李 玉 齊, 支 曉 晨, 邱 文 俊, 張 順 仁, 朱 琦 文, 李 超

(上海明華電力科技有限公司,上海 200090)

0 引 言

AVC技術(shù)是在確保電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的前提下,提升電網(wǎng)電能質(zhì)量的有效手段。電廠通過AVC調(diào)節(jié)滿足調(diào)度的要求,獲得相應(yīng)的考核獎勵,并對電網(wǎng)提供強有力的支撐。抽水蓄能電站方面,抽蓄電站與常規(guī)電站相比,優(yōu)勢顯著[1]:抽蓄機組啟動與工況轉(zhuǎn)換速度快,能在較短時間內(nèi)達到所需工況;抽蓄機組在發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相、抽水等工況均能有效調(diào)節(jié)機組電壓。抽蓄電站在電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)事故備用、調(diào)頻、調(diào)峰,以及黑啟動等作用,有效利用抽蓄機組在無功調(diào)節(jié)方面的能力優(yōu)勢,可確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,進一步提升電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量、無功平衡與經(jīng)濟性等。在我國電網(wǎng)系統(tǒng)光伏、風(fēng)電等新能源接入比例與日俱增的情況下,抽蓄電站在維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面有著不可或缺的地位。

電網(wǎng)廠站端建立適合抽蓄機組的AVC子站系統(tǒng)且配置完備的無功/電壓調(diào)節(jié)能力,實現(xiàn)抽蓄多機組、多工況條件下的無功/電壓自動控制,對支撐電網(wǎng)電壓穩(wěn)定和提高電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)能力具有重要實際意義。

1 廠站端AVC子站控制原理

廠站端AVC子站系統(tǒng)接收電網(wǎng)調(diào)度AVC主站下發(fā)的出口母線電壓/無功指令,按一定的無功控制策略[2]把總無功功率合理分配給各機組,機組通過勵磁系統(tǒng)(Automatic Voltage Regulator,簡稱AVR)調(diào)節(jié)勵磁,實現(xiàn)母線電壓的自動控制。

廠站AVC 子站系統(tǒng)采用串級控制、漸次逼近的控制方法,通過多次輪循采樣進行無功調(diào)節(jié)的方式,最終達到目標值。按調(diào)度下發(fā)的母線電壓/無功調(diào)整指令,廠站端AVC子站主要控制過程原理[3]AVC子站控制原理結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 AVC子站控制原理結(jié)構(gòu)圖

按電網(wǎng)調(diào)度AVC主站下發(fā)的出口母線電壓/無功調(diào)節(jié)指令的順序執(zhí)行,廠站端AVC 子站控制系統(tǒng)的整個控制過程主要分三個環(huán)節(jié)實現(xiàn)[4]:

(1)出口母線電壓目標轉(zhuǎn)換至總無功目標指令。電網(wǎng)調(diào)度AVC主站下發(fā)的出口母線電壓目標值Ug為閉環(huán)調(diào)節(jié)回路中廠站出口母線電壓的目標值。出口母線電壓目標值Ug與負反饋量(受控母線BUS電壓實測值Uc)作差的電壓偏差量 ΔU,作為出口母線電壓相應(yīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)回路的輸入,廠站內(nèi)總無功目標指令值Qt由該輸入經(jīng)電壓/無功轉(zhuǎn)換所得。

(3)執(zhí)行單機組無功目標指令。給定單機組無功調(diào)節(jié)指令Qi,在單機組無功閉環(huán)調(diào)節(jié)回路中Qi與機組無功實測值Qri作差,得到單機組無功閉環(huán)調(diào)節(jié)回路的輸入量。并將該差值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)增磁、減脈沖信號下發(fā)至AVR調(diào)節(jié)機組無功出力,以改變機組的機端電壓值,間接改變受控母線BUS電壓值,達到調(diào)節(jié)母線電壓的目的。

2 廠站端AVC系統(tǒng)控制策略

2.1 全廠站目標總無功計算

根據(jù)文獻[5],廠站AVC子站系統(tǒng)按電網(wǎng)調(diào)度AVC主站所下發(fā)電壓目標值與廠站實際出口母線電壓的差值進行無功分配,計算如下:

Qreal-Qm∑=Kf×ΔV

(1)

式中:Qreal為廠站端全廠實發(fā)無功;ΔV為電網(wǎng)調(diào)度AVC主站下發(fā)電壓目標值與廠站出口母線電壓的差值;Kf為調(diào)壓系數(shù);Qm∑為維持母線電壓所需總無功功率。

2.2 機組無功分配策略

發(fā)電廠站端機組數(shù)量一般大于1,AVC子站系統(tǒng)作為全廠無功調(diào)節(jié)中心,需按無功分配策略輸出調(diào)節(jié)指令至各機組。AVC子站無功分配策略主要有等功率因數(shù)分配、等無功容量分配、等無功裕度分配和平均分配四種。四種無功分配策略如下:

(1)等功率因數(shù)分配策略。等功率因數(shù)以功率因數(shù)相同為原則分配無功至各受控機組,各受控機組無功分配量與其有功出力存在線性關(guān)系,調(diào)節(jié)至各受控機組無功上、下極限范圍內(nèi)。已知各受控機組當前有功與全廠站無功目標值,按無功分配策略調(diào)節(jié)完成后全廠站總功率因數(shù)如下:

(2)

(3)

式中:Qi為分配至第i臺受控機組無功目標值。

用等功率因數(shù)分配策略,可使各機組之間內(nèi)部環(huán)流減少,產(chǎn)生的功率損耗相對減少。

(2)等無功裕度分配策略。等無功裕度分配是根據(jù)各受控機組的無功裕度大小進行無功分配。

1)若調(diào)度下發(fā)電壓目標值高于出口母線電壓,即要求各受控機組增加無功出力,其大小根據(jù)各受控機組的無功容量大小進行分配。各受控機組所分配無功:

(4)

2)若調(diào)度下發(fā)電壓目標值低于出口母線電壓,即要求各受控機組減少無功出力,其大小根據(jù)各受控機組的無功容量大小進行分配。各受控機組所分配無功:

(5)

式中:n為參與無功調(diào)節(jié)受控機組臺數(shù);Qi為分配至第i臺受控機組的無功目標值;Qm∑為待分配無功功率;QGi為第i臺機組實際無功出力;Qimin為第i臺受控機組無功下限;Qimax為第i臺受控機組無功上限。

(3)等無功容量分配策略。等無功容量分配,是根據(jù)各受控機組的無功容量大小進行無功分配,以確保各受控機組無功容量與所分配的無功大小成線性關(guān)系:

(6)

式中:n為參與無功調(diào)節(jié)受控機組臺數(shù);Qm∑為待分配無功功率;Qimax為第i臺機組最大無功容量;Qi為分配至第i臺受控機組的無功目標值。

(4)平均分配策略。平均分配是把全廠總無功平均地分配給參與無功分配的各受控機組。

(7)

式中:Qm∑為待分配無功功率;n為參與無功調(diào)節(jié)受控機組臺數(shù);Qi為分配至第i臺受控機組無功目標值。

廠站端AVC系統(tǒng)響應(yīng)調(diào)度/電站層下發(fā)的控制指令(如恒母線電壓、恒無功、電壓曲線),計算該指令與實際測量值的偏差得出廠站端電壓/無功目標值,再由AVC無功分配策略分配至各受控機組。無論采用哪種無功分配策略,在分配無功時均應(yīng)保證:1)各機組穩(wěn)定運行為前提;2)各受控機組應(yīng)盡可能同步調(diào)節(jié),能保持一定的調(diào)節(jié)裕度;3)機組機端電壓不超過安全極限范圍。

上述四種無功分配策略,不同廠站適用的策略不盡相同。其中,抽水蓄能電站機組具有發(fā)電調(diào)相、發(fā)電、抽水調(diào)相、抽水共四種工況,機組在這四種工況下,均可吸收無功降低電網(wǎng)電壓;也可以發(fā)出無功,提高電網(wǎng)電壓,以達到調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。不同廠站適用的無功分配策略見表1。

表1 不同廠站適用的無功分配策略

采用抽蓄機組調(diào)節(jié)無功時,應(yīng)優(yōu)先采用發(fā)電(或抽水)工況進相(或滯相)運行的方式,次之考慮調(diào)相方式[6]。當抽蓄機組不發(fā)電(或抽水)的時候,使用抽蓄機組在調(diào)相(如發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相)工況下調(diào)節(jié)無功,是一種有效簡便的電壓調(diào)控方法。調(diào)相運行會導(dǎo)致電能損耗增加,應(yīng)注意使用方法:盡量減少調(diào)相運行持續(xù)時間;優(yōu)先采用發(fā)電調(diào)相,其次采用抽水調(diào)相。

盡管抽蓄機組在發(fā)電調(diào)相、發(fā)電、抽水調(diào)相、抽水這四種工況下均可吸收(或發(fā)出)無功來調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓,但受控機組在各工況下無功調(diào)節(jié)能力隨受控機組的運行特性而異,因而廠站端AVC子站系統(tǒng)進行無功分配應(yīng)充分考慮機組P-Q曲線限制。

2.3 AVC系統(tǒng)控制方式與控制模式

2.3.1 AVC系統(tǒng)控制方式

AVC系統(tǒng)控制方式主要分遠方/現(xiàn)地方式,以及AVC定值/曲線方式兩種。

(1)AVC遠方/現(xiàn)地方式。廠站AVC子站系統(tǒng)將機組所分配無功下發(fā)至AVR,由AVC 遠方(閉環(huán))/現(xiàn)地(開環(huán))決定。閉環(huán)方式下,機組無功分配指令自動下發(fā)至AVR調(diào)節(jié)無功;開環(huán)方式下,機組無功分配指令僅在監(jiān)控顯示,但未出口下發(fā)至機組AVR[7]。

廠站AVC 子站系統(tǒng)處于現(xiàn)地方式時,運行人員在AVC監(jiān)控設(shè)定電壓/無功設(shè)定值,此時閉鎖調(diào)度下發(fā)電壓/無功設(shè)定值。廠站AVC 子站系統(tǒng)處于遠方方式時,電壓/無功設(shè)定值由調(diào)度通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)下發(fā),此時閉鎖廠站的電壓/無功設(shè)定值[8]。調(diào)度AVC 主站實時向廠站端AVC 子站上位機下發(fā)廠站出口母線電壓/無功目標值,AVC子站上位機根據(jù)該電壓/無功目標值計算各機組無功出力,下發(fā)至AVC子站下位機,再由AVC子站下位機通過分散控制系統(tǒng)(distributed control systems,簡稱DCS)或抽蓄的現(xiàn)地控制單元(Remote Terminal Unit,簡稱LCU)向機組的AVR發(fā)送增磁、減磁脈沖信號以調(diào)節(jié)機組無功出力。最終使廠站出口母線電壓或機組無功出力趨近目標值,廠站AVC 子站與調(diào)度AVC 主站通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)形成閉環(huán)控制。

(2)AVC定值/曲線方式。AVC 定值/曲線方式,即:廠站AVC 系統(tǒng)在定值方式時,廠站AVC系統(tǒng)的遠方(或現(xiàn)地)方式?jīng)Q定電壓/無功設(shè)定值。若廠站AVC 系統(tǒng)處于遠方方式,則由調(diào)度AVC主站下發(fā)廠站電壓/無功設(shè)定值;若廠站AVC 系統(tǒng)在現(xiàn)地方式,則在廠站AVC 系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)定電壓/無功設(shè)定值。

廠站AVC 系統(tǒng)處于曲線方式時,由當日當前時刻的電壓曲線值決定電壓/無功設(shè)定值。今日、明日電壓曲線,可由廠站運行人員手動設(shè)定或調(diào)度AVC主站經(jīng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)下發(fā)。在零點時刻,監(jiān)控明日曲線將自動覆蓋今日曲線。

2.3.2 AVC系統(tǒng)控制模式

廠站端AVC子站系統(tǒng)分兩種模式控制廠站無功出力,即單機控制模式和全廠控制模式。

在單機控制模式時,廠站AVC 子站系統(tǒng)接收調(diào)度AVC主站下發(fā)至各受控機組的無功目標值,AVC 系統(tǒng)通過DCS 系統(tǒng)(或LCU,水電、抽蓄是LCU)或直接向機組AVR 發(fā)送增磁、減磁脈沖信號以調(diào)節(jié)機組無功出力,最終使各受控機組的無功出力趨近或達到下發(fā)的目標值。

在全廠控制模式時,廠站AVC 子站系統(tǒng)接收調(diào)度AVC 主站下發(fā)的廠站出口母線電壓/無功目標值,計算廠站出口的總無功,將該無功按無功分配策略合理分配給各受控機組。廠站AVC 子站系統(tǒng)經(jīng)DCS(或LCU)或直接向機組AVR發(fā)送增磁、減磁信號以調(diào)節(jié)機組無功出力,使廠站出口母線電壓趨近或達到下發(fā)的目標值,實現(xiàn)全廠站多機組電壓/無功自動控制。

3 廠站端AVC動態(tài)與聯(lián)調(diào)

開展廠站端AVC動態(tài)與聯(lián)調(diào)試驗,先對安全約束功能進行設(shè)計,再通過AVC動態(tài)與聯(lián)調(diào)試驗驗證各項安全約束功能與配置是否正確有效以及無功控制策略是否能正確有效響應(yīng)調(diào)度調(diào)控。

3.1 安全約束功能設(shè)計

機組進行AVC動態(tài)與聯(lián)調(diào),需進行相關(guān)安全約束功能設(shè)計。廠站端AVC子站系統(tǒng)安全與約束功能如下:

(1)AVC子站應(yīng)設(shè)置廠用電壓、機端電壓、母線/出口母線電壓,以及機組無功等單向閉鎖值。當運行數(shù)據(jù)越單向閉鎖值時,AVC子站應(yīng)閉鎖該方向的調(diào)控功能。

(2)AVC子站應(yīng)對廠用母線電壓、機端電壓、母線/出口母線電壓,以及機組無功等設(shè)置單向反調(diào)值。當運行數(shù)據(jù)越過單向反調(diào)值時,AVC子站應(yīng)反向調(diào)控至實時運行數(shù)據(jù)拉回該方向閉鎖值內(nèi)。

(3)AVC子站應(yīng)對機端電流、機組有功等設(shè)置雙向閉鎖值,當實時運行數(shù)據(jù)越過雙向閉鎖值之一時,AVC子站應(yīng)雙向閉鎖調(diào)控功能。

(4)AVC子站應(yīng)設(shè)置廠用電壓、母線/出口母線電壓、機端電壓、機端電流、機組有功、機組無功有效值,當運行數(shù)據(jù)越過有效值時,AVC子站應(yīng)自動退出并報警。

反調(diào)限值范圍應(yīng)大于閉鎖限值,兩者差值稱為閉鎖反調(diào)死區(qū)(記為ξ,ξ>0)。應(yīng)注意在電氣量越限反調(diào)時,需設(shè)置閉鎖死區(qū)、反調(diào)死區(qū),以防廠站端AVC子站系統(tǒng)反復(fù)震蕩調(diào)節(jié)。當所測量電氣量越過低限值時,AVC 應(yīng)可靠減磁閉鎖;當所測量電氣量越過高限值時,AVC 應(yīng)可靠增磁閉鎖。記廠用母線電壓,母線/出口母線電壓、機端電壓,機組無功對應(yīng)的高閉鎖值為Xmax,對應(yīng)的低閉鎖值為Xmin,對應(yīng)的實測值為Xreal[9],則有:

1)當實測電氣量達到高限值時,AVC 應(yīng)可靠增磁閉鎖,同時輸出減磁脈沖進行反向調(diào)節(jié)。其中:

高閉鎖條件:

Xreal≥Xmax

高反調(diào)條件:

Xreal≥Xmax+ξ

2)當實測電氣量達到低限邊際時,AVC 應(yīng)可靠減磁閉鎖,同時輸出增磁脈沖進行反向調(diào)節(jié)。其中:

低閉鎖條件:

Xreal≤Xmin

低反調(diào)條件:

Xreal≤Xmin-ξ

當某臺受控機組的電氣量出現(xiàn)越限閉鎖反調(diào)時,應(yīng)考慮閉鎖反調(diào)后機組的無功出力。并將該無功出力從廠站總無功調(diào)控目標中剔除后,將目標無功分配至其他受控機組,其他受控機組按既定無功調(diào)控策略調(diào)節(jié)無功,分擔(dān)該臺機組的無功缺口。

由工程現(xiàn)場運行經(jīng)驗可知,常見的電氣量異常情況有:所采集模擬量數(shù)據(jù)過小或過大,數(shù)據(jù)間差距超出合理范圍,以及勵磁狀態(tài)異常等。針對異常情況設(shè)定相應(yīng)閉鎖值,采取相應(yīng)調(diào)控措施:主要有單向閉鎖、雙向閉鎖、越限反調(diào)、自動退出等調(diào)控措施。具體歸納為:

①自動閉鎖。實時運行數(shù)據(jù)越過其限值范圍,廠站AVC子站受控機組應(yīng)自動閉鎖調(diào)節(jié),且單向閉鎖、雙向閉鎖均可在數(shù)據(jù)恢復(fù)正常后自動復(fù)歸。AVC自動閉鎖見表2。

表2 AVC自動閉鎖

②自動反調(diào)。實時運行數(shù)據(jù)越過其反調(diào)值范圍,AVC子站應(yīng)自動啟動反調(diào)功能,直至將運行數(shù)據(jù)反調(diào)至閉鎖限值以內(nèi)時停止反調(diào)。AVC自動反調(diào)見表3。

表3 AVC自動反調(diào)

③自動退出。在AVC子站檢測到AVR異?；蚱渌畔⒎贤顺鯝VC 時,為保護系統(tǒng)安全需強制退出AVC功能。AVC子站發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)部故障;實時運行數(shù)據(jù)出現(xiàn)連續(xù)三個數(shù)據(jù)刷新周期超出數(shù)據(jù)有效范圍或不刷新;出現(xiàn)AVR異常信號時,廠站AVC子站相應(yīng)受控機組AVC調(diào)節(jié)應(yīng)自動退出并告警。AVC自動退出見表4。

表4 AVC自動退出

3.2 廠站端AVC動態(tài)與聯(lián)調(diào)調(diào)試

廠站端AVC動態(tài)與聯(lián)調(diào)調(diào)試,主要分廠站端AVC動態(tài)試驗與AVC子站廠站內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗兩部分。

3.2.1 廠站端AVC動態(tài)試驗

根據(jù)文獻[10],動態(tài)試驗有開環(huán)動態(tài)試驗與動態(tài)閉環(huán)試驗。

(1)開環(huán)動態(tài)試驗。在AVC子站系統(tǒng)裝置的出口壓板未投入情況下,通過參數(shù)設(shè)置驗證各種異常工況時,AVC控制邏輯、裝置閉鎖功能是否正確有效。其中,AVC調(diào)控功能試驗如母線電壓與母線電壓的偏差與死區(qū)范圍、AVC指令越限、AVC指令超步長等;AVC限制功能試驗如母線電壓、無功功率、機端電壓、廠用母線電壓高閉鎖與低閉鎖,有功功率、機端電流雙向閉鎖等。

(2)閉環(huán)動態(tài)試驗。在廠站AVC子站系統(tǒng)裝置的出口壓板投入情況下,通過AVC調(diào)控速度整定試驗,獲取機組AVR無功調(diào)節(jié)響應(yīng)數(shù)據(jù),以確定AVC子站輸出控制的相關(guān)基本參數(shù),計算增磁、減磁脈沖對無功的影響變動量,機組狀態(tài)趨穩(wěn)時間。據(jù)此提出設(shè)置AVC脈沖間隔、LCU(或DCS)輸出增磁、減磁脈寬的合理建議,供廠站AVC子站裝置參數(shù)整定。

機組AVC動態(tài)調(diào)試試驗,確認廠站端AVC子站是否具備廠站內(nèi)聯(lián)合調(diào)試的試驗條件。

3.2.2 AVC子站廠站內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗

AVC子站廠站內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗是保障電網(wǎng)廠站端AVC子站運行策略完整、可控能控、符合調(diào)度技術(shù)要求的重要有效手段。

通過廠站端機組無功分配策略試驗,確認AVC子站四種無功控制策略是否有效,分配目標及控制過程是否正確。根據(jù)不同無功控制策略確認受控機組無功協(xié)調(diào)能力,AVC子站能可靠響應(yīng)且跟隨電網(wǎng)調(diào)度AVC主站的運行計劃曲線;通過AVC子站就地閉環(huán)運行試驗,確認AVC調(diào)控能力是否滿足要求,調(diào)控過程是否正確。完成AVC子站廠站內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗,AVC子站無功控制策略有效,且能正確響應(yīng)調(diào)度AVC主站的調(diào)控指令。

4 結(jié) 語

根據(jù)AVC技術(shù)現(xiàn)有理論與現(xiàn)場工程技術(shù)經(jīng)驗,對自動電壓控制技術(shù)無功分配策略總結(jié),并設(shè)計安全約束功能。在工程應(yīng)用方面為廠站端AVC子站無功分配策略、安全約束功能設(shè)計,以及AVC動態(tài)與AVC聯(lián)調(diào)試驗提供了參考。抽水蓄能電站是支撐電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的有效途徑,是支撐可再生能源、新能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障。抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃裝機容量倍增,將推動我國抽水蓄能事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。未來強化自動電壓控制技術(shù)在抽水蓄能電站領(lǐng)域的研究,對在全國各區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度開展自動電壓控制規(guī)范化應(yīng)用具有重要意義。