小灣電廠基于調速器功率閉環優化AGC調節速率研究

王遠洪 紀正堂

摘 要：自動發電控制系統（Automatic Generation Control，AGC）調節速率，直接影響電網頻率質量。文章介紹了小灣電廠AGC調節速率現狀，分析了調速器系統開度模式下監控系統功率閉環調節對AGC調節速率的不利影響，通過對調速器功率調節模式的探索和實踐，有效提升了有功功率調節的精度和AGC調節速率。

關鍵詞：輔助服務考核；AGC；調節速率；功率閉環；PID

引言

小灣電廠安裝6臺單機容量700MW混流式水輪發電機組，是“國家西電東送的骨干電源和重點工程”。電站以500kV電壓等級接入電網系統，由南網總調直接調度，在系統中擔任調峰、調頻和事故備用，電能主要送往云南和廣東兩省區。

小灣電廠計算機監控系統（CSCS）采用南瑞NC2000系統，調速器系統采用南瑞SAFR-2000H冗余微機數字控制系統，有功功率調節采用傳統的監控系統閉環模式（開度模式）。隨著國家能源局和南方電網對并網電廠輔助服務管理及并網運行管理日益規范，2010年2月小灣電廠納入“兩個細則”考核，一次調頻合格率等指標通過不斷完善調速器控制策略及與AGC的配合邏輯，大幅度提高了合格率，但AGC調節速率一直未能有效改善，僅2014年上半年產生AGC考核費用25.94萬元，AGC調節速率指標亟待提高。

1 AGC調節速率存在問題

1.1 南方電網相關要求

南方電網AGC考核主要由調節范圍、調節精度和調節速率三項指標組成，調節速率考核計算公式如下：

ωk=AVG（Sk）≥Pk額定×30%

其中：

Pk目錄i和Pk實際i是考核時段內典型的調節指令且調節幅度較大的調節指令的目標值和當前值，ti是指令發出后出力變化到目標值時間。

當調度EMS負荷指令大于30MW時，取AGC受控機組下所有機組容量和的30%，負荷指令小于30MW時，取AGC受控機組一臺機組的容量的30%，小灣電廠不同運行工況AGC調節速率考核標準如表1。

表1 小灣電廠AGC調節速率標準

1.2 功率調節過程

小灣電廠AGC收到南網EMS系統下發的二次調頻指令，按照我廠AGC分配策略將全廠總有功分配至參加AGC調節的各臺機組LCU，機組PLC中有功PID程序段將AGC分配的有功負荷換算成脈沖寬度送給調速器以開度模式實現有功調調整。

1.3 AGC調節速率存在問題

1.3.1 機組有功PID參數不滿足全運行水頭的功率調節速率要求

小灣電廠運行水頭在164米至251米之間，變幅達87米，最低水頭和最高水頭下調速器空載開度分別為17.5%和11.0%。由此可見，調整同一負荷，水頭變化較大的情況下，導葉開度變化量差距較大。而監控系統機組LCU有功功率閉環PID僅設置一組參數，調整相同負荷輸出同一脈沖寬度至調速器系統，不能滿足全運行水頭的功率調節速率要求，機組在低水頭區間運行期間尤為明顯。同時，機組LCU有功PID參數僅設置了比例環節參數，積分和微分環節參數未設計，致使機組有功調節精度和速率下降，進一步影響了AGC調節速率。

1.3.2 開度調節模式下小負荷調整難以滿足AGC調節速率要求

從日常調節指令分析上看，南網EMS系統多下發±（0-50MW）的指令，其中±（0-20MW）未達到調節指令門檻，不參加測速。我廠AGC調節速率被考核大部分在±（20-50MW）負荷調整區間。對此，我廠AGC分配策略設置了小負荷分配策略，當調整指令為±（30-50MW）時，AGC僅對一臺機組進行負荷增減，但受大型水輪機組機械性的限制及傳統的有功開度模式調節的限制，機組LCU開出脈寬寬度和功率偏差成正比關系，功率偏差較小，開出脈寬也較小，且開度模式下機組有功換算為繼電器吸合時間的偏差，繼電器防抖動、防粘連技術措施造成機組有功調節速率下降，致使小負荷調整時，AGC調節速率幾乎不可能達到調節目標，如表2。

表2 開度調節模式下有機組功調節速率

2 基于功率閉環調節模式的AGC調節速率解決方案

鑒于傳統有功功率開度調節模式易受到水頭等因素影響，調節環節冗長，引起AGC調節速率下降，我廠提出了將傳統的監控系統功率閉環（開度模式）調節改造為調速器功率閉環調節模式（功率閉環模式）的解決方案，以提高AGC調節速率。

2.1 功率閉環模式調節原理

功率閉環模式下，功率閉環調節在調速器側實現，機組LCU不再進行有功閉環調節，僅接收和轉發AGC有功分配指令，通過模擬量方式送將有功功率給定信號送至調速器，調速器系統將其與機組實發有功進行比較，得出功率計算偏差，經過PID運算后得出導葉運行開度。小灣電廠調速器功率閉環調節傳遞函數如圖1。

2.2 硬件改造

監控系統側無新增硬件投入，需要從模出模件新增兩路40～20mA模擬量信號送至調速器系統。

調速器系統側，為提高功率控制信號的可靠性，增加了兩個功率給定信號隔離變送器，并將有功功率變送器進行冗余配置，兩路功率給定和兩路機組有功實發值模擬信號分別送調速器A套和B套PCC。同時，由于調速器PCC控制器開關量輸入模件開入備用點過少，對其進行了擴容。

2.3 軟件修改

2.3.1 監控系統

監控系統側程序修改主要包含：將AGC分配的單機有功功率給定值轉發至調速器系統、功率閉環調節和開度模式調節手動/自動切換功能，同時設置如下安全閉鎖邏輯：

（1）在調速器功率閉環模式下，滿足以下四條中任意一條，功率模式自動切換至開度模式，但開度模式任何情況下不允許自動切換至功率模式：監控模出模件故障；監控模出設定值與調速器返回值得差值大于70MW；調速器功率閉環遠方可投把手退出。

（2）滿足以下兩條中任意一條，監控模出設定值跟蹤實發值：調速器功率閉環狀態退出；調速器在手動位置。

2.3.2 調速器系統

（1）前饋調節。發電態時，監控系統下達功率給定PGA至調速器，調速器將PGA和上一次監控系統功率給定值PGB進行比較，并將偏差（PGB-PGA）經過積分運算后，乘以前饋系數KP3得到綜合負荷給定Pgv，直接疊加到導葉給定環節，進行預調節，以加快調節速度。

（2）主環調節。進行前饋調節的同時，調速器將功率給定PGB與當前實發有功進行比較，得出功率偏差△P，乘以調差系數BP換算出頻差，并與一次調頻計算頻差△f疊加得到主環輸入綜合頻差e（k）=△f-BP×△P，通過PID計算出導葉開度YPID，經過導葉副環運算后進行有功調節，直至有功實發值達到功率給定值在死區范圍內。在功率閉環下，調速系統通過頻差△f和功率差值△P雙重閉環控制來保證機組在維持電網頻率的前提下保證機組出力，同時可有效提高有功調節精度和調節速率。

（3）功率閉環模式和開度模式切換邏輯。為防止機組實發有功功率采樣異常時，引起負荷波動，甚至引起系統低頻振蕩，小灣電廠設置了“實發有功測值超出量程”、“機組在發電態且導葉開度>1.2倍空載開度且有功<0.8%額定有功功率”功率采樣故障判斷邏輯。其中，后者通過判斷機組實發有功采樣值與導葉開度的關系，大大提高了有功功率采樣異常的判斷準確率。當其中一路功率采樣異常時，調速器優先進行主備用切換或閉鎖從套。當兩路功率采樣均異常時，調速器控制方式由功率閉環模式切換至開度控制模式，并將控制模式信號送入監控系統切換控制方式。

2.4 實施效果

小灣電廠選取5號機組進行功率閉環改造和試驗，更新了調速器PCC控制程序和工控機程序，并通過功率閉環投退試驗、狀態和故障切換試驗、擾動試驗、一次調頻功能驗證、一次調頻與功率閉環調節的配合試驗、發電態下調速器與監控系統聯調、功率閉環的參數辨識、單機調節速率、穿越振動區等試驗，對調速器功率閉環模式的安全穩定性調節品質和調節速率進行了驗證。

試驗過程及結果表明調速器及監控系統相關控制邏輯設置合理，功率調節效果滿足電網要求。試驗結果如表3。

圖2 20MW下擾動試驗，調節速率為305MW/min，

調節過程中未出現超調和反調現象

圖3 80MW上擾擾動試驗，調節速率為942MW/min，

調節過程未出現超調和反調現象

3 結束語

文章根據南方電網AGC調節速率要求，結合小灣電廠實際，提出了通過調速器功率閉環調節優化AGC調節速率方案，經過試驗驗證表明了方案的可行性和有效性，適用于南方電網區域內類似機組，具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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作者簡介：王遠洪（1983，5-），男，重慶長壽人，助理工程師，工學學士，主要從事水電廠設備運行維護管理工作。

紀正堂（1984，9-），男，云南普洱人，助理工程師，工學學士，主要從事水電廠設備運行維護管理工作。