彭維新 ，秦會會，李勛城，杜守春，柴文婷，趙文秀，武學(xué)源

（1.國家電投黃河水電公司拉西瓦電廠，青海 海南州 811700；2.西安五常電力技術(shù)有限公司，陜西 西安 710000）

1 AVC控制原理

AVC，即調(diào)度側(cè)在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，依據(jù)系統(tǒng)有功輸送最經(jīng)濟(jì)的電壓下發(fā)遙調(diào)指令，廠站側(cè)AVC 子站根據(jù)指令動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功，實現(xiàn)母線電壓逐次逼近電壓目標(biāo)值，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。調(diào)度側(cè)AVC 通過SCADA 系統(tǒng)采集廠站側(cè)母線電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)潮流和功角穩(wěn)定計算系統(tǒng)電壓，給電廠側(cè)下發(fā)母線電壓增減量；廠站側(cè)AVC在現(xiàn)實際運行母線電壓基礎(chǔ)上疊加調(diào)度側(cè)下發(fā)的電壓增減量作為一個周期（5 min）的廠站側(cè)母線電壓目標(biāo)值，然后廠站側(cè)AVC 按照控制策略，通過計算將電壓增減量轉(zhuǎn)化為廠站所需的無功增減量，分配無功到各臺運行機(jī)組進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，使電廠母線電壓達(dá)到控制目標(biāo)值。這就需要廠站側(cè)AVC 不斷地進(jìn)行目標(biāo)電壓值與實際運行電壓值的比較和電壓偏差與無功增減量的轉(zhuǎn)換，通過調(diào)節(jié)無功來達(dá)到改變電壓的目的，進(jìn)而維持母線電壓在目標(biāo)電壓值的±0.1 kV范圍內(nèi)，AVC控制原理如圖1所示。

圖1 AVC控制原理

圖1 中，Us是母線電壓，取自電廠母線電壓變送器；Qg是機(jī)組無功，取自電廠機(jī)組無功功率變送器。調(diào)度側(cè)AVC 主站下發(fā)當(dāng)前時段下的母線電壓增減量ΔUs，電廠側(cè)AVC 接收到ΔUs后進(jìn)行計算，將計算所得的各臺機(jī)組應(yīng)發(fā)的無功Qg發(fā)送到各臺機(jī)組的現(xiàn)地LCU控制單元，通過PID計算以脈沖形式對勵磁系統(tǒng)進(jìn)行增減磁控制，改變勵磁系統(tǒng)AVR給定值，實現(xiàn)對機(jī)組無功的控制，進(jìn)而改變母線電壓。電廠側(cè)AVC 在接收到調(diào)度側(cè)下發(fā)的母線電壓增量ΔUs后，進(jìn)行的無功負(fù)荷計算式為

式中，QAVC為全廠AVC 無功功率分配值；QACT為全廠當(dāng)前實發(fā)無功功率；ΔUs為調(diào)度側(cè)主站下發(fā)母線電壓增減量；KV為母線電壓調(diào)壓系數(shù)；Q-A----V--C-為不參加AVC機(jī)組所發(fā)無功之和。

2 影響電廠側(cè)AVC性能的主要因素

2.1 PSS反調(diào)對母線電壓的影響

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到大擾動后各同步發(fā)電機(jī)保持并過渡到新的運行狀態(tài)或恢復(fù)到初始狀態(tài)的能力［1-2］。目前，大中型機(jī)組勵磁系統(tǒng)都加裝PSS 以改善系統(tǒng)阻尼，但PSS 的無功反調(diào)現(xiàn)象會引起廠站側(cè)AVC重新分配無功。

作為系統(tǒng)第一調(diào)頻的巨型水電機(jī)組，其有功調(diào)節(jié)更頻繁，其中投入了AGC 的機(jī)組，在大幅跨越振動區(qū)時，有功調(diào)節(jié)步長很大，無功反調(diào)會引起全廠機(jī)組無功重新分配和調(diào)節(jié)，造成母線電壓波動，迫使AVC做出響應(yīng)，維持母線電壓穩(wěn)定。

勵磁調(diào)節(jié)器的控制方式采用的是PID 和PSS方式。對PSS 進(jìn)行反調(diào)試驗：當(dāng)PSS 投入，P=580 MW、Q=35 Mvar 時，以最快的速度增加90 MW 有功出力。試驗結(jié)果表明：在有功功率變化過程中，無功功率變化不大，基本無反調(diào)現(xiàn)象，所以該勵磁系統(tǒng)PSS 反調(diào)對母線電壓波動影響較小，試驗錄波如圖2所示。

圖2 PSS反調(diào)試驗錄波

2.2 調(diào)差對母線電壓影響

目前，在廣泛采用的大容量單元式接線的發(fā)變組中，勵磁控制器中的負(fù)調(diào)差被用于補(bǔ)償主變過高的短路阻抗，加快高壓母線的電壓響應(yīng)速率，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。在勵磁調(diào)節(jié)器自動方式下，為保證多臺并聯(lián)運行的發(fā)電機(jī)組之間的無功功率合理分配或補(bǔ)償單元制接線主變壓器的電壓降，勵磁調(diào)節(jié)器附加無功調(diào)差功能。機(jī)組勵磁系統(tǒng)采用負(fù)調(diào)差，減小了機(jī)組與系統(tǒng)之間的聯(lián)系電抗，提高了高壓母線對系統(tǒng)電壓的支撐能力［3］。

調(diào)差系數(shù)即為發(fā)電機(jī)電壓調(diào)差特性的斜率δ，表示補(bǔ)償后的機(jī)端電壓隨每單位無功的變化量。由圖3 可見，對于通過升壓變并列運行的機(jī)組，為補(bǔ)償主變電抗壓降的影響，應(yīng)提供發(fā)電機(jī)端負(fù)的調(diào)差系數(shù)，使并列點的調(diào)差率仍滿足要求。

圖3 發(fā)電機(jī)調(diào)差特性曲線

以采用機(jī)組聯(lián)合單元接線方式（即一機(jī)一變，兩臺機(jī)組主變在高壓側(cè)聯(lián)合并網(wǎng)）的巨型水輪機(jī)組為例，主變短路阻抗是14.57%，原機(jī)組勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)為0，后機(jī)組勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)調(diào)整為-4%，機(jī)組并列點總的調(diào)差率為10.57%。若系統(tǒng)電壓升高，則表明系統(tǒng)無功過剩，此時發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功減少，因勵磁負(fù)的調(diào)差作用于降低發(fā)電機(jī)電壓，這樣就使發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功進(jìn)一步減少，進(jìn)一步抑制了系統(tǒng)電壓的升高。相反，如果發(fā)生系統(tǒng)電壓降低，負(fù)的勵磁調(diào)差功能進(jìn)一步提升發(fā)電機(jī)電壓，多發(fā)出無功，抑制母線電壓降低。勵磁系統(tǒng)調(diào)差參數(shù)優(yōu)化后，能夠充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)的無功電壓調(diào)節(jié)能力，無功負(fù)荷分配更加合理，發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)幅值范圍變大，系統(tǒng)電壓波動范圍幅值變小，改善了系統(tǒng)的電壓水平［4］。

2.3 注入式定子接地保護(hù)對勵磁系統(tǒng)AVR控制和無功閉環(huán)調(diào)節(jié)的影響

2.3.1 注入式定子接地保護(hù)對機(jī)端電壓的影響

隨著電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)單元容量的增大，發(fā)電機(jī)定子繞組對地電容也有所增加，從國外引進(jìn)的大型發(fā)電機(jī)中心點大多采用變壓器電阻接地方式。采用這種中心點接地方式的機(jī)組裝設(shè)定子接地保護(hù)［5］，并且有國內(nèi)三峽水電工程使用西門子公司的7UM62 型外加低頻交流電源型（100%）定子繞組接地保護(hù)的例子，為其他巨型水輪機(jī)組提供了成熟的運行經(jīng)驗。20 Hz 低頻電流電源型定子繞組單相接地保護(hù)能在機(jī)組開停機(jī)工況下都起到100%范圍內(nèi)無死區(qū)監(jiān)測發(fā)電機(jī)定子接地故障，同時也能反映定子繞組絕緣情況，起到對絕緣老化監(jiān)視的作用。但是，20 Hz 低頻電流電源型定子繞組單相接地保護(hù)裝置通過配電變壓器會在機(jī)端產(chǎn)生電壓幅值為發(fā)電機(jī)額定相電壓3%的低頻正弦波電壓。注入式定子接地保護(hù)原理如圖4所示，從發(fā)電機(jī)中性點注入一個頻率為20 Hz 的電壓。

圖4 注入式定子接地保護(hù)原理

20 Hz注入式定子接地保護(hù)近似等效電路如圖5所示。

圖5 20 Hz注入式定子接地保護(hù)近似等效電路

圖5中，RB為交流濾波器的電阻，電阻值為8 Ω；RL為負(fù)載內(nèi)阻，電阻值為1 Ω，U20Hz為20 Hz 發(fā)生器的電壓，電壓有效幅值為25 V；URL為20 Hz發(fā)生器在配電變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的電壓；U'g(20 Hz)為20 Hz發(fā)生器在配電變壓器一次側(cè)（機(jī)端）產(chǎn)生的相電壓。

設(shè)K為配電變壓器，變比為，那么20 Hz發(fā)生器在配電變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的電壓為

20 Hz發(fā)生器通過配電變壓器在一次側(cè)也就是機(jī)端產(chǎn)生的相電壓為

2.3.2 注入式定子接地保護(hù)對母線電壓測量計算和勵磁系統(tǒng)AVR控制的影響

對于主變壓器（勵磁變壓器同理），采用Ynd-11接線方式，如圖6所示。

圖6 主變壓器（勵磁變）接線方式

由于是從發(fā)電機(jī)中性點注入的對地電壓，因此，發(fā)電機(jī)三相對地電壓都疊加了U20Hz電壓，即U20Hz電壓是零序性質(zhì)的正弦波電壓，同時主變壓器低壓繞組是三角形接線，低壓繞組上的相電壓為線電壓，以A 相為例，高壓側(cè)相電壓uA為uA=n?(ua-uc)，低壓側(cè)相電壓（線電壓）uac為uac=(ua-uc)=0，U20Hz電壓在低壓側(cè)三角形接線中被抵消，所以主變壓器側(cè)高壓繞組中不反映20 Hz 頻率的電壓量，對母線電壓的測量計算基本無影響。同理，勵磁變壓器低壓側(cè)繞組中不反映20 Hz 頻率電壓量，那么也不會影響勵磁系統(tǒng)AVR調(diào)節(jié)控制。

2.3.3 注入式定子接地保護(hù)對機(jī)組無功閉環(huán)調(diào)節(jié)的影響

無功移相測量法在一個周期內(nèi)對三相電壓、三相電流均勻采樣，以基波周期為基準(zhǔn)，整周期采樣64點為例（因廠家生產(chǎn)的設(shè)備不同而不同），將當(dāng)前電壓采樣值乘以滯后16點（移相90度）的電流采樣值，得到瞬時無功功率值，整周波64 個瞬時功率做積分運算得到一個周期內(nèi)的平均無功功率，即

式中，j代表第j個采樣點；N代表一個周期的采樣點數(shù)，N/4代表1/4個周期。

從原理上講，該測量方法不存在理論誤差。但是，該方法的問題主要在于數(shù)字移相的適用性。

若被測信號機(jī)端電壓疊加了20 Hz 頻率的電壓U20Hz方波，則電壓信號的頻率會出現(xiàn)周期性偏差并影響整周波采樣，機(jī)組無功功率會產(chǎn)生失真、跳變。另外，如果信號中含有諧波時（電壓信號疊加U20Hz方波后電壓波形本身就已產(chǎn)生一定程度的失真），以3 次諧波為例，電流信號滯后16 點時實際移相為270 度，諧波無功測量將出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤。因此，90 度移相的無功測量法只適用于理想的純正弦基波信號的無功測量。當(dāng)測量的是單純的三相正弦信號時，可以通過控制采樣點數(shù)及其均勻的程度來實現(xiàn)精密的數(shù)字移相。但是如果被測信號不是嚴(yán)格的正弦波，而是含有諧波含量，則數(shù)字移相就要出現(xiàn)誤差。依據(jù)AVC 原理無功分配計算式（1），QACT是所有機(jī)組無功（Qg）的和，若Qg測量計算失真，不能正確反映機(jī)組無功，則會在機(jī)組無功閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)PID 脈沖調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)出現(xiàn)紊亂；若母線電壓（Us）測量計算失真，則會在電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)AVC 系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)出現(xiàn)紊亂，那么AVC 調(diào)節(jié)性能就會降低。

基于傅里葉變換的無功測量的基本思想是對被測回路的電壓信號、電流信號按基波頻率整周期均勻采樣，然后用一組正交三角函數(shù)（正弦量或者余弦量）對采樣值進(jìn)行正交分解，使用各分解值計算線路的各次無功功率，全波形的無功功率為各次無功功率之和，即

式中，i代表諧波次數(shù)；n=（采樣點數(shù)÷2）-1，當(dāng)64 點采樣時，n=31；Qi代表第i次諧波的無功功率。

根據(jù)式（5）可知，全波無功功率是基波頻率及以上的各次無功功率之和，頻率低于50 Hz 基波的次諧波無功功率被排除在外了（即20 Hz 頻率的電壓U20Hz方波不參與無功的計算，被完全濾除）。這種基于傅里葉變換的無功功率測量變送器，其4～20 mA 變送信號可以對應(yīng)全波無功功率，也可以通過參數(shù)整定對應(yīng)到基波無功功率，從而濾除各次諧波無功，使得無功閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠。某巨型水輪發(fā)電機(jī)組無功變送器采用全波無功功率計算后，無功閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)就基本與機(jī)組實際運行工況吻合，通過試驗，選擇合理的調(diào)節(jié)參數(shù)，AVC 調(diào)節(jié)性能提升效果很明顯，滿足調(diào)度側(cè)對AVC 調(diào)節(jié)性能的要求。

3 結(jié)論

某巨型水輪發(fā)電機(jī)組AVC 分析完善工作歷時3年多，分析了勵磁系統(tǒng)PSS反調(diào)、調(diào)差、網(wǎng)源協(xié)調(diào)、機(jī)組無功測量源、母線電壓測量源對AVC 的影響，同時進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)與勵磁系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合的參數(shù)試驗，確定了合理的調(diào)節(jié)參數(shù)，包括調(diào)壓系數(shù)、調(diào)節(jié)周期、脈寬、PID、電壓死區(qū)、無功死區(qū)等和勵磁系統(tǒng)各項限制與保護(hù)協(xié)調(diào)的配合關(guān)系，以及廠站側(cè)和調(diào)度側(cè)用于控制的母線電壓源的同源性。通過3 年多的分析完善AVC 工作，某巨型水輪發(fā)電機(jī)組AVC控制調(diào)節(jié)性能滿足相關(guān)部門的技術(shù)要求，取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。