碗米坡水電廠AGC控制策略改進

胡曉陽,龔傳利

(1.湖南五凌電力有限公司,湖南長沙410007；2北京中水科水電科技開發(fā)有限公司,北京100038)

0 引言

自動發(fā)電控制(簡稱AGC)是現(xiàn)代化水電廠必備功能，水電機組啟停和調(diào)節(jié)速度快的特性，使水電廠AGC在電力系統(tǒng)調(diào)峰中擔任更為重要的角色。但水電機組參與AGC運行后由于負荷調(diào)節(jié)過于頻繁導致機組磨損嚴重，如何減少機組磨損、提高水電廠運行效率是完善合理的AGC控制策略需要優(yōu)先考慮的內(nèi)容。

碗米坡水電廠裝機容量為240MW，單機80MW，電廠AGC功能于2005年12月正式投運參與湖南省調(diào)調(diào)節(jié)，在運行過程中由于機組在參與調(diào)節(jié)的過程中頻繁跨越振動區(qū)，出現(xiàn)調(diào)速環(huán)抗磨塊磨損嚴重、真空破壞閥故障、導葉套筒漏水、調(diào)速系滲漏點增多等問題，對機電設備安全運行影響較大,同時，部分機組為了躲避振動區(qū)，長時間處于低效率區(qū)運行,耗水率明顯增加。除此之外，因負荷分配需避開機組振動區(qū)和氣蝕區(qū)，AGC調(diào)節(jié)精度和速率達不到考核要求，受到調(diào)度考核，影響了電廠的效益。

針對上述問題，碗米坡電廠通過成立研發(fā)小組，深入研究AGC調(diào)功策略,多方咨詢、溝通，并通過對AGC調(diào)功策略優(yōu)化調(diào)整，有效地解決了長期存在的機組效率不高、AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)較差等問題，提高了機組的運行效率并避免了調(diào)度的考核，實現(xiàn)了電廠與電網(wǎng)的雙贏。

1 改造前AGC系統(tǒng)的基本情況

1.1 調(diào)功策略

碗米坡水電廠AGC投運初期所設定的AGC功能策略如下:

(1)AGC負荷分配原則

AGC軟件讀取省調(diào)有功設定值后，減去未加入AGC機組有功實發(fā)值，剩余負荷加入AGC聯(lián)控機組間平均分配。

式(1)、式(2)中PAGC為參與AGC聯(lián)控機組總的給定有功值；

P為省調(diào)給定全廠有功值；

n為參與AGC聯(lián)控的機組臺數(shù)；

Pi為第i臺機組有功分配值。

式(1)代入(2)得出參與AGC機組有功分配值。

(2)躲避振動區(qū)策略

為了避免機組頻繁跨越振動區(qū)，在分配有功時，當機組有功分配到振動區(qū)時，判別機組是跨到振動區(qū)的上限還是跨到振動區(qū)的下限，以振動帶作為判據(jù)，即當機組運行在振動區(qū)上限以上時，如果分配的有功處于振動區(qū)，只分配到振動區(qū)上限，反之，當機組運行在振動區(qū)下限以下時,如果分配的有功處于振動區(qū)，則只分配到振動區(qū)下限。

1.2 AGC運行存在的問題

(1)調(diào)節(jié)品質(zhì)達不到考核標準

由于AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，2007年被考核15次，共計扣罰電量30萬kW·h。AGC因避開運行禁區(qū),調(diào)節(jié)精度達不到考核標準。AGC調(diào)功策略按避機組振動區(qū)(20MW～50MW)與氣蝕區(qū)(0～15MW)運行，當AGC指令落入機組運行禁區(qū)時不執(zhí)行，AGC調(diào)功精度便達不到考核標準，省調(diào)要求調(diào)節(jié)精度是3MW。省調(diào)對我廠要求的調(diào)節(jié)速度為64MW/min，測試表明我廠AGC減負荷調(diào)節(jié)速率符合湖南電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)速率考核要求，而加負荷速率偏緩。

(2)對設備健康損害較大

①負荷頻繁調(diào)整，加速了機組轉(zhuǎn)動件磨損。2007年1月1號機組檢修時，發(fā)現(xiàn)水輪機頂蓋抗磨板磨損嚴重，抗磨板固定螺栓剪斷48個，并造成控制環(huán)滑動接觸面損壞，檢查2號、3號機，也存在類似情況，2007年電廠緊急追加35萬元技改資金進行了處理。另外由于負荷的頻繁調(diào)整，水輪機主軸密封壓蓋內(nèi)水壓波動較大，使密封圈起伏狀態(tài)多變，使用壽命縮短。密封圈設計使用壽命為2萬h，機組AGC未投運時，2年內(nèi)未進行更換，AGC投入后，每年機組檢修時均發(fā)現(xiàn)密封圈損壞,進行了更換，目前未滿一年，便在運行中出現(xiàn)異常情況，使機組等效可用系數(shù)降低。

②機組AGC功能未投入時，1號機調(diào)速器壓油泵啟停間隔時間平均為56min，2號機為73min，3號機為90min。AGC投入后，壓油泵啟停間隔時間平均為6min，最短時僅為1.75min，三臺機情況基本相同。由于調(diào)速器壓油泵運行間隔縮短，引起電機發(fā)熱過載，壓油泵動力電源開關跳閘事件時有發(fā)生。

③由于負荷調(diào)整平均每分鐘達4次以上，造成調(diào)速器系統(tǒng)管道法蘭密封墊沖壞、反饋裝置失靈、漏油點增多、接力器節(jié)流閥桿脫落和導葉軸套漏水等缺陷發(fā)生。目前我廠1號～3號機導葉套筒均出現(xiàn)了漏水現(xiàn)象，須待機組檢修時才能進行該缺陷的消除工作。

④機組負荷頻繁調(diào)整，轉(zhuǎn)輪室流態(tài)不穩(wěn)定，造成轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)汽蝕，3號機真空破壞閥控制彈簧折斷。

(3)運行效率低

由于機組長期在低負荷范圍內(nèi)運行，機組運行效率低，耗水率增加，所造成的水量損失相當嚴重，2006年全年發(fā)電負荷率僅為53%，耗水率高達11.93m3/kW·h。

2 AGC控制策略優(yōu)化方案

針對上述存在的問題，我們對控制策略進行了優(yōu)化。

2.1 基本原則(按照優(yōu)先級從高到低排列)[1]

(1)機組不能運行在振動區(qū);

(2)減少跨越振動區(qū)的次數(shù);

(3)當給定總有功大于實發(fā)總有功時，機組盡可能不減負荷；當給定總有功小于實發(fā)總有功時，機組盡可能不增負荷；

(4)機組負荷不能頻繁調(diào)節(jié)(小負荷變化由一或兩臺機調(diào)節(jié));

(5)優(yōu)化效率。

2.2 縮短AGC運行周期

AGC運行周期可以通過人機界面設置，該參數(shù)決定電廠AGC對于省調(diào)指令響應速度，省調(diào)希望越快越好，但對于電廠來說響應過快導致機組調(diào)節(jié)過于頻繁。通過與省調(diào)的多次溝通與協(xié)商，現(xiàn)已將AGC運行周期由原15s縮短為10s，兼顧了省調(diào)要求和電廠利益。

2.3 優(yōu)化LCU調(diào)功程序

在投產(chǎn)初期，機組LCU調(diào)功參數(shù)中未考慮AGC系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度的問題，機組減負荷能夠準確執(zhí)行到位，但加負荷時，每臺機總存在2MW左右的偏差，通過對調(diào)功程序進行分析，對機組調(diào)功程序中的增負荷參數(shù)及調(diào)功最大脈沖時間進行調(diào)整，解決了機組加負荷時調(diào)功偏差大于設定死區(qū)的問題。

碗米坡電廠機組調(diào)功以給定脈沖功能塊PWM進行調(diào)功，具體的脈沖方式如圖1所示。

圖1 PWM脈沖功能塊調(diào)功示意圖

其中PWM模塊中的脈沖公式如下:

T_on＝t_period×X/up_pos(增加負荷時的脈沖公式)

T_on＝t_period×X/up_neg(減少負荷時的脈沖公式)

X為功率差值，R為退出調(diào)節(jié)功能指令，P_Para為功率給定脈沖參數(shù)值，Y_POS為增負荷命令，Y_NEG為減負荷命令，T_on為脈沖時間。

P_Para(功率給定脈沖參數(shù)值)如下:

t_period(脈沖周期);

t_pause(調(diào)節(jié)脈沖暫停時間);

t_break(此時間為退出程序時間，不需采用);

t_min(最小調(diào)節(jié)脈沖時間);

t_max(最大調(diào)節(jié)脈沖時間);

up_pos(增負荷時與功率差值的比較值);

up_neg(減負荷時與功率差值的比較值);

Y_POS為1(即增負荷)，脈沖時間為T_on;

Y_NEG為1(即減負荷)，脈沖時間為T_on。

通過上圖可知，當t_max增大時調(diào)功步長增加，up_pos增加時調(diào)功速度增加，所以需要加快調(diào)功速度時須將上述兩個參數(shù)進行最適當?shù)钠ヅ洳拍艽_保機組調(diào)功品質(zhì)并不產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象。

由于1號機組調(diào)速器整體調(diào)節(jié)性能比2號、3號機好，試驗過程中發(fā)現(xiàn)若參數(shù)與2號、3號機相同時容易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,必須通過試驗得出三臺機組最佳的參數(shù)配置。

機組LCU的調(diào)功程序在判斷實際功率與目標功率差值的絕對值小于死區(qū)時會立即停止調(diào)功，而在多次的試驗及機組運行狀況分析后，發(fā)現(xiàn)調(diào)速器在高負荷區(qū)域時導葉開度有一定量的回關值，確保轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，所以當機組負荷接近當前水頭最大負荷時，可能會造成以下情況:實際功率值瞬時達到目標功率，機組LCU停止調(diào)功，調(diào)速器控制導葉微量的回關，而此時調(diào)功程序已停止，當前實際功率低于目標功率，并且差值明顯大于死區(qū)值，當2～3臺機組投運AGC時，在高負荷區(qū)域進行調(diào)整時，一般會出現(xiàn)4MW～5MW的偏差。

在機組調(diào)功過程中，死區(qū)是保證動作機構(gòu)穩(wěn)定的主要參數(shù)，而調(diào)速器作為主要動作機構(gòu)，其性能是影響調(diào)功精度和速度的主要因素。在2007年初的1號機組檢修過程中，我們曾將功率死區(qū)值設置為1MW，以確保3臺機組的死區(qū)總額保持在3MW以內(nèi)，但調(diào)速器本體根本無法穩(wěn)定在1MW死區(qū)，通過試驗其精度最低也只能為1.5MW。

在與廠家人員協(xié)商后，通過修改調(diào)功程序中判斷條件來增加機組調(diào)功時間，確保實際功率與目標功率差值在死區(qū)之內(nèi)。

2.4 消除過多振動區(qū)對功率分配的影響

根據(jù)湖南省電力試驗研究院《碗米坡水電廠1～3號機組穩(wěn)定性試驗總結(jié)》，碗米坡電廠AGC系統(tǒng)參數(shù)設置如下:(1)單機負荷下限為15MW，機組不能低于15MW運行；(2)20MW～50MW為機組振動區(qū)，機組不能在振動區(qū)內(nèi)運行。

通過對AGC調(diào)功策略及機組實際運行情況的分析觀察，不同水頭下，為避開振動區(qū)，機組無法運行在部分區(qū)域，稱為“禁運區(qū)”,禁運區(qū)越多，全廠有功方式下可運行的區(qū)域就越少。由于中調(diào)在下發(fā)指令時未考慮到全廠方式下的振動區(qū)，部分調(diào)功令的功率給定值落在全廠方式下的振動區(qū)內(nèi)，造成AGC系統(tǒng)不響應。

經(jīng)與中調(diào)自動化人員多次溝通協(xié)調(diào)，將機組AGC調(diào)功避振區(qū)合二為一，由原來的“單機負荷下限15MW，機組振動區(qū)為20MW～50MW”調(diào)整為“41m水頭以下機組振動區(qū)為0～40MW，41m及以上時機組振動區(qū)為0～50MW”。

2.5 負荷分配修正方案

為了減少機組磨損,采用了以下原則:

(1)預定功率范圍內(nèi)僅改變一臺機或兩臺機的設定值。(2)增加調(diào)整的時間間隔。

(3)預先定義每臺機適當有功調(diào)節(jié)步長。當全廠有功給定值有變化如增負荷時，選擇實發(fā)有功值占總?cè)萘勘壤钚〉臋C組增有功，如果增量在調(diào)節(jié)步長范圍內(nèi)，且不進入振動區(qū)和不越有功上限，只分配一臺機即可完成調(diào)節(jié)量；否則，將剩余負荷分配給實發(fā)值占總?cè)萘勘壤涡C組，進行同樣判斷，如果分配不完，再換下一臺機組，直至分配完有功增量；減有功時，首先減實發(fā)有功占總?cè)萘勘壤畲髾C組，其他采用相同策略。設置適當有功調(diào)節(jié)步長，可減少一次有功設定值變化參加調(diào)節(jié)機組臺數(shù)，從而減少機組磨損，如果設置有功調(diào)節(jié)步長很小則變?yōu)榈热萘勘壤峙洹?/p>

2.6 跨越振動區(qū)策略修正方案

為了減少機組跨越振動區(qū)次數(shù)，程序設置跨越振動區(qū)死區(qū)。機組由于在當前不跨越振動區(qū)運行區(qū)域無法跟蹤目標值時，機組需要跨越振動區(qū)，機組跨越振動區(qū)與不跨越振動區(qū)相比功率缺額減少值大于跨越振動區(qū)死區(qū)時，機組跨越振動區(qū)。試驗證明，適當跨越振動區(qū)死區(qū)值設置有效減少了跨越振動區(qū)次數(shù)并且能夠滿足調(diào)度目標功率要求。

3 AGC調(diào)功策略優(yōu)化效果分析

從目前AGC運行情況來看，優(yōu)化效果比較明顯。

3.1 提升了AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高了電網(wǎng)安全性

電廠AGC優(yōu)化前，調(diào)節(jié)速率和精度有時達不到調(diào)度考核標準。優(yōu)化后經(jīng)多次測試，AGC調(diào)節(jié)精度在±1MW內(nèi)，滿足調(diào)度要求“精度在±3MW以內(nèi)”要求，且速度滿足調(diào)度“1min內(nèi)調(diào)節(jié)80%機組額定負荷”的要求。

3.2 避免頻繁跨越振動區(qū)，提高機組的運行安全穩(wěn)定性能

電廠AGC優(yōu)化前，調(diào)功避振策略設置為“單機負荷下限15MW，機組振動區(qū)41m水頭以下時設置為20MW～40MW，41m及以上水頭時設置為20MW～50MW，平均每分鐘要跨越振動區(qū)4次以上，機組實際上在振動區(qū)運行的時間較長。本次優(yōu)化將機組振動區(qū)合二為一，可有效避免機組頻繁跨越振動區(qū)，改善了機組的運行環(huán)境，延長了機組的運行壽命。

3.3 有功調(diào)節(jié)次數(shù)明顯減少，降低機組磨損

AGC控制策略優(yōu)化后，機組有功調(diào)節(jié)次數(shù)比以前減少一半左右，降低了機組磨損，延長了機組檢修周期。

4 結(jié)束語

碗米坡水電廠AGC調(diào)功避振策略進行優(yōu)化后，無論是從安全性還是從經(jīng)濟性來看，均取得了令人滿意的效果。AGC控制策略改進后提高了設備健康水平，減輕了設備磨損，對電廠經(jīng)濟運行促進作用效果明顯,為同類型電廠解決AGC運行中存在問題及策略調(diào)整具有一定的借鑒價值。

[1]龔傳利，李占甫，張曉東，等.鳳灘水電廠AGC控制策略[J].水電廠自動化,2007，114(4):53-56.