帶阻抗自適應(yīng)的AVC控制策略在大型水電站的應(yīng)用

李正家

（重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶市彭水縣 409600）

帶阻抗自適應(yīng)的AVC控制策略在大型水電站的應(yīng)用

李正家

（重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶市彭水縣 409600）

維持各樞紐點(diǎn)電壓在最佳給定值是電力系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的重要目的。在水電廠，自動電壓控制是維持升壓站母線電壓在最佳給定值的主要方式，常規(guī)自動電壓控制主要考慮了發(fā)電機(jī)的電壓、電流、有功、無功及升壓站母線電壓等安全約束條件。本文敘述了在此基礎(chǔ)上，增加了計算系統(tǒng)阻抗作為自動電壓控制的補(bǔ)充約束條件，實(shí)現(xiàn)了自動電壓控制帶阻抗自適應(yīng)的功能。通過靜態(tài)測試及實(shí)際運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)在電網(wǎng)負(fù)荷異常波動的情況下，帶阻抗自適應(yīng)的AVC控制策略能更好地確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

自動電壓控制;阻抗自適應(yīng);水電站

0 引言

在電力系統(tǒng)中，電壓是表征電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。電壓是否合格，將直接影響到電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，通過電廠運(yùn)行值班人員根據(jù)其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和簡單的邏輯判斷、人工手動進(jìn)行無功電壓控制的調(diào)節(jié)模式已經(jīng)很難滿足大電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行要求。

2010年5月，華中網(wǎng)調(diào)通知要求，自動電壓控制需具備不同電網(wǎng)運(yùn)行方式下的系統(tǒng)阻抗自適應(yīng)功能，即根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化，自動電壓控制（A VC）系統(tǒng)實(shí)時、自動計算出接入電網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗值，依據(jù)此阻抗值A(chǔ)VC系統(tǒng)做出相應(yīng)的判斷，從而確保 AVC 調(diào)整正確。

彭水水電站是烏江干流上的梯級電站之一，地處重慶電網(wǎng)東南部，是重慶電網(wǎng)在役的最大水電站，也是重慶電網(wǎng)重要的水電電源點(diǎn)。電站共安裝有5臺單機(jī)容量350MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1750MW，在重慶電網(wǎng)中起著調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等作用。發(fā)電機(jī)—變壓器為單元接線，雙母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，電力負(fù)荷通過500kV升壓站的兩條出線送往距離約16km的張家壩變電站。彭水水電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)采用南瑞自控公司開發(fā)生產(chǎn)的NC2000系統(tǒng)軟件，勵磁系統(tǒng)采用南瑞電控公司開發(fā)生產(chǎn)的NES5100勵磁調(diào)節(jié)器。

1 自動電壓控制

自動電壓控制是指按預(yù)定條件和要求自動控制水電廠母線電壓或全電廠無功功率的技術(shù)。在保證機(jī)組安全運(yùn)行的條件下，為系統(tǒng)提供可充分利用的無功功率，減少電廠的功率損耗。

1.1 自動電壓控制原理

（1）水電廠無功負(fù)荷模型。

目前國內(nèi)普遍采用靈敏度分析法來計算調(diào)節(jié)母線電壓所需的無功變化量[1]。由此可知，

第i回?zé)o功負(fù)荷對母線電壓的靈敏度系數(shù)KQVi：

總的無功負(fù)荷對母線電壓的靈敏度系數(shù)KQV：

消除水電廠母線電壓偏差各機(jī)組所需增發(fā)的總無功功率ΔQm：

式中：Umref——電廠母線電壓設(shè)定值；

Um——電廠母線電壓實(shí)際值。

消除母線電壓偏差，所需注入母線的總無功功率QmΣ：

由以上各式可以看出，各機(jī)組增發(fā)的總無功功率與母線電壓偏差值存在KQV倍。

（2）自動電壓控制調(diào)節(jié)過程。

重慶市調(diào)通過調(diào)度D5000系統(tǒng)下發(fā)升壓站母線電壓遙調(diào)信號至彭水水電站，在電站調(diào)度通信服務(wù)器和AVC工作站計算后，按照市調(diào)給定的母線電壓對全廠無功進(jìn)行分配，通過控制機(jī)組現(xiàn)地控制單元并調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)的勵磁電流，達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的目的，從而使升壓站母線電壓維持在給定水平。圖1為AVC控制拓?fù)鋱D。

1.2 彭水水電站AVC控制

（1）調(diào)度AVC控制模式。

按照重慶電網(wǎng)統(tǒng)一要求，彭水水電站調(diào)度AVC控制模式采用調(diào)度給定升壓站母線電壓增量的定值方式，通過AVC工作站計算后對全廠無功進(jìn)行分配，使升壓站母線電壓維持在給定水平。

當(dāng)升壓站母線電壓在正常范圍內(nèi)時，AVC按照正常的調(diào)壓系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如式（5）所示：

式中：QAVC——全廠無功AVC分配值；

QACT——當(dāng)前實(shí)發(fā)無功；

圖1 AVC控制拓?fù)鋱D

ΔV——實(shí)際母線電壓與給定電壓值偏差；

KVNOR——母線電壓在正常電壓值范圍內(nèi)的調(diào)壓系數(shù)；

當(dāng)母線電壓在正常范圍以外時，AVC按緊急調(diào)壓系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如式（6）所示：

式中：KVEMG——母線電壓在正常電壓值范圍外的緊急調(diào)壓系數(shù)。

（2）母線電壓下達(dá)方式。

為使調(diào)節(jié)過程更加安全平穩(wěn)，重慶電網(wǎng)AVC主站系統(tǒng)采用增量方式下發(fā)電壓控制指令。主站系統(tǒng)下發(fā)的遙調(diào)指令編碼為4位整數(shù)：千位表示調(diào)節(jié)增減方向，2表示上調(diào)，1表示下調(diào)，其他數(shù)值認(rèn)為是通信錯誤；百位是計數(shù)器，從1～5循環(huán)，主站每次下發(fā)命令時保證該位與上次命令不同，電廠AVC系統(tǒng)每次保存上次命令值，如果發(fā)現(xiàn)新的遙調(diào)值的百位與上次不同，認(rèn)為收到新的命令；如果百位數(shù)值不在1～5范圍內(nèi)，認(rèn)為命令非法。如果15分鐘內(nèi)沒有收到新的命令，認(rèn)為主站AVC退出，電廠AVC自動切換到本地運(yùn)行；十位和個位數(shù)表示電壓調(diào)節(jié)增量，如“08”表示增量為0.8kV。一般情況下一個調(diào)度周期（5分鐘）的電壓調(diào)整量不超過1kV，即十位個位的最大數(shù)值為“10”。舉例：比如電廠AVC收到遙調(diào)指令為2109，表示目標(biāo)電壓設(shè)定值在電廠高壓母線當(dāng)前電壓水平上調(diào)0.9kV，而收到1306，表示目標(biāo)電壓設(shè)定值在電廠高壓母線當(dāng)前電壓水平下調(diào)0.6kV。

1.3 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與勵磁系統(tǒng)的關(guān)系

（1）與勵磁系統(tǒng)的關(guān)系。

在AVC功能投入后，電站AVC子站接收電網(wǎng)調(diào)度主站的電壓（或者無功功率）指令，在充分考慮各種安全約束條件后，自動電壓控制系統(tǒng)估算出電站內(nèi)機(jī)組總的無功功率，并按照一定的原則合理地分配至每臺機(jī)組，由計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組現(xiàn)地控制單元的PLC輸出增勵磁、減勵磁信號至勵磁系統(tǒng)，再由勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)端電壓（或無功功率），從而實(shí)現(xiàn)對母線電壓的調(diào)節(jié)，使升壓站母線電壓保持在電網(wǎng)要求的范圍內(nèi)。

（2）與欠勵、過勵限制的關(guān)系。

為保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，無功功率的上限和下限都需在勵磁系統(tǒng)的欠勵限制、過勵限制曲線以內(nèi)，否則將自動退出AVC功能。為保證機(jī)組無功功率不超出允許范圍，在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)NC2000的軟件組態(tài)中，將此策略寫入了AVC軟件腳本程序中，即AVC無功功率上限QAVC上限為150MVar，小于過勵限制值；無功功率下限QAVC下限大于欠勵限制值，有如下關(guān)系：

式中：P——發(fā)電機(jī)有功功率。

1.4 相關(guān)條件

彭水水電站AVC方式采用等比例分配方式。在滿足①無機(jī)組投入AVC；②母線電壓越故障上限；③母線電壓越故障下限；④全廠有事故；⑤與調(diào)度通信異常；⑥上下位機(jī)通信故障等條件時，AVC自動退出。

在出現(xiàn)①機(jī)組機(jī)端電壓越上限；②機(jī)組機(jī)端電流越上限；③轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流越上限；④無功功率越上限等情況時，AVC對遠(yuǎn)方設(shè)置進(jìn)行限制，閉鎖增磁出口。

在出現(xiàn)①機(jī)組機(jī)端電壓越下限；②無功功率越下限等情況時，AVC對遠(yuǎn)方設(shè)置進(jìn)行限制，閉鎖減磁出口。

此外，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，調(diào)度每個季度下達(dá)的母線電壓上限、下限不盡相同，為確保電廠內(nèi)升壓站母線電壓的調(diào)整方便，彭水水電站在AVC控制畫面中增加了母線電壓上限、下限的設(shè)置窗口，方便運(yùn)行人員根據(jù)電網(wǎng)要求隨時調(diào)整，同時也確保母線電壓在其上限、下限之間運(yùn)行。

2 阻抗自適應(yīng)

根據(jù)華中網(wǎng)調(diào)“關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)河南省調(diào)‘開展省調(diào)直調(diào)電廠無功電壓就地自動控制裝置排查工作’的通知”要求，自動電壓控制需具備不同電網(wǎng)運(yùn)行方式下的系統(tǒng)阻抗自適應(yīng)功能。即要求自動電壓控制具備阻抗自適應(yīng)功能，以確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 總體策略

基于電廠側(cè)，電網(wǎng)不同方式下系統(tǒng)阻抗X計算方法[2]如式（8）所示：

式中：V+——本次計算系統(tǒng)阻抗時母線電壓；

V-——前一次計算系統(tǒng)阻抗時母線電壓；

Q+——本次計算系統(tǒng)阻抗時母線送出的總無功功率；

Q-——前一次計算系統(tǒng)阻抗時母線送出的總無功功率。

彭水水電站AVC控制中，每個AVC運(yùn)算周期均計算系統(tǒng)阻抗X，當(dāng)發(fā)現(xiàn)本周期計算值與上周期計算值變化過大時，則判定電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而將AVC控制中的調(diào)壓系數(shù)作自適應(yīng)處理或閉鎖AVC功能，同時報警。具體策略為：本周期系統(tǒng)阻抗計算值與上周期計算值相比，超過100%時則將調(diào)壓系數(shù)減半，同時報警“系統(tǒng)阻抗發(fā)生變化，調(diào)壓系數(shù)減半，請注意！”；如超過150%則將全廠AVC功能切開環(huán)，同時報警“系統(tǒng)阻抗劇烈變化，全廠AVC功能切開環(huán)，請注意！”，待運(yùn)行值班人員確認(rèn)系統(tǒng)已恢復(fù)正常后，人為再將AVC調(diào)壓系數(shù)設(shè)置為正常值。

2.2 相關(guān)配置

根據(jù)總體策略，考慮AVC運(yùn)行過程的安全性，彭水水電站AVC阻抗自適應(yīng)功能進(jìn)行了如下方面的配置。

（1）畫面上增加阻抗功能投/退開關(guān)，投入則正常計算阻抗并采取相應(yīng)控制策略，退出則阻抗功能失效；

（2）全廠AVC功能退出時，不再自動計算系統(tǒng)阻抗值；

（3）AVC控制畫面上增加系統(tǒng)阻抗X（當(dāng)阻抗功能不計算時，畫面上顯示阻抗值為0）、正常調(diào)壓系數(shù)及緊急調(diào)壓系數(shù)的數(shù)值顯示界面；

（4）畫面上增加正常調(diào)壓系數(shù)和緊急調(diào)壓系數(shù)這兩個參數(shù)設(shè)值按鈕；

（5）當(dāng)母線電壓設(shè)定值與實(shí)測值之差在2倍AVC電壓調(diào)整死區(qū)內(nèi)，或當(dāng)母線電壓前后兩次值之差在2倍AVC電壓調(diào)整死區(qū)內(nèi)，或當(dāng)全廠無功前后兩次值之差在16Mvar之內(nèi)，不再計算系統(tǒng)阻抗值，也不再采取相應(yīng)控制策略，避免無功/電壓小幅波動時系統(tǒng)阻抗計算不準(zhǔn)確而導(dǎo)致AVC誤調(diào)整；

（6）阻抗計算值一律取絕對值；

（7）當(dāng)調(diào)壓系數(shù)低于最小值2時，則不再繼續(xù)減小。

3 阻抗自適應(yīng)功能調(diào)試

為不影響電廠正常運(yùn)行，將1號操作員站配置成AVC主機(jī)，由調(diào)試筆記本配置成操作員站，用網(wǎng)線直接相連，構(gòu)成獨(dú)立的孤網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)試。同時用程序模擬電壓和各機(jī)組的無功變化，以及模擬測試各種功能計算和閉鎖條件。表1模擬測試了阻抗功能的閉鎖及計算條件，表2模擬測試了母線電壓及機(jī)組無功功率變化的情況下計算的系統(tǒng)阻抗值。

表1 阻抗閉鎖關(guān)系測試數(shù)據(jù)

表2 阻抗靜態(tài)測試數(shù)據(jù)

4 案例應(yīng)用

目前，彭水水電站自動電壓控制已運(yùn)行數(shù)年，AVC投入率大于98%。運(yùn)行期間，曾出現(xiàn)數(shù)次系統(tǒng)阻抗突變的報警信號，皆正確反映了系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。

某日，電廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)簡報窗口報“系統(tǒng)阻抗發(fā)生變化，調(diào)壓系數(shù)減半，請注意!”“AVC進(jìn)入緊急電壓調(diào)節(jié)”等信號，電話詢問電網(wǎng)調(diào)度側(cè)，告知系統(tǒng)有功負(fù)荷有超過約100MW的波動。當(dāng)時電站為3號機(jī)組單機(jī)運(yùn)行，總有功功率約281MW，總無功功率約-26Mvar。查詢計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在電網(wǎng)此次負(fù)荷波動的情況下致電站側(cè)有功功率波動約44MW（見圖2），無功功率波動約72Mvar（見圖3），母線電壓波動約15kV（見圖4）。

圖2 有功功率變化曲線

圖3 無功功率變化曲線

圖4 母線電壓變化曲線

本次系統(tǒng)阻抗突變情況，自動電壓控制進(jìn)行了正常的報警及動作，使調(diào)壓系數(shù)進(jìn)行了減半，如果系統(tǒng)阻抗繼續(xù)波動，則自動電壓控制系統(tǒng)將自動退出，不再自動進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)，而改為由運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行手動調(diào)節(jié)來滿足電網(wǎng)的相關(guān)要求。

5 結(jié)束語

通過分析華中網(wǎng)調(diào)有關(guān)自動電壓控制需滿足阻抗自適應(yīng)的文件要求，制定了帶阻抗自適應(yīng)的AVC控制策略，在模擬測試時，阻抗自適應(yīng)功能正常；正式投運(yùn)后，發(fā)生過數(shù)次電網(wǎng)阻抗突變的情況，阻抗自適應(yīng)功能判斷正常，AVC控制動作正常。理論與實(shí)踐證明，帶阻抗自適應(yīng)的AVC控制策略在電網(wǎng)阻抗發(fā)生突變的異常情況下能更好地確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]方輝欽.現(xiàn)代水電廠計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與試驗(yàn)［M］.北京：中國電力出版社.2004.

[2]劉小力，甘成勇.電站AVC控制設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測.2010.34（24）.

[3]高蘇杰.抽水蓄能的責(zé)任［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（1）：1-7.

李正家（1980—），男，工程師，主任助理，主要從事大型水電廠自動化設(shè)備管理工作。E-mail：cqlzj@163.com

Application of Adaptive Impedance AVC in Large Hydropower Station

LI Zhengjia
（Chong Qing Datang International Pengshui Hydropower Devlopment Co.，Ltd.Pengshui 409600，China）

Maintain the voltage of the hub node in the best given value is an important objective of optimal operation in electric power system，In hydropower plant，AVC is the main way to maintain the bus voltage of booster station in the best given value，the conventional AVC considers some security constraints，such as the voltage，current，active power，reactive power of the generator and the bus voltage of booster station.On this basis，this article increases impedance of electric power system as a supplementary condition，and achieves adaptive impedance function of AVC.Through the static test and the actual run，it is found that this strategy is a better way which can ensure the power grid run more safely and stably.

AVC；adaptive impedance；hydropower station