水輪機調速器和電網一次調頻華中科技大學魏守平水輪機調速器和電網一次調頻1.水輪機調節系統2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（LFC）特性3.水輪機調節系統一次調頻靜態特性4.水輪發電機組功率增量Δp與電網頻率偏差Δf之間的動態特性特性5.水輪發電機組并入電網運行的原理框圖6.一次調頻仿真框圖及仿真7.基本結論水輪機調速器和電網一次調頻1.水輪機調節系統水輪機調節系統的結構如圖所示。其工作過程為：測量元件把機組轉速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，經放大校正元件控制執行機構，執行機構操縱水輪機導水機構和槳葉機構，同時經反饋元件送回反饋信號至信號綜合點。水輪機調速器和電網一次調頻1.水輪機調節系統微機調速器自動調節部分框圖水輪機調速器和電網一次調頻1.水輪機調節系統PID結構圖(1)

PID器結構圖(2)水輪機調速器和電網一次調頻2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（LFC）特性

電網的一次調頻是針對偏離了系統額定頻率（50HZ）的頻率偏差，按永態轉差系數（調差系數）對機組進行功率控制。它是將電網（機組）頻率（轉速）信號送入調速器的“頻率（轉速）輸入”端口，頻率（轉速）給定值與其比較形成頻率（轉速）偏差，水輪機調速器根據這個偏差信號而進行調節實現的，它將頻差變換為與成反比的機組頻差調節功率。由于水輪機調節系統都有設定的速度變動率(功率永態差值系數)，它決定了這是一個有差調節，因而由各機組調節系統共同完成的一次調頻，不可能完全彌補電網的功率差值，從而也不可能使電網頻率恢復到額定頻率（50Hz）附近的一個允許范圍內。

水輪機調速器和電網一次調頻2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（LFC）特性調速器傳遞函數方塊圖水輪機調速器和電網一次調頻2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（LFC）特性為了進行電網負荷頻率控制（LFC），使電網的功率差值得以彌補，從而使電網頻率得以恢復，則必須采用電網的二次調頻。其主要作用是：控制參加電網負荷頻率控制的機組的目標功率值Pc；根據電網功率差值和頻率偏差，計算出機組的新的目標功率值，送至水輪機調節系統系統的“目標功率輸入”端口，使水輪機調節系統系統實現對新目標功率值的調節。當二次調頻作用使電網實現了新的功率平衡、電網頻率恢復到正常值時，水輪發電機組實際上是在新的目標功率值Pc確定的靜態工作點運行。水輪機調節系統一次/二次調頻功能框圖見圖1。水輪機調速器和電網一次調頻2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（LFC）特性圖1水輪機調節系統一次/二次調頻頻率(轉速)－信號Fg+頻率死區頻率(轉速)設定值fc機組目標功率+Pc

－

機組實際功率PID調節機組頻率(轉速)功率NT

水輪機調速器和電網一次調頻2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（LFC）特性圖2以靜態特性的形式表示了水輪機調節系統的一次和二次調頻特性。（圖中未考慮電網負荷頻率特性（負荷頻率自調節系數））：水輪機調速器和電網一次調頻2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（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)永態差值系數）：；電網發生功率缺額，折算到討論的機組：功率缺額：p3-p1；2).一次調頻作用電網功率缺額，引起電網頻率降低，如果不進行調節，則按靜特性曲線①pc1，頻率應降至，各機組根據頻率偏差進行一次調頻，討論的機組增發了功率p2-p1，電網頻率為f2（靜特性曲線①上B點）。即討論的機組與電網其它機組一起進行了一次調頻，但電網頻率為，不可能恢復到擾動前的f1。水輪機調速器和電網一次調頻2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（LFC）特性3).二次調頻作用若電網二次調頻將討論的機組的目標功率由pc1修正為pc2，則機組調速系統靜特性由特性曲線①pc1變為特性曲線②pc2。最后的調節結果為特性曲線②上C點：機組目標功率：pc2；機組實際功率：p3；機組頻率：f1；速度變動率（(功率)永態差值系數）：ep；電網的功率缺額得以補償，系統頻率也恢復到擾動前的數值f1。

水輪機調速器和電網一次調頻2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（LFC）特性綜上所述，電網在負荷擾動后，電網頻率產生相對于頻率（轉速）給定的偏差，各機組的調速系統根據頻率偏差Δf和（功率）調差系數ep進行一次調頻，在較快的時間（8″~15″）內彌補了系統部分功率差值pc；在一次調頻的基礎上，電網自動發電控制（AGC，二次調頻），修正相關機組的目標功率值，通過調速系統的PID調節（靜態主要依靠積分調節），最終可實現電網功率平衡和頻率的恢復。水輪機調速器和電網一次調頻2.水輪機調節系統的負荷頻率控制（LFC）特性電網一次調頻對水輪機調節系統的主要技術要求1).并網發電機組均應參與電網一次調頻；2).（功率）永態轉差系數（火電機組調速系統稱速度變動率）ep=4%~5%(DL/T1040-2007電網運行準則(TheGridOperationcode)規定：ep≤3%)；3).頻率（轉速）死區Ef=±0.033Hz(DL/T1040-2007電網運行準則(TheGridOperationcode)規定：在0.05Hz以內)；4).響應特性：電網頻率變化超過一次調頻頻率死區時，機組應在15秒內響應機組目標功率，在45秒內機組實際功率與目標功率的功率偏差的平均值應在其額定功率的3%內；穩定時間應小于1min；5).負荷變化幅度限制：水電機組參與一次調頻的負荷變化幅度，不加限制。一次調頻功能為必備功能，不得由運行人員切除；不得在開度限制工況下運行。水輪機調速器和電網一次調頻3.水輪機調節系統一次調頻靜態特性1).水輪機調節系統開環靜特性機組并入電網運行(并聯運行paralleloperation-幾臺機組同時向電網供電的運行方式)。分析一次調頻特性時，認為二次調頻不起作用，即取功率給定恒定。水輪機調節系統開環靜特性（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—對應于頻率偏差（相對量）的機組功率增量（相對量）；Fn—電網頻率[Hz]；fn—電網頻率相對值，；Ef—水輪機控制系統頻率（轉速）死區（絕對量，Hz），（50-Fn）為+，為+；（50-Fn）為負，Ef為-；—水輪機控制系統頻率（轉速）死區（相對量），；ep—水輪機調節系統（功率）調差系數（速度變動率）； ΔP—對應于頻率偏差Δf（）[Hz]的機組功率增量[MW]；P—機組額定功率[MW]。式中的負號，表示頻率偏差與功率偏差方向相反。水輪機調速器和電網一次調頻3.水輪機調節系統一次調頻靜態特性2).水輪機調節系統閉環靜特性所謂水輪機調節系統的閉環靜特性，是指：機組帶孤立負荷(孤立運行isolatedoperation-電網中只有一臺或相當于一臺機組供電的運行方式)，水輪機調節系統閉環時，機組頻率對負荷擾動的靜態特性。基本方程：機組在穩定工況（靜態）工作時，水輪機調節系統PID控制器的積分調節輸入端，必需為零，即必需滿足下式：水輪機調速器和電網一次調頻3.水輪機調節系統一次調頻靜態特性2).水輪機調節系統閉環靜特性機組輸入功率(Δp-ΔpL)與機組頻率偏差(Δf)的靜態關系為：式中：ΔpL—負荷擾動相對值；Δp—在負荷擾動下的機組功率變化值；Δf

——在負荷擾動ΔpL下的機組頻率變化值；ef—頻率死區相對值；ep—（功率）調差系數（速度變動率）；en— 機組、負荷頻率特性系數（自調節系數）；水輪機調速器和電網一次調頻4.水輪發電機組功率增量Δp與電網頻率偏差Δf之間的動態特性特性水輪機調速器和電網一次調頻4.水輪發電機組功率增量Δp與電網頻率偏差Δf之間的動態特性特性(1).由圖2易得Δf至Δp的增量傳遞函數為：(2).這是一個一階慣性環節的傳遞函數，其時間常數是。當輸入Δf為階躍輸入時，功率增量Δp的響應為：

曲線是一個指數變化規律，Δp(t)達到0.97的時間約為

水輪機調速器和電網一次調頻4.水輪發電機組功率增量Δp與電網頻率偏差Δf之間的動態特性特性(3).積分調節(KI)得到的功率增量ΔpKI的穩定值(也是最后的穩定值Δp)為(參見式(5))：(4).若要滿足”在45秒內機組實際功率與目標功率的功率偏差的平均值應在其額定功率的3%內”的要求，僅僅依靠積分作用，則要求3.505倍的時間常數小于45s()。在微機調節器的比例調節(KP)作用下在電網頻率偏差Δf，依靠比例增益KP得到的機組功率增量為常數：水輪機調速器和電網一次調頻4.水輪發電機組功率增量Δp與電網頻率偏差Δf之間的動態特性特性在微機調節器的比例調節(KP)和積分調節(KI)的共同作用下水輪機調速器和電網一次調頻4.水輪發電機組功率增量Δp與電網頻率偏差Δf之間的動態特性特性數字實例(1).ep=0.05，KP=10，KI=1.6(1/s)(對應的暫態轉速差值系數bt=0.1,緩沖時間常數Td=5.55s)(2).45s時,機組實際功率與目標功率的功率偏差為2.73%，小于要求的3%。水輪機調速器和電網一次調頻5).根據以上的分析可以得出下列結論：(1).電網一次調頻工況下，影響機組實際功率響應特性的參數是微機調速器的積分增益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，微機調速器比例積分(PI)調節的比例增益KP和積分增益KI推薦值為：由于電網一次調頻的動態過程是一個較慢速的過程，機組慣性時間常數Ta、水流時間常數Tw、電網自調節系數en、接力器最短開機和關機時間Ts等參數，對于電網一次調頻的動態過程沒有實質性的影響。

水輪機調速器和電網一次調頻5.水輪發電機組并入電網運行的原理框圖水輪發電機組并入電網運行的原理框圖水輪發電機組并入電網開環運行及仿真的原理框圖

水輪機調速器和電網一次調頻5.水輪發電機組并入電網運行的原理框圖在電站現場檢驗水輪機調節系統是否滿足電網一次調頻的技術要求，可以采用2種試驗方法：(1).閉環近似試驗法水輪機控制系統系統正常運行，選擇電網頻率相對穩定的運行時段(例如在半夜零時以后)，認為試驗時電網頻率基本穩定、不隨試驗機組的出力變化而變化；階躍變化微機調速器的頻率給定fc，錄制機組有功功率變化曲線(波形)，根據實測波形檢驗水輪機調節系統是否滿足電網一次調頻的技術要求。這種試驗方法安全可靠，但是，試驗中的電網頻率變化將影響試驗結果。(2).開環試驗法在做好安全措施的前提下，切斷微機調速器的頻率測量信號，使水輪機調節系統在開環狀態運行；階躍變化微機調速器的頻率給定fc，錄制機組有功功率變化曲線(波形)，根據實測波形檢驗水輪機調節系統是否滿足電網一次調頻的技術要求。這種試驗方法不受電網頻率變化的影響，能得到準確的試驗結果；但是，試驗存在一定的事故隱患。水輪機調速器和電網一次調頻6.一次調頻仿真框圖及仿真水輪機調速器和電網一次調頻6.一次調頻仿真框圖及仿真1).仿真基本參數ep=0.05，KP=10，KI=1.6(1/s)(對應的暫態轉速差值系數bt=0.1，緩沖時間常數Td=5.55s)，頻率給定階躍(相對值為0.004)，頻率死區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)，穩定后的功率增量等于功率增量的積分分量ΔpKI：：比例作用產生的功率增量DpKP為：其動態特性表達式為：在以下的仿真中采用下列基本參數：速度變動率(功率轉速差值系數)：ep=0.05；水流時間常數：Tw=2.1s；機組及負荷慣性時間常數：Ta=8.43s；負荷自調節系數：en=1.0；接力器響應時間常數：Ty=0.1s；接力器最短開啟和關閉時間Ts=10s；水輪機調速器和電網一次調頻6.一次調頻仿真框圖及仿真積分增益KI取值對于電網一次調頻的動態過程影響的仿真

水輪機調速器和電網一次調頻6.一次調頻仿真框圖及仿真積分增益KI取值對于電網一次調頻的動態過程影響的仿真①.曲線2滿足公式，其一次調頻動態過程滿足電網對于一次調頻的動態性能要求；②.積分增益KI愈大，一次調頻動態過程中的機組功率趨近穩定值的速度愈快，但是，如果選擇過小的積分增益KI將對電網的動態穩定不利；③.動態過程初期的反向調節，是由引水系統的水擊(水錘)效應(水流時間常數TW)引起的；比例作用(KP)作用的近似反映在圖中+0.017與水擊效應引起的-0.017之差，即：

水輪機調速器和電網一次調頻6.一次調頻仿真框圖及仿真比例增益KP取值對于電網一次調頻的動態過程影響的仿真水輪機調速器和電網一次調頻6.一次調頻仿真框圖及仿真比例增益KP取值對于電網一次調頻的動態過程影響的仿真(1).曲線1、2和3均滿足要求，其一次調頻動態過程滿足電網對于一次調頻的動態性能要求；(2).比例增益KP愈大，一次調頻動態過程中的機組功率趨近穩定值的速度愈快，但是3條動態波形相差不大，起主要作用的仍然是積分增益KI；(3).動態過程初期的反向調節，是由引水系統的水擊(水錘)效應(水流時間常數TW)引起的；比例作用(KP)作用的近似反映在圖中+0.017與水擊效應引起的-0.017之差，即：

水輪機調速器和電網一次調頻7.基本結論經過大量的水電站現場試驗和仿真研究，可以得到下列結論：（1）.