抽水蓄能電站負(fù)荷成組控制和緊急支援策略研究與實(shí)現(xiàn)

龔傳利，陳緒鵬，連雪廣，葉芾芃，張 茜

（1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038；2.長(zhǎng)龍山抽水蓄能電廠，浙江 安吉 313300；3.中國(guó)三峽建工（集團(tuán)）有限公司，北京 101199）

0 引言

長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站位于浙江安吉縣，電站有6 臺(tái)發(fā)電機(jī)組，單機(jī)發(fā)電容量35 萬(wàn)kW，總裝機(jī)容量為210 萬(wàn)kW。電站參與華東電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等任務(wù)，促進(jìn)風(fēng)電、光伏等新能源平穩(wěn)并網(wǎng)，這要求電站有良好的調(diào)節(jié)性能。抽水蓄能電站工況變化復(fù)雜，同時(shí)作為超高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量電站，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)時(shí)性、智能化提出了很高要求。該電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司H9000 V4.5 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

為了滿足華東電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，長(zhǎng)龍山電站AGC 功能分為兩部分，一是負(fù)荷成組控制；二是應(yīng)急事故支援。負(fù)荷成組控制功能，指以電站為調(diào)控單元，根據(jù)電網(wǎng)給定有功功率或負(fù)荷曲線，計(jì)算分配各機(jī)組有功，必要情況下，進(jìn)行機(jī)組自動(dòng)發(fā)電和抽水啟停控制，滿足電網(wǎng)對(duì)電站負(fù)荷需求。應(yīng)急事故支援功能，指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大功率缺失、系統(tǒng)頻率嚴(yán)重低于正常范圍時(shí)，由電網(wǎng)主站側(cè)遠(yuǎn)方緊急支援控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況，調(diào)用抽水蓄能電站可支援容量，實(shí)現(xiàn)緊急功率支援以快速恢復(fù)電網(wǎng)頻率的功能。本文針對(duì)這兩方面功能結(jié)合華東電網(wǎng)考核要求進(jìn)行深入研究，并提出實(shí)現(xiàn)方法。

1 負(fù)荷成組控制

1.1 控制模式

電站控制模式分為“開(kāi)環(huán)”、“閉環(huán)”、“指導(dǎo)”三種模式，其中，“開(kāi)環(huán)”模式，程序計(jì)算分配各機(jī)組有功優(yōu)化分配值，并將優(yōu)化值在界面上顯示，但不下發(fā)指令，操作員需手動(dòng)下發(fā)指令；“閉環(huán)”模式，程序計(jì)算分配各機(jī)組有功優(yōu)化分配值，并自動(dòng)下發(fā)調(diào)功和開(kāi)停機(jī)指令；“指導(dǎo)”模式，程序計(jì)算分配各機(jī)組有功優(yōu)化分配值，并自動(dòng)下發(fā)調(diào)功指令，開(kāi)停機(jī)指令需操作員確認(rèn)后下發(fā)。

1.2 負(fù)荷成組拉斜線控制策略

1.2.1 當(dāng)前負(fù)荷曲線目標(biāo)值

華東電網(wǎng)每天通過(guò)101 規(guī)約下發(fā)負(fù)荷曲線，負(fù)荷曲線分為今日負(fù)荷曲線和明日負(fù)荷曲線，每天23：59：50，電站AGC 程序自動(dòng)將明日負(fù)荷曲線拷貝至今日負(fù)荷曲線。負(fù)荷曲線一天共96 個(gè)曲線點(diǎn)值，間隔15 min 一個(gè)點(diǎn)。如果僅僅按照時(shí)間點(diǎn)調(diào)節(jié)，就可能出現(xiàn)大幅度階躍，對(duì)電網(wǎng)安全帶來(lái)隱患。譬如：08：00 曲線值是350 MW，08：15 曲線值是700 MW，如 果08：00～08：15 維 持350 MW，08：15 以 目標(biāo)為700 MW 調(diào)節(jié)，這樣突然大幅增有功350 MW，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。根據(jù)電網(wǎng)考核要求，目前針對(duì)這種情況處理方法是，08：00 曲線值與08：15 曲線值，兩點(diǎn)連線，每分鐘零秒鐘讀對(duì)應(yīng)斜線對(duì)應(yīng)值，作為當(dāng)前1 min 有功目標(biāo)值。任何時(shí)間點(diǎn)，均處于兩點(diǎn)15 min間隔里，Tc為當(dāng)前點(diǎn)，前一點(diǎn)為T0，后一點(diǎn)為T1，T0≤Tc≤T1。

設(shè)T0時(shí)刻曲線值為PT0，T1時(shí)刻曲線值為PT1，則當(dāng)前有功目標(biāo)值見(jiàn)式（1）。

1.2.2 發(fā)電方向上開(kāi)停機(jī)策略

（1）給定有功模式

根據(jù)抽水蓄能電站啟停方便的特點(diǎn)，以節(jié)水為原則和避免頻繁開(kāi)停機(jī)計(jì)算最佳運(yùn)行臺(tái)數(shù)，基于此制定開(kāi)停機(jī)策略。預(yù)先設(shè)置開(kāi)停機(jī)優(yōu)先級(jí)順序，開(kāi)機(jī)和停機(jī)優(yōu)先級(jí)順序分開(kāi)設(shè)置，數(shù)字小的優(yōu)先級(jí)高。

發(fā)電方向開(kāi)機(jī)條件：

其中：

PTc為當(dāng)前有功目標(biāo)值；

Pmax為當(dāng)前AGC 可調(diào)發(fā)電機(jī)組最大有功之和；

Pss-ab為預(yù)設(shè)置開(kāi)停機(jī)死區(qū)；

Pno-AGC為單控機(jī)組實(shí)發(fā)總有功。

發(fā)電方向停機(jī)條件：

其中：

PTc為當(dāng)前有功目標(biāo)值；

為當(dāng)前AGC 停1 臺(tái)發(fā)電機(jī)組最大有功之和；

Pno-AGC為單控機(jī)組實(shí)發(fā)總有功。

（2）負(fù)荷曲線模式

負(fù)荷曲線模式運(yùn)行，華東網(wǎng)調(diào)是按照全廠實(shí)發(fā)總有功與每分鐘負(fù)荷曲線目標(biāo)值偏差大小進(jìn)行考核，偏差超過(guò)考核值將扣發(fā)電積分，首臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)后開(kāi)始考核監(jiān)測(cè)。

當(dāng)前分鐘負(fù)荷曲線給定值，減去未成組機(jī)組的實(shí)發(fā)總有功，根據(jù)（4）和（5）計(jì)算T0時(shí)刻的成組發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)nT1，同理可計(jì)算T1時(shí)刻的成組發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)nT1。根據(jù)華東電網(wǎng)要求，需滿足：|nT0-nT1|≤3，當(dāng)nT0＜nT1時(shí)，啟動(dòng)機(jī)組；當(dāng)nT0＞nT1時(shí)，停機(jī)組。

如果

其中：Pumax表示當(dāng)前水頭下機(jī)組可發(fā)最大有功。

根據(jù)該考核規(guī)則，對(duì)于首臺(tái)機(jī)組開(kāi)機(jī)的情況，該廠機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷175 MW，那么需要用175 MW 在負(fù)荷曲線中找到位置，倒推確定開(kāi)機(jī)時(shí)間。譬如PT0為0 MW，PT1為350 MW，那么負(fù)荷曲線中175 MW的時(shí)間位置在7.5 min，機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為3 min，那么需要在該時(shí)段的4.5 min 位置進(jìn)行開(kāi)機(jī)，這樣才會(huì)避免被考核。

對(duì)于最后1 臺(tái)機(jī)組停機(jī)，需在負(fù)荷曲線中選擇175 MW 位置，如果本時(shí)段只有1 臺(tái)機(jī)組發(fā)電，PT0為350 MW，PT1為0 MW，則7.5 min 時(shí)，曲線值為175 MW，則可以選擇該時(shí)間停機(jī)。如果PT0為700 MW，PT1為0 MW，則11.25 min 時(shí)，曲線值為175 MW，可選擇該時(shí)間停機(jī)。

對(duì)于非首臺(tái)開(kāi)機(jī)和非最后1 臺(tái)停機(jī)，通過(guò)機(jī)組調(diào)節(jié)可以滿足負(fù)荷曲線要求即可，電廠根據(jù)機(jī)組特點(diǎn)配置提前啟停時(shí)間。

1.2.3 抽水方向開(kāi)停機(jī)策略

抽水方向開(kāi)停機(jī)，因?yàn)槟壳皺C(jī)組抽水有功功率不可調(diào)且為最大抽水容量-360 MW，所以調(diào)度給定的抽水方向有功功率均為最大抽水容量的整倍數(shù)，所以抽水機(jī)組臺(tái)數(shù)根據(jù)給定有功功率可直接求出。負(fù)荷曲線模式下，計(jì)算T0和T1時(shí)刻的成組抽水機(jī)組臺(tái)數(shù)nT0和nT1，根據(jù)華東電網(wǎng)情況，需滿足：|nT0-nT1|≤3，當(dāng)nT0＜nT1時(shí)，啟 動(dòng) 機(jī) 組；當(dāng)nT0＞nT1時(shí)，停機(jī)組。

抽水開(kāi)機(jī)需先選擇SFC[2]，才能發(fā)抽水調(diào)相令或抽水令，該電站1 號(hào)，2 號(hào)，3 號(hào)機(jī)優(yōu)先選擇1 號(hào)SFC，當(dāng)選擇不成功時(shí)，再選擇2 號(hào)SFC，如果兩個(gè)SFC 均選擇失敗，則將該機(jī)組退出成組；同理，4 號(hào)，5 號(hào)，6 號(hào)機(jī)優(yōu)先選擇2 號(hào)SFC，當(dāng)選擇不成功時(shí)，再選擇1 號(hào)SFC，如果兩個(gè)SFC 均選擇失敗，則將該機(jī)組退出成組。

老井在院子的西南角，比較偏僻，但柳紅嘩嘩的沖水聲卻特別醒耳，今天她是怎么啦，跟自己有仇似的，一桶桶井水往自己頭上倒。是的，柳紅今天太有仇了，她恨自己，恨自己沖洗不掉癩阿小抓過(guò)胸口的奇癢，沖洗不掉耳邊蘇秋琴的叫床聲，沖洗不掉小腹上公公壓過(guò)的硬梆梆的感覺(jué)……今天，有太多的人往她體內(nèi)塞了太多的東西，她不想要，她要把它們統(tǒng)統(tǒng)洗掉，但是，她不能夠，反被它們肆意地騷擾著。

因?yàn)橥C(jī)開(kāi)機(jī)至抽水調(diào)相需要時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要7～8 min，如果兩個(gè)曲線點(diǎn)間隔15 min 內(nèi)開(kāi)2～3臺(tái)機(jī)組至抽水，直接發(fā)停機(jī)至抽水令，15 min 無(wú)法完成，通常提前至前一個(gè)15 min 時(shí)段由停機(jī)開(kāi)至抽水調(diào)相，本15 min 時(shí)段再有抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水。即Tc為當(dāng)前點(diǎn)，前一點(diǎn)為T0，后一點(diǎn)為T1，再后一點(diǎn)為T2，如果T1～T2時(shí)段需要開(kāi)機(jī)至抽水，則需要在T0～T1時(shí)段開(kāi)機(jī)至抽水調(diào)相，開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)為T2時(shí)刻需要增開(kāi)的抽水機(jī)組臺(tái)數(shù)，在T1～T2時(shí)段再由抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水。開(kāi)機(jī)至抽水調(diào)相、抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水時(shí)間可以預(yù)先設(shè)置。另外，需考慮15 min 時(shí)段內(nèi)，抽水方向開(kāi)2 臺(tái)機(jī)組需避免在同一管的，其中1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)為同一管，3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)為同一管，5 號(hào)、6 號(hào)機(jī)為同一管。

1.2.4 開(kāi)停機(jī)有功調(diào)節(jié)策略

開(kāi)機(jī)過(guò)程中，非開(kāi)停機(jī)機(jī)組需及時(shí)根據(jù)曲線當(dāng)前分鐘時(shí)段有功值進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，確保總有功緊跟曲線兩點(diǎn)拉斜線值。當(dāng)前15 min 時(shí)段機(jī)組需要停機(jī)，減負(fù)荷應(yīng)優(yōu)先減優(yōu)先停機(jī)機(jī)組，等該機(jī)組減至175 MW 時(shí)，再減其他機(jī)組，這樣可以防止對(duì)于機(jī)組發(fā)停機(jī)時(shí)仍然帶高負(fù)荷。

圖1 首臺(tái)單機(jī)組發(fā)電開(kāi)機(jī)

圖2 最后1 臺(tái)單機(jī)組發(fā)電轉(zhuǎn)停機(jī)

1.2.5 有功分配策略

發(fā)電方向成組控制根據(jù)電站總負(fù)荷設(shè)定，在扣除電站所有“單機(jī)”實(shí)發(fā)總有功后，按“成組”機(jī)組步長(zhǎng)修正等容量比例分配法[3]，計(jì)算和分配機(jī)組的有功，因?yàn)樵撾姀S機(jī)組容量相同，所以平均分配計(jì)算目標(biāo)有功。

單臺(tái)“成組”機(jī)組負(fù)荷設(shè)定Pi，即：

其中：

Pno-AGC為單控機(jī)組實(shí)發(fā)總有功；

factor[i]為當(dāng)前機(jī)組容量比例系數(shù)；

factor總為可調(diào)機(jī)組發(fā)電態(tài)機(jī)組容量比例系數(shù)總和。

當(dāng)總有功給定增加時(shí)，在當(dāng)前各機(jī)組有功給定基礎(chǔ)上，選擇有功給定容量比例最小的機(jī)組優(yōu)先增加一個(gè)預(yù)設(shè)分配步長(zhǎng)，如果總有功給定值未分配完，再次選擇當(dāng)前有功給定容量比例最小的機(jī)組增加一個(gè)預(yù)設(shè)分配步長(zhǎng)，如果剩余有功給定值分配額小于步長(zhǎng)，將該機(jī)組增加剩余分配額，依次類推，直至將總有功給定值分配完成。總有功給定減少時(shí)，與總有功給定增加方法類似。基于上述方法，給定值變化不大時(shí)，1～2 臺(tái)機(jī)組參與調(diào)節(jié)即可完成有功分配，避免了機(jī)組頻繁調(diào)節(jié)，同時(shí)也防止因?yàn)榘凑杖萘勘壤峙洌瑱C(jī)組分配值在調(diào)節(jié)死區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致機(jī)組拒動(dòng)。

2 電網(wǎng)緊急事故支援功能

緊急事故支援是當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率嚴(yán)重低于正常范圍時(shí)，通過(guò)調(diào)控抽水蓄能電站可支援容量，從而對(duì)電網(wǎng)緊急功率支援，緊急事故支援是成組負(fù)荷控制的擴(kuò)展功能。

2.1 機(jī)組工況

（1）抽水工況：有機(jī)組在抽水態(tài)或抽水轉(zhuǎn)停機(jī)過(guò)程或停機(jī)轉(zhuǎn)抽水過(guò)程。

（2）抽水調(diào)相工況：電站總負(fù)荷指令為0，且有“成組”工況機(jī)組在抽水調(diào)相工況或抽水調(diào)相目標(biāo)工況。

（3）發(fā)電工況：不屬于上述工況的其他工況，包括發(fā)電或停機(jī)等工況。

2.2 緊急事故支援指令

網(wǎng)調(diào)下發(fā)緊急支援令為0～100 數(shù)字。當(dāng)收到網(wǎng)調(diào)下發(fā)11 時(shí)，表示準(zhǔn)備投入；當(dāng)收到網(wǎng)調(diào)下發(fā)22 且已經(jīng)收到11 時(shí)，表示投入，此時(shí)可以讀取下發(fā)的緊急支援附加值Δp，該值疊加到當(dāng)前時(shí)段目標(biāo)值PTc上，PTc+Δp作為當(dāng)前最終目標(biāo)值。當(dāng)收到網(wǎng)調(diào)下發(fā)33 時(shí)，表示準(zhǔn)備退出；當(dāng)收到網(wǎng)調(diào)下發(fā)66 且已經(jīng)收到33 時(shí)，表示退出。如果在投入過(guò)程中，收到77 指令，表示緊急支援中止，此時(shí)退出緊急支援，且保持當(dāng)前負(fù)荷不變，退出電廠成組功能，機(jī)組單控運(yùn)行，如果需要投入成組，需要操作員手動(dòng)投入。

2.3 緊急事故支援控制策略

緊急支援附加值Δp一定是正數(shù)，緊急支援投入后，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電工況時(shí)，通過(guò)發(fā)電開(kāi)啟備用機(jī)組或者調(diào)用旋轉(zhuǎn)備用容量；當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在抽水工況時(shí)，抽水機(jī)組停機(jī)用來(lái)滿足緊急支援；當(dāng)處于抽水調(diào)相工況時(shí)，閉鎖下一計(jì)劃點(diǎn)要求的抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況轉(zhuǎn)換。該模式下以PTc+Δp作為當(dāng)前最終目標(biāo)值，開(kāi)停機(jī)策略同負(fù)荷成組控制模式。

2.4 當(dāng)前時(shí)刻Tc 可支援容量

電站當(dāng)前時(shí)刻Tc 可支援容量，體現(xiàn)了電站當(dāng)前能夠?qū)﹄娋W(wǎng)提供緊急事故支援的能力，網(wǎng)調(diào)要求上送當(dāng)前時(shí)刻Tc 可支援容量和T1計(jì)劃點(diǎn)時(shí)刻可支援容量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，下列以計(jì)算Tc 時(shí)刻為例，計(jì)算可支援容量Pc-Tc，T1時(shí)刻計(jì)算方法相同。

（1）發(fā)電工況

其中：

n：為成組可調(diào)機(jī)組中處于穩(wěn)態(tài)工況機(jī)組臺(tái)數(shù)；

Pumax：為機(jī)組當(dāng)前水頭最大可調(diào)有功功率；

Pi：為第i 個(gè)成組可調(diào)機(jī)組穩(wěn)態(tài)工況目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定值；

（2）抽水工況

其中：

n：為成組可調(diào)機(jī)組中處于抽水穩(wěn)態(tài)工況機(jī)組臺(tái)數(shù)；

PP-max：為機(jī)組抽水額定容量；

（3）抽水調(diào)相工況

該工況下可支援容量為0。

7 結(jié)語(yǔ)

目前長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站已經(jīng)完成了成組控制試驗(yàn)和緊急支援功能試驗(yàn)，試驗(yàn)滿足華東電網(wǎng)最新要求，自2022 年8 月投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行良好。該電站控制策略根據(jù)華東網(wǎng)調(diào)新的計(jì)劃曲線拉斜線考核方式研制，很好滿足了發(fā)電方向和抽水方向開(kāi)停機(jī)過(guò)程中負(fù)荷曲線考核要求，抽水方向開(kāi)機(jī)策略針對(duì)兩個(gè)曲線點(diǎn)間隔15 min 內(nèi)該多臺(tái)機(jī)情況，也給出了解決方案，最后介紹了緊急事故支援功能指令、控制策略和計(jì)算可支援容量方法。文中介紹的策略，適用于華東電網(wǎng)調(diào)度的抽水蓄能電站，其他電網(wǎng)調(diào)度抽水蓄能電站也可以參考。