馮德才

(貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司索風營發(fā)電廠，貴州 修文 550215)

0 引言

隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，裝機容量迅速增長，我國各區(qū)域電網(wǎng)的峰谷差越來越大，電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全運行受到較大影響。為保障電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行，規(guī)范區(qū)域發(fā)電廠輔助服務管理，促進電網(wǎng)企業(yè)和并網(wǎng)發(fā)電廠協(xié)調(diào)發(fā)展，國家電監(jiān)委南方局2012年印發(fā)了《南方區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》及《南方區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》(以下簡稱“兩個細則”)。輔助服務是指為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、保證電能質(zhì)量、除正常電能生產(chǎn)、輸送、使用外，由并網(wǎng)發(fā)電廠提供的輔助服務，包括一次調(diào)頻、自動發(fā)電控制(AGC)、調(diào)峰、無功調(diào)節(jié)、旋轉備用、黑啟動等。水電廠輔助服務系統(tǒng)的性能受到許多方面的影響，主要影響因素有水頭、設備性能、執(zhí)行周期等。

1 水頭對輔助服務系統(tǒng)調(diào)控性能的影響

水電廠的水頭是極其重要的運行參數(shù)之一，其數(shù)值的變化會影響電廠經(jīng)濟指標和設備運行性能指標，對輔助服務系統(tǒng)調(diào)控性能的影響比較明顯。水頭有毛水頭和凈水頭之分，毛水頭就是上游水位高程減去下游水位高程所得水頭。凈水頭就是毛水頭減去輸水系統(tǒng)的沿程水頭損失和局部水頭損失，凈水頭是作用在水輪機上的水頭，也就是工作水頭。貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司索風營發(fā)電廠(以下簡稱索風營發(fā)電廠)在調(diào)速器和狀態(tài)監(jiān)測中采用凈水頭，而在監(jiān)控系統(tǒng)上位機中采用的是毛水頭。

1.1 水頭變化對一次調(diào)頻性能的影響

當水頭降低時，一次調(diào)頻性能會下降，特別是水頭低于設計水頭時，一次調(diào)頻性能會下降嚴重。表1是索風營發(fā)電廠機組調(diào)速器的水頭-導葉參數(shù)表。

表1 水頭－導葉參數(shù)

從表1中可以看出，水頭發(fā)生變化時各機組工況所需的導葉開度也不一樣，當水頭降低時導葉開度增大。在機組并網(wǎng)情況下，導葉開度的增減對應機組有功的增減，當水頭越低，相同的有功增量ΔP需要更大的導葉變化Δy，調(diào)節(jié)時間也會延長，調(diào)節(jié)速率下降，一次調(diào)頻性能會嚴重下降。

1.2 水頭的降低同樣使機組效率大大降低

索風營發(fā)電廠額定水頭為69.0 m，在實際運行中，當水頭低于68.5 m后，機組出力已不能帶滿額定負荷(200 MW)，同時機組振動也加大。當水頭達到最低設計水頭(58.1 m)時，機組出力只能達到約150 MW，導葉開度約為88%，此時若加大導葉開度，機組效率會急劇下降，機組出力不再明顯上升。在機組效率降低、最大出力下降情況下，會嚴重影響發(fā)電廠輔助服務中的調(diào)峰、旋轉備用、可調(diào)容量等性能。

1.3 水頭變化對自動發(fā)電控制性能的影響

自動發(fā)電控制AGC(Automatic Generation Control)是指發(fā)電機組在規(guī)定的出力調(diào)整范圍內(nèi)跟蹤電力調(diào)度指令，按照一定調(diào)節(jié)速率實時調(diào)整發(fā)電出力，以滿足電力系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡線功率控制的要求。在運行中水頭的變化對它調(diào)節(jié)性能的影響主要是AGC可調(diào)范圍和調(diào)節(jié)量誤差，對AGC調(diào)節(jié)速率也有一定的影響?！赌戏絽^(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》中對機組AGC的合格率提出3個標準，各占1/3權重，即水電機組AGC調(diào)節(jié)范圍達到可調(diào)容量的40%，水電單機AGC調(diào)節(jié)速率要求達到30%額定容量/min以上，AGC調(diào)節(jié)量誤差不超過3%。圖1是索風營發(fā)電廠AGC運行水頭-單機最大出力曲線。

圖1 水頭－出力曲線

索風營發(fā)電廠共有3臺發(fā)電機組，單機額定出力為200 MW，額定水頭為69.0 m，最低水頭為58.1 m，最大水頭為81.4m，3臺機組運行特性曲線一樣，振動區(qū)都是0～130 MW。從圖1中可以看出，當工作水頭大于額定水頭時，機組能帶滿額定出力200 MW，當工作水頭小于額定水頭時，機組最大出力快速下降，下降速率為4.55 MW/m。隨著最大出力下降，AGC的調(diào)節(jié)范圍已隨之下降，當工作水頭下降到58.1 m時，調(diào)節(jié)范圍只能達到可調(diào)容量的(150-130)/200=10%，不能滿足“兩個細則”40%的要求。

水頭變化對AGC調(diào)節(jié)量誤差的影響。當機組增加出力時，機組流量隨之增大，尾水位會上漲，則工作水頭就會下降。從圖1中可以看出，若工作水頭已下降到額定水頭以下或本身就在工作水頭以下運行，則水頭的下降會導致機組出力下降，這樣，就使得增加出力前根據(jù)水頭計算并上送給調(diào)度的AGC可調(diào)范圍不能達到以上目標，如果調(diào)度下發(fā)的有功給定值大于尾水位抬高后機組能發(fā)出的最大出力，則AGC有功不能調(diào)節(jié)到位而出現(xiàn)調(diào)節(jié)量誤差，嚴重時會超過3%?，F(xiàn)以AGC有功調(diào)節(jié)量ΔP最大(索風營發(fā)電廠的AGC安全策略中限制有功調(diào)節(jié)量ΔP最大為120MW)為例，工作水頭正好在額定水頭69 m時的情況進行分析。假設3臺機并網(wǎng)運行，AGC投入，帶負荷480 MW，水頭為69.0 m，這時AGC經(jīng)過計算，有功可調(diào)范圍為360～600 MW，若此時調(diào)度下發(fā)有功給定值為600 MW，則每臺機需帶200 MW，3臺機組都會增大導葉開度來增加出力，由于機組流量增大，尾水位迅速抬升，而庫水位保持不變或稍有下降，根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)可得，在這種情況下，尾水位最大會抬高2 m，那么水頭會降到67 m，此時單機出力最大為185 MW，3臺機組最大出力為555 MW，造成的AGC調(diào)節(jié)量誤差為(600-555)/120=37.5%，遠超出“兩個細則”3%的要求。

水頭對AGC調(diào)節(jié)速率的影響類似于一次調(diào)頻的影響，本文不再重復分析。

2 執(zhí)行周期對調(diào)功性能的影響

在有功、無功調(diào)節(jié)的整個閉環(huán)中，每個環(huán)節(jié)和過程都會有一定的時延，每一次閉環(huán)調(diào)節(jié)的總時延為一次執(zhí)行周期，根據(jù)具體的環(huán)節(jié)和過程可把執(zhí)行周期分為軟件周期、動作周期、采集周期。執(zhí)行周期主要影響輔助系統(tǒng)中的AGC、自動電壓無功調(diào)控系統(tǒng)AVC(Automatic Voltage Control)、一次調(diào)頻、二次調(diào)頻，下面以具有典型性和代表性的AGC進行分析，AGC控制邏輯及動作原理如圖2所示。

圖2 AGC控制邏輯及動作原理

當電廠AGC接收到有功給定值后，AGC需要先進行安全策略校核、閉鎖策略比對、負荷分配策略計算等一系列運算，再將負荷分配到每臺機組現(xiàn)地控制單元LCU(Local Control Unit)進行有功調(diào)節(jié)。機組LCU在收到有功給定值后，將與機組實發(fā)有功進行比較，可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)程序算出差值，通過安全校對和比例積分微分PID(Proportional Integral Derivative)運算，算出適當?shù)拿}沖寬度輸出給調(diào)速器，調(diào)速器再經(jīng)過一系列的運算，給出開或關導葉的電氣偏轉量給電液轉換器，最后以液壓機械能推動導葉來調(diào)整機組流量，實現(xiàn)機組有功調(diào)整。機組LCU會不斷采集機組有功實發(fā)值與給定值進行比較，進入下一調(diào)節(jié)閉環(huán)，直到有功調(diào)整到位才退出調(diào)整。

PLC的調(diào)功程序采用的是循環(huán)比較、逐漸逼近的調(diào)節(jié)方式，其輸出的脈沖寬度與每次比較的有功差值相關而且是變化的，脈沖間隔則與每次閉環(huán)的軟件周期、動作周期、采集周期有關，程序中一般設定為固定方式。PLC調(diào)功程序中設定的脈沖間隔時間是影響AGC調(diào)節(jié)性能的主要因素，若脈沖間隔時間設定值小，則調(diào)節(jié)速率快，若脈沖間隔時間設定值大，則調(diào)節(jié)速率慢。減小脈沖間隔時間設定值雖然可得到高的調(diào)節(jié)速率，但不能任意小，當設定值小于一次循環(huán)執(zhí)行周期時，則會出現(xiàn)過調(diào)、來回拉鋸調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)失控現(xiàn)象。

脈沖間隔時間設定多少合適呢?這取決于調(diào)功環(huán)節(jié)上設備性能、反饋時延。從圖2可以看出，AGC調(diào)功環(huán)節(jié)很多，每個環(huán)節(jié)的時延不一。其中指令周期、I/O模件時延、D/A模件時延、變送器時延等電氣元件時延較短，總時延不超過1 ms，可忽略不計。而其中導葉動作時延、油口開啟時延、繼電器動作時延等機械動作時延較長?，F(xiàn)以索風營發(fā)電廠為例作具體分析，從調(diào)速器特性曲線可得出導葉的動作速率約為8.33%/s，而負荷與導葉開度在運行區(qū)間的單位負荷對應比約為0.4，則可算出負荷調(diào)節(jié)率為20.825 MW/s，就是說每調(diào)節(jié)20.8 MW的有功，導葉動作時延為1 s。油口開啟時延主要由自復中電動機動作速度及油口開度確定，一般在100 ms左右。繼電器動作時延主要是由觸點閉合時間確定，一般在20 ms左右。經(jīng)過以上分析并綜合考慮安全、異常情況等因素，脈沖間隔時間一般設為1～4 s。

當脈沖間隔時間選定后，有功調(diào)節(jié)速率主要與功率調(diào)節(jié)量ΔP有關，ΔP越大，調(diào)節(jié)速率越大，反之越小。

3 一次調(diào)頻與二次調(diào)頻的相互影響及協(xié)調(diào)

3.1 一次、二次調(diào)頻調(diào)節(jié)原理

一次調(diào)頻是指當電力系統(tǒng)頻率偏離目標頻率時，發(fā)電機組通過調(diào)速器系統(tǒng)的自動反應，調(diào)整有功出力以減少頻率偏差所提供的服務。其特點是頻率調(diào)整速度快，調(diào)整量隨機組不同而不同，且調(diào)整量有限。發(fā)電機組一次調(diào)頻功率變化量

式中:Δf為頻率變化量;PN為發(fā)電機組的額定功率;σG為總應力。

二次調(diào)頻是指當電力系統(tǒng)負荷或發(fā)電出力發(fā)生較大變化時，一次調(diào)頻不能恢復頻率至規(guī)定范圍時采用的調(diào)頻方式，是人為或程序自動根據(jù)電網(wǎng)頻率高低來調(diào)整機組負荷。其特點是調(diào)整速度慢、過程長，但調(diào)整量大。發(fā)電機組二次調(diào)頻功率變化量

式中:PS為發(fā)電機組有功功率給定值;P0為發(fā)電機組當前有功功率。

一次、二次調(diào)頻的調(diào)節(jié)特性如圖3所示。

圖3 一次、二次調(diào)頻特性

當系統(tǒng)負荷P與發(fā)電出力平衡時，系統(tǒng)頻率為f，發(fā)電機組的運行點位于o點。當系統(tǒng)負荷增加為PH'時，運行點瞬時升到a，如果一次調(diào)頻不起作用，發(fā)電機有功仍為P，將引起頻率下降，沿負荷頻率靜態(tài)效應特性曲線達到平衡點c，對應頻率為fL'。若一次調(diào)頻投入并正確動作，會增加有功，運行點將沿特性曲線從o向b移動，此時負荷為PH″，系統(tǒng)頻率為fL″，一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)。若系統(tǒng)負荷持續(xù)增加或增量較大，系統(tǒng)頻率的下降值會超過允許值，此時需進行二次調(diào)頻，增加機組有功將特性曲線向上平移與PH'相交于a點(新平衡點o點)，反向亦然。

3.2 一次、二次調(diào)頻相互影響情況

從上面的調(diào)節(jié)特性分析來看，一次調(diào)頻和二次調(diào)頻都是調(diào)節(jié)機組負荷來實現(xiàn)系統(tǒng)負荷與發(fā)電出力的平衡，以維持系統(tǒng)頻率f的穩(wěn)定。從理論上看是相互補充、協(xié)調(diào)一致的，但在實際控制調(diào)節(jié)中時常出現(xiàn)相互影響的情況，分析其原因主要是指令源不一致造成的。一次調(diào)頻是調(diào)速器根據(jù)本臺機組的頻率來計算并實時輸出控制，二次調(diào)頻則是根據(jù)系統(tǒng)頻率來計算并通過有功給定方式發(fā)指令到電廠。雖然并網(wǎng)機組頻率從理論上應和系統(tǒng)頻率一樣，但機組一般都會經(jīng)變壓器等電氣設備與電網(wǎng)相連，而且測頻采樣時點、時延、誤差不可能完全一致，加之系統(tǒng)頻率瞬息萬變等原因，時常出現(xiàn)一次調(diào)頻和二次調(diào)頻同時動作調(diào)節(jié)，若不采取協(xié)調(diào)措施，則可能出現(xiàn)反向調(diào)節(jié)、脈沖累積、相互拉鋸、LCU有功調(diào)節(jié)超時退出等影響。

3.3 一次、二次調(diào)頻的協(xié)調(diào)措施

協(xié)調(diào)措施可增加調(diào)速器與機組LCU的信息溝通，及時校正動作行為偏差，以一次調(diào)頻調(diào)節(jié)優(yōu)先動作，二次調(diào)頻調(diào)節(jié)以系統(tǒng)負荷與發(fā)電出力達到新平衡點為最終目標，即回歸一次、二次調(diào)頻協(xié)調(diào)功能的本質(zhì)。具體的協(xié)調(diào)措施如下:

調(diào)速器程序增加“一次調(diào)頻功能投入”和“一次調(diào)頻動作”開出點送到機組LCU，該兩點信號同時經(jīng)監(jiān)控系統(tǒng)上位機送到調(diào)度。監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)功程序實時監(jiān)視一次調(diào)頻信號，當一次調(diào)頻動作時，說明調(diào)速器正在快速調(diào)整負荷，此時監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)功程序實時監(jiān)視功率變化并記住變化量，同時將“一次調(diào)頻動作前有功給定值+調(diào)速器一次調(diào)頻的調(diào)整值”(即實時采集值)寫入有功給定值單元，避免了一次調(diào)頻動作復歸后，舊的有功給定值又將機組有功調(diào)回。若一次調(diào)頻動作長時間未復歸，說明調(diào)速器的一次調(diào)頻動作量仍不能滿足網(wǎng)上負荷需求，必須及時接收新的有功給定值以實現(xiàn)二次調(diào)頻，部分程序段如下:

還可通過改造或升級調(diào)速器，將機組LCU的有功調(diào)節(jié)功能由調(diào)速器直接實現(xiàn)，這樣，能更有效地實現(xiàn)協(xié)調(diào)動作，同時還可大大改善有功調(diào)節(jié)速率。

4 結論

發(fā)電廠建成投產(chǎn)且在設備調(diào)試投運后，各調(diào)控性能基本確定，調(diào)整運行參數(shù)可適當提高調(diào)控性能，但效果有限，因為各運行參數(shù)都是基于設備自身的性能和考慮安全保障的情況下，通過現(xiàn)場試驗確定的，調(diào)整運行參數(shù)只是在調(diào)控性能和安全系數(shù)上尋求新的平衡點，所以，難以有立竿見影的效果。若大幅度提高調(diào)控性能，就要對主要設備進行升級改造，提升設備自身性能指標，改進設計理念，優(yōu)化軟件功能。“生產(chǎn)安全、設備性能、調(diào)控指標”即相互依存又相互制衡，就如“交通安全、車況路況、行車速度”之間的關系，在進行參數(shù)調(diào)整或升級改造前，必須認真仔細分析并論證，要在確保電網(wǎng)安全、電廠安全的前提下，努力改善設備性能，提高調(diào)控指標。