基于網(wǎng)源在線監(jiān)測平臺的電網(wǎng)ACE調(diào)節(jié)異常分析及對策

高 嵩，張 蒙，李 軍，顏 慶，張 超

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

0 引言

隨著特高壓外電入魯電量的不斷增加和新能源發(fā)電的快速增長，山東電網(wǎng)的頻率控制問題越來越受到關(guān)注。當發(fā)生外電大功率缺額或新能源發(fā)電功率波動時，依靠手動調(diào)整機組指令的傳統(tǒng)方法已不能滿足電網(wǎng)頻率快速恢復(fù)的需求［1-3］。山東電網(wǎng)引入動態(tài)區(qū)域控制偏差（Area Control Error，ACE）調(diào)節(jié)，自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）系統(tǒng)根據(jù)ACE大小對可控機組發(fā)出控制命令，實現(xiàn)電網(wǎng)頻率的快速動態(tài)恢復(fù)［4-6］。在實際運行過程中，機組AGC 模式又分為AGC-O（SCHEO）和AGC-R（PROPR）兩種。AGC-O模式下機組的基本功率由計劃曲線確定，不承擔調(diào)節(jié)量；AGC-R 模式下機組的基本功率按照相同可調(diào)容量比例分配，無條件承擔調(diào)節(jié)量。AGC-R 模式下，機組要快速響應(yīng)電網(wǎng)需求，保證電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定［7-10］。

近年來，新能源發(fā)電在我國電源結(jié)構(gòu)中的占比持續(xù)上升，隨著新能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)，火力發(fā)電企業(yè)利潤逐步縮減。為提高競爭力，火電機組不斷優(yōu)化提升機組AGC 調(diào)節(jié)品質(zhì)［11-16］，參與電網(wǎng)ACE 調(diào)節(jié)，ACE 調(diào)節(jié)控制能力有所增加，也對網(wǎng)源協(xié)調(diào)下的調(diào)頻策略提出了更高的要求。

冬季采暖期間，部分熱電聯(lián)產(chǎn)電廠為保證穩(wěn)定可靠供熱，主動退出AGC-R模式，ACE調(diào)節(jié)控制的機組數(shù)量有所減少，當特高壓聯(lián)絡(luò)線偏差顯著增大時，ACE 調(diào)節(jié)與機組控制配合不協(xié)同，造成日內(nèi)ACE 時段性調(diào)整困難。

通過調(diào)取ACE 調(diào)整困難時段的電網(wǎng)側(cè)、電源側(cè)運行數(shù)據(jù)，分析電網(wǎng)和電源無法協(xié)同配合的原因，并提出有針對性的優(yōu)化策略，提高采暖季AGC-R 模式機組減少情況下的電網(wǎng)頻率快速響應(yīng)能力。

1 網(wǎng)源兩側(cè)調(diào)節(jié)特性分析

目前，山東建成并投運了電力行業(yè)接入機組規(guī)模最大的網(wǎng)源在線監(jiān)測平臺（以下簡稱“網(wǎng)源平臺”），已接入全省173臺（共64 540 MW）主力發(fā)電機組的涉網(wǎng)運行參數(shù)，依托此平臺可實現(xiàn)對發(fā)電機組調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓能力的在線監(jiān)測及動態(tài)評估。通過網(wǎng)源平臺的在線數(shù)據(jù)，選取特高壓偏差較大的時段，以2020 年2 月1 日04：00—04：15 為例，選擇8 臺投入AGC-R模式的機組進行分析。

1.1 電網(wǎng)側(cè)ACE及調(diào)節(jié)速率分析

電網(wǎng)ACE 曲線和特高壓偏差如圖1 所示，AGCR 模式機組調(diào)節(jié)需求和實際響應(yīng)曲線如圖2 所示。由圖1 和圖2 可知，04：00—04：06 時段，受特高壓偏差影響，ACE 持續(xù)為負值，最大-400 MW；AGC 系統(tǒng)向R模式機組持續(xù)下達400 MW 的向上調(diào)節(jié)指令，此時AGC-R 模式機組出力向上爬坡行為正確、但出力增長較慢，6 min 內(nèi)出力僅增長200 MW，平均調(diào)節(jié)速率33 MW/min。04：09—04：12 時段，ACE 變?yōu)檎怠⑦_150 MW，AGC 系統(tǒng)向R 模式機組下達150 MW 的向下調(diào)節(jié)指令；此時AGC-R模式機組響應(yīng)迅速，3 min內(nèi)出力降低200 MW，平均調(diào)節(jié)速率66 MW/min。04：12—04：15 時 段，ACE重新變?yōu)樨撝怠⑦_-200 MW，AGC系統(tǒng)向R模式機組下達200 MW 的向上調(diào)節(jié)指令；此時AGC-R 模式機組向上爬坡仍較緩慢，3 min內(nèi)僅增加70 MW。

圖1 電網(wǎng)ACE曲線、特高壓偏差

圖2 AGC-R模式機組調(diào)節(jié)需求、實際響應(yīng)

通過分析可知，電網(wǎng)整體AGC-R 模式機組向上調(diào)節(jié)速率低于向下調(diào)節(jié)速率，該時段內(nèi)電網(wǎng)ACE 為負值的期間，AGC向上響應(yīng)速率不足。

1.2 電源側(cè)AGC調(diào)節(jié)情況

機組負荷控制邏輯如圖3 所示。在收到AGC 指令后，首先經(jīng)過機組負荷變化速率限制模塊，生成機組負荷指令（一次調(diào)頻前），再疊加一次調(diào)頻補償量，生成機組負荷指令（一次調(diào)頻后），作為控制目標值送入機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。因此，須分析以下兩個過程：一是機組負荷指令的生成過程；二是機組有功功率跟蹤機組負荷指令的實際跟蹤過程。

圖3 機組負荷控制邏輯

以某電廠2 號機組為例，分析該機組的具體調(diào)節(jié)情況。

1.2.1 機組負荷指令的生成過程

機組負荷指令的生成過程包括變負荷速率設(shè)置環(huán)節(jié)和一次調(diào)頻補償指令的疊加環(huán)節(jié)。

1）變負荷速率設(shè)置環(huán)節(jié)：330 MW 機組的標準額定變負荷速率應(yīng)為4.95 MW/min，該機組設(shè)置的機組負荷變化速率為6 MW/min。機組負荷變化速率限制模塊的作用是，收到AGC指令后，將其處理成斜坡指令。AGC指令與機組負荷指令（一次調(diào)頻前）的對比曲線如圖4所示。

如圖4 紅圈所示，AGC 指令階躍增加3 MW，斜坡所需時間為30 s，實際的負荷指令變化速率為5.98 MW/min，與機組設(shè)置的負荷變化速率6.00 MW/min一致，證明機組負荷變化速率限制模塊工作正常。

圖4 AGC指令與機組負荷指令（一次調(diào)頻前）對比

2）一次調(diào)頻補償量的疊加環(huán)節(jié)：該時間段內(nèi)電網(wǎng)持續(xù)高頻，機組一次調(diào)頻動作。機組負荷指令（一次調(diào)頻前）與機組負荷指令（一次調(diào)頻后）的對比曲線如圖5所示。

圖5 一次調(diào)頻前、后機組負荷指令對比

如圖5 中光標豎軸所顯示的04：03：02 時刻，機組負荷指令（一次調(diào)頻前）為184.201 MW，機組負荷指令（一次調(diào)頻后）182.083 MW，一次調(diào)頻補償指令的實際值為-2.118 MW。此刻電網(wǎng)頻率為50.036 Hz，一次調(diào)頻補償指令的理論值應(yīng)為-0.36 MW，由此看出，機組的一次調(diào)頻能正常動作，且動作幅度高于理論值。

1.2.2 有功功率跟蹤機組負荷指令過程

機組負荷的實際跟蹤情況如圖6所示。

機組調(diào)節(jié)過程中，一次調(diào)頻持續(xù)動作，機組有功功率在跟蹤AGC指令時疊加了一個較大的一次調(diào)頻向下補償量。從整個調(diào)節(jié)過程中明顯可見，由于機組有功功率始終向下偏離AGC 指令較多，向上調(diào)節(jié)時被當作是跟不上AGC 指令的增過程（如圖6 中紅圈所示），而向下調(diào)節(jié)時被當作超前完成了AGC指令的減過程（如圖6中藍圈所示）。

圖6 機組負荷跟蹤曲線

從具體數(shù)據(jù)來看，04：00—04：08 時段，機組AGC 指令持續(xù)增，從178.23 MW 增至196.17 MW，8 min內(nèi)僅增加17.94 MW，平均變化速率2.24 MW/min。04：08—04：12 時段，機組AGC 指令持續(xù)減，從196.17 MW減至183.14 MW，4 min內(nèi)減少13.03 MW，平均變化速率3.25 MW/min。04：12—04：15時段，機組AGC指令持續(xù)增加，從183.14 MW增加至187.84 MW，3 min內(nèi)增加4.7 MW，平均變化速率1.57 MW/min。

通過分析可知，該機組向上調(diào)節(jié)速率低于向下調(diào)節(jié)速率。

2 ACE調(diào)節(jié)異常原因分析

首先從理論上根據(jù)ACE、AGC 和一次調(diào)頻的動作原理進行分析。電網(wǎng)ACE 是實時變化的，其正負方向、數(shù)值大小與特高壓聯(lián)絡(luò)線功率偏差以及電網(wǎng)頻率有關(guān)，電網(wǎng)調(diào)度AGC 控制系統(tǒng)基于ACE 值生成AGC 指令并分發(fā)至每臺投入AGC 功能的發(fā)電機組。而發(fā)電機組無法監(jiān)測到電網(wǎng)ACE 值，其一次調(diào)頻控制策略只考慮電網(wǎng)頻率的變化，并未考慮ACE 的變化，因此ACE 調(diào)節(jié)方向（即AGC 調(diào)節(jié)方向）存在與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)方向不一致的可能性。

其次從實際運行情況進行分析，根據(jù)網(wǎng)源兩側(cè)功率調(diào)節(jié)情況統(tǒng)計可以得出，本次ACE越限的重要原因是AGC-R模式機組的向上調(diào)節(jié)速率降低，低于正常運行時的額定調(diào)節(jié)速率；而該時間段內(nèi)AGC-R模式機組的向下調(diào)節(jié)速率正常，而能引發(fā)機組該類群體性動作的首先考慮的就是一次調(diào)頻和AGC反向問題。

以某電廠2 號機組調(diào)節(jié)困難期間主要運行參數(shù)為例，如表1所示。

表1 某2號機組主要運行參數(shù)

從表1 可看出，機組在AGC 調(diào)節(jié)過程中，受一次調(diào)頻動作的影響較為明顯。同理，分析另外其他7臺機組，也存在同樣的現(xiàn)象。結(jié)合上文對于機組AGC 調(diào)節(jié)過程的具體分析，得出ACE 越限的主要原因是：電網(wǎng)ACE與火電一次調(diào)頻調(diào)節(jié)方向相反。

同時，在分析過程中發(fā)現(xiàn)機組側(cè)調(diào)節(jié)存在兩方面問題。一方面是頻差小擾動時機組一次調(diào)頻量明顯比理論值要大，例如電網(wǎng)頻率為50.04 Hz 時，機組一次調(diào)頻理論指令為0.924 MW，而實際指令為2.33 MW，目前山東省內(nèi)較多機組存在該現(xiàn)象，其原因是為了應(yīng)對一次調(diào)頻日常小擾動考核，在小頻差時將一次調(diào)頻指令設(shè)置得較大；另一方面是部分機組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)較差導(dǎo)致出力跟蹤不及時，例如某電廠1 號機組，機組在出力連續(xù)增加過程中鍋爐燃燒補充不足，主汽壓力下降較快，導(dǎo)致機組跟蹤AGC指令不及時。

3 應(yīng)對山東電網(wǎng)ACE調(diào)節(jié)異常的對策

根據(jù)以上分析，提出應(yīng)對山東電網(wǎng)ACE 調(diào)節(jié)異常的對策如下。

1）在政策上引導(dǎo)發(fā)電機組積極參與AGC輔助服務(wù)。各地區(qū)火電AGC 出清價格最高上限如表2 所示。山東電力輔助服務(wù)市場的AGC出清價格最高上限現(xiàn)在為6元/MW，相比其他地區(qū)較低。為提高發(fā)電廠投入AGC-R 模式運行機組的積極性，可考慮適當提高AGC 出清價格最高上限，增加AGC-R 模式機組數(shù)量，引導(dǎo)參與電網(wǎng)ACE調(diào)節(jié)。

表2 各地區(qū)火電AGC出清價格最高上限 單位：元/MW

2）針對電網(wǎng)ACE與火電一次調(diào)頻調(diào)節(jié)方向相反的問題，應(yīng)進一步完成電網(wǎng)ACE 和AGC 控制系統(tǒng)的策略。在AGC-R 模式機組控制策略中應(yīng)考慮ACE與一次調(diào)頻的影響，并完善電網(wǎng)緊急情況下AGC-O模式機組的控制策略。如果頻差進一步增大（達到0.1 Hz），一次調(diào)頻動作后會閉鎖AGC 的反向調(diào)節(jié)，此時電網(wǎng)ACE 調(diào)節(jié)能力進一步弱化，容易造成電網(wǎng)ACE 越限。在電網(wǎng)ACE 越限的緊急情況下，電網(wǎng)調(diào)度人員可批量選擇發(fā)電機組，通過一鍵爬坡功能手動增加或減少機組有功出力，避免電網(wǎng)ACE 超過允許范圍。

3）針對頻差小擾動時機組一次調(diào)頻量明顯比理論值偏大的問題，可進一步完善發(fā)電機組一次調(diào)頻考核機制。發(fā)電機組一次調(diào)頻運行考核方面，由于現(xiàn)有一次調(diào)頻小擾動考核標準規(guī)定的考核邊界值是0.038 Hz，機組為提升合格率只能加大一次調(diào)頻動作幅度，建議將考核邊界值適當放寬；對一次調(diào)頻大擾動考核標準引入動作區(qū)間指標，要求機組動作幅值處于一個上下限區(qū)間內(nèi)，避免機組調(diào)節(jié)過大或過小。

4）針對部分機組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)較差導(dǎo)致出力跟蹤不及時的問題，可進一步加強直調(diào)機組出力管理，提升火電機組AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)。當電網(wǎng)發(fā)生緊急情況下，需要機組進行大范圍、快速的改變出力，因此對機組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)要求較高。可開展對機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化提升工作，提高機組AGC調(diào)節(jié)指標，一方面提升電網(wǎng)ACE 調(diào)節(jié)水平，另一方面提高機組參與AGC輔助服務(wù)市場的競爭力。

4 結(jié)語

通過網(wǎng)源平臺在線數(shù)據(jù)對ACE調(diào)節(jié)過程中電網(wǎng)側(cè)和電源側(cè)數(shù)據(jù)進行深入分析，發(fā)現(xiàn)ACE 與火電一次調(diào)頻調(diào)節(jié)方向相反是導(dǎo)致ACE 越限的主要原因，并提出了應(yīng)對山東電網(wǎng)ACE 調(diào)節(jié)異常的相關(guān)對策，對提高電網(wǎng)ACE 調(diào)節(jié)水平和機組AGC 調(diào)節(jié)品質(zhì)具有指導(dǎo)意義。