白永福

(黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司拉西瓦發(fā)電分公司，青海省貴德縣 811700)

西北電網(wǎng)并網(wǎng)水電站自動(dòng)發(fā)電控制分析研究

白永福

(黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司拉西瓦發(fā)電分公司，青海省貴德縣 811700)

隨著西北電網(wǎng)容量的迅猛發(fā)展，水光互補(bǔ)、直流輸電等輸電形式的多樣化，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，電網(wǎng)潮流分布也更加復(fù)雜和不穩(wěn)定。文章就拉西瓦水電站在西北電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制調(diào)試中遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方法，最終達(dá)到電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)水電站AGC運(yùn)行的技術(shù)指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞：自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)；定頻率控制模式(FFC)；拉西瓦水電站；水錘效應(yīng)

1 西北電網(wǎng)AGC的控制原則

1.1 控制原則

(1) 西北網(wǎng)調(diào)直調(diào)電站的自動(dòng)發(fā)電控制(簡(jiǎn)稱：AGC)功能采用定頻率控制模式(簡(jiǎn)稱：FFC)或聯(lián)絡(luò)線+頻率偏差控制模式(簡(jiǎn)稱：TBC)，負(fù)責(zé)西北電網(wǎng)的頻率調(diào)整[1-2]。

(2) 各省調(diào)的AGC功能采用定聯(lián)絡(luò)線功率或聯(lián)絡(luò)線+頻率偏差控制等多種控制模式，負(fù)責(zé)省際間聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)整，并輔助網(wǎng)調(diào)頻率調(diào)整[6]。

(3) 水電站AGC模式

由西北電網(wǎng)AGC原則可知，拉西瓦水電站作為網(wǎng)調(diào)直調(diào)電站，AGC模式采用定頻率控制模式或聯(lián)絡(luò)線+頻率偏差控制模式。

1.2 定頻率控制模式與聯(lián)絡(luò)線+頻率偏差控制模式分析

(1) 定頻率控制

圖1 簡(jiǎn)單控制區(qū)直接功率交換特性圖

圖1為一個(gè)簡(jiǎn)單的電力系統(tǒng)控制區(qū)之間負(fù)荷傳遞示意圖，可以通過(guò)圖1進(jìn)行簡(jiǎn)單的電網(wǎng)AGC策略分析。

我們假設(shè)控制區(qū)A單位調(diào)節(jié)功率為KA，控制區(qū)B單位調(diào)節(jié)功率為KB。A、B控制區(qū)內(nèi)機(jī)組均為具有AGC調(diào)節(jié)功能的機(jī)組且AGC功能投入，ΔPA和ΔPB、ΔGA和ΔGB、ΔLA和ΔLB、ΔPt分別為控制區(qū)A、B的負(fù)荷實(shí)時(shí)值、發(fā)電機(jī)有功功率變化量、負(fù)荷變化量、控制區(qū)間聯(lián)絡(luò)線功率變化量。

當(dāng)控制區(qū)A或控制區(qū)B擾動(dòng)時(shí)，其中KA·Δf為一次調(diào)頻動(dòng)作功率、ΔPt為聯(lián)絡(luò)線功率。

(1)

(2)

在定頻率控制方式中，當(dāng)控制區(qū)A或控制區(qū)B發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，A、B控制區(qū)內(nèi)一次調(diào)頻AGC將按照Δf的變化進(jìn)行相應(yīng)的有功功率調(diào)節(jié)[3-4]。

1) 當(dāng)△f=0時(shí)，則停止調(diào)節(jié)，聯(lián)絡(luò)線上的功率變化量為：

(3)

或

(4)

這也說(shuō)明，在相鄰的兩個(gè)控制區(qū)中，當(dāng)采用定頻率控制方式時(shí)，控制區(qū)間的交換功率不為0，它與控制區(qū)內(nèi)發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻的最大調(diào)整幅度與最大調(diào)整幅度響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。

2) 當(dāng)Δf偏差較大時(shí)。如果各個(gè)控制區(qū)有足夠的二次調(diào)頻容量，可抵消各自的擾動(dòng)負(fù)荷變化，那么能夠保持系統(tǒng)的頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差為0。此時(shí):

當(dāng)

(5)

(6)

則

ΔPt=0

但是，當(dāng)控制區(qū)A或B任何一個(gè)區(qū)域負(fù)荷增加過(guò)多，一次調(diào)頻及AGC無(wú)法進(jìn)行平衡時(shí)，需另外一個(gè)控制區(qū)進(jìn)行功率支持平衡。此時(shí)，控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線間的功率不為0。定頻率控制模式下會(huì)隨時(shí)調(diào)整控制區(qū)內(nèi)頻差及聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差，因此該模式一般用于單獨(dú)系統(tǒng)或聯(lián)合系統(tǒng)的主系統(tǒng)中[5]。

(2) 聯(lián)絡(luò)線功率及頻率偏差控制(TBC)

在聯(lián)絡(luò)線功率及頻率偏差控制方式中，控制系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域控制偏差(ACE)來(lái)調(diào)節(jié)AGC機(jī)組的有功功率，理論上ACE=0時(shí)調(diào)節(jié)結(jié)束。這種控制方式采集ΔPt和Δf變化，并判別負(fù)荷的擾動(dòng)變化是在哪個(gè)控制區(qū)產(chǎn)生，并對(duì)控制區(qū)的負(fù)荷變化先進(jìn)行響應(yīng)。

在控制系統(tǒng)中，采用TBC方式下，任何一個(gè)控制區(qū)發(fā)生負(fù)荷功率不平衡，都會(huì)使控制區(qū)的頻率和聯(lián)絡(luò)線交換功率產(chǎn)生一定的偏移。此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)AGC機(jī)組的有功功率，將聯(lián)絡(luò)線功率和頻率偏差引起的ACE變化調(diào)整到規(guī)定的定值范圍內(nèi)。

這種控制方式適合于小容量的控制系統(tǒng)中，必須有另一系統(tǒng)采用FFC方式來(lái)維持系統(tǒng)的頻率恒定，否則電網(wǎng)不能進(jìn)行穩(wěn)定的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行[6]。

1.3 水電站控制模式的確定

水電站AGC控制模式具體采取什么方式，需考慮水電站所處區(qū)域網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及自身調(diào)節(jié)能力、機(jī)組工況等。需要調(diào)度側(cè)結(jié)合電站實(shí)際及電網(wǎng)安全統(tǒng)一考慮。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，在FFC下，AGC指令較為頻繁，水電機(jī)組相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)較差[7]。

2 水電站AGC技術(shù)指標(biāo)要求

西北電管局下發(fā)的《西北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》及《西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》要求水電站AGC需滿足如下技術(shù)指標(biāo)[1-2]。

2.1 調(diào)節(jié)速率

調(diào)節(jié)速率=(目標(biāo)出力-當(dāng)前出力)÷機(jī)組額定有功功率÷(目標(biāo)出力達(dá)到時(shí)間-命令下發(fā)時(shí)間)×100%(單位：機(jī)組調(diào)節(jié)容量占額定有功功率的比例/分鐘)。

要求：水電機(jī)組調(diào)節(jié)速率應(yīng)大于每分鐘50%。

2.2 響應(yīng)時(shí)間

從調(diào)度機(jī)構(gòu)下達(dá)AGC命令算起，到AGC機(jī)組開(kāi)始執(zhí)行命令止。

要求：水電機(jī)組AGC響應(yīng)時(shí)間≤10 s。

3 水電站AGC技術(shù)指標(biāo)分析及應(yīng)對(duì)策略

由西北電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”要求可知，水電站AGC兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)為響應(yīng)時(shí)間和調(diào)節(jié)速率。從圖2能夠很清楚地看出網(wǎng)調(diào)對(duì)機(jī)組AGC控制及信息交互過(guò)程。

3.1 響應(yīng)時(shí)間

假定t0為調(diào)度EMS下發(fā)AGC指令時(shí)刻；t1為電站監(jiān)控接收調(diào)度AGC指令時(shí)刻；t2為電站監(jiān)控AGC程序運(yùn)算后下發(fā)指令時(shí)刻；t3為調(diào)速器接收監(jiān)控現(xiàn)地LCU指令時(shí)刻；t4為調(diào)速器動(dòng)作功率變化時(shí)

圖2 機(jī)組AGC動(dòng)作過(guò)程圖

刻?？傻肁GC響應(yīng)時(shí)間：

t=網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間(t1-t0)+AGC運(yùn)算時(shí)間(t2-t1)+監(jiān)控至調(diào)速器指令傳輸時(shí)間(t3-t2)+水流慣性時(shí)間(t4-t3)+網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間(t1-t0)。

滿足響應(yīng)時(shí)間要求需t≤10 s。

(1) 網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間

在考慮水電站GPS對(duì)時(shí)準(zhǔn)確的情況下需核對(duì)監(jiān)控通信報(bào)文、檢查核對(duì)調(diào)度下發(fā)指令及電站接收指令的時(shí)間。經(jīng)過(guò)電站與網(wǎng)調(diào)的報(bào)文核對(duì)，相差為ms級(jí)，因此對(duì)AGC響應(yīng)時(shí)間無(wú)具體影響[8]。

(2) AGC程序運(yùn)算時(shí)間技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)對(duì)策略

為保證電網(wǎng)及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，監(jiān)控廠家AGC程序中邏輯較為復(fù)雜，判斷、閉鎖條件較多。經(jīng)查看程序及測(cè)算，拉西瓦水電站AGC指令周期為4 s。

我們對(duì)程序進(jìn)行了如下改進(jìn)。當(dāng)接收到AGC指令后，AGC程序不進(jìn)行任何邏輯運(yùn)算，無(wú)延時(shí)地向調(diào)速器下首發(fā)脈沖進(jìn)行功率的微增或微減，以盡量減小響應(yīng)時(shí)間。

(3) 監(jiān)控至調(diào)速器指令傳輸時(shí)間技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)對(duì)策略

拉西瓦水電站功率控制為開(kāi)關(guān)量控制方式，需通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)增、減速繼電器動(dòng)作，調(diào)速器增、減速繼電器后控制導(dǎo)葉。經(jīng)測(cè)算從監(jiān)控增、減速繼電器動(dòng)作到導(dǎo)葉開(kāi)始動(dòng)作時(shí)間約為1.5 s。

考慮到繼電器的固有動(dòng)作時(shí)間，將功率控制模式更改為模擬量或通信量控制模式即可以提高調(diào)速器響應(yīng)時(shí)間。目前水電站正在進(jìn)行模擬量模式的更改工作[9-10]。

(4) 水流慣性時(shí)間分析

水流慣性時(shí)間在這里可理解為導(dǎo)葉打開(kāi)后，功率向正確方向調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間。其時(shí)間構(gòu)成主要為水錘效應(yīng)及尾水壓力脈動(dòng)的存在影響時(shí)間，這些因素會(huì)造成AGC在執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生功率反調(diào)的現(xiàn)象，尤其在大功率調(diào)節(jié)時(shí)反調(diào)現(xiàn)象更為嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)，粗略測(cè)算該時(shí)間范圍在1～6 s之間。圖3為某水電站水錘效應(yīng)引起的功率反調(diào)現(xiàn)象，從中可以看出導(dǎo)葉已經(jīng)處于關(guān)的方向而功率實(shí)際上升。

圖3 水錘效應(yīng)引起功率反調(diào)圖

由于機(jī)械、水工設(shè)備的改造工程巨大，因此水錘效應(yīng)及尾水壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組AGC調(diào)節(jié)過(guò)程的影響目前沒(méi)有較為合理的終極解決辦法和思路[11]。

通過(guò)上述分析可以看出，減小AGC響應(yīng)時(shí)間最有效和最便捷的方法就是修改監(jiān)控AGC程序及監(jiān)控至調(diào)速器控制模式。

3.2 機(jī)組調(diào)節(jié)速率

調(diào)節(jié)速率過(guò)大可能會(huì)造成超調(diào)，過(guò)小又不滿足指標(biāo)要求，考慮各負(fù)荷調(diào)節(jié)需設(shè)置相應(yīng)的PID系數(shù)，即將機(jī)組的AGC調(diào)節(jié)進(jìn)行分段控制，不同情況對(duì)應(yīng)不同的調(diào)節(jié)系數(shù)。

(1) 小負(fù)荷AGC調(diào)節(jié)

當(dāng)AGC下發(fā)小負(fù)荷目標(biāo)指令后，在首發(fā)脈沖的作用下AGC響應(yīng)時(shí)間滿足要求，此時(shí)需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)調(diào)整監(jiān)控有功調(diào)節(jié)的PID參數(shù)，來(lái)滿足調(diào)節(jié)速率要求，防止超調(diào)。

(2) 大負(fù)荷AGC調(diào)節(jié)

當(dāng)AGC下發(fā)大負(fù)荷目標(biāo)指令后，在首發(fā)脈沖的作用下AGC響應(yīng)時(shí)間滿足要求，此時(shí)需將大負(fù)荷指令進(jìn)行分段執(zhí)行來(lái)滿足調(diào)節(jié)速率要求。即，在負(fù)荷調(diào)整初期，通過(guò)改變PID參數(shù)來(lái)迅速響應(yīng)目標(biāo)負(fù)荷，當(dāng)快接近目標(biāo)功率時(shí)，再次改變PID參數(shù)進(jìn)行緩慢調(diào)節(jié)以逼近目標(biāo)負(fù)荷。否則，會(huì)造成目標(biāo)負(fù)荷超調(diào)。

(4) 功率死區(qū)的設(shè)置

由于各水電機(jī)組安裝位置、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造不盡相同，如：有些機(jī)組為雙排機(jī)組共用1個(gè)尾水洞，有些機(jī)組設(shè)置3機(jī)共用1個(gè)調(diào)壓井，加上尾水壓力脈動(dòng)等方面的影響，機(jī)組在正常運(yùn)行中如遇到其它機(jī)組調(diào)整功率，那么也會(huì)造成該機(jī)組的功率波動(dòng)現(xiàn)象。因此，需測(cè)算此時(shí)的功率死區(qū)值。功率死區(qū)設(shè)定原則上網(wǎng)調(diào)側(cè)應(yīng)大于電站側(cè)[12]。

4 結(jié) 語(yǔ)

AGC調(diào)節(jié)是個(gè)較復(fù)雜的過(guò)程，在拉西瓦水電站AGC的試驗(yàn)過(guò)程中，響應(yīng)時(shí)間通過(guò)修改AGC程序增加首發(fā)脈沖及將調(diào)速器改造為模擬量或通信量控制模式來(lái)盡量減少二次設(shè)備AGC的響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)在監(jiān)控上位機(jī)設(shè)置負(fù)荷分配的分段程序來(lái)快速響應(yīng)目標(biāo)功率，并結(jié)合功率死區(qū)進(jìn)行逐步逼近。這些修改均取得了明顯的效果。

在調(diào)試中，我們也遇到了共用調(diào)壓井時(shí)機(jī)組間負(fù)荷調(diào)節(jié)相互的影響、機(jī)組穿越振動(dòng)區(qū)及聯(lián)合振動(dòng)區(qū)時(shí)策略的優(yōu)化、一次調(diào)頻與AGC的協(xié)調(diào)、水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等一系列問(wèn)題，這些問(wèn)題也需要逐步分析找到合理的策略。

AGC調(diào)試是一個(gè)復(fù)雜而漫長(zhǎng)的過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，需與調(diào)度進(jìn)行溝通，進(jìn)行調(diào)度端與廠站端參數(shù)的共同優(yōu)化，最終獲得相對(duì)較為合理的參數(shù)。

[1] 西北電監(jiān)局.西北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則(試行)[S/OL].(2016-03-03)[2016-12-01].http://www.docin.com/p-1473894282.htmL.

[2] 西北能源監(jiān)管局.西北區(qū)域并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則(試行)：20141211修訂稿[S/OL].(2016-03-09)[2016-12-01].http://max.book1148.com/htmL/2016/0.01/36577062.shtm.

[3] 王瑞琪.火電機(jī)組AGC指令及負(fù)荷響應(yīng)曲線特征分析[D].鄭州：華北電力大學(xué)，2014.

[4] 高伏英.AGC自動(dòng)發(fā)電控制的原理及應(yīng)用 [M/OL].(2012-10-24)[2016-11-29].http://www.docin.com/p-506399993.html.

[5] 肖霄.基于動(dòng)態(tài)加權(quán)Voronoi虛擬區(qū)域劃分的互聯(lián)重疊系統(tǒng)的AGC控制[D].沈陽(yáng)：遼寧科技大學(xué), 2012.

[6] 權(quán)先璋,蔣傳文.水電站AGC中的懲罰函數(shù)及虛擬機(jī)組技術(shù)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,28(07):90-91.

[7] 楊方,孫元章,程琳.AGC與AVC協(xié)調(diào)控制和電壓動(dòng)態(tài)安全性[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010(04):7-11.

[8] 單鵬珠.水電站AGC運(yùn)行分析[D].南京：河海大學(xué),2001.

[9] 何常勝,舒榮 ,劉興福, 董鴻魁 ,吳永智.水電站機(jī)組一次調(diào)頻與AGC性能優(yōu)化[J].云南電力技術(shù),2014(01):106-109.

[10] 王遠(yuǎn)鴻,紀(jì)正堂.小灣電廠基于調(diào)速器功率閉環(huán)優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)速率研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015(02):12-13.

[11] 霍天浪.混流式水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)換對(duì)流場(chǎng)影響的數(shù)值研究[D].西安：西安理工大學(xué),2015.

[12] 唐濤南,魏守平.水電站 AGC 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制策略的研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1997(05):49-52.

Analysis and Study on Automatic Generation Control of Hydropower Stations Connected in Northwest Power Grid

BAI Yongfu

(Laxiwa Power Generation Branch, Huanghe Hydropower Development Co., Ltd., Guide, Qingha 811700,China)

With rapid increase of the installed capacity of the northwest power grid and of various transmission modes such as hydro-photovoltaic hybrid, DC transmission, etc, the grid structure is increasingly complicated. The tide current distribution in the grid is more complicated and more instable. Issues in tests of the automatic power generation control of Laxiwa Hydropower Station in the northwest power grid are analyzed in the paper. Corresponding solutions on those issues are provided accordingly so that the technical requirements by the power grid on AGC operation of the hydropower station connected to the grid can be satisfied finally. Key words:automatic generation control (AGC); fixed frequency control mode (FFC); Laxiwa Hydropower Station; water hammer effect

1006—2610(2016)06—0081—04

2016-11-26

白永福(1978- )，男，甘肅省平?jīng)鍪腥耍こ處?，從事水電廠電氣二次設(shè)備的管理、檢修、維護(hù)工作.

P642.4;TP391.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.021