武汉大学学报(工学版)   2016, Vol. 49 Issue (1): 115-119

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徐广文, 张海丽, 周云飞, 肖志怀
XU Guangwen, ZHANG Haili, ZHOU Yunfei, XIAO Zhihuai
水电机组一次调频机理与误考核研究
Mechanism of hydropower unit primary frequency regulation and cause analysis of mistaken assessment
武汉大学学报(工学版), 2016, 49(1): 115-119
Engineering Journal of Wuhan University, 2016, 49(1): 115-119
http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2016-01-020

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收稿日期: 2015-06-17
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徐广文, 张海丽, 周云飞, 肖志怀. 水电机组一次调频机理与误考核研究[J]. 武汉大学学报(工学版), 2016, 49(1): 115-119.
XU Guangwen, ZHANG Haili, ZHOU Yunfei, XIAO Zhihuai. Mechanism of hydropower unit primary frequency regulation and cause analysis of mistaken assessment[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2016, 49(1): 115-119.
水电机组一次调频机理与误考核研究
徐广文1, 张海丽2, 周云飞3, 肖志怀3     
1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080;
 2. 中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610;
 3. 武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉 430072
收稿日期: 2015-06-17
作者简介: 徐广文(1980-)，男，高级工程师，研究方向为水电机组机网协调，E-mail：hhuxgw@qq.com.
通讯作者: 肖志怀(1968-)，男，博士，副教授，研究方向为水电机组状态监测与故障诊断，E-mail：xiaozhihuai@126.com
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(编号：51379160).
摘要: 针对并网发电机组的辅助服务考核实施以来水电机组一次调频考核频繁出错的情况，借助MATLAB，利用PSD-BPA暂态稳定程序内电力系统分析常用的水电机组原动机及其调节系统模型对电网频率连续两次过一次调频死区的机组出力响应进行了仿真，并依据一次调频考核方法计算了每次的理论与实际动作电量，分析发现这种电网频率扰动下会发生水电机组一次调频考核错误的情况，进一步的仿真和试验表明水电机组前一次一次调频的复归过程会影响后一次的动作响应过程，若后一次动作前电网频率在一次调频死区内的持续时间过短，后一次的机组出力响应会因受前面复归过程的影响而严重偏离理想值，造成实际动作电量在理论值中的占比大幅下降，致使正确的一次调频响应被误判为不合格.
关键词： 水电机组     一次调频     考核     错误     原因.    
Mechanism of hydropower unit primary frequency regulation and cause analysis of mistaken assessment
XU Guangwen1, ZHANG Haili2, ZHOU Yunfei3, XIAO Zhihuai3     
1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China;
 2. China Water Resources Pearl River Planning, Surveying & Designing Co., Ltd., Guangzhou 510610, China;
 3. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China
Abstract: Since the assessment of ancillary services of grid-connected power generation units was carried out, primary frequency regulations of hydropower units were often incorrectly evaluated. In order to find reasons, response of a hydropower unit to twice successive ramps of grid frequency were simulated, using hydraulic turbine regulation system model provided by PSD-BPA with the help of MATLAB, which is commonly used in power system simulation. According to the method of primary frequency regulation assessment, theory and practical action powers were calculated. In this case, assessment of primary frequency regulation could be a mistake. Further simulations and experiences showed that reset of primary frequency regulation would affect later response of primary frequency regulation. If time when grid frequency was in dead zone before next primary frequency regulation was too short, response of unit power would deviate from the ideal condition, because of influence of reset of previous primary frequency regulation, which would cause ratio of actual action power with theoretical action power to decline and correct response of primary frequency to be misidentified as unqualified.
Key words: hydropower unit     primary frequency regulation     assessment     incorrect     cause    

一次调频非常有利于维护电力系统的安全与稳定，已被列入并网发电机组必须提供的基本辅助服务之一[1].若发电机组不能提供符合规范要求的一次调频服务，会在辅助服务考核中被扣减相应比例的发电量，从而影响所属企业的经济效益[2].因此，发电企业纷纷对照调度要求投入了机组的一次调频功能，但在辅助服务考核中，却出现了正确的一次调频动作被错误考核为不合格的情况.

针对水电机组的这类情况，国内已有机构和学者开展了一些研究，分析了速度不等率、调频幅度、调频死区对一次调频的影响，指出频率测量误差、数据传输延时等因素会影响一次调频考核的准确性，并提出了一些针对性的建议[3-10].根据一次调频考核方法，本文通过对电网频率连续两次过一次调频死区的水电机组出力响应的仿真和分析，展现了一种水电机组一次调频考核出错的情况，结合模型仿真和现场试验研究了这种情况发生的原因，以期为调度改进现有水电机组的一次调频考核方法和水电厂提高考核申述成功率提供依据.

1 一次调频原理与考核方法 1.1 一次调频原理

当电力系统频率变化超过规定的不灵敏区，系统中发电机组的调节控制系统自动控制机组有功功率的增加(频率下降时)或减少(频率升高时)，以使电网频率迅速稳定下来，这就是电网的一次调频过程，如图 1所示.

图 1 一次调频过程图 Figure 1 Process of primary frequency regulation
图选项

图 1中点O为系统的原始运行点，为发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点.若在点O运行时负荷突然增加ΔPLO ，即负荷的频率特性突然向上移动ΔPLO，则由于负荷突增时发电机组功率不能及时随之变动，机组将减速，系统频率将下降.而在系统频率下降的同时，发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大，负荷的功率将因它本身的调节效应而减少.前者沿原动机的频率特性向上移动，后者沿负荷的频率特性向下减少，经过一个衰减的振荡过程，抵达新的平衡点，即图中点O′.

除了系统负荷固有的频率调节特性外，发电机组的一次调频具有以下特点:

1) 一次调频由原动机的调速系统实施，对系统频率变化的响应快，电力系统综合的一次调节特性时间常数一般为10～30 s.

2) 一次调频为有差调节，调节结束系统频率无法回复至初始状态.其优点为所有机组的调整只与系统频率有关，机组之间相互影响小.

从一次调频的特点可知，它在频率调节中的作用有以下几点:

1) 自动平衡电力系统负荷快速的、幅值小的随机波动.

2) 是控制系统频率的一种重要方式，但须与二次调频配合才能实现系统频率的无差调整.

3) 对异常情况下的负荷突变，系统频率的一次调节可以起缓冲作用.

1.2 一次调频考核方法

水电机组一次调频的实际动作电量占理论值的百分比是电力调度部门评价其合格与否的标准.若实际动作电量达到理论值的50%，则认定机组一次调频合格，否则不合格.

理论动作电量：

${Q_t} = - {P_r} \times \int_{{t_0}}^{{t_0} + {t_{调节}}} {\left( {{f_t} - {f_r} - {e_f}} \right)dt} /\left( {3600 \times {f_r} \times 5\% } \right)\;$    (1)

式中：Qt为理论动作电量，kW·h；Pr为机组额定出力,kW；t0为积分开始时刻,s;t调节为积分开始后的一次调频持续时间,s(超过1 min以60 s计);ft为电网频率,Hz；fr为电网额定频率，Hz；ef为一次调频死区，Hz.

实际动作电量：

${{Q}_{r}}={\int_{{{t}_{0}}}^{{{t}_{0}}+{{t}_{调节}}}{\left( {{P}_{t}}-{{P}_{0}} \right)}dt}/{3600}\;$    (2)

式中：Qr为实际动作电量，kW·h；Pt为机组出力，kW；P0为积分开始时刻的机组出力，kW;其余同前.

由式(1) 、(2) 知，理论与实际动作电量分别由一次调频动作后的电网频率与机组出力积分获得.一次调频动作后，机组出力受电网频率控制.

2 误考核仿真 2.1 仿真模型

只要机组出力一致，那么一次调频考核的结果就一样.但是，水电机组的一次调频仿真表明：若一次调频连续动作，即使每次动作后的电网频率一致，机组出力响应过程也可能不一致，即考核结果不一定相同.

PSD-BPA暂态稳定程序是目前电力系统普遍采用的仿真分析工具之一.其中，电调类调速器模型中的调节系统模型4(GM卡)和电液伺服系统模型(GA卡)能构成符合实际且仿真精度高的水轮机调速器模型[11].该模型再结合该程序提供的考虑刚性水击的理想水轮机模型(TW卡)，可组成一种能够准确反映机组一次调频响应趋势的水轮机调节系统模型[12]，如图 2.

图 2 水轮机调节系统模型 Figure 2 Model of hydraulic turbine regulation system
图选项

图 2中：fg为频率输入;fc为频率给定;DB1为人工频率死区;KP为调节器比例增益;KI为调节器积分增益;KD为调节器微分增益;T1V为调节器微分环节时间常数;YPIDmax为调节器输出上限;YPIDmin为调节器输出下限;YPID为调节器控制输出;Pref为功率给定;Yref为开度给定;bp为永态转差系数;ITYP为模式选择开关,1为功率模式，2为开度模式;ITYP2为开度模式选择开关,ITYP=2时有效，ITYP=0输入信号为开度Y，ITYP=1时输入信号为YPID;Kp为副环PID控制比例增益;Ki为副环PID控制积分增益;Kd为副环PID控制微分增益;PIDmax为副环PID控制输出上限;PIDmin为副环PID控制输出下限;Ty为接力器反应时间常数;Ymax为接力器行程上限;Ymin为接力器行程下限;Y为接力器行程;Tw为水流惯性时间常数;P为功率输出;S为拉普拉斯算子.

模型参数是仿真的必要条件，可根据实际系统的设备资料查取，或依据相关规程进行试验实测获得，如表 1.

表 1 某水轮机调节系统模型参数 Table 1 Model parameters of a hydro turbine regulating system
符号数值
bp0.041
KP3.333 3
KD/S0
YPIDmax1
ITYP2
Kp6
Kd/S0
PIDmax0.17
Ymax1
Tw2.213
DB10.001 004
KI/S-11.8
T1V0.1
YPIDmin0
ITYP21
Ki/S-10
Ty/S0.784
PIDmin-0.71
Ymin0
表选项
2.1 仿真结果

利用前述模型及参数，假设电网频率从50.00 Hz以0.01 Hz/s的斜率上升至50.10 Hz，维持230 s后以0.02 Hz/s的斜率下降至50.048 Hz，再以0.02 Hz/s的斜率上升至50.10 Hz，维持230 s后以0.02 Hz/s的斜率下降至50.00 Hz，得到的水电机组出力响应过程如图 3所示.

图 3 仿真的电网频率连续两次过一次调频死区后的水电机组出力响应 Figure 3 Simulative hydropower unit response to twice successive ramps of grid frequency
图选项

由图 4可知，两次一次调频动作后的电网频率一致，因此机组两次一次调频动作的理论积分电量一致.与电网频率一致相反，两次一次调频动作后的机组出力响应差别明显，第二次的机组出力起点和调节幅度均小于第一次.很显然，两次实际动作电量肯定不一致，且第二次小.

图 4 两次一次调频动作后的电网频率和机组出力响应的对比 Figure 4 Comparison of grid frequency and unit power response to twice successive primary frequency regulation
图选项

为了确切前述仿真得到的两次一次调频动作的考核结果，依据前述公式，分别计算了两次一次调频的实际、理论动作电量，并根据一次调频的考核方法，对每一次一次调频动作是否合格做出了判断，见表 2.动作电量的理论与实际值的对比与前述判断一致.机组的第一次一次调频动作合格，实际动作电量占理论值中比重大于50%；机组的第二次一次调频动作不合格，实际动作电量占理论值中比重小于50%.

表 2 两次一次调频动作的评价结果 Table 2 Evaluation results of two primary frequency regulations
一次调频动作次序理论动作电量/kW·h实际动作电量/kW·h实际动作电量占理论值比重/%一次调频是否合格
1-14.666-10.83873.899是
2-14.666-2.00013.637否
备注：理论与实际动作电量的负号表示减少发电.
表选项

由此可知，一次调频动作后的电网频率一致，同一机组的一次调频考核结果会因出力响应不一致而出现差异.但是，该考核差异并非该机组一次调频动作特性的真实反映.在前述仿真中，电网频率两次过一次调频死区后的稳定值一致，机组出力响应目标值一致，即两次一次调频动作的最终效果是一致的.因此，机组的第二次一次调频动作被考核为不合格是错误的.

3 误考核原因分析与试验验证 3.1 原因分析

由水电机组一次调频原理知，电网频率回复至一次调频死区内，机组出力将逐渐恢复至初始值，但需要电网频率在一次调频死区内的持续时间超过水电机组一次调频动作的稳定时间(一般为60 s)，如图 5所示.其中,T为电网频率小于一次调频死区后的持续时间.

图 5 水电机组一次调频的复归过程 Figure 5 Reset of primary frequency regulation of hydropower unit
图选项

观察前述一次调频考核出错的情况，机组的第二次一次调频动作紧接着第一次发生，电网频率回到一次调频死区内的持续时间T很短，等于0.2 s.这就造成电网频率第二次超过一次调频死区时，机组的第一次一次调频动作还未复归完成，造成机组一次调频第二次动作时机组出力非稳定值，而是第一次一次调频复归的过渡值，趋向一次调频动作稳定的过程也受其影响，这也是第二次一次调频的实际动作电量较第一次小的原因所在.

图 5中持续时间T对电网频率第二次过一次调频过死区后的机组出力响应过程及实际动作电量的影响如图 6所示.若持续时间T趋近无穷大，则电网频率第二次过一次调频过死区后的机组出力响应过程及实际动作电量与第一次一样，即机组的第一次一次调频复归已经结束，不会对第二次一次调频动作造成影响.随着持续时间T的减小，电网频率第二次过一次调频过死区后的机组出力响应过程越来越偏离理想状态，随之实际动作电量越来越小.

图 6 仿真的电网频率回至一次调频死区内持续不同时间后的机组一次调频动作响应对比 Figure 6 Comparison of different responses of second primary frequency regulation according to durations
图选项
3.2 试验验证

将信号发生器模拟的三次过一次调频死区的电网频率送入实际水电机组的调速器，获得图 7所示的机组出力响应.其中，模拟电网频率第一次回复到一次调频死区内持续的时间比第二次的长，相应的机组第二次一次调频动作后的机组出力响应比第三次更接近第一次，与仿真结果一致.因此，可以判定水电机组一次调频动作后的出力响应会受到前一次的影响，影响程度的大小取决于前一次动作复归后的持续时间.若该时间太短，会造成水电机组正确的一次调频动作被错误考核为不合格.

图 7 实测的电网频率回至一次调频死区内持续不同时间后的机组一次调频动作响应 Figure 7 Measured responses of primary frequency regulations according to different durations
图选项
4 结论及建议

1) 即使水电机组的一次调频功能正常，响应特性符合规范要求，其一次调频动作后的机组出力响应也不一定是理想状态，据其积分得到的实际动作电量亦会偏离实际，若偏差太大则可能造成一次调频考核的错误.

2) 若水电机组的一次调频频繁动作，前一次动作的复归过程会影响后一次的动作响应过程，影响程度取决于后一次动作前电网频率在一次调频死区内的持续时间.若该持续时间太短，后一次的机组出力响应会因受前面复归过程的影响而严重偏离理想值，造成实际动作电量在理论值中的占比大幅下降，使得正确的一次调频响应被误判为不合格.

3) 实际的电网频率扰动不会和前述数值模拟与现场试验中的完全一致，但是造成和前述数值模拟与现场试验中对一次调频考核同样影响的电网频率扰动是可能存在的.

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