中，起主要作用的是積分增益KI。(2).以上理論分析表明，微機調(diào)速器比例積分(PI)調(diào)節(jié)的比例增益KP和積分增益KI推薦值為：由于電網(wǎng)一次調(diào)頻的動態(tài)過程是一個較慢速的過程，機組慣性時間常數(shù)Ta、水流時間常數(shù)Tw、電網(wǎng)自調(diào)節(jié)系數(shù)en、接力器最短開機和關(guān)機時間Ts等參數(shù)，對于電網(wǎng)一次調(diào)頻的動態(tài)過程沒有實質(zhì)性的影響。

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻5.水輪發(fā)電機組并入電網(wǎng)運行的原理框圖水輪發(fā)電機組并入電網(wǎng)運行的原理框圖水輪發(fā)電機組并入電網(wǎng)開環(huán)運行及仿真的原理框圖

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻5.水輪發(fā)電機組并入電網(wǎng)運行的原理框圖在電站現(xiàn)場檢驗水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是否滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻的技術(shù)要求，可以采用2種試驗方法：(1).閉環(huán)近似試驗法水輪機控制系統(tǒng)系統(tǒng)正常運行，選擇電網(wǎng)頻率相對穩(wěn)定的運行時段(例如在半夜零時以后)，認(rèn)為試驗時電網(wǎng)頻率基本穩(wěn)定、不隨試驗機組的出力變化而變化；階躍變化微機調(diào)速器的頻率給定fc，錄制機組有功功率變化曲線(波形)，根據(jù)實測波形檢驗水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是否滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻的技術(shù)要求。這種試驗方法安全可靠，但是，試驗中的電網(wǎng)頻率變化將影響試驗結(jié)果。(2).開環(huán)試驗法在做好安全措施的前提下，切斷微機調(diào)速器的頻率測量信號，使水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在開環(huán)狀態(tài)運行；階躍變化微機調(diào)速器的頻率給定fc，錄制機組有功功率變化曲線(波形)，根據(jù)實測波形檢驗水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是否滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻的技術(shù)要求。這種試驗方法不受電網(wǎng)頻率變化的影響，能得到準(zhǔn)確的試驗結(jié)果；但是，試驗存在一定的事故隱患。水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻6.一次調(diào)頻仿真框圖及仿真水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻6.一次調(diào)頻仿真框圖及仿真1).仿真基本參數(shù)ep=0.05，KP=10，KI=1.6(1/s)(對應(yīng)的暫態(tài)轉(zhuǎn)速差值系數(shù)bt=0.1，緩沖時間常數(shù)Td=5.55s)，頻率給定階躍(相對值為0.004)，頻率死區(qū)Ef=0.033Hz(相對值為0.00066)，實際起作用的頻率階躍值為0.167Hz(相對值0.00334)，穩(wěn)定后的功率增量等于功率增量的積分分量ΔpKI：：比例作用產(chǎn)生的功率增量DpKP為：其動態(tài)特性表達(dá)式為：在以下的仿真中采用下列基本參數(shù)：速度變動率(功率轉(zhuǎn)速差值系數(shù))：ep=0.05；水流時間常數(shù)：Tw=2.1s；機組及負(fù)荷慣性時間常數(shù)：Ta=8.43s；負(fù)荷自調(diào)節(jié)系數(shù)：en=1.0；接力器響應(yīng)時間常數(shù)：Ty=0.1s；接力器最短開啟和關(guān)閉時間Ts=10s；水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻6.一次調(diào)頻仿真框圖及仿真積分增益KI取值對于電網(wǎng)一次調(diào)頻的動態(tài)過程影響的仿真

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻6.一次調(diào)頻仿真框圖及仿真積分增益KI取值對于電網(wǎng)一次調(diào)頻的動態(tài)過程影響的仿真①.曲線2滿足公式，其一次調(diào)頻動態(tài)過程滿足電網(wǎng)對于一次調(diào)頻的動態(tài)性能要求；②.積分增益KI愈大，一次調(diào)頻動態(tài)過程中的機組功率趨近穩(wěn)定值的速度愈快，但是，如果選擇過小的積分增益KI將對電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定不利；③.動態(tài)過程初期的反向調(diào)節(jié)，是由引水系統(tǒng)的水擊(水錘)效應(yīng)(水流時間常數(shù)TW)引起的；比例作用(KP)作用的近似反映在圖中+0.017與水擊效應(yīng)引起的-0.017之差，即：

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻6.一次調(diào)頻仿真框圖及仿真比例增益KP取值對于電網(wǎng)一次調(diào)頻的動態(tài)過程影響的仿真水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻6.一次調(diào)頻仿真框圖及仿真比例增益KP取值對于電網(wǎng)一次調(diào)頻的動態(tài)過程影響的仿真(1).曲線1、2和3均滿足要求，其一次調(diào)頻動態(tài)過程滿足電網(wǎng)對于一次調(diào)頻的動態(tài)性能要求；(2).比例增益KP愈大，一次調(diào)頻動態(tài)過程中的機組功率趨近穩(wěn)定值的速度愈快，但是3條動態(tài)波形相差不大，起主要作用的仍然是積分增益KI；(3).動態(tài)過程初期的反向調(diào)節(jié)，是由引水系統(tǒng)的水擊(水錘)效應(yīng)(水流時間常數(shù)TW)引起的；比例作用(KP)作用的近似反映在圖中+0.017與水擊效應(yīng)引起的-0.017之差，即：

水輪機調(diào)速器和電網(wǎng)一次調(diào)頻7.基本結(jié)論經(jīng)過大量的水電站現(xiàn)場試驗和仿真研究，可以得到下列結(jié)論：（1）.