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异步联网下水电站一次调频功能设计与优化

2024-11-28 25 上传者：管理员

摘要：异步联网下机组一次调频功能的合理设计关系到电网频率稳定和电网安全稳定运行。根据国家电网和南方电网对一次调频相关技术要求，阐述了开度模式下和功率模式下水电机组一次调频功能的设计，探讨了水电站一次调频与AGC协调控制策略。研究结果可供复杂电网环境水电站一次调频功能设计参考。

关键词：
一次调频
功率模式
开度模式
异步联网
电力交换
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异步联网技术是电力系统发展中的一项重要技术，它允许不同电网在没有同步运行的情况下进行电力交换[1]。尤其随着风能、太阳能等具有间歇性和不稳定性的新能源在电网中容量占比增大，异步联网技术可以使得新能源在更广泛的区域内进行调度和平衡，提高电网对可再生能源的接纳能力。然而随着异步联网运行，系统面临频率波动频繁、负阻尼现象、超低频振荡风险等诸多问题，需要对水电站调速器运行模式和参数进行优化，特别是复杂多变的网络架构对水电站调速器一次调频的调节品质提出更高要求。

1、电站一次调频的功能优化

1.1 水电站调节系统概况

目前，水轮机调速器主要采用微机型调速器，其电液随动系统的主流冗余配置结构主要有：完全对称型冗余结构(A+A)和非对称型冗余结构(A+B)两类。完全对称型冗余结构(A+A)一般选用两个型号完全一样的比例伺服阀构成，两个比例伺服阀之间在故障时可实现无扰切换。非对称型冗余结构(A+B)一般选用比例伺服阀加步进电机(或伺服电机)构成的无油自复中电机转换装置组成，其与主配压阀接口形成两种控制方式：比例阀电液转换单元控制型和电机式转换装置单元控制型。整个随动控制是一个串级结构，由主配位置闭环与接力器位置闭环两级闭环构成，通过控制主配的开关行程，达到切换接力器开关腔的压力油源，进而实现接力器行程的闭环控制。一次调频方式投入后，调节参数及一次调频人工死区自动切换为已预先整定好的对应参数，根据有效频差作为输入进行开度/功率控制，并具有一次调频限幅功能[2]。

1.2 异步联网下调速器模式优化

渝鄂和鲁西背靠背直流输电工程相继建成投运后，对应的区域电网西南电网和云南电网分别与主网实现异步联网，由于区域电网规模减小，频率调节特性发生变化，网内水电机组调节时的“水锤效应”对其电网频率稳定造成明显影响，因此需要并网水电机组调速系统的运行模式及参数、监控系统等均要进行必要的优化改造以适应新的电网特性，降低电网超低频振荡风险[3]。

对于接入云南电网的水电机组调速器，经过云南异步联网下调速器模型及参数试验后，只需进行功率模式下PID参数优化，执行调度下发的一次调频PID参数。

对于接入西南电网的水电机组调速器，其调速器主要运行方式由功率模式改为开度模式，监控系统、AGC和调速系统应均满足开度模式运行，并将开度模式PID参数按异步联网要求进行修改和验证。

2、一次调频与水电站AGC协调控制策略

目前西南电网和云南电网对一次调频和AGC的协调关系要求基本上一致，均要求两者为叠加关系，一次调频优先于AGC调节，但是由于调速器功率模式运行和开度模式运行时，对于一次调频和AGC调节的原理略有不同，因此在实际中西南电网和云南电网所辖的水电站AGC与一次调频的协调关系是不同的[4]。

调速器工作在“功率模式”下，采用PID调节规律，受水电站AGC控制。在功率调节模式下，调节器接受AGC功率给定指令，内部通过PID运算自动跟踪功率给定，实现功率闭环调节。调速器工作在“开度模式”下，其功率给定不参加自动闭环调节，由监控系统给出开度调节脉冲指令，调速器根据开度脉冲指令调节导叶开度，其功率闭环在监控系统LCU实现。

1)若机组受云南电网调控，因调速器运行于功率模式下，其一次调频与AGC协调关系按如下设计：在没有二次调节令时，机组一次调频动作时，将加入AGC机组当成未加入AGC机组看待，其一次调频动作引起的负荷偏差叠加到全厂给定值，从而使全厂给定值与实发值一致，保证全厂负荷不再重新分配，确保了无AGC调节令时，一次调频功能正常发挥作用；有二次调频令时，按照二次调频令进行AGC负荷分配，当二次调频到位后开放一次调频为主功能。

2)若机组受国家电网调控，因调速器运行于开度模式下，其一次调频与AGC协调关系设计为：采取一次调频与AGC叠加，大幅度频率波动时正向叠加反向闭锁方式。即当一次调频动作且AGC下发值无变化时，LCU不下发脉宽调节指令，仅一次调频动作，待一次调频复归后，延时30 s, 再可下发脉宽调节指令；其次，一次调频动作过程中，AGC下发值发生变化，则LCU直接下发调节脉宽，目标值为AGC下发新值，若过程中电网频率偏差大于0.1 Hz, 则进行正向叠加反向闭锁，以免因AGC动作引发电网负荷向反方向动作。

3、异步联网下调速器一次调频功能分析

3.1 云南电网下水电站机组调速器一次调频分析

3.1.1 云南电网下水电机组调速器一次调频分析

受云南异步联网影响，为确保电网频率稳定，云南部分水电机组调速器参数有所调整，一次调频考核如下：

1)根据系统频率波动频次及频差大小，分小扰动和大扰动分别进行考核，频差界限取0.06 Hz;

2)对小扰动，在一次调频评价考核周期内，仅考核一次调频实际出力变化量与系统频率偏差数值的正负号是否匹配，若高频减出力或低频增出力，则记为合格；

3)对大扰动，以2 min为一个考核时段，采用分段考核方式。

云南电网内水电机组调速器运行于功率模式，为防止低频振荡其一次调频PID参数已按照电网要求调小，一次调频死区设置为±0.05 Hz。一次调频动作后，直到调速器检测到电网频率进入一次调频死区内，则一次调频动作复归，完成一次调频过程。由于一次调频动作的触发条件为电网频率，故理论上并入同一电网的机组一次调频动作具有统一性。然而水电机组调速器并网运行期间，存在一次调频积分电量不满足要求情况。

3.1.2 云南电网下水电站机组调速器一次调频功能优化

针对一次调频积分变量不足的可能原因，有以下几点思考。

1)调速器功率模式调节以监控系统LCU下发功率给定为起点，叠加一次调频功率调节值。为消除电站侧与电网侧一次调频起点存在偏差，提高一次调频考核成功率，可对调速系统功率模式一次调频逻辑进行优化，在一次调频动作瞬间，若功率瞬时偏差(机组实发有功-LCU下发功率给定)与一次调频调节量同向，且功率偏差在调节死区范围内，则调速器以机组当前实发有功为一次调频动作起点。若功率瞬时偏差与一次调频调节量不同向，则仍以LCU下发功率给定为一次调频动作起点。

2)由于一次调频复归缓慢，选择为一次调频考核时间段较相邻的一次调频动作时间段间隔时间宜不低于120 s, 保证相邻一次调频动作效果充分复归，避免积分电量起始功率偏高导致误计算为反调情况不合格。

3)由于功率-开度-水头的对应关系是非线性的，功率变化存在波动性及延迟性，当积分电量计算为负向时，应同时考虑导叶开度变化是否为负向，若两者均为负向才判断为反调，若开度为正向，则调速器正确响应，由于功率波动导致的积分电量为负不应作为依据，应判为正向调节，且调节合格。

3.2 西南电网下水电机组调速器一次调频分析

3.2.1 西南电网下水电站机组调速器一次调频及AGC运行情况分析

西南电网内水电站机组调速器运行于开度模式，机组LCU根据上位机AGC分配的单机有功给定Pg转换成不同脉宽的开度给定脉冲Yg,自动下达至调速器作为调速器开度给定，调速器根据开度给定自动完成开度闭环调节，执行过程中若机组LCU监测到有功实发与有功设定存在差值时，会不断下达开度给定脉冲至调速器，直至监测到有功设定与有功实发差值在阈值内，最终由机组LCU完成功率闭环调节。当电网频率低于门槛频率时(49.9 Hz),机组LCU不执行AGC减负荷指令；当电网频率高于门槛频率(50.1 Hz)时，机组LCU不执行AGC加负荷指令[5]。开度模式运行下，水电机组调速器一次调频通常存在两个问题：

1)在小频差扰动下(不大于±0.08 Hz),机组一次调频实际动作量微小，甚至导叶开度、机组有功在一次调频动作前后没有变化，导致理论积分电量与实际动作电量相差较大；

2)一次调频动作期间，存在监控AGC也同时动作情况，AGC动作抵消了一次调频动作的效果。

3.2.2 西南电网下水电站机组调速器一次调频及AGC运行情况优化策略

关于一次调频动作期间，AGC动作抵消一次调频动作的部分效果。无AGC指令时，实际动作量为一次调频增量；一次调频与AGC指令同时起作用时，实际动作量为先按较大值动作，最后会回到监控AGC设定值；一次调频与AGC指令同时起作用时，一次调频复归，则实际动作量为先减去一次调频动作量再回到AGC设定值。由于调速器开度模式下，仅控制开度闭环调节，功率闭环则由监控系统完成，一次调频开度增量叠加到调速器开度给定上，而监控功率给定未叠加相应的一次调频功率增量，功率给定环节与开度给定环节不统一，监控系统与调速器各自控制各自的目标值，造成事实上的反复调节，无法完成叠加调节。机组LCU监测到有功实发与有功设定存在差值，会下达开度给定脉冲至调速器，直至监测到有功设定与有功实发差值在阈值内功率闭环调节，这样实际上削弱了一次调频效果。

1)根据水电机组调速器异步运行情况建议开展调速器功率模式投运研究。调速器功率模式跟踪给定功率目标，功率闭环与开度闭环均在调速器侧完成，不存在功率闭环与开度闭环由不同控制系统完成，造成拉锯式调节的问题。功率模式下可实现真正一次调频动作分量与AGC叠加关系，能更为有利的保障电网频率的稳定。

2)目前开度模式下，为解决一次调频与AGC矛盾可考虑在监控系统功率给定值中增加一次调频功率补偿修正值，一次调频动作过程中，新增的一次调频分量叠加到监控侧功率给定上，这样一定程度上不影响一次调频效果，且当频率恢复至50 Hz时，机组功率维持在原始给定值。需要考虑监控侧与调速器侧功率调节速度的匹配性，监控系统反向调节闭锁逻辑，以及水头-开度-功率的非线性等。

4、结语

网频体现了电网负荷与发电机有功功率的平衡关系，是电网运行的重要参数，关系到整个电

网的安全性、稳定性、经济性等众多因素，水电机组具有一次调频功能尤为重要。本文依据国网和南网对一次调频相关技术要求，重点阐述了开度模式下和功率模式下一次调频功能的设计，分析了不同电网机组一次调频与AGC的协调关系，探讨了一次调频与AGC协调控制策略，对水电站、复杂电网环境的一次调频功能设计及优化具有重要意义。

参考文献:

[1]田祚堡,郑涛,周敏.梯级水电站异步联网后一次调频问题的分析[J].水电与新能源,2023,37(4):6-9.

[2]张堃,黄真懿,艾远高.巨型水电机组功率模式一次调频参数选优仿真研究[J].水电与新能源,2021,35(9):17-21.

[3]于远鹏.基于辅助服务下大型水电站一次调频考核分析及解决措施[J].水电与新能源,2019,33(3):35-41.

[4]张新华,王胜军,汪仁强,等.一种水轮机调速器开度控制方法及应用[J].水电能源科学,2024,42(3):181-185.

[5]何胜明,张健,段贵金,等.水轮机调速器不同控制模式对电网超低频振荡影响分析[J].水电能源科学,2023,41(12):195-199.

文章来源:汪林,任刚,高玲,等.异步联网下水电站一次调频功能设计与优化[J].水电与新能源,2024,38(11):56-58+61.