電網廠站端自動電壓控制技術應用研究

李 玉 齊, 支 曉 晨, 邱 文 俊, 張 順 仁, 朱 琦 文, 李 超

(上海明華電力科技有限公司,上海 200090)

0 引 言

AVC技術是在確保電網系統安全、穩定、經濟運行的前提下,提升電網電能質量的有效手段。電廠通過AVC調節滿足調度的要求,獲得相應的考核獎勵,并對電網提供強有力的支撐。抽水蓄能電站方面,抽蓄電站與常規電站相比,優勢顯著[1]:抽蓄機組啟動與工況轉換速度快,能在較短時間內達到所需工況;抽蓄機組在發電、發電調相、抽水調相、抽水等工況均能有效調節機組電壓。抽蓄電站在電網系統中承擔事故備用、調頻、調峰,以及黑啟動等作用,有效利用抽蓄機組在無功調節方面的能力優勢,可確保電網系統穩定可靠,進一步提升電網系統電能質量、無功平衡與經濟性等。在我國電網系統光伏、風電等新能源接入比例與日俱增的情況下,抽蓄電站在維持電網安全穩定方面有著不可或缺的地位。

電網廠站端建立適合抽蓄機組的AVC子站系統且配置完備的無功/電壓調節能力,實現抽蓄多機組、多工況條件下的無功/電壓自動控制,對支撐電網電壓穩定和提高電網電壓的調節能力具有重要實際意義。

1 廠站端AVC子站控制原理

廠站端AVC子站系統接收電網調度AVC主站下發的出口母線電壓/無功指令,按一定的無功控制策略[2]把總無功功率合理分配給各機組,機組通過勵磁系統(Automatic Voltage Regulator,簡稱AVR)調節勵磁,實現母線電壓的自動控制。

廠站AVC 子站系統采用串級控制、漸次逼近的控制方法,通過多次輪循采樣進行無功調節的方式,最終達到目標值。按調度下發的母線電壓/無功調整指令,廠站端AVC子站主要控制過程原理[3]AVC子站控制原理結構圖見圖1。

圖1 AVC子站控制原理結構圖

按電網調度AVC主站下發的出口母線電壓/無功調節指令的順序執行,廠站端AVC 子站控制系統的整個控制過程主要分三個環節實現[4]:

(1)出口母線電壓目標轉換至總無功目標指令。電網調度AVC主站下發的出口母線電壓目標值Ug為閉環調節回路中廠站出口母線電壓的目標值。出口母線電壓目標值Ug與負反饋量(受控母線BUS電壓實測值Uc)作差的電壓偏差量 ΔU,作為出口母線電壓相應閉環調節回路的輸入,廠站內總無功目標指令值Qt由該輸入經電壓/無功轉換所得。

(3)執行單機組無功目標指令。給定單機組無功調節指令Qi,在單機組無功閉環調節回路中Qi與機組無功實測值Qri作差,得到單機組無功閉環調節回路的輸入量。并將該差值轉換為相應增磁、減脈沖信號下發至AVR調節機組無功出力,以改變機組的機端電壓值,間接改變受控母線BUS電壓值,達到調節母線電壓的目的。

2 廠站端AVC系統控制策略

2.1 全廠站目標總無功計算

根據文獻[5],廠站AVC子站系統按電網調度AVC主站所下發電壓目標值與廠站實際出口母線電壓的差值進行無功分配,計算如下:

Qreal-Qm∑=Kf×ΔV

(1)

式中:Qreal為廠站端全廠實發無功;ΔV為電網調度AVC主站下發電壓目標值與廠站出口母線電壓的差值;Kf為調壓系數;Qm∑為維持母線電壓所需總無功功率。

2.2 機組無功分配策略

發電廠站端機組數量一般大于1,AVC子站系統作為全廠無功調節中心,需按無功分配策略輸出調節指令至各機組。AVC子站無功分配策略主要有等功率因數分配、等無功容量分配、等無功裕度分配和平均分配四種。四種無功分配策略如下:

(1)等功率因數分配策略。等功率因數以功率因數相同為原則分配無功至各受控機組,各受控機組無功分配量與其有功出力存在線性關系,調節至各受控機組無功上、下極限范圍內。已知各受控機組當前有功與全廠站無功目標值,按無功分配策略調節完成后全廠站總功率因數如下:

(2)

(3)

式中:Qi為分配至第i臺受控機組無功目標值。

用等功率因數分配策略,可使各機組之間內部環流減少,產生的功率損耗相對減少。

(2)等無功裕度分配策略。等無功裕度分配是根據各受控機組的無功裕度大小進行無功分配。

1)若調度下發電壓目標值高于出口母線電壓,即要求各受控機組增加無功出力,其大小根據各受控機組的無功容量大小進行分配。各受控機組所分配無功:

(4)

2)若調度下發電壓目標值低于出口母線電壓,即要求各受控機組減少無功出力,其大小根據各受控機組的無功容量大小進行分配。各受控機組所分配無功:

(5)

式中:n為參與無功調節受控機組臺數;Qi為分配至第i臺受控機組的無功目標值;Qm∑為待分配無功功率;QGi為第i臺機組實際無功出力;Qimin為第i臺受控機組無功下限;Qimax為第i臺受控機組無功上限。

(3)等無功容量分配策略。等無功容量分配,是根據各受控機組的無功容量大小進行無功分配,以確保各受控機組無功容量與所分配的無功大小成線性關系:

(6)

式中:n為參與無功調節受控機組臺數;Qm∑為待分配無功功率;Qimax為第i臺機組最大無功容量;Qi為分配至第i臺受控機組的無功目標值。

(4)平均分配策略。平均分配是把全廠總無功平均地分配給參與無功分配的各受控機組。

(7)

式中:Qm∑為待分配無功功率;n為參與無功調節受控機組臺數;Qi為分配至第i臺受控機組無功目標值。

廠站端AVC系統響應調度/電站層下發的控制指令(如恒母線電壓、恒無功、電壓曲線),計算該指令與實際測量值的偏差得出廠站端電壓/無功目標值,再由AVC無功分配策略分配至各受控機組。無論采用哪種無功分配策略,在分配無功時均應保證:1)各機組穩定運行為前提;2)各受控機組應盡可能同步調節,能保持一定的調節裕度;3)機組機端電壓不超過安全極限范圍。

上述四種無功分配策略,不同廠站適用的策略不盡相同。其中,抽水蓄能電站機組具有發電調相、發電、抽水調相、抽水共四種工況,機組在這四種工況下,均可吸收無功降低電網電壓;也可以發出無功,提高電網電壓,以達到調節電網電壓的目的。不同廠站適用的無功分配策略見表1。

表1 不同廠站適用的無功分配策略

采用抽蓄機組調節無功時,應優先采用發電(或抽水)工況進相(或滯相)運行的方式,次之考慮調相方式[6]。當抽蓄機組不發電(或抽水)的時候,使用抽蓄機組在調相(如發電調相、抽水調相)工況下調節無功,是一種有效簡便的電壓調控方法。調相運行會導致電能損耗增加,應注意使用方法:盡量減少調相運行持續時間;優先采用發電調相,其次采用抽水調相。

盡管抽蓄機組在發電調相、發電、抽水調相、抽水這四種工況下均可吸收(或發出)無功來調節電網電壓,但受控機組在各工況下無功調節能力隨受控機組的運行特性而異,因而廠站端AVC子站系統進行無功分配應充分考慮機組P-Q曲線限制。

2.3 AVC系統控制方式與控制模式

2.3.1 AVC系統控制方式

AVC系統控制方式主要分遠方/現地方式,以及AVC定值/曲線方式兩種。

(1)AVC遠方/現地方式。廠站AVC子站系統將機組所分配無功下發至AVR,由AVC 遠方(閉環)/現地(開環)決定。閉環方式下,機組無功分配指令自動下發至AVR調節無功;開環方式下,機組無功分配指令僅在監控顯示,但未出口下發至機組AVR[7]。

廠站AVC 子站系統處于現地方式時,運行人員在AVC監控設定電壓/無功設定值,此時閉鎖調度下發電壓/無功設定值。廠站AVC 子站系統處于遠方方式時,電壓/無功設定值由調度通過調度數據網下發,此時閉鎖廠站的電壓/無功設定值[8]。調度AVC 主站實時向廠站端AVC 子站上位機下發廠站出口母線電壓/無功目標值,AVC子站上位機根據該電壓/無功目標值計算各機組無功出力,下發至AVC子站下位機,再由AVC子站下位機通過分散控制系統(distributed control systems,簡稱DCS)或抽蓄的現地控制單元(Remote Terminal Unit,簡稱LCU)向機組的AVR發送增磁、減磁脈沖信號以調節機組無功出力。最終使廠站出口母線電壓或機組無功出力趨近目標值,廠站AVC 子站與調度AVC 主站通過調度數據網形成閉環控制。

(2)AVC定值/曲線方式。AVC 定值/曲線方式,即:廠站AVC 系統在定值方式時,廠站AVC系統的遠方(或現地)方式決定電壓/無功設定值。若廠站AVC 系統處于遠方方式,則由調度AVC主站下發廠站電壓/無功設定值;若廠站AVC 系統在現地方式,則在廠站AVC 系統監控設定電壓/無功設定值。

廠站AVC 系統處于曲線方式時,由當日當前時刻的電壓曲線值決定電壓/無功設定值。今日、明日電壓曲線,可由廠站運行人員手動設定或調度AVC主站經調度數據網下發。在零點時刻,監控明日曲線將自動覆蓋今日曲線。

2.3.2 AVC系統控制模式

廠站端AVC子站系統分兩種模式控制廠站無功出力,即單機控制模式和全廠控制模式。

在單機控制模式時,廠站AVC 子站系統接收調度AVC主站下發至各受控機組的無功目標值,AVC 系統通過DCS 系統(或LCU,水電、抽蓄是LCU)或直接向機組AVR 發送增磁、減磁脈沖信號以調節機組無功出力,最終使各受控機組的無功出力趨近或達到下發的目標值。

在全廠控制模式時,廠站AVC 子站系統接收調度AVC 主站下發的廠站出口母線電壓/無功目標值,計算廠站出口的總無功,將該無功按無功分配策略合理分配給各受控機組。廠站AVC 子站系統經DCS(或LCU)或直接向機組AVR發送增磁、減磁信號以調節機組無功出力,使廠站出口母線電壓趨近或達到下發的目標值,實現全廠站多機組電壓/無功自動控制。

3 廠站端AVC動態與聯調

開展廠站端AVC動態與聯調試驗,先對安全約束功能進行設計,再通過AVC動態與聯調試驗驗證各項安全約束功能與配置是否正確有效以及無功控制策略是否能正確有效響應調度調控。

3.1 安全約束功能設計

機組進行AVC動態與聯調,需進行相關安全約束功能設計。廠站端AVC子站系統安全與約束功能如下:

(1)AVC子站應設置廠用電壓、機端電壓、母線/出口母線電壓,以及機組無功等單向閉鎖值。當運行數據越單向閉鎖值時,AVC子站應閉鎖該方向的調控功能。

(2)AVC子站應對廠用母線電壓、機端電壓、母線/出口母線電壓,以及機組無功等設置單向反調值。當運行數據越過單向反調值時,AVC子站應反向調控至實時運行數據拉回該方向閉鎖值內。

(3)AVC子站應對機端電流、機組有功等設置雙向閉鎖值,當實時運行數據越過雙向閉鎖值之一時,AVC子站應雙向閉鎖調控功能。

(4)AVC子站應設置廠用電壓、母線/出口母線電壓、機端電壓、機端電流、機組有功、機組無功有效值,當運行數據越過有效值時,AVC子站應自動退出并報警。

反調限值范圍應大于閉鎖限值,兩者差值稱為閉鎖反調死區(記為ξ,ξ>0)。應注意在電氣量越限反調時,需設置閉鎖死區、反調死區,以防廠站端AVC子站系統反復震蕩調節。當所測量電氣量越過低限值時,AVC 應可靠減磁閉鎖;當所測量電氣量越過高限值時,AVC 應可靠增磁閉鎖。記廠用母線電壓,母線/出口母線電壓、機端電壓,機組無功對應的高閉鎖值為Xmax,對應的低閉鎖值為Xmin,對應的實測值為Xreal[9],則有:

1)當實測電氣量達到高限值時,AVC 應可靠增磁閉鎖,同時輸出減磁脈沖進行反向調節。其中:

高閉鎖條件:

Xreal≥Xmax

高反調條件:

Xreal≥Xmax+ξ

2)當實測電氣量達到低限邊際時,AVC 應可靠減磁閉鎖,同時輸出增磁脈沖進行反向調節。其中:

低閉鎖條件:

Xreal≤Xmin

低反調條件:

Xreal≤Xmin-ξ

當某臺受控機組的電氣量出現越限閉鎖反調時,應考慮閉鎖反調后機組的無功出力。并將該無功出力從廠站總無功調控目標中剔除后,將目標無功分配至其他受控機組,其他受控機組按既定無功調控策略調節無功,分擔該臺機組的無功缺口。

由工程現場運行經驗可知,常見的電氣量異常情況有:所采集模擬量數據過小或過大,數據間差距超出合理范圍,以及勵磁狀態異常等。針對異常情況設定相應閉鎖值,采取相應調控措施:主要有單向閉鎖、雙向閉鎖、越限反調、自動退出等調控措施。具體歸納為:

①自動閉鎖。實時運行數據越過其限值范圍,廠站AVC子站受控機組應自動閉鎖調節,且單向閉鎖、雙向閉鎖均可在數據恢復正常后自動復歸。AVC自動閉鎖見表2。

表2 AVC自動閉鎖

②自動反調。實時運行數據越過其反調值范圍,AVC子站應自動啟動反調功能,直至將運行數據反調至閉鎖限值以內時停止反調。AVC自動反調見表3。

表3 AVC自動反調

③自動退出。在AVC子站檢測到AVR異常或其他信息符合退出AVC 時,為保護系統安全需強制退出AVC功能。AVC子站發生系統內部故障;實時運行數據出現連續三個數據刷新周期超出數據有效范圍或不刷新;出現AVR異常信號時,廠站AVC子站相應受控機組AVC調節應自動退出并告警。AVC自動退出見表4。

表4 AVC自動退出

3.2 廠站端AVC動態與聯調調試

廠站端AVC動態與聯調調試,主要分廠站端AVC動態試驗與AVC子站廠站內聯調試驗兩部分。

3.2.1 廠站端AVC動態試驗

根據文獻[10],動態試驗有開環動態試驗與動態閉環試驗。

(1)開環動態試驗。在AVC子站系統裝置的出口壓板未投入情況下,通過參數設置驗證各種異常工況時,AVC控制邏輯、裝置閉鎖功能是否正確有效。其中,AVC調控功能試驗如母線電壓與母線電壓的偏差與死區范圍、AVC指令越限、AVC指令超步長等;AVC限制功能試驗如母線電壓、無功功率、機端電壓、廠用母線電壓高閉鎖與低閉鎖,有功功率、機端電流雙向閉鎖等。

(2)閉環動態試驗。在廠站AVC子站系統裝置的出口壓板投入情況下,通過AVC調控速度整定試驗,獲取機組AVR無功調節響應數據,以確定AVC子站輸出控制的相關基本參數,計算增磁、減磁脈沖對無功的影響變動量,機組狀態趨穩時間。據此提出設置AVC脈沖間隔、LCU(或DCS)輸出增磁、減磁脈寬的合理建議,供廠站AVC子站裝置參數整定。

機組AVC動態調試試驗,確認廠站端AVC子站是否具備廠站內聯合調試的試驗條件。

3.2.2 AVC子站廠站內聯調試驗

AVC子站廠站內聯調試驗是保障電網廠站端AVC子站運行策略完整、可控能控、符合調度技術要求的重要有效手段。

通過廠站端機組無功分配策略試驗,確認AVC子站四種無功控制策略是否有效,分配目標及控制過程是否正確。根據不同無功控制策略確認受控機組無功協調能力,AVC子站能可靠響應且跟隨電網調度AVC主站的運行計劃曲線;通過AVC子站就地閉環運行試驗,確認AVC調控能力是否滿足要求,調控過程是否正確。完成AVC子站廠站內聯調試驗,AVC子站無功控制策略有效,且能正確響應調度AVC主站的調控指令。

4 結 語

根據AVC技術現有理論與現場工程技術經驗,對自動電壓控制技術無功分配策略總結,并設計安全約束功能。在工程應用方面為廠站端AVC子站無功分配策略、安全約束功能設計,以及AVC動態與AVC聯調試驗提供了參考。抽水蓄能電站是支撐電網系統安全、穩定、經濟運行的有效途徑,是支撐可再生能源、新能源大規模發展的重要保障。抽水蓄能中長期發展規劃裝機容量倍增,將推動我國抽水蓄能事業高質量發展。未來強化自動電壓控制技術在抽水蓄能電站領域的研究,對在全國各區域電網調度開展自動電壓控制規范化應用具有重要意義。