陳國青

（廣西廣投橋鞏能源發(fā)展有限公司，廣西 來賓 546503）

0 引言

調(diào)頻輔助服務(wù)是指發(fā)電機(jī)二次調(diào)頻備用中能夠通過自動(dòng)發(fā)電控制裝置（AGC）自動(dòng)響應(yīng)區(qū)域控制偏差（ACE）按照一定調(diào)節(jié)速率實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電出力，滿足ACE控制要求的服務(wù)，其調(diào)節(jié)效果通過調(diào)頻里程衡量[1]。橋鞏水電廠位于紅水河下游廣西壯族自治區(qū)來賓市遷江鎮(zhèn)境內(nèi)，為紅水河十級(jí)梯級(jí)水電站中的第九級(jí)，安裝了8臺(tái)單機(jī)容量為57 MW和1臺(tái)24 MW的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為480 MW，屬于大型燈泡貫流式機(jī)組。根據(jù)《南方區(qū)域電力并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》中“單機(jī)容量20萬kW及以上火電機(jī)組、單機(jī)容量4萬kW及以上非徑流水電機(jī)組和全廠容量10萬kW及以上水電機(jī)組應(yīng)具有自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）功能。”規(guī)定，橋鞏電廠從2020年12月底完成AGC相關(guān)試驗(yàn)并開始按照《南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場試運(yùn)行方案》要求，參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場。本文以橋鞏電廠為例，對參與調(diào)頻輔助市場后運(yùn)行情況進(jìn)行分析，并給出優(yōu)化建議，為機(jī)組安全穩(wěn)定調(diào)控運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 AGC考核分析

1.1 技術(shù)要求

自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）主要任務(wù)是在滿足電力系統(tǒng)及水電廠和機(jī)組運(yùn)行安全約束條件的前提下，以安全、迅速、經(jīng)濟(jì)的方式自動(dòng)控制水電廠的有功功率，滿足系統(tǒng)對電站的發(fā)電需求，實(shí)現(xiàn)水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[2，3]。在《南方區(qū)域電力并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》中要求，水電機(jī)組AGC的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于20 s；常規(guī)水電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率為額定容量的20%/min；AGC調(diào)節(jié)精度不超過1%；在《南方電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控（AGC）技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了更細(xì)致的技術(shù)要求，可調(diào)容量宜為額定容量的80%以上，一般不應(yīng)小于額定容量的60%；響應(yīng)速率為額定容量的20%/min以上；調(diào)節(jié)的響應(yīng)延時(shí)和反向延時(shí)時(shí)間都不應(yīng)該大于30 s；AGC調(diào)節(jié)精度要求靜態(tài)偏差不應(yīng)大于1%。動(dòng)態(tài)偏差不應(yīng)大于5%[4-6]。

1.2 電廠AGC試驗(yàn)情況

橋鞏電廠于2020年9月左右開展了AGC相關(guān)試驗(yàn)，主要進(jìn)行了單機(jī)、多機(jī)AGC現(xiàn)地閉環(huán)性能測試，AGC與一次調(diào)頻聯(lián)合測試和單機(jī)、多機(jī)AGC調(diào)度閉環(huán)性能測試等試驗(yàn)，限于篇幅，只列出部分機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2。

表2 6號(hào)機(jī)組反向延時(shí)測試記錄表

試驗(yàn)結(jié)果表明，其中2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、8號(hào)機(jī)調(diào)節(jié)速率達(dá)到《南方電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）技術(shù)規(guī)范》建議增減負(fù)荷的調(diào)節(jié)速率為額定容量的50%/min以上要求，其他機(jī)組的安全、控制邏輯功能與性能指標(biāo)均滿足《南方電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）技術(shù)規(guī)范》要求。

圖1 6號(hào)機(jī)組AGC大負(fù)荷階躍測試曲線

圖2 6號(hào)機(jī)組一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)控制曲線

1.3 AGC考核分析

根據(jù)AGC試驗(yàn)結(jié)果可以看出，橋鞏電廠AGC的三大性能指標(biāo)即調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)時(shí)間，均能滿足《南方區(qū)域電力并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》要求，但是在AGC實(shí)際投運(yùn)后卻經(jīng)常遭“兩個(gè)細(xì)則”系統(tǒng)考核，特別是調(diào)節(jié)速率不合格次數(shù)居多。表3是2023年7月其中1個(gè)星期橋鞏電廠全廠AGC合格率情況統(tǒng)計(jì)。根據(jù)南方電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”技術(shù)支持系統(tǒng)中有關(guān)考核算法介紹可知，考核系統(tǒng)根據(jù)PLC調(diào)節(jié)指令記錄文件去獲取調(diào)節(jié)起始時(shí)刻的有功值P0和目標(biāo)出力Pe,然后根據(jù)P0和Pe判斷是升出力還是降出力，并記錄調(diào)節(jié)起始時(shí)刻t0[8]。以15 min為一個(gè)時(shí)段，一個(gè)時(shí)段存在多條指令，則取調(diào)節(jié)幅度大的指令評價(jià)，如果調(diào)節(jié)幅度一致，則取時(shí)間晚的指令。

表3 AGC合格率統(tǒng)計(jì)表

第一步：計(jì)算出理論的響應(yīng)死區(qū)值和調(diào)節(jié)死區(qū)值。

式（1）和式（2）中Splc為機(jī)組額定容量。

第二步：計(jì)算出理論調(diào)節(jié)時(shí)間。

第三步：理論調(diào)節(jié)完成時(shí)間。

第四步：計(jì)算響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度。

響應(yīng)時(shí)間是指AGC系統(tǒng)發(fā)出指令之后，機(jī)組出力在原出力的基礎(chǔ)上，可靠地跨出與指令方向一致的響應(yīng)死去所用時(shí)間。計(jì)算公式：

調(diào)節(jié)速率是指機(jī)組在AGC指令方向，出力越過響應(yīng)死區(qū)到進(jìn)入調(diào)節(jié)死區(qū)這段時(shí)間的速率。計(jì)算公式為:

調(diào)節(jié)精度是指機(jī)組實(shí)際出力和目標(biāo)值的誤差與開機(jī)機(jī)組容量的百分比。這里要分為兩種情況，第一種情況：在理論調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)實(shí)際出力到達(dá)調(diào)節(jié)死區(qū)，如圖3所示。計(jì)算公式為：

圖3 理論調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)完成調(diào)節(jié)

第二種情況：在理論調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)實(shí)際出力未到達(dá)調(diào)節(jié)死區(qū)，如圖4所示。計(jì)算公式為：

圖4 理論調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)未完成調(diào)節(jié)

圖5 3號(hào)機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)鋼珠破碎

圖6 8號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸螺栓及銷釘發(fā)生松動(dòng)斷裂

以橋鞏電廠分析為例，監(jiān)控調(diào)節(jié)死區(qū)為0.8 MW左右，按上述公式計(jì)算考核系統(tǒng)調(diào)節(jié)死區(qū)為0.5 MW左右。當(dāng)現(xiàn)地上位機(jī)監(jiān)控已經(jīng)調(diào)節(jié)結(jié)束，但是由于未到達(dá)考核系統(tǒng)的調(diào)節(jié)死區(qū)，考核系統(tǒng)程序就會(huì)認(rèn)為調(diào)節(jié)還在繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致計(jì)算得出的調(diào)節(jié)結(jié)束時(shí)間遠(yuǎn)滯后于實(shí)際結(jié)束時(shí)間,從而使計(jì)算得出的調(diào)節(jié)速率遠(yuǎn)小于實(shí)際調(diào)節(jié)速率。同時(shí)因采取的控制策略不同，AGC調(diào)節(jié)還受到一次調(diào)頻的影響，在開度模式下，當(dāng)機(jī)組同時(shí)接到一次調(diào)頻功能指令與AGC指令時(shí)，按照南網(wǎng)調(diào)度規(guī)定，電廠一次調(diào)頻和AGC功能應(yīng)協(xié)調(diào)配合，互不影響，出力變化應(yīng)該是二者疊加的效果，如果機(jī)組調(diào)速機(jī)構(gòu)不能同時(shí)執(zhí)行一次調(diào)頻和AGC功能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)量疊加，AGC指令優(yōu)先動(dòng)作，在AGC執(zhí)行該指令到位后出現(xiàn)一次調(diào)頻復(fù)歸動(dòng)作，監(jiān)控會(huì)將負(fù)荷調(diào)整至AGC目標(biāo)值，這個(gè)過程也將影響AGC考核指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 參與調(diào)頻輔助市場對機(jī)組運(yùn)行影響

2.1 中標(biāo)后調(diào)節(jié)頻次大幅增加

參與調(diào)頻輔助市場后，機(jī)組中標(biāo)次數(shù)較多，每次中標(biāo)后機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)比較大，調(diào)節(jié)頻繁，來回穿越機(jī)組振動(dòng)區(qū)運(yùn)行。從表4中可以看出，中標(biāo)后單日單時(shí)段調(diào)頻里程最大可達(dá)1 414 MW，單日AGC動(dòng)作次數(shù)達(dá)1 219次，而之前未投入AGC運(yùn)行時(shí)，機(jī)組當(dāng)日負(fù)荷變動(dòng)僅18次。后期橋鞏電廠改變策略，調(diào)高中標(biāo)價(jià)格到最高價(jià)格，盡量減少中標(biāo)次數(shù)，但是如果當(dāng)運(yùn)行日出現(xiàn)因電力平衡緊張、斷面約束矛盾嚴(yán)重等影響調(diào)頻市場正常出清的情況，市場運(yùn)營機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)備用等情況采取調(diào)用未中標(biāo)發(fā)電單元等措施，未中標(biāo)電廠仍然會(huì)參與調(diào)節(jié)。

表4 橋鞏電廠參與調(diào)頻輔助市場前后當(dāng)日AGC動(dòng)作次數(shù)對比表

2.2 對機(jī)組主機(jī)設(shè)備影響

機(jī)組頻繁參與AGC調(diào)節(jié)對水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)各部套產(chǎn)生了較大影響，主要表現(xiàn)為以下三個(gè)方面，一是活動(dòng)部件軸承磨損加快（導(dǎo)葉軸承，連桿軸承，接力器軸承，葉片軸承，葉片傳動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承，受油器軸承等），軸承磨損后，間隙增大會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)、擺度增加，加劇機(jī)組的損傷；二是貫流機(jī)組通常為臥式結(jié)構(gòu)，軸承受力狀態(tài)較差，同時(shí)雙調(diào)（槳葉、導(dǎo)葉）運(yùn)行，AGC運(yùn)行導(dǎo)致機(jī)組損傷的風(fēng)險(xiǎn)較常規(guī)機(jī)組（混流）大很多，容易導(dǎo)致緊固部件松動(dòng)，加速轉(zhuǎn)動(dòng)部件的疲勞損壞；三是機(jī)組負(fù)荷頻繁調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的熱循環(huán)將加速定子線棒絕緣的老化，尤其對貫流機(jī)組，發(fā)電機(jī)冷卻的均勻性比立式機(jī)組差，普遍存在局部溫度高的現(xiàn)象，縮短了定子繞組的使用壽命，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件緊固件的松動(dòng)，可能會(huì)造成定子線棒損傷。

橋鞏電廠參與調(diào)頻輔助市場一段時(shí)間出現(xiàn)了一系列問題，在檢修期發(fā)現(xiàn)1號(hào)、5號(hào)、6號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪部件均發(fā)現(xiàn)裂紋；3號(hào)、8號(hào)機(jī)組連軸螺栓斷裂；3號(hào)、4號(hào)、7號(hào)機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)控制環(huán)偏磨及操作卡組。

2.3 原因分析

機(jī)組運(yùn)行水頭變動(dòng)較大，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行效率會(huì)在最優(yōu)工況到最惡劣工況之間變化，尤其是在主汛期，受到上游水庫的汛限水位和下游泄洪導(dǎo)致水位太高的雙重影響，偏離額定工況運(yùn)行，機(jī)組振動(dòng)嚴(yán)重。

過度穩(wěn)定性差。貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，通常為立式機(jī)組的30%~50%，因此在外部機(jī)械的阻力發(fā)生改變時(shí)，將直接對機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度造成影響，即不同種類的機(jī)組受到同一個(gè)外部擾動(dòng)時(shí)，貫流式機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量偏小，而調(diào)整的變量要比其他機(jī)組大?？蓞⒖脊剑?/p>

其中P為載荷大小，M為部件質(zhì)量，θ為載荷頻率。

動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)振動(dòng)大。因?yàn)槠湔w“懸浮”在過水流道上，燈泡體受到水的浮力、沖力及水錘、漩渦等流水產(chǎn)生的壓力，并且在不同的生產(chǎn)工況下還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械扭矩、電磁力、正向反向的水推力作用，易形成較大的水力振動(dòng)和機(jī)組振動(dòng)。

3 結(jié)語

（1）針對大型燈泡貫流式機(jī)組參與AGC調(diào)節(jié)后頻繁被考核情況，橋鞏電廠可以優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)程序，比如適當(dāng)改變監(jiān)控調(diào)節(jié)死區(qū)，使其與考核系統(tǒng)上調(diào)節(jié)死區(qū)保持一致；對于因一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸引起AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)不合格情況，可以在監(jiān)控上做一個(gè)一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸延時(shí)判斷指令，超過該時(shí)間，監(jiān)控才會(huì)開始將負(fù)荷調(diào)整至AGC目標(biāo)值，防止因一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸引起AGC調(diào)節(jié)被考核。

（2）大型燈泡貫流式機(jī)組不應(yīng)當(dāng)作持續(xù)的負(fù)荷調(diào)節(jié)，在運(yùn)行的過程中應(yīng)盡量避免此種類型的機(jī)組進(jìn)行長時(shí)間的參與到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)化控制中，建議退出輔助調(diào)頻市場。