Page 98 - 2024年第55卷第1期

性试验分析的运行区精细划分方法，弥补了常规运行区划分依托稳定性试验运行水头覆盖受限、划分
结果粗略的缺陷。可见，运行区划定虽然详细考虑了空蚀、效率、振动摆度等水力机械因素，但划定
过程往往忽略两个特征约束下水电机组分钟级一次调频质量，致使调度后机组存在调频性能不达标的
运行风险，部分调频指标不满足要求而受到 “两个细则” 考核，如新丰江水电站、公伯峡水电站、大
朝山水电站等。
为提高水电机组调频性能模拟精度、减少 “两个细则” 考核次数，国内外研究学者分别从精细化
建模、调速器控制策略优化、ＡＧＣ与一次调频协同控制三方面内容开展研究工作。在精细化建模方
面，赵志高等 ［５］ 协调过渡过程中的计算精度与仿真效率间关系，提出基于电路等效理论的机组实时精
细化模型，有效提高了求解稳定性和仿真效率。Ｘｕ等 ［６］ 探讨水轮机调节系统各模块化模型适用条件
及其耦合方法，提出适应于不同电站型式的调节系统建模体系。在调速器控制策略优化方面，易建波
等 ［７］ 提出兼顾阻尼振荡和频响动态性能的水轮机调速系统参数优化策略，提高了调速系统抑制超低频
振荡以及适应多工况快速调频能力。Ｃｈｅｎ等 ［８］ 采用混沌非支配排序遗传算法Ⅱ（ＮＳＧＡ － ＩＩ）设计并优化
了分数阶 ＰＩＤ调速器，验证了其在鲁棒性和稳定性方面的优越性。在 ＡＧＣ与一次调频协同控制方面，
王官宏等 ［９］ 提出了一种多模式适应的监控系统有功?频率联合控制系统模型结构，保障了高占比水电
系统及水电高占比新型电力系统中水电机组稳定、一次调频和 ＡＧＣ功率的足量贡献。Ｙｕ等 ［１０］ 提出无
须时域仿真的直接求解法来得到整个稳定域调节品质参数，极大提高了最优 ＰＩＤ参数整定效率。Ｌｉ
等 ［１１］ 构建不同区域间分布式智能 ＡＧＣ协调控制框架，利用 ＥＩＣ － ＭＡＤＤＰＧ算法实现频率调节市场中各
区域的负荷、频率协调控制并提高了调节性能。以上研究均为机组调频性能提高做出贡献，但研究通
常从几种代表工况出发，对调节性能与运行工况间的敏感偏好关注较少，难以为负荷水头频繁变化的
机组运行提供必要支撑。
为此，本文提出基于机组一次调频性能的运行区划分方法，解决变水头宽负荷运行下混流式水电
机组调频能力不达标屡受考核的问题。首先，综合考量运行区划分和一次调频性能评价内容与形式，
基于 “两个细则” 考核要求形成调节性能运行区的划分方法并探索性地提出其评价指标体系；其次，
以拉西瓦混流式调频水电厂为例，建立水轮机调节系统数学模型，通过一次调频数值实验与现场试验
对比，验证模型正确性；最后，研究管径、转动惯量、积分增益等水机电参数对运行区划分的影响规
律，综合得到参数－ 调节性能－ 运行区影响流向关系并探讨运行区优化可能的途径。

２ 主要关注点

２．１ 经典运行区分类与划分方法 水电机组运行区是机组不同运行工况下工作性能的状态区间分布，
区间划分反映了机组运行中各工作性能指标的优劣差异。一般而言，该区间由水力发电系统各子系统
的重要指标优劣等级分区耦合而成。子系统囊括的对象不同，运行区划分所关注的重要指标也有所区
别。目前运行区划分根据子系统指标的不同主要分为两种形式：（１）以能量利用为核心指标，如图 １
（ａ）所示，运行区可分级划分出高、中、低效率区 ［１２］ ；（２）以机组振动量等为核心指标，如图 １（ｂ）所
示，运行区可划分出稳定运行区、过渡运行区、振动运行区等 ［１３］ 。
以能量利用为核心指标的运行区划分一般以机组运转综合特性曲线形式展现，描述机组自身运行
特性，其数据主要依赖于水轮机模型实验与现场试验 ［１４］ 。由于基本不与其它重要指标相耦合，其划分
方式较为简单，根据水轮机对水流能量的转化程度高低进行分级。以机组振动量为核心指标的运行区
划分一般采用独立的负荷－ 水头区间展现，描述机组－ 水力系统耦合特性，其数据主要依赖于机组变负
荷稳定性试验，水头变化工况不足时辅以机组状态在线监测数据予以扩充。由于水 － 机耦合系统运行
的复杂性，其划分过程还要考虑摆度、水压力脉动、应力、空化空蚀等系统状态参数的影响，形成以
振动为核、其余参数为佐的指标衡量体系，划分原则 ［１５］ 为：（１）机组能够稳定运行于不带负荷状态；
（ ２）机组在运行时振动、摆度、噪声符合相关标准；（３）压力脉动要求小于 ４％或者在 ４％～６％之内不
会出现水力振动以及卡门涡振动；（ ４）重要部件动态应力规定小于 １０ＭＰａ。在此基础上结合 《ＧＢ?Ｔ

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