水电机组一次调频理论动作积分电量优化算法

李玺;徐广文;姚泽

【摘 要】水电厂机组辅助服务因一次调频积分电量不达标被考核的情况经常发生.为此,从一次调频理论动作积分电量计算方法的角度出发,分析了目前所使用算法的缺陷,提出了一种优化算法.该算法借助数学建模方法仿真机组功率的动态响应过程,根据模拟功率曲线来计算理论动作积分电量.通过实际算例将该算法与现行算法进行比较,结果表明该优化算法的计算结果更准确,计算过程及计算依据更合理. 【期刊名称】《广东电力》 【年(卷),期】2018(031)010 【总页数】5页(P162-166)

【关键词】水电厂;一次调频;辅助服务考核;积分电量;模型算法 【作 者】李玺;徐广文;姚泽

【作者单位】广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080 【正文语种】中 文 【中图分类】TV734.4

发电机组一次调频功能可以有效抑制大负荷扰动造成的频率波动[1]。一次调频服务作为并网机组的基本辅助服务之一，是电网要求电厂必须提供的服务。若电厂因

自身原因不能提供一次调频服务或提供的一次调频服务不达标就会被考核，根据考核结果相应地扣减电厂发电量，最终影响其经济效益。在电网对并网机组辅助服务实行考核机制后，水电机组一次调频服务经常出现被考核的情况[2-4]。水电机组一次调频被考核的主要因素是积分电量不达标，针对此问题，文献[5-8]分别从机组侧和电网侧考核起始时刻不一致，机组侧和电网侧测频偏差，数据传输延时，速度不等率、调频幅度和调频死区设置的影响，一次调频短时间内频繁动作的影响等方面进行了分析。

目前相关技术要求与考核指标均是以火电机组为基准提出的，与火电机组相比，水电机组由于水击效应以及调速器固有时间常数大等原因，导致频率偏差响应速度偏慢，响应初期还表现出有害的反调现象，同一考核方法在水电机组上明显不适用。本文从考核方法的角度出发，以一次调频理论动作积分电量计算为切入点，研究水电机组一次调频被频繁考核的原因及改善的方法。 1 现行一次调频理论动作积分电量算法

南方电网一次调频积分电量考核方法是在达到考核门槛且不存在免考情况的条件下，记录一次调频开始时间、结束时间、电网频率峰值、理论动作积分电量、实际动作积分电量。其中，一次调频实际动作积分电量与理论动作积分电量的比值小于50%判为不合格。理论积分时间和实际积分时间保持一致，积分开始时间为频率过死区时间，积分结束时间为频率回到死区的时间，最长不超过60 s。理论动作积分电量的计算见式(1)，实际动作积分电量的计算见式(2)。 (1) (2)

式中：Qt为理论动作积分电量，kW·h；Pr为机组额定出力，kW；t为时间，s；

t0为积分起始时间，即频率偏差超过频率死区的时刻，s；Δt为积分开始后的一次调频过程持续时间(最长不超过60 s，超过60 s的以60 s计算)，s；fr为额定频率；Δf为频率偏差；4%为机组的转速不等率(永态转差率)；Qa为实际动作积分电量，kW·h；Pa为机组实际出力，kW；P0为积分起始时间对应的机组出力，kW[9]。

Yc—给定开度；Pc—给定功率；KP—比例增益；KD—微分增益；KI—积分增益；YPID—电子调节器输出；kP—副环PID控制比例增益；kD—副环PID控制微分增益；kI—副环PID控制积分增益；Ty—接力器反应时间常数；Y—接力器行程；Tw—水流惯性时间常数；P—模拟功率输出；s—拉普拉斯算子；bp—永态转差系数；ep—永态差值系数；du—微分速度；dt—微分时间。图2 水电机组仿真系统结构Fig.2 Structure of hydropower generating unit simulation system 其中，频率偏差[10]李玺，等：水电机组一次调频理论动作积分电量优化算法 (3)

式中：fc为给定频率；fg为机组频率；Ef为频率死区。

由式(1)、式(2)可知，实际动作积分电量是根据实际功率-时间关系曲线来计算，而理论动作积分电量是根据频率-时间关系曲线来计算的。理论动作积分电量随频率偏差实时改变，而水电机组调节系统滞后性较强，功率响应相对较慢，且由于水力惯性的原因，在调节初期会出现反调效应，致使相同时间段内实际动作积分电量较理论值偏小。极端情况下，当频率扰动为一阶跃量时，频率-时间关系曲线为一条阶跃线，而实际功率-时间关系曲线为一条曲线，如图1所示。

图1 频率阶跃变化情况下，一次调频理论动作积分电量与实际动作积分电量的对比Fig.1 Comparison of theoretical integral electric quantity and actual integral electric quantity in case of frequency step change

由图1可以看出，t0时刻频率扰动-0.15 Hz，机组频率偏差超出人工频率死区(人工频率死区设置为±0.05 Hz)，经短暂延时一次调频开始动作，由于水力惯性的原因在导叶运动初期出现反调效应，如图1(c)中t0—t1时段，此时机组为反方向出力响应，实际动作积分电量为负值。t1时刻之后，机组出力转为正方向，实际动作积分电量逐渐变为正值。图1(b)中阴影部分为理论动作积分电量，图1(c)中阴影部分为实际动作积分电量，可以看出在计算过程中理论值与实际值误差较大。这说明用频率-时间关系曲线来计算理论动作积分电量是不准确的，这也是造成水电机组一次调频积分电量不达标的原因之一。 2 一次调频理论动作积分电量算法的优化

为使一次调频理论动作积分电量的计算更合理，考虑用模拟功率-时间关系曲线来计算理论值。对比实际动作积分电量的实际功率-时间关系曲线，只要能保证模拟功率与实际功率值在合理的误差范围内，就可使理论动作积分电量的计算更优化，与实际更相符。模拟功率可通过对水电机组进行建模计算得到。 2.1 模拟功率的建模计算

对水电机组调节系统进行建模仿真，选取常规的并联PID控制的电子调节器模型、电液伺服系统模型及水轮机原动机模型[11-15]，模型整体框图如图2所示。 不同电站机组的控制模型不尽相同，但都是以PID调节为基础，可对图2模型参数进行调整，使其能够反映不同机组、不同PID模型的调节过程。将模型图中相应参数设置完毕，给定频率、实际机组频率、给定功率、给定开度作为输入接入模型，可通过计算得到模拟功率输出。

将模型参数按表1设置，模拟机组频率阶跃变化±0.2 Hz，模拟功率输出与实测功率对比如图3所示。其中表1参数为贵州省某水电机组调速系统实测数值。经模拟与实测数据对比，该组参数可真实反映该水电厂机组动态调节过程。 表1 水电机组仿真系统模型参数设置Tab.1 Parameter setting for the

simulation system model of hydropower generating unit

参数数值参数数值ep/bp0.04Tw/s0.95fe0.001kP1.5KP4.0kI/s-10KI/s-12.5kD0KD0Ty/s0.491 2.2 模拟功率的建模计算

选定贵州省某水电机组一次调频试验及现场实测数据，根据频率-时间关系曲线可使用现行算法计算出理论动作积分电量。同时通过模拟频率扰动按图2所示水电机组模型进行有功功率信号的仿真，根据仿真出的有功功率曲线积分计算得出理论动作积分电量的优化计算结果，并与现有方法计算得出的理论动作电量值进行比较，计算结果如图4、图5所示。 (a)机频阶跃变化0.2 Hz

(b)机频阶跃变化-0.2 Hz图3 模拟功率与实测功率对比Fig.3 Comparison of simulation power and actual power

图4 理论动作积分电量与实际动作积分电量对比(现行算法)Fig. 4 Comparison of theoretical integral electric quantity and actual integral electric quantity by using current algorithm

图5 理论动作积分电量与实际动作积分电量对比(优化算法)Fig. 5 Comparison of theoretical integral electric quantity and actual integral electric quantity by using optimized algorithm

图4(a)为电网频率随时间变化曲线，电网频率从初始值50 Hz阶跃至49.8 Hz，超出一次调频死区(±0.05 Hz)，水电机组一次调频开始动作，一次调频动作持续时间为Δt，积分后可得到理论与实际动作积分电量值。图4(b)阴影部分①为现行算法所得的一次调频理论动作积分电量，图4(c)阴影部分②为实际动作积分电量。 图5(a)为电网频率随时间变化曲线，电网频率从初始值50 Hz阶跃至49.8 Hz，超出一次调频死区(±0.05 Hz)，水电机组一次调频开始动作，一次调频动作持续时

间为Δt，积分后可得到理论与实际动作积分电量值。图5(b)中阴影部分③为优化算法所得的一次调频理论动作积分电量，图5(c)中阴影部分④为实际动作积分电量。

根据图4和图5中积分电量的计算结果：实际动作积分电量为241.421 kW·h；采用现行算法的理论动作积分电量为275 kW·h，与实际动作积分电量的偏差为13.91%；采用本文优化算法的理论动作积分电量237.579 kW·h，与实际动作积分电量的偏差为1.59%。可以看出：采用现行算法，按电网频率-时间关系曲线计算出的理论动作积分电量与实际动作积分电量值的偏差较大；基于水轮机原动机模型，仿真出有功功率的理论响应过程曲线，再根据模拟曲线计算出的理论动作积分电量更接近实际动作积分电量值。 3 结束语

本文从一次调频理论动作积分电量计算方法的角度，分析了电网对水电机组一次调频辅助服务考核方法的缺陷，提出了理论动作积分电量的优化算法，可以使水电机组一次调频理论动作积分电量的计算更加准确，使一次调频指标考核更加严谨。 电网目前已广泛采用PSD-BPA电力系统分析软件，软件内有各上网机组相应的模型及通过参数实测及建模试验所获得的建模参数。根据《南方电网同步发电机原动机及调节系统参数测试与建模导则》的规定及相关建模试验审核单位的要求，对机组负载工况动态调节过程的反调峰功率、反调峰时间、调节时间、调节稳定值等的模型仿真值与实测值的偏差允许值均作了严格规定，可为建模法计算理论动作积分电量提供可靠支持。本文所提方法可为电网考核标准的改进和优化提供参考。 参考文献：

项目简介：

申请单位 广东电网有限责任公司电力科学研究院

项目名称 一次调频辅助服务考核错误的诊断与处理技术研究

项目概述 针对电网一次调频辅助服务考核中对水电机组常出现的误考核，开发水电机组一次调频动态特性离线考核评价分析软件，搭建可实时分析积分电量以及贡献率的一次调频测试系统，借助分析软件和测试系统，研究水电机组一次调频辅助服务考核偏差的原因，研究不同情况下水电机组一次调频辅助服务考核偏差的应对措施。

主要创新点 ①开发水电机组一次调频在线监测、积分电量实时计算、一次调频指标实时评价设备。该设备对电厂的一次调频动作及相关参数采用现场就地采集、计算和考核，从现场采集所有的原始数据，使积分电量计量更加精确，考核结果更加准确。此外，当电网系统的考核结果与实际偏差较大时，现场就地考核结果也可作为电厂进行申诉的依据。②搭建功率控制模式下水电机组一次调频精细化仿真模型，开发水电机组一次调频考核平台。利用该平台可处理实际水电厂一次调频各类现场试验数据，分析机组调节性能和一次调频考核指标，研究不同工况下水电机组一次调频动态特性，分析机组调节参数对一次调频性能的影响，研究提高机组一次调频性能方法等，为试验人员分析现场试验数据提供便利，为科研人员优化考核指标提供平台。

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