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 Sy 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 yy 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 py 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 nf 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 ff f f f f e f e e e e f f ∆∆∆∆∆∆||0………………………………………(7) pf e f N ′∆=∆ ...............................................................(8) f c c N p p ∆∆+= (9)2) 汽轮机及负荷模块na e S T N f +=1……………………………………………………(11) 3) 调门执行机构模块11+=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ST 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−+=1113 (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： 0.00330.000660.05280.05N −∆== 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≈180sc）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。

∆=0.047a）计算调节目标功率值：pb）计算调节目标频率值：f∆=-0.003∆=0.047c）调节功率值：pd）调节频率值：f∆=-0.003e）机组功率调节目标值：N=0.04699t=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95t=12.5s。