摘要：根据南方电网的要求，在云南某水电站700MW机组上实现功率闭环模式下的一次调频功能，并通过调速器系统的静态模拟和动态试验，验证功率闭环下的一次调频的可靠性和速度性。
关键词：功率闭环 一次调频 PID 功率叠加 AGC
1.一次调频概述
电网运行过程中，受外界负荷变动影响，电网频率会发生变化，这时作为承担调频、调峰主要任务的水轮发电机组，在调速器的控制下，根据调速器系统自身的“负荷-频率”改变各机组所带的负荷，使之与外界负荷相平衡。这个过程是发电机组自动减弱电网频率的变化过程，称之为一次调频。所谓“一次”，就是调速器第一时间检测到频率变化并快速响应，所以称为“一次”。
2.功率闭环负荷扰动控制原理
对应负荷扰动是功率闭环模式下一次调频的核心试验，该项试验的目的：选取合适的功率闭环PID参数，前馈系数，增量限制，使其满足基本的功率调节要求，满足南网要求。
PID调节的输出大小和输入的偏差息息相关（也和PID参数相关），在参数不变的情况下，输入量越小，速度性越慢。比如功率偏差达到一定数值，速度就会减慢。如果不改变PID参数，加大副环参数，速度性满足小调节，但在大调节时会有超调现象，也会降低调速器系统的稳定性。此外，PID原理结构不能变（变了，就得重新组建模型），变参数控制相对复杂。为此，南瑞在功率闭环控制环节采用了前馈控制，如图1。
图1 PID功率闭环控制原理框图
从图中分析：首先监控下发的模拟量功率给定下发到2处，设变量名称为Power_Give，该数值Power_Give并不是立即和功率反馈（Power_Fdbk）做差，形成Dif_Power，送入PID环节结算，而是将Power_Give以斜坡给定的形式送入到中间变量Power_Give_Temp，该值逐渐逼近给定数值Power_Give。Dif_Power=Power_Give_Temp- Power_Fdbk，由此可见送入PID计算的功率偏差也是渐变的，这样有利于过程控制。同时，对Dif_Power做一个幅度限制，幅值为额定功率的±7.5%，这种限制有利于大功率偏差的速度和超调性控制。
为了满足小功率偏差的速度调节要求，南瑞采用了前馈控制。其实质是一个预调节，不经过PID计算的调节，这样可以加大初始调节（调节的时间有限）的启动速度，且不影响大功率偏差的本质调节过程。实现方法是：Power_Give_Dif（Power_Give-Power_Give_Temp）的差值乘以前馈系数Kp3（某电站2#系数为1.1，内部码值为11000），获得的数值，直接累加给导叶给定，作用于导叶副环控制环节。
举例说明，假设初始功率为50%，上位机下发52.5%的功率（约2万的功率偏差；2.5%的功率，内部码值为500），这样直接功率给定在1秒钟内渐变到52%，同时在这1秒钟内，前馈的作用就非常明显，初始的瞬间（第一个扫描周期）累计量为：（Power_Give_Dif）*Pgv_K/20000）=500*11000/20000=275，该码值对应1.375%。根据该电站试验可知，开度变化对应的功率变化还是非常明显的。实际功率闭环的调节，效果也是非常理想的。
3.静态下一次调频功能及其功率调节叠加验证
在模拟机组发电情况下，模拟测试功率闭环模式下的一次调频功能。条件：功率闭环投入、一次调频投入。改变机频，观察并记录调节过程和调节量等。记录见图2：
图2 2#静态下一次调频试验及与AGC叠加扰动
试验结果：从图中可知，一次调频调节符合功率闭环下要求的频差与功率的调差关系，且该偏差不会被稳态下的功率调节（调速器自身的功率调节）所拉回。在一次调频动作未复归时，功率给定发生变化，调速亦会响应AGC的功率调节，并且最终的功率反馈是功率闭环的功率调节与一次调频调节的叠加结果。当一次调频复归后，功率反馈与功率给定一致。静态下满足南网要求的一次调频及一次调频与AGC配合的叠加要求。
4.动态下功率闭环负荷扰动试验
根据试验大纲，多次进行有针对性的20MW负荷的功率扰动，最终选定一组完全满足指标的参数。图3为功率给定偏差为20 MW（下扰动）的负荷调节的前后对比。
图3-1 2#机功率扰动前录波数据
从图中可知，扰动前功率负荷为649.91MW，对应时刻为94.16s。
图3-2 2#机功率扰动后录波数据
从图中可知，扰动后功率负荷为622.69MW，对应时刻为98.98s。
从图3分析，功率变动实际偏差为27.22 MW，对应的斜率为27.22 MW/（98.98-94.16）s=5.6MW/s。由此可见，指标满足指标大于3.5MW/s的要求。且从曲线分析，超调量也很小。
同样的参数，进行功率上扰动试验。为功率给定偏差为20 MW（上扰动）的负荷调节的前后对比。
扰动前功率负荷为623.78MW，对应时刻为152.63s。
扰动后功率负荷为649.91MW，对应时刻为157.97s。
分析，功率变动实际偏差为26.13 MW，对应的斜率为4.9MW/s。由此可见，指标满足指标大于3.5MW/s的要求。且从曲线分析，超调量也很小。
大功率偏差，PID计算的基数大，导叶速度非常快，自然满足南网要求。尤其在30MW-50MW负荷偏差之内，由于导叶迅速动作（2.5%/s），水轮机特性会产生很大的反调节。反调节过程占总的调整时间过大，如果把这段时间列入计算，平均速度不一定满足20MW/s的速度要求。但，越过反调节过程时间，能满足2.5%/s的速度要求。
5.动态下一次调频及其与AGC配合试验
关于功率闭环下一次调频，核心校验的是一次调频的死区、功率跟随频差的变动关系、速度性和稳定性。下图为功率闭环下动态调节过程，响应迅速、无超调和稳定性。
机组在动态试验时，一次调频和AGC配合的逻辑关系是正确，满足南网要求。
6.试验结论
调速器功率闭环有自身的优势，云南某电站为此做了大量的工作。各方面工作已经做到非常完善，功率闭环可以满足正常运行工作。这必将对一次调频性能，功率调节速度，发电机组带功都非常有利。
作者简介： 周鑫（1984-），男，云南昆明，硕士，工程师，从事电能质量和机网协调工作。E-mail：zhouxin8421@126.com
论文作者:周鑫1,冯源1,刘奔2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第13期
论文发表时间:2018/7/11
标签：功率论文; 闭环论文; 调速器论文; 偏差论文; 负荷论文; 速度论文; 机组论文; 《基层建设》2018年第13期论文;