福建电网水、火电机组一次调频功能仿真分析

福建电网水、火电机组一次调频功能仿真分析

林静怀

（福建电力调度通信中心，福建省 福州市350003）

摘要：福建华东联络线进入CPS 考核，福建电网开展了机组一次调频功能仿真分析。本文主要就福建电网水、火电机组一次调频功能模块仿真建模、系统结构图和结果进行分析，并对机组一次调频功能存在问题整改提出建议，从而保证福建电网机组一次调频功能的充分发挥。

关键词：福建电网，一次调频功能，仿真分析

1 引言

随着福建华东电网的联网，福建电网的稳定性、频率指标得到很大的提高，确保高质量的电力供应。在福建电网独立网时，由于频率变化较快，电网的频率主要由AGC进行控制而电网机组的一次调频的功能基本处于退出或解除状态，使一次调频功能不能充分发挥作用，极大的浪费恢复电网频率重要资源。为了进一步加强电网机组一次调频功能管理、科学分析、同步化及规范化的管理，协同华东其他三省一市电网机组一次调频作用迅速恢复电网频率，共同增强电网抗事故能力。福建电网进行了全网电液调节机组一次调频功能仿真分析，对全网电液调节机组一次调频功能参数进行合理的调整，使机组一次调频功能充分发挥作用，提高电网负荷变化使的频率响应能力，同时使一次调频和AGC功能得到合理协调，进一步发挥CPS 考核标准对系统频率恢复作用，确保电网的安全、稳定、经济运行。

2 机组一次调频功能仿真模型建立

2.1机组一次调频功能模块

2.1.1水电机组一次调频功能模块

1）调速器PID 调节模块

0.281()0||pid d i p in in p c c f f f f f y k S k k y S S

y f e p p f f f f e f f e f e f e f e ?=++?+??′=?+????=??

???

.................................... (1) 1d n p t d I t d n d t T T K b T K b T T K b ?+=???=???=?? (2)

式中：pid y －微机计算接力器开度；in y －输入信号；

c p －机组功率给定值；p －机组实际功率；

c f －机组频率给定值；f

—机组频率；p e —永态转差系数； t b — 暂态转差系数，0～1.0；d T —缓冲时间常数，2～20s；

n T —加速度时间常数，0～2s；p K —比例增益，0.5～20；

i K —积分增益，1/0.05～10s；d K —微分增益，0～5s；

2）机械液压系统模块

11pid y y

y T S =+ …………………………………………………(3) 式中：y T —接力器响应时间常数，0.05s～0.2s；

在机械液压系统中还要考虑接力器关闭时间s T 和两段关闭特性，s T 是接力器从100%开度关闭至0%开度的最短时间，它限制接力器的关闭速度，根据调节保证计算，一般s T =3s～15s。

3）引水系统和水轮机模块

110.5w pid w yT S p

y yT S

?=+ ………………………………………………(4) 式中：w T —水流惯性时间常数，0.5s～4s；

y —接力器导叶开度，仿真时取，0.5；

4）发电机及负荷模块

1a n

f p T s e =+………………………………………………………(5) 式中：f —机组频率；

p —机组输入功率差值；

a T —机组（负荷）动态频率特性时间常数，6s～12s；

n e —机组（负荷）静态频率自调节（特性）系数，0.5～2.0；

2.1.2火电机组一次调频功能模块

1）频差及目标功率差模块

f f f c ?=? (6)

??????≤+≥?<=′f f f

f f f f f e f e e e e f f ??????||0………………………………………(7) p

f e f N ′?=? ...............................................................(8) f c c N p p ??+= (9)

2) 汽轮机及负荷模块

n

a e S T N f +=1……………………………………………………(11) 3) 调门执行机构模块

1

1+=S T y q s ………………………………………………………(12) 式中：q —蒸汽流量；

y —调门输入；

s T —调门最短开启/关闭时间；

4) 汽包模块

S

T q p B 1=??…………………………………………………………(13) 式中：p ?—蒸汽压力；

q ?— 汽包流量； B T —汽包容积时间常数；

5) 燃料控制模块 S f e s T x x τ?+=1

113 (滞后、惯性环节) …………………………………………(14) 式中：3x —燃料作用输出；

1x —燃料作用输入；

τ— 纯滞后时间；

f T —惯性时间常数；

6) 机组给定功率爬坡速率模块

斜率限制:±(0.01～0.02)/60s,即1分钟功率增长（减少）速率为额定功率的1%～2%，仿真中取为±0.01；

2.2 机组一次调频功能仿真系统结构图

按照机组一次调频的功能模块，水火电机组的一次调频功能仿真系统结构主要包括：频

率调节控制、功率设定控制、动力输出系统、发电机（转子）四个模块及仿真数据输出接口模块和人工切换开关(Manual Switch)K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8。如图 1、2所示：

其中，频率调节控制模块模拟机组实现一次调频有功需求的功能；功率设定控制模块模拟机

图1 水电机组一次调频仿真系统结构图

组功率控制指令操作的功能；动力输出系统模块模拟机组根据一次调频需求和功率指令输出有功功率的功能；发电机模块模拟电网和机组对有功和频率的转换功能。以上四个标准模块

对于不同电厂（站）的内部实现是可以不相同的。而其它部分实现仿真数据输出接口，用于对仿真数据的处理。

3 机组一次调频功能仿真试验及分析

3.1 机组一次功能开环、闭环试验方法

福建电网对全网具有数字电液调速系统(DEH：Digital Electric Hydrodynamic Control System)的一次调频功能的机组进行模拟开环、闭环试验。试验方法：通过人工改变机组的给定转速，使机组与电网产生一定的频率偏差 f f f s ?=?，机组调速系统根据频率差f ?和速度变动率δ，通过机组一次调频的执行机构(水电机组调速系统的频率调节部分；火电机组DEH 和DCS 的频率调节部分)调节机组功率t N ，使电网频率f 恢复到一定的数值,测试机组在规定时间内最大的机组功率增量即机组一次调频的能力大小。通过开环试验所得的试验曲线进行校正一次调频所建的模型是否正确，利用验证过的一次调频模型进行闭环试验，仿真测试机组一次调频的动作的动态过程及机组一次调频的调节品质，分析机组一次调频参数设置的正确性等。下面以棉花滩水电机组、湄洲湾火电机组为例对福建电网机组一次调频功能的

开环、闭环进行仿真分析。

图2 火电机组一次调频仿真系统结构图

3.2 水电机组一次功能开环、闭环试验仿真结果

3.2.1棉花滩机组一次调频仿真试验参数

p e =4%，t b =0.2，d T =4.0s，n T =0，s T =10.2s，w T =1.385s，d T =8.114s，n e =1.0， 频率扰动：0.01 (0.5Hz) 频率死区：f e =0.00066(0.033Hz)

3.2.2棉花滩机组一次调频模拟试验及仿真结果分析

1)一次调频开环试验计算及仿真结果

a）+0.5Hz（相对量+0.01）频率给定值扰动下的机组功率增量 公式计算值：相对量 2335.004.000066.001.0=?=

p ?； 绝对量 0.233515035r P p p MW MW ?=??=×=；

仿真结果：2335.0=p ?；

b）至目标功率值95%（0.2335×0.95=0.2218）的时间95t ≈50s；

c）动态过程为基本单调趋近目标功率值的特性,与棉花滩#1机组同条件下的现场开环试验曲线一致，证实了仿真模型的正确；

d）由于水流时间常数w T 的影响（水锤效应）

，动态过程0s～1.5s 有机组功率反调节特性，最大幅值为－0.06，为目标功率值的－32%，但1.5s 以后，机组功率增长迅速，且有+0.045的超调节。

图3 棉花滩机组一次调频试验（闭环）仿真曲线

2)一次调频闭环试验仿真结果

a） 调节功率值：p ?=0.04744；

b） 调节频率值：f ?=-0.00256；

c） 计算调节目标功率值（5）：p ?=0.04744；

d） 计算调节目标频率值（5）：f ?=-0.00256；

e） 首次到达95%目标功率值（0.95p=0.0451）的时间95t ≈2.15s；首次到达目标功率值

的时间，100t ≈2.2s；

f） 动态过程中功率超调峰值m p 为0.052（m t ≈4.5s）

； g） 机组功率进入目标功率p 的±3%区域中的时间（稳定时间）t =8.6s；

h） 机组频率调节稳定时间f t =14s；

通过棉花滩＃1机组的闭环仿真曲线与计算调节的目标值相比较表明，棉花滩＃1机组的一次调频功能性能响应时间、响应的目标值、稳定时间均属优良的性能。这在福建电网一次调频全网联调试验中得到了验证

3.3 火电机组一次功能开环、闭环试验仿真结果

3.3.1湄洲湾机组一次调频仿真试验参数

p e =0.05，转速给定扰动值，c n ?=+10r/min(+0.167Hz,相对量+0.0033)，转速死区

f e =±2r/min(±0.033Hz，相对量±0.00066)

3.3.2湄洲湾机组一次调频模拟试验及仿真结果分析

1)一次调频开环试验计算及仿真结果

a）+10r/min（相对量+0.0033）转速给定值扰动下的机组功率增量。 公式计算值：相对量： 0.00330.000660.05280.05

N ??== 仿真结果： 0.0528N ?=

b）至目标功率值95%(0.0528×0.95=0.05016)的时间t 95≈180s

c）机组功率增长呈较典型的指数规律形式，过程初期的机组功率增长速率比乎能机组明显要慢。与湄洲湾#1机组同条件下的现场开环试验录波曲线基本一致，证实了仿真模型的正确性；

图4 湄洲湾机组一次调频试验（闭环）仿真曲线

2)一次调频闭环试验计算及仿真结果

仿真时机组转速（频率）信号接入，转速给定信号恒定，在负荷端引入0.05的阶跃扰动。

?=0.047

a）计算调节目标功率值：p

b）计算调节目标频率值：f?=-0.003

?=0.047

c）调节功率值：p

d）调节频率值：f?=-0.003

e）机组功率调节目标值：N=0.04699

t=11.4s，f）机组功率首次到达机组功率目标值95%(0.95×0.04699=0.04464)的时间

95

t=12.5s。

首次到达目标功率值的时间

100

t=20s)。

g）机组功率动态过程呈明显振荡衰减特性，最大超调功率值N m为0.074(

m h）机组功率进入目标功率N的±3%区域中的时间（稳定时间）t=150s。

i）蒸汽压力最大下降值为-0.012Mpa，至600s尚未恢复。

通过机组一次调频功能闭环仿真试验曲线及数据表明，湄洲湾＃1机组一次调频功能存在滞后并存在一定的振荡。后在仿真分析的基础上，通过对机组的DCS控制参数进行了优化，减少机组的惯性环节的时间常数，适当加速机组的煤、锅炉、燃料等系统反应，从而既提高了机组的一次调频功能又保证优化了机组的协联控制。

3.4机组一次调频功能存在问题分析及整改建议

3.4.1发电机组的转速表指示不准

一次调频功能启动所依赖的触发信号并不直接是电网的频率，而是发电机组自身的转速。所以如果在电网周波与发电机组自身的转速不对应时，一次调频功能就不会准确地动作。建议应由省调负责，选择合适的时机，在电网周波在50Hz时将所有机组的转速表校准到标准转速3000rpm。并对网频变化对应的发电机转速变化进行校验，确保在电网需要时，机组的一次调频功能能够顺利、准确地启动。

3.4.2参数设置不合理

1)机组频率死区

当电网中机组的一次调频死区设置太小，在网频发生较小的波动时，机组就启动一次调频功能，必然造成机组一次调频功能频繁动作，导叶或汽轮机的调门频繁动作，势必对机组的安全造成威胁。当电网中机组的一次调频死区设置太大，在发生大容量机组跳闸等异常情况导致电网周波发生较大变化时，机组一次调频功能启动迟缓，既不能及时稳定电网周波，且一次动作量太大，不利于机组的安全运行。所以选择合理的参数配置既能稳定电网周波，又能使发电机组安全运行，也就是在保电网和保设备中间选择一个平衡点就十分重要。福建电网根据华东电网的统一规定，将机组的频率死区统一设置为±0.033Hz。

2)机组DCS及DEH控制参数

DEH/DCS参数设置是否合理将直接影响机组一次调频功能的正确动作到位情况。湄洲湾机组一次调频功能开环及闭环仿真试验过程中，机组的一次调频性能明显存在滞后及振荡，如图4所示，通过对湄洲湾＃1机组的闭环仿真分析后，其问题主要由于在设备厂家为了减少锅炉的动作次数，在DCS协联控制系统功率向前通道中增加了惯性环节并设置了较大的时间参数，造成了机组的DCS协联控制的破坏，大大降低了机组的一次调频的作用，同时在系

统周波变化较大时容易造成轻微振荡，通过对DCS的惯性环节参数的修改，福建电网一次调频全网联调试验结果表明，湄洲湾机组的一次调频性能达到了较高的性能。

此外机组PID参数、水轮机导叶汽轮机调门的动作精度也较大的影响了机组一次调频的正确动作，因而建议利用机组的检修期间对机组的参数仿真分析试验，调节部件进行必要的调整及校核测试，减少机组响应误差。

4结论

福建电网通过对全省主要水、火电机组的一次调频功能开环试验及闭环仿真试验，既验证了所建立的水、火电一次调频功能模型比较准确，同时利用对机组一次调频功能的闭环仿真分析，结合机组的实际运行工况，克服了一些仿真模型的局限性的影响，准确校核了调速系统的有关参数整定，大大提高了福建电网机组的一次调频功能，从而保证了高质量的电能供应。

参考文献

[1]于达仁，郭钰锋（Yu Daren, Guo Yufeng）．一次调频的随机过程分析（Analysis on Random Process of The Primary Frequency Regulation）[J]．中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2002, 22(6): 38-41

[2] 张为义．（Zhang Weiyi）．一次调频功能对火电机组运行适应性的试验分析（Test and Analysis on Operation Suitability of Thermal Units from Primary Frequency Function）．电力建设．（Electric power construction），2003, 24(1): 65-68

作者简介：林静怀（1971～）男工程师多年从事电网调度工作，现从事AGC、EMS高级应用软件及电力市场技术支持系统的研究、管理工作。

Simulation Analysis on the Primary Frequency Regulation of Hydro and Thermal power Unit in Fujian Power Grid

LIN Jing-huai

(Fujian Electric Power Dispatch & Communication Center，Fuzhou 350003)

ABSTRACT：Since the Control Performance Standard （CPS）is implemented in Fujian Power Grid, simulation analysis on the Primary Frequency Regulation of units is being done. This paper describes simulation models and system constructions of the primary frequency regulation of hydro and thermal units. Based on the analysis on simulation results, the paper proposed some advises to improve the primary frequency regulation and to give its full function in Fujian Power grid.

KEY WORDS：Fujian Power grid, primary frequency regulation, simulation analysis