碗米坡水電廠AGC控制策略改進(jìn)

胡曉陽(yáng),龔傳利

(1.湖南五凌電力有限公司,湖南長(zhǎng)沙410007；2北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司,北京100038)

0 引言

自動(dòng)發(fā)電控制(簡(jiǎn)稱AGC)是現(xiàn)代化水電廠必備功能，水電機(jī)組啟停和調(diào)節(jié)速度快的特性，使水電廠AGC在電力系統(tǒng)調(diào)峰中擔(dān)任更為重要的角色。但水電機(jī)組參與AGC運(yùn)行后由于負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁導(dǎo)致機(jī)組磨損嚴(yán)重，如何減少機(jī)組磨損、提高水電廠運(yùn)行效率是完善合理的AGC控制策略需要優(yōu)先考慮的內(nèi)容。

碗米坡水電廠裝機(jī)容量為240MW，單機(jī)80MW，電廠AGC功能于2005年12月正式投運(yùn)參與湖南省調(diào)調(diào)節(jié)，在運(yùn)行過(guò)程中由于機(jī)組在參與調(diào)節(jié)的過(guò)程中頻繁跨越振動(dòng)區(qū)，出現(xiàn)調(diào)速環(huán)抗磨塊磨損嚴(yán)重、真空破壞閥故障、導(dǎo)葉套筒漏水、調(diào)速系滲漏點(diǎn)增多等問(wèn)題，對(duì)機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行影響較大,同時(shí)，部分機(jī)組為了躲避振動(dòng)區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間處于低效率區(qū)運(yùn)行,耗水率明顯增加。除此之外，因負(fù)荷分配需避開(kāi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)和氣蝕區(qū)，AGC調(diào)節(jié)精度和速率達(dá)不到考核要求，受到調(diào)度考核，影響了電廠的效益。

針對(duì)上述問(wèn)題，碗米坡電廠通過(guò)成立研發(fā)小組，深入研究AGC調(diào)功策略,多方咨詢、溝通，并通過(guò)對(duì)AGC調(diào)功策略優(yōu)化調(diào)整，有效地解決了長(zhǎng)期存在的機(jī)組效率不高、AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)較差等問(wèn)題，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率并避免了調(diào)度的考核，實(shí)現(xiàn)了電廠與電網(wǎng)的雙贏。

1 改造前AGC系統(tǒng)的基本情況

1.1 調(diào)功策略

碗米坡水電廠AGC投運(yùn)初期所設(shè)定的AGC功能策略如下:

(1)AGC負(fù)荷分配原則

AGC軟件讀取省調(diào)有功設(shè)定值后，減去未加入AGC機(jī)組有功實(shí)發(fā)值，剩余負(fù)荷加入AGC聯(lián)控機(jī)組間平均分配。

式(1)、式(2)中PAGC為參與AGC聯(lián)控機(jī)組總的給定有功值；

P為省調(diào)給定全廠有功值；

n為參與AGC聯(lián)控的機(jī)組臺(tái)數(shù)；

Pi為第i臺(tái)機(jī)組有功分配值。

式(1)代入(2)得出參與AGC機(jī)組有功分配值。

(2)躲避振動(dòng)區(qū)策略

為了避免機(jī)組頻繁跨越振動(dòng)區(qū)，在分配有功時(shí)，當(dāng)機(jī)組有功分配到振動(dòng)區(qū)時(shí)，判別機(jī)組是跨到振動(dòng)區(qū)的上限還是跨到振動(dòng)區(qū)的下限，以振動(dòng)帶作為判據(jù)，即當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)上限以上時(shí)，如果分配的有功處于振動(dòng)區(qū)，只分配到振動(dòng)區(qū)上限，反之，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)下限以下時(shí),如果分配的有功處于振動(dòng)區(qū)，則只分配到振動(dòng)區(qū)下限。

1.2 AGC運(yùn)行存在的問(wèn)題

(1)調(diào)節(jié)品質(zhì)達(dá)不到考核標(biāo)準(zhǔn)

由于AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，2007年被考核15次，共計(jì)扣罰電量30萬(wàn)kW·h。AGC因避開(kāi)運(yùn)行禁區(qū),調(diào)節(jié)精度達(dá)不到考核標(biāo)準(zhǔn)。AGC調(diào)功策略按避機(jī)組振動(dòng)區(qū)(20MW～50MW)與氣蝕區(qū)(0～15MW)運(yùn)行，當(dāng)AGC指令落入機(jī)組運(yùn)行禁區(qū)時(shí)不執(zhí)行，AGC調(diào)功精度便達(dá)不到考核標(biāo)準(zhǔn)，省調(diào)要求調(diào)節(jié)精度是3MW。省調(diào)對(duì)我廠要求的調(diào)節(jié)速度為64MW/min，測(cè)試表明我廠AGC減負(fù)荷調(diào)節(jié)速率符合湖南電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)速率考核要求，而加負(fù)荷速率偏緩。

(2)對(duì)設(shè)備健康損害較大

①負(fù)荷頻繁調(diào)整，加速了機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)件磨損。2007年1月1號(hào)機(jī)組檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)頂蓋抗磨板磨損嚴(yán)重，抗磨板固定螺栓剪斷48個(gè)，并造成控制環(huán)滑動(dòng)接觸面損壞，檢查2號(hào)、3號(hào)機(jī)，也存在類似情況，2007年電廠緊急追加35萬(wàn)元技改資金進(jìn)行了處理。另外由于負(fù)荷的頻繁調(diào)整，水輪機(jī)主軸密封壓蓋內(nèi)水壓波動(dòng)較大，使密封圈起伏狀態(tài)多變，使用壽命縮短。密封圈設(shè)計(jì)使用壽命為2萬(wàn)h，機(jī)組AGC未投運(yùn)時(shí)，2年內(nèi)未進(jìn)行更換，AGC投入后，每年機(jī)組檢修時(shí)均發(fā)現(xiàn)密封圈損壞,進(jìn)行了更換，目前未滿一年，便在運(yùn)行中出現(xiàn)異常情況，使機(jī)組等效可用系數(shù)降低。

②機(jī)組AGC功能未投入時(shí)，1號(hào)機(jī)調(diào)速器壓油泵啟停間隔時(shí)間平均為56min，2號(hào)機(jī)為73min，3號(hào)機(jī)為90min。AGC投入后，壓油泵啟停間隔時(shí)間平均為6min，最短時(shí)僅為1.75min，三臺(tái)機(jī)情況基本相同。由于調(diào)速器壓油泵運(yùn)行間隔縮短，引起電機(jī)發(fā)熱過(guò)載，壓油泵動(dòng)力電源開(kāi)關(guān)跳閘事件時(shí)有發(fā)生。

③由于負(fù)荷調(diào)整平均每分鐘達(dá)4次以上，造成調(diào)速器系統(tǒng)管道法蘭密封墊沖壞、反饋裝置失靈、漏油點(diǎn)增多、接力器節(jié)流閥桿脫落和導(dǎo)葉軸套漏水等缺陷發(fā)生。目前我廠1號(hào)～3號(hào)機(jī)導(dǎo)葉套筒均出現(xiàn)了漏水現(xiàn)象，須待機(jī)組檢修時(shí)才能進(jìn)行該缺陷的消除工作。

④機(jī)組負(fù)荷頻繁調(diào)整，轉(zhuǎn)輪室流態(tài)不穩(wěn)定，造成轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)汽蝕，3號(hào)機(jī)真空破壞閥控制彈簧折斷。

(3)運(yùn)行效率低

由于機(jī)組長(zhǎng)期在低負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行效率低，耗水率增加，所造成的水量損失相當(dāng)嚴(yán)重，2006年全年發(fā)電負(fù)荷率僅為53%，耗水率高達(dá)11.93m3/kW·h。

2 AGC控制策略優(yōu)化方案

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，我們對(duì)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 基本原則(按照優(yōu)先級(jí)從高到低排列)[1]

(1)機(jī)組不能運(yùn)行在振動(dòng)區(qū);

(2)減少跨越振動(dòng)區(qū)的次數(shù);

(3)當(dāng)給定總有功大于實(shí)發(fā)總有功時(shí)，機(jī)組盡可能不減負(fù)荷；當(dāng)給定總有功小于實(shí)發(fā)總有功時(shí)，機(jī)組盡可能不增負(fù)荷；

(4)機(jī)組負(fù)荷不能頻繁調(diào)節(jié)(小負(fù)荷變化由一或兩臺(tái)機(jī)調(diào)節(jié));

(5)優(yōu)化效率。

2.2 縮短AGC運(yùn)行周期

AGC運(yùn)行周期可以通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置，該參數(shù)決定電廠AGC對(duì)于省調(diào)指令響應(yīng)速度，省調(diào)希望越快越好，但對(duì)于電廠來(lái)說(shuō)響應(yīng)過(guò)快導(dǎo)致機(jī)組調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁。通過(guò)與省調(diào)的多次溝通與協(xié)商，現(xiàn)已將AGC運(yùn)行周期由原15s縮短為10s，兼顧了省調(diào)要求和電廠利益。

2.3 優(yōu)化LCU調(diào)功程序

在投產(chǎn)初期，機(jī)組LCU調(diào)功參數(shù)中未考慮AGC系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度的問(wèn)題，機(jī)組減負(fù)荷能夠準(zhǔn)確執(zhí)行到位，但加負(fù)荷時(shí)，每臺(tái)機(jī)總存在2MW左右的偏差，通過(guò)對(duì)調(diào)功程序進(jìn)行分析，對(duì)機(jī)組調(diào)功程序中的增負(fù)荷參數(shù)及調(diào)功最大脈沖時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，解決了機(jī)組加負(fù)荷時(shí)調(diào)功偏差大于設(shè)定死區(qū)的問(wèn)題。

碗米坡電廠機(jī)組調(diào)功以給定脈沖功能塊PWM進(jìn)行調(diào)功，具體的脈沖方式如圖1所示。

圖1 PWM脈沖功能塊調(diào)功示意圖

其中PWM模塊中的脈沖公式如下:

T_on＝t_period×X/up_pos(增加負(fù)荷時(shí)的脈沖公式)

T_on＝t_period×X/up_neg(減少負(fù)荷時(shí)的脈沖公式)

X為功率差值，R為退出調(diào)節(jié)功能指令，P_Para為功率給定脈沖參數(shù)值，Y_POS為增負(fù)荷命令，Y_NEG為減負(fù)荷命令，T_on為脈沖時(shí)間。

P_Para(功率給定脈沖參數(shù)值)如下:

t_period(脈沖周期);

t_pause(調(diào)節(jié)脈沖暫停時(shí)間);

t_break(此時(shí)間為退出程序時(shí)間，不需采用);

t_min(最小調(diào)節(jié)脈沖時(shí)間);

t_max(最大調(diào)節(jié)脈沖時(shí)間);

up_pos(增負(fù)荷時(shí)與功率差值的比較值);

up_neg(減負(fù)荷時(shí)與功率差值的比較值);

Y_POS為1(即增負(fù)荷)，脈沖時(shí)間為T_on;

Y_NEG為1(即減負(fù)荷)，脈沖時(shí)間為T_on。

通過(guò)上圖可知，當(dāng)t_max增大時(shí)調(diào)功步長(zhǎng)增加，up_pos增加時(shí)調(diào)功速度增加，所以需要加快調(diào)功速度時(shí)須將上述兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行最適當(dāng)?shù)钠ヅ洳拍艽_保機(jī)組調(diào)功品質(zhì)并不產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象。

由于1號(hào)機(jī)組調(diào)速器整體調(diào)節(jié)性能比2號(hào)、3號(hào)機(jī)好，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)若參數(shù)與2號(hào)、3號(hào)機(jī)相同時(shí)容易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,必須通過(guò)試驗(yàn)得出三臺(tái)機(jī)組最佳的參數(shù)配置。

機(jī)組LCU的調(diào)功程序在判斷實(shí)際功率與目標(biāo)功率差值的絕對(duì)值小于死區(qū)時(shí)會(huì)立即停止調(diào)功，而在多次的試驗(yàn)及機(jī)組運(yùn)行狀況分析后，發(fā)現(xiàn)調(diào)速器在高負(fù)荷區(qū)域時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度有一定量的回關(guān)值，確保轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，所以當(dāng)機(jī)組負(fù)荷接近當(dāng)前水頭最大負(fù)荷時(shí)，可能會(huì)造成以下情況:實(shí)際功率值瞬時(shí)達(dá)到目標(biāo)功率，機(jī)組LCU停止調(diào)功，調(diào)速器控制導(dǎo)葉微量的回關(guān)，而此時(shí)調(diào)功程序已停止，當(dāng)前實(shí)際功率低于目標(biāo)功率，并且差值明顯大于死區(qū)值，當(dāng)2～3臺(tái)機(jī)組投運(yùn)AGC時(shí)，在高負(fù)荷區(qū)域進(jìn)行調(diào)整時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)4MW～5MW的偏差。

在機(jī)組調(diào)功過(guò)程中，死區(qū)是保證動(dòng)作機(jī)構(gòu)穩(wěn)定的主要參數(shù)，而調(diào)速器作為主要?jiǎng)幼鳈C(jī)構(gòu)，其性能是影響調(diào)功精度和速度的主要因素。在2007年初的1號(hào)機(jī)組檢修過(guò)程中，我們?cè)鴮⒐β仕绤^(qū)值設(shè)置為1MW，以確保3臺(tái)機(jī)組的死區(qū)總額保持在3MW以內(nèi)，但調(diào)速器本體根本無(wú)法穩(wěn)定在1MW死區(qū)，通過(guò)試驗(yàn)其精度最低也只能為1.5MW。

在與廠家人員協(xié)商后，通過(guò)修改調(diào)功程序中判斷條件來(lái)增加機(jī)組調(diào)功時(shí)間，確保實(shí)際功率與目標(biāo)功率差值在死區(qū)之內(nèi)。

2.4 消除過(guò)多振動(dòng)區(qū)對(duì)功率分配的影響

根據(jù)湖南省電力試驗(yàn)研究院《碗米坡水電廠1～3號(hào)機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)總結(jié)》，碗米坡電廠AGC系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:(1)單機(jī)負(fù)荷下限為15MW，機(jī)組不能低于15MW運(yùn)行；(2)20MW～50MW為機(jī)組振動(dòng)區(qū)，機(jī)組不能在振動(dòng)區(qū)內(nèi)運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)AGC調(diào)功策略及機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況的分析觀察，不同水頭下，為避開(kāi)振動(dòng)區(qū)，機(jī)組無(wú)法運(yùn)行在部分區(qū)域，稱為“禁運(yùn)區(qū)”,禁運(yùn)區(qū)越多，全廠有功方式下可運(yùn)行的區(qū)域就越少。由于中調(diào)在下發(fā)指令時(shí)未考慮到全廠方式下的振動(dòng)區(qū)，部分調(diào)功令的功率給定值落在全廠方式下的振動(dòng)區(qū)內(nèi)，造成AGC系統(tǒng)不響應(yīng)。

經(jīng)與中調(diào)自動(dòng)化人員多次溝通協(xié)調(diào)，將機(jī)組AGC調(diào)功避振區(qū)合二為一，由原來(lái)的“單機(jī)負(fù)荷下限15MW，機(jī)組振動(dòng)區(qū)為20MW～50MW”調(diào)整為“41m水頭以下機(jī)組振動(dòng)區(qū)為0～40MW，41m及以上時(shí)機(jī)組振動(dòng)區(qū)為0～50MW”。

2.5 負(fù)荷分配修正方案

為了減少機(jī)組磨損,采用了以下原則:

(1)預(yù)定功率范圍內(nèi)僅改變一臺(tái)機(jī)或兩臺(tái)機(jī)的設(shè)定值。(2)增加調(diào)整的時(shí)間間隔。

(3)預(yù)先定義每臺(tái)機(jī)適當(dāng)有功調(diào)節(jié)步長(zhǎng)。當(dāng)全廠有功給定值有變化如增負(fù)荷時(shí)，選擇實(shí)發(fā)有功值占總?cè)萘勘壤钚〉臋C(jī)組增有功，如果增量在調(diào)節(jié)步長(zhǎng)范圍內(nèi)，且不進(jìn)入振動(dòng)區(qū)和不越有功上限，只分配一臺(tái)機(jī)即可完成調(diào)節(jié)量；否則，將剩余負(fù)荷分配給實(shí)發(fā)值占總?cè)萘勘壤涡C(jī)組，進(jìn)行同樣判斷，如果分配不完，再換下一臺(tái)機(jī)組，直至分配完有功增量；減有功時(shí)，首先減實(shí)發(fā)有功占總?cè)萘勘壤畲髾C(jī)組，其他采用相同策略。設(shè)置適當(dāng)有功調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，可減少一次有功設(shè)定值變化參加調(diào)節(jié)機(jī)組臺(tái)數(shù)，從而減少機(jī)組磨損，如果設(shè)置有功調(diào)節(jié)步長(zhǎng)很小則變?yōu)榈热萘勘壤峙洹?/p>

2.6 跨越振動(dòng)區(qū)策略修正方案

為了減少機(jī)組跨越振動(dòng)區(qū)次數(shù)，程序設(shè)置跨越振動(dòng)區(qū)死區(qū)。機(jī)組由于在當(dāng)前不跨越振動(dòng)區(qū)運(yùn)行區(qū)域無(wú)法跟蹤目標(biāo)值時(shí)，機(jī)組需要跨越振動(dòng)區(qū)，機(jī)組跨越振動(dòng)區(qū)與不跨越振動(dòng)區(qū)相比功率缺額減少值大于跨越振動(dòng)區(qū)死區(qū)時(shí)，機(jī)組跨越振動(dòng)區(qū)。試驗(yàn)證明，適當(dāng)跨越振動(dòng)區(qū)死區(qū)值設(shè)置有效減少了跨越振動(dòng)區(qū)次數(shù)并且能夠滿足調(diào)度目標(biāo)功率要求。

3 AGC調(diào)功策略優(yōu)化效果分析

從目前AGC運(yùn)行情況來(lái)看，優(yōu)化效果比較明顯。

3.1 提升了AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高了電網(wǎng)安全性

電廠AGC優(yōu)化前，調(diào)節(jié)速率和精度有時(shí)達(dá)不到調(diào)度考核標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化后經(jīng)多次測(cè)試，AGC調(diào)節(jié)精度在±1MW內(nèi)，滿足調(diào)度要求“精度在±3MW以內(nèi)”要求，且速度滿足調(diào)度“1min內(nèi)調(diào)節(jié)80%機(jī)組額定負(fù)荷”的要求。

3.2 避免頻繁跨越振動(dòng)區(qū)，提高機(jī)組的運(yùn)行安全穩(wěn)定性能

電廠AGC優(yōu)化前，調(diào)功避振策略設(shè)置為“單機(jī)負(fù)荷下限15MW，機(jī)組振動(dòng)區(qū)41m水頭以下時(shí)設(shè)置為20MW～40MW，41m及以上水頭時(shí)設(shè)置為20MW～50MW，平均每分鐘要跨越振動(dòng)區(qū)4次以上，機(jī)組實(shí)際上在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)。本次優(yōu)化將機(jī)組振動(dòng)區(qū)合二為一，可有效避免機(jī)組頻繁跨越振動(dòng)區(qū)，改善了機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境，延長(zhǎng)了機(jī)組的運(yùn)行壽命。

3.3 有功調(diào)節(jié)次數(shù)明顯減少，降低機(jī)組磨損

AGC控制策略優(yōu)化后，機(jī)組有功調(diào)節(jié)次數(shù)比以前減少一半左右，降低了機(jī)組磨損，延長(zhǎng)了機(jī)組檢修周期。

4 結(jié)束語(yǔ)

碗米坡水電廠AGC調(diào)功避振策略進(jìn)行優(yōu)化后，無(wú)論是從安全性還是從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，均取得了令人滿意的效果。AGC控制策略改進(jìn)后提高了設(shè)備健康水平，減輕了設(shè)備磨損，對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行促進(jìn)作用效果明顯,為同類型電廠解決AGC運(yùn)行中存在問(wèn)題及策略調(diào)整具有一定的借鑒價(jià)值。

[1]龔傳利，李占甫，張曉東，等.鳳灘水電廠AGC控制策略[J].水電廠自動(dòng)化,2007，114(4):53-56.