火力發(fā)電中的自動電壓控制AVC技術(shù)分析

王錦

國能太倉發(fā)電有限公司 江蘇 太倉 215433

引言

隨著電力需求的增長和電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大，火力發(fā)電站的AVC技術(shù)變得越來越重要。AVC系統(tǒng)通過監(jiān)測發(fā)電機輸出的電壓，并根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整勵磁系統(tǒng)的參數(shù)，以維持穩(wěn)定的電壓水平。這種自動控制能力使得火力發(fā)電站能夠應對電網(wǎng)負荷變化，提供所需的電能，并保護設(shè)備免受電壓波動的影響。

1 自動電壓控制（AVC）原理

1.1 自動電壓控制的概念

AVC技術(shù)是利用電子計算機和通訊技術(shù)，以其為動力源，基于動態(tài)監(jiān)測與動態(tài)監(jiān)測技術(shù)的新方法。自動電壓控制是一種可以對電網(wǎng)進行自動調(diào)節(jié)和控制，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行的系統(tǒng)。并且，自動電壓控制AVC技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用對改善電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)具有重要意義，有效的促進了發(fā)電企業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1.2 自動電壓控制的應用優(yōu)勢

自動電壓控制（AVC）技術(shù)的使用，有效地提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。使用自動電壓控制系統(tǒng)，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)運行中的負荷進行有效的控制和維護，從而保障和改善電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，并逐步提高電壓質(zhì)量，進一步提升火力發(fā)電廠整體電壓[1]。最終，通過使用自動電壓控制，這樣就能降低輸電線路中由輸電無功組成的有功損失，保證輸電線路的質(zhì)量與效率。

1.3 自動電壓控制系統(tǒng)工作原理

電站自動電壓控制系統(tǒng)，可以通過PTU通道，接收由AVC系統(tǒng)設(shè)定的電壓數(shù)值，并在發(fā)電設(shè)備的功率、電流、電壓等參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過公式計算結(jié)合計算機系統(tǒng)，逐步計算出整個發(fā)電站所需要承擔的無功功率。與此同時，需要結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，通過綜合考慮各種限制因素，對電廠各個單元的無功進行了科學、合理的配置。AVC系統(tǒng)是將發(fā)電廠的波動信號傳遞給各發(fā)電機，通過脈沖、脈寬等形式，對機組進行自動控制，具體的AVC系統(tǒng)控制流程如圖1所示。

圖1 AVC系統(tǒng)控制流程

2 火力發(fā)電中的自動電壓控制策略存在的問題

2.1 投切策略

AVC是電力市場中最主要的一種調(diào)控方式，其在保障電力市場中的電壓安全性的前提下，既要實現(xiàn)無功功率的最優(yōu)分配，又要兼顧受控裝置的工作特性，以確保電力市場及裝置的安全穩(wěn)定。AVC對被控制裝置的開關(guān)控制方法是[2]：①在相同的變電所中采用輪換開關(guān)；也就是首先判斷出裝置的容量和敏感性，根據(jù)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，判斷低壓母線投入是否均衡，并將系統(tǒng)運行過程中發(fā)生的控制故障記錄與月平均值相結(jié)合，從而判斷出系統(tǒng)運行過程中低壓母線投入是否均衡；②使相同被控制裝置的操作數(shù)量和操作間隔達到預先設(shè)定的限制，避免裝置的頻繁調(diào)整。在現(xiàn)行的電力系統(tǒng)中，對電力系統(tǒng)的日調(diào)壓是8次，投切間隔是10min。在實際應用中，發(fā)現(xiàn)以上方法缺乏對電容群電抗速率的判斷標準。變電站使用兩種電抗率可以在很大程度上實現(xiàn)對三次及以上諧波的高效抑制。當兩個具有不同電抗系數(shù)的電容設(shè)備在輸入時，如果其總的阻抗為電容，則會產(chǎn)生高次諧波放大效應。據(jù)此，需要用電抗比來確定自動斷路器的開斷時間。

例如：一座500kV變電站1號電容器組在投入運行大約0.5s后跳閘，經(jīng)過檢測，4個單個電容器被破壞，拆開一座時，發(fā)現(xiàn)里面的焊錫連接已經(jīng)熔斷，對此進行分析是由于元件過流造成的。其閉鎖波形呈現(xiàn)出三次諧波相變的特征。該站低壓母線配裝1號、2號、3號三組電容器，每組電容的額定電抗率為5%，余下兩組的額定電抗是12%。故障分析表明，首先投入電抗率5%的電容，使三次諧波放大，造成設(shè)備過電流破壞。

2.2 閉鎖策略

AVC作為一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了電網(wǎng)的安全運行，對其進行控制和閉鎖的設(shè)置是非常重要的。通?？煞譃?個層次：系統(tǒng)層次的閉鎖、廠站層次的閉鎖、設(shè)備層次的閉鎖。已有的閉鎖方法主要有狀態(tài)突變閉鎖、事故閉鎖以及遠距離故障閉鎖。目前，在變電所發(fā)生事故時，自動電壓控制主站在收到事故總信號時，都是采用廠站級閉鎖的方式，直到事故總恢復后才自動解除。在運行過程中，我們發(fā)現(xiàn)，在停電后，一些低壓保護及測量控制裝置不能快速恢復到最初的狀態(tài)，因此，在沒有隔離的情況下，整個變電站的AVC都有可能重新投入運行，從而對電網(wǎng)與設(shè)備造成了一定的影響。為了解決這些問題，我們建議，在事故發(fā)生之后，一方面，AVC系統(tǒng)應該立刻進行工廠-站點級的鎖定，可以設(shè)置（推薦1個小時），另一方面，對運行規(guī)程進行修改，在閉鎖過程中，相關(guān)的運維人員要在第一時間離開。當固定的閉鎖時間過了，按照事故的總體狀態(tài)，將其自動解除。這種改進方案不僅可以確保不會再有故障的設(shè)備被重新投入，而且可以使廠站級別的自動控制系統(tǒng)迅速恢復正常。

3 AVC子站運行安全約束條件

3.1 AVC與勵磁調(diào)節(jié)器的配合

由于AVC是兩級電壓自動調(diào)節(jié)的一種手段，并且它的最終調(diào)節(jié)必須依賴于AVR，因此為了避免安全事故的發(fā)生，AVC的控制參數(shù)必須與AVR相配合。當自動風門出現(xiàn)異常或故障時應退出或閉鎖AVC，并且AVC的調(diào)節(jié)范圍要小于AVR的調(diào)節(jié)范圍。其中需要特別注意的一點是，當AVR出現(xiàn)異常的時候，必須經(jīng)過一定的延時才能退出或閉鎖AVC，以免系統(tǒng)在發(fā)生擾動時，AVR強勵動作觸發(fā)相關(guān)告警信號，導致AVC功能退出，從而對AVC的投運率指標造成影響。

3.2 AVC與機組運行參數(shù)的配合

當機組運行參數(shù)超出一定范圍時，AVC系統(tǒng)還會自動退出或關(guān)閉機組的調(diào)壓，如機組的有功、廠用電壓、發(fā)電機的電壓、發(fā)電機的電流等。當設(shè)定這些操作參數(shù)的超限值時，需要為標識參數(shù)添加一定的余量[3]。例如：某燃機電廠在冬季AVC的通過率就比夏天低，經(jīng)過對通過率的檢查，發(fā)現(xiàn)所有通過率都是因為有功超上限閉鎖AVC調(diào)節(jié)引起的。該機組銘牌參數(shù)為480MW，冬季環(huán)境溫度較低，燃機發(fā)電效率高于夏季，最高輸出可達50MW以上，而AVC裝置設(shè)定的有功功率閉鎖上限為480MW，在480MW-500MW負荷期間，AVC處于閉鎖調(diào)節(jié)狀態(tài)，從而導致冬季合格率低于夏季。

3.3 AVC與繼電保護的配合

以發(fā)變組V/Hz保護為例，V/Hz倍數(shù)的具體數(shù)值是根據(jù)發(fā)電機廠家發(fā)布的V/Hz能力曲線來確定的，建議AVC、AVR與保護裝置之間取一定級差，而且要超過0.02PU，以防AVC、AVR與保護裝置之間因為采樣偏差導致保護誤操作。某電廠1號機組的AVC和AVR與繼電器V/Hz設(shè)定值之間雖然存在一定的級數(shù)差異，但只有0.01PU。2014年7月，當該機組在50%負載時，因為通訊故障，導致母線電壓不刷新，AVC判斷調(diào)節(jié)沒有到位，當機端電壓繼續(xù)上升，達到1.05PU時越上限閉鎖[4]。但是這時保護裝置采集到的V/Hz倍數(shù)已達到1.06（保護電壓與AVC電壓取自不同的電壓互感器），保護裝置V/Hz反時限啟動，經(jīng)過長延時后，保護出口將該機組解列。

4 新技術(shù)應用對AVC系統(tǒng)的影響

4.1 控制策略關(guān)聯(lián)重要告警信息

隨著D5000體系的快速構(gòu)建，AVC成為D5000體系的核心部件。AVC是否可以和D5000進行數(shù)據(jù)交換，并實時獲取被控變電所的運行數(shù)據(jù)，從而可以對AVC系統(tǒng)的相關(guān)控制邏輯進行更多的優(yōu)化和改進?，F(xiàn)有的自動控制技術(shù)主要是針對受控裝置的狀態(tài)突然變化或遙測、遙信不一致而設(shè)定鎖定[5]。在實際工作中可以看到，AVC從下達命令到被控制設(shè)備的順利實施，要經(jīng)過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、遠動機、規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置、通信設(shè)備等幾個環(huán)節(jié)，其中任意一個的失效都會對命令的實施產(chǎn)生影響。因此，可以將重要設(shè)備的警報信息和自動化系統(tǒng)建立起一種鎖定機制，以避免遠程控制對電網(wǎng)和設(shè)備造成的影響，減少無意義的遠程控制指令。

4.2 新型遠動機實現(xiàn)多重閉鎖

一些廠家生產(chǎn)的新一代遠動能將遙信器鎖定在遠程控制上。即使在主站配置、邏輯或命令出現(xiàn)錯誤時，通過該功能，也可以對重要的遠程閉鎖做出邏輯判斷，利用各種防御措施，可以避免出現(xiàn)電容器、電抗器同時投入、投入或切除的設(shè)備再投入或切除、將有可能對電力系統(tǒng)及設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響的故障脫扣裝置重新投入等。

5 電壓自動控制技術(shù)在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中的應用

5.1 電壓自動控制技術(shù)在變電站自動化方面的應用

在我國，變電站數(shù)量眾多，其管理模式主要有兩種，一種是由部分人來管理，一種是沒有人來管理。隨著國家電力系統(tǒng)的發(fā)展，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的全自動化已成為一種必然趨勢。將電壓自動控制技術(shù)運用在變電站自動化中，可以有效地防止工作人員在工作中產(chǎn)生的錯誤，這樣就能減少變電站員工人數(shù)的同時，還提升了變電站電力的運輸質(zhì)量。例如：在張家界地區(qū)的變電所，采用了自動電壓控制技術(shù)，通過監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對每個變電站的全部電氣設(shè)備的監(jiān)測與管理，降低了人為因素造成的錯誤。張家界電網(wǎng)在采用變頻器以前，該區(qū)域每日用電高峰時段的人工調(diào)度次數(shù)超過30次，而采用變頻器以后，除了某些必需的調(diào)節(jié)以外，變頻器的調(diào)節(jié)次數(shù)較以往降低了1000余次。

5.2 電壓自動控制技術(shù)在電力配送方面的應用

在實際的電網(wǎng)運行過程中，由于電力調(diào)度自動化系統(tǒng)不能及時發(fā)現(xiàn)線路、設(shè)施中出現(xiàn)的異常用電現(xiàn)象，造成了大量的電能損失。所以，將自動電壓調(diào)節(jié)技術(shù)應用于電壓調(diào)節(jié)自動化系統(tǒng)，可以在電力分配中，對某些線路及電力設(shè)施中的異常電進行檢測，并可以對其進行實時定位，幫助工作人員進行改進，還能實現(xiàn)對非正常電壓的自動降壓[6]。隨著不少地區(qū)電網(wǎng)的應用，110kV及以下特高壓的通過率均為100%，同時，10萬千伏安高壓的通過率較以前提高了0.01個百分點，損耗率逐年降低，較以前有了很大的提高。

5.3 無功電壓自動控制技術(shù)在電力能源方面的管理

電力調(diào)度自動化系統(tǒng)包括一個以監(jiān)測和控制為核心的能源管理系統(tǒng)，包括：電力系統(tǒng)的安全狀態(tài)評估與分析，電力系統(tǒng)調(diào)度員模擬培訓，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，自動發(fā)電控制等。在電能管理系統(tǒng)中應用電壓自動調(diào)節(jié)技術(shù)，能夠有效檢測出電能的故障與缺陷。為了保證配電網(wǎng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，保證配電網(wǎng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，對配電網(wǎng)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行評估，改善配電網(wǎng)的生產(chǎn)模式，并逐步提升配電網(wǎng)的發(fā)電效益。采用該技術(shù)后，電網(wǎng)的設(shè)施管理和運行狀況能夠得到很大的提升，設(shè)施的使用年限提高了1/5以上，進而節(jié)省了很多能源。

6 結(jié)束語

綜上所述，在火電廠中使用自動電壓控制，一方面可以對電站的電壓進行及時、高效的控制和調(diào)整，確保電站的電壓穩(wěn)定，防止因電壓變化而造成的電力損耗；另一方面，利用數(shù)字信息技術(shù)和通信技術(shù)，在一定程度上，將火電廠中的工作人員進行了簡單的操作，從而可以控制人為因素對電廠用電造成的不利影響，進而可以有效地減少電廠的用電，提高了電廠的整體生產(chǎn)效率。