小灣電廠基于調(diào)速器功率閉環(huán)優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)速率研究

王遠洪 紀正堂

摘 要：自動發(fā)電控制系統(tǒng)（Automatic Generation Control，AGC）調(diào)節(jié)速率，直接影響電網(wǎng)頻率質量。文章介紹了小灣電廠AGC調(diào)節(jié)速率現(xiàn)狀，分析了調(diào)速器系統(tǒng)開度模式下監(jiān)控系統(tǒng)功率閉環(huán)調(diào)節(jié)對AGC調(diào)節(jié)速率的不利影響，通過對調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模式的探索和實踐，有效提升了有功功率調(diào)節(jié)的精度和AGC調(diào)節(jié)速率。

關鍵詞：輔助服務考核；AGC；調(diào)節(jié)速率；功率閉環(huán)；PID

引言

小灣電廠安裝6臺單機容量700MW混流式水輪發(fā)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(wǎng)系統(tǒng)，由南網(wǎng)總調(diào)直接調(diào)度，在系統(tǒng)中擔任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用，電能主要送往云南和廣東兩省區(qū)。

小灣電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）采用南瑞NC2000系統(tǒng)，調(diào)速器系統(tǒng)采用南瑞SAFR-2000H冗余微機數(shù)字控制系統(tǒng)，有功功率調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)閉環(huán)模式（開度模式）。隨著國家能源局和南方電網(wǎng)對并網(wǎng)電廠輔助服務管理及并網(wǎng)運行管理日益規(guī)范，2010年2月小灣電廠納入“兩個細則”考核，一次調(diào)頻合格率等指標通過不斷完善調(diào)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(diào)節(jié)速率一直未能有效改善，僅2014年上半年產(chǎn)生AGC考核費用25.94萬元，AGC調(diào)節(jié)速率指標亟待提高。

1 AGC調(diào)節(jié)速率存在問題

1.1 南方電網(wǎng)相關要求

南方電網(wǎng)AGC考核主要由調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速率三項指標組成，調(diào)節(jié)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(nèi)典型的調(diào)節(jié)指令且調(diào)節(jié)幅度較大的調(diào)節(jié)指令的目標值和當前值，ti是指令發(fā)出后出力變化到目標值時間。

當調(diào)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(diào)節(jié)速率考核標準如表1。

表1 小灣電廠AGC調(diào)節(jié)速率標準

1.2 功率調(diào)節(jié)過程

小灣電廠AGC收到南網(wǎng)EMS系統(tǒng)下發(fā)的二次調(diào)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(diào)節(jié)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(diào)速器以開度模式實現(xiàn)有功調(diào)調(diào)整。

1.3 AGC調(diào)節(jié)速率存在問題

1.3.1 機組有功PID參數(shù)不滿足全運行水頭的功率調(diào)節(jié)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(diào)速器空載開度分別為17.5%和11.0%。由此可見，調(diào)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(jiān)控系統(tǒng)機組LCU有功功率閉環(huán)PID僅設置一組參數(shù)，調(diào)整相同負荷輸出同一脈沖寬度至調(diào)速器系統(tǒng)，不能滿足全運行水頭的功率調(diào)節(jié)速率要求，機組在低水頭區(qū)間運行期間尤為明顯。同時，機組LCU有功PID參數(shù)僅設置了比例環(huán)節(jié)參數(shù)，積分和微分環(huán)節(jié)參數(shù)未設計，致使機組有功調(diào)節(jié)精度和速率下降，進一步影響了AGC調(diào)節(jié)速率。

1.3.2 開度調(diào)節(jié)模式下小負荷調(diào)整難以滿足AGC調(diào)節(jié)速率要求

從日常調(diào)節(jié)指令分析上看，南網(wǎng)EMS系統(tǒng)多下發(fā)±（0-50MW）的指令，其中±（0-20MW）未達到調(diào)節(jié)指令門檻，不參加測速。我廠AGC調(diào)節(jié)速率被考核大部分在±（20-50MW）負荷調(diào)整區(qū)間。對此，我廠AGC分配策略設置了小負荷分配策略，當調(diào)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(tǒng)的有功開度模式調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)速率下降，致使小負荷調(diào)整時，AGC調(diào)節(jié)速率幾乎不可能達到調(diào)節(jié)目標，如表2。

表2 開度調(diào)節(jié)模式下有機組功調(diào)節(jié)速率

2 基于功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式的AGC調(diào)節(jié)速率解決方案

鑒于傳統(tǒng)有功功率開度調(diào)節(jié)模式易受到水頭等因素影響，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)冗長，引起AGC調(diào)節(jié)速率下降，我廠提出了將傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)功率閉環(huán)（開度模式）調(diào)節(jié)改造為調(diào)速器功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式（功率閉環(huán)模式）的解決方案，以提高AGC調(diào)節(jié)速率。

2.1 功率閉環(huán)模式調(diào)節(jié)原理

功率閉環(huán)模式下，功率閉環(huán)調(diào)節(jié)在調(diào)速器側實現(xiàn)，機組LCU不再進行有功閉環(huán)調(diào)節(jié)，僅接收和轉發(fā)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(diào)速器，調(diào)速器系統(tǒng)將其與機組實發(fā)有功進行比較，得出功率計算偏差，經(jīng)過PID運算后得出導葉運行開度。小灣電廠調(diào)速器功率閉環(huán)調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)如圖1。

2.2 硬件改造

監(jiān)控系統(tǒng)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(diào)速器系統(tǒng)。

調(diào)速器系統(tǒng)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(fā)值模擬信號分別送調(diào)速器A套和B套PCC。同時，由于調(diào)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(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)至調(diào)速器系統(tǒng)、功率閉環(huán)調(diào)節(jié)和開度模式調(diào)節(jié)手動/自動切換功能，同時設置如下安全閉鎖邏輯：

（1）在調(diào)速器功率閉環(huán)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(jiān)控模出模件故障；監(jiān)控模出設定值與調(diào)速器返回值得差值大于70MW；調(diào)速器功率閉環(huán)遠方可投把手退出。

（2）滿足以下兩條中任意一條，監(jiān)控模出設定值跟蹤實發(fā)值：調(diào)速器功率閉環(huán)狀態(tài)退出；調(diào)速器在手動位置。

2.3.2 調(diào)速器系統(tǒng)

（1）前饋調(diào)節(jié)。發(fā)電態(tài)時，監(jiān)控系統(tǒng)下達功率給定PGA至調(diào)速器，調(diào)速器將PGA和上一次監(jiān)控系統(tǒng)功率給定值PGB進行比較，并將偏差（PGB-PGA）經(jīng)過積分運算后，乘以前饋系數(shù)KP3得到綜合負荷給定Pgv，直接疊加到導葉給定環(huán)節(jié)，進行預調(diào)節(jié)，以加快調(diào)節(jié)速度。

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

（3）功率閉環(huán)模式和開度模式切換邏輯。為防止機組實發(fā)有功功率采樣異常時，引起負荷波動，甚至引起系統(tǒng)低頻振蕩，小灣電廠設置了“實發(fā)有功測值超出量程”、“機組在發(fā)電態(tài)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(fā)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(diào)速器優(yōu)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(diào)速器控制方式由功率閉環(huán)模式切換至開度控制模式，并將控制模式信號送入監(jiān)控系統(tǒng)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(huán)改造和試驗，更新了調(diào)速器PCC控制程序和工控機程序，并通過功率閉環(huán)投退試驗、狀態(tài)和故障切換試驗、擾動試驗、一次調(diào)頻功能驗證、一次調(diào)頻與功率閉環(huán)調(diào)節(jié)的配合試驗、發(fā)電態(tài)下調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、功率閉環(huán)的參數(shù)辨識、單機調(diào)節(jié)速率、穿越振動區(qū)等試驗，對調(diào)速器功率閉環(huán)模式的安全穩(wěn)定性調(diào)節(jié)品質和調(diào)節(jié)速率進行了驗證。

試驗過程及結果表明調(diào)速器及監(jiān)控系統(tǒng)相關控制邏輯設置合理，功率調(diào)節(jié)效果滿足電網(wǎng)要求。試驗結果如表3。

圖2 20MW下擾動試驗，調(diào)節(jié)速率為305MW/min，

調(diào)節(jié)過程中未出現(xiàn)超調(diào)和反調(diào)現(xiàn)象

圖3 80MW上擾擾動試驗，調(diào)節(jié)速率為942MW/min，

調(diào)節(jié)過程未出現(xiàn)超調(diào)和反調(diào)現(xiàn)象

3 結束語

文章根據(jù)南方電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)速率要求，結合小灣電廠實際，提出了通過調(diào)速器功率閉環(huán)調(diào)節(jié)優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)速率方案，經(jīng)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(wǎng)區(qū)域內(nèi)類似機組，具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]魏守平.現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術[M].武漢：武漢華中科技大學出版社，2002.

[2]沈祖詒.水輪機調(diào)節(jié)（第三版）[M].北京：中國水利水電出版社，1998.

[3]劉昌玉，魏守平.水輪機的調(diào)速器多調(diào)節(jié)模式及相互切換[J].水電能源科學，1994.

[4]魏守平，王雅軍，羅萍.數(shù)字式電液調(diào)速器的功率調(diào)節(jié)[Z].

[5]中國南方電網(wǎng)有限責任公司.Q/CGS 110014-2012：2-23.南方電網(wǎng)電廠并網(wǎng)運行及輔助服務管理算法規(guī)[S].

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。