小灣電廠基于調(diào)速器功率閉環(huán)優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)速率研究

王遠(yuǎn)洪 紀(jì)正堂

摘 要：自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)（Automatic Generation Control，AGC）調(diào)節(jié)速率，直接影響電網(wǎng)頻率質(zhì)量。文章介紹了小灣電廠AGC調(diào)節(jié)速率現(xiàn)狀，分析了調(diào)速器系統(tǒng)開度模式下監(jiān)控系統(tǒng)功率閉環(huán)調(diào)節(jié)對(duì)AGC調(diào)節(jié)速率的不利影響，通過對(duì)調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模式的探索和實(shí)踐，有效提升了有功功率調(diào)節(jié)的精度和AGC調(diào)節(jié)速率。

關(guān)鍵詞：輔助服務(wù)考核；AGC；調(diào)節(jié)速率；功率閉環(huán)；PID

引言

小灣電廠安裝6臺(tái)單機(jī)容量700MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，是“國(guó)家西電東送的骨干電源和重點(diǎn)工程”。電站以500kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)系統(tǒng)，由南網(wǎng)總調(diào)直接調(diào)度，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用，電能主要送往云南和廣東兩省區(qū)。

小灣電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CSCS）采用南瑞NC2000系統(tǒng)，調(diào)速器系統(tǒng)采用南瑞SAFR-2000H冗余微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，有功功率調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)閉環(huán)模式（開度模式）。隨著國(guó)家能源局和南方電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)電廠輔助服務(wù)管理及并網(wǎng)運(yùn)行管理日益規(guī)范，2010年2月小灣電廠納入“兩個(gè)細(xì)則”考核，一次調(diào)頻合格率等指標(biāo)通過不斷完善調(diào)速器控制策略及與AGC的配合邏輯，大幅度提高了合格率，但AGC調(diào)節(jié)速率一直未能有效改善，僅2014年上半年產(chǎn)生AGC考核費(fèi)用25.94萬元，AGC調(diào)節(jié)速率指標(biāo)亟待提高。

1 AGC調(diào)節(jié)速率存在問題

1.1 南方電網(wǎng)相關(guān)要求

南方電網(wǎng)AGC考核主要由調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速率三項(xiàng)指標(biāo)組成，調(diào)節(jié)速率考核計(jì)算公式如下：

ωk=AVG（Sk）≥Pk額定×30%

其中：

Pk目錄i和Pk實(shí)際i是考核時(shí)段內(nèi)典型的調(diào)節(jié)指令且調(diào)節(jié)幅度較大的調(diào)節(jié)指令的目標(biāo)值和當(dāng)前值，ti是指令發(fā)出后出力變化到目標(biāo)值時(shí)間。

當(dāng)調(diào)度EMS負(fù)荷指令大于30MW時(shí)，取AGC受控機(jī)組下所有機(jī)組容量和的30%，負(fù)荷指令小于30MW時(shí)，取AGC受控機(jī)組一臺(tái)機(jī)組的容量的30%，小灣電廠不同運(yùn)行工況AGC調(diào)節(jié)速率考核標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 小灣電廠AGC調(diào)節(jié)速率標(biāo)準(zhǔn)

1.2 功率調(diào)節(jié)過程

小灣電廠AGC收到南網(wǎng)EMS系統(tǒng)下發(fā)的二次調(diào)頻指令，按照我廠AGC分配策略將全廠總有功分配至參加AGC調(diào)節(jié)的各臺(tái)機(jī)組LCU，機(jī)組PLC中有功PID程序段將AGC分配的有功負(fù)荷換算成脈沖寬度送給調(diào)速器以開度模式實(shí)現(xiàn)有功調(diào)調(diào)整。

1.3 AGC調(diào)節(jié)速率存在問題

1.3.1 機(jī)組有功PID參數(shù)不滿足全運(yùn)行水頭的功率調(diào)節(jié)速率要求

小灣電廠運(yùn)行水頭在164米至251米之間，變幅達(dá)87米，最低水頭和最高水頭下調(diào)速器空載開度分別為17.5%和11.0%。由此可見，調(diào)整同一負(fù)荷，水頭變化較大的情況下，導(dǎo)葉開度變化量差距較大。而監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組LCU有功功率閉環(huán)PID僅設(shè)置一組參數(shù)，調(diào)整相同負(fù)荷輸出同一脈沖寬度至調(diào)速器系統(tǒng)，不能滿足全運(yùn)行水頭的功率調(diào)節(jié)速率要求，機(jī)組在低水頭區(qū)間運(yùn)行期間尤為明顯。同時(shí)，機(jī)組LCU有功PID參數(shù)僅設(shè)置了比例環(huán)節(jié)參數(shù)，積分和微分環(huán)節(jié)參數(shù)未設(shè)計(jì)，致使機(jī)組有功調(diào)節(jié)精度和速率下降，進(jìn)一步影響了AGC調(diào)節(jié)速率。

1.3.2 開度調(diào)節(jié)模式下小負(fù)荷調(diào)整難以滿足AGC調(diào)節(jié)速率要求

從日常調(diào)節(jié)指令分析上看，南網(wǎng)EMS系統(tǒng)多下發(fā)±（0-50MW）的指令，其中±（0-20MW）未達(dá)到調(diào)節(jié)指令門檻，不參加測(cè)速。我廠AGC調(diào)節(jié)速率被考核大部分在±（20-50MW）負(fù)荷調(diào)整區(qū)間。對(duì)此，我廠AGC分配策略設(shè)置了小負(fù)荷分配策略，當(dāng)調(diào)整指令為±（30-50MW）時(shí)，AGC僅對(duì)一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷增減，但受大型水輪機(jī)組機(jī)械性的限制及傳統(tǒng)的有功開度模式調(diào)節(jié)的限制，機(jī)組LCU開出脈寬寬度和功率偏差成正比關(guān)系，功率偏差較小，開出脈寬也較小，且開度模式下機(jī)組有功換算為繼電器吸合時(shí)間的偏差，繼電器防抖動(dòng)、防粘連技術(shù)措施造成機(jī)組有功調(diào)節(jié)速率下降，致使小負(fù)荷調(diào)整時(shí)，AGC調(diào)節(jié)速率幾乎不可能達(dá)到調(diào)節(jié)目標(biāo)，如表2。

表2 開度調(diào)節(jié)模式下有機(jī)組功調(diào)節(jié)速率

2 基于功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式的AGC調(diào)節(jié)速率解決方案

鑒于傳統(tǒng)有功功率開度調(diào)節(jié)模式易受到水頭等因素影響，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)冗長(zhǎng)，引起AGC調(diào)節(jié)速率下降，我廠提出了將傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)功率閉環(huán)（開度模式）調(diào)節(jié)改造為調(diào)速器功率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式（功率閉環(huán)模式）的解決方案，以提高AGC調(diào)節(jié)速率。

2.1 功率閉環(huán)模式調(diào)節(jié)原理

功率閉環(huán)模式下，功率閉環(huán)調(diào)節(jié)在調(diào)速器側(cè)實(shí)現(xiàn)，機(jī)組LCU不再進(jìn)行有功閉環(huán)調(diào)節(jié)，僅接收和轉(zhuǎn)發(fā)AGC有功分配指令，通過模擬量方式送將有功功率給定信號(hào)送至調(diào)速器，調(diào)速器系統(tǒng)將其與機(jī)組實(shí)發(fā)有功進(jìn)行比較，得出功率計(jì)算偏差，經(jīng)過PID運(yùn)算后得出導(dǎo)葉運(yùn)行開度。小灣電廠調(diào)速器功率閉環(huán)調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)如圖1。

2.2 硬件改造

監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)無新增硬件投入，需要從模出模件新增兩路40～20mA模擬量信號(hào)送至調(diào)速器系統(tǒng)。

調(diào)速器系統(tǒng)側(cè)，為提高功率控制信號(hào)的可靠性，增加了兩個(gè)功率給定信號(hào)隔離變送器，并將有功功率變送器進(jìn)行冗余配置，兩路功率給定和兩路機(jī)組有功實(shí)發(fā)值模擬信號(hào)分別送調(diào)速器A套和B套PCC。同時(shí)，由于調(diào)速器PCC控制器開關(guān)量輸入模件開入備用點(diǎn)過少，對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)容。

2.3 軟件修改

2.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)程序修改主要包含：將AGC分配的單機(jī)有功功率給定值轉(zhuǎn)發(fā)至調(diào)速器系統(tǒng)、功率閉環(huán)調(diào)節(jié)和開度模式調(diào)節(jié)手動(dòng)/自動(dòng)切換功能，同時(shí)設(shè)置如下安全閉鎖邏輯：

（1）在調(diào)速器功率閉環(huán)模式下，滿足以下四條中任意一條，功率模式自動(dòng)切換至開度模式，但開度模式任何情況下不允許自動(dòng)切換至功率模式：監(jiān)控模出模件故障；監(jiān)控模出設(shè)定值與調(diào)速器返回值得差值大于70MW；調(diào)速器功率閉環(huán)遠(yuǎn)方可投把手退出。

（2）滿足以下兩條中任意一條，監(jiān)控模出設(shè)定值跟蹤實(shí)發(fā)值：調(diào)速器功率閉環(huán)狀態(tài)退出；調(diào)速器在手動(dòng)位置。

2.3.2 調(diào)速器系統(tǒng)

（1）前饋調(diào)節(jié)。發(fā)電態(tài)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)功率給定PGA至調(diào)速器，調(diào)速器將PGA和上一次監(jiān)控系統(tǒng)功率給定值PGB進(jìn)行比較，并將偏差（PGB-PGA）經(jīng)過積分運(yùn)算后，乘以前饋系數(shù)KP3得到綜合負(fù)荷給定Pgv，直接疊加到導(dǎo)葉給定環(huán)節(jié)，進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，以加快調(diào)節(jié)速度。

（2）主環(huán)調(diào)節(jié)。進(jìn)行前饋調(diào)節(jié)的同時(shí)，調(diào)速器將功率給定PGB與當(dāng)前實(shí)發(fā)有功進(jìn)行比較，得出功率偏差△P，乘以調(diào)差系數(shù)BP換算出頻差，并與一次調(diào)頻計(jì)算頻差△f疊加得到主環(huán)輸入綜合頻差e（k）=△f-BP×△P，通過PID計(jì)算出導(dǎo)葉開度YPID，經(jīng)過導(dǎo)葉副環(huán)運(yùn)算后進(jìn)行有功調(diào)節(jié)，直至有功實(shí)發(fā)值達(dá)到功率給定值在死區(qū)范圍內(nèi)。在功率閉環(huán)下，調(diào)速系統(tǒng)通過頻差△f和功率差值△P雙重閉環(huán)控制來保證機(jī)組在維持電網(wǎng)頻率的前提下保證機(jī)組出力，同時(shí)可有效提高有功調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速率。

（3）功率閉環(huán)模式和開度模式切換邏輯。為防止機(jī)組實(shí)發(fā)有功功率采樣異常時(shí)，引起負(fù)荷波動(dòng)，甚至引起系統(tǒng)低頻振蕩，小灣電廠設(shè)置了“實(shí)發(fā)有功測(cè)值超出量程”、“機(jī)組在發(fā)電態(tài)且導(dǎo)葉開度>1.2倍空載開度且有功<0.8%額定有功功率”功率采樣故障判斷邏輯。其中，后者通過判斷機(jī)組實(shí)發(fā)有功采樣值與導(dǎo)葉開度的關(guān)系，大大提高了有功功率采樣異常的判斷準(zhǔn)確率。當(dāng)其中一路功率采樣異常時(shí)，調(diào)速器優(yōu)先進(jìn)行主備用切換或閉鎖從套。當(dāng)兩路功率采樣均異常時(shí)，調(diào)速器控制方式由功率閉環(huán)模式切換至開度控制模式，并將控制模式信號(hào)送入監(jiān)控系統(tǒng)切換控制方式。

2.4 實(shí)施效果

小灣電廠選取5號(hào)機(jī)組進(jìn)行功率閉環(huán)改造和試驗(yàn)，更新了調(diào)速器PCC控制程序和工控機(jī)程序，并通過功率閉環(huán)投退試驗(yàn)、狀態(tài)和故障切換試驗(yàn)、擾動(dòng)試驗(yàn)、一次調(diào)頻功能驗(yàn)證、一次調(diào)頻與功率閉環(huán)調(diào)節(jié)的配合試驗(yàn)、發(fā)電態(tài)下調(diào)速器與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、功率閉環(huán)的參數(shù)辨識(shí)、單機(jī)調(diào)節(jié)速率、穿越振動(dòng)區(qū)等試驗(yàn)，對(duì)調(diào)速器功率閉環(huán)模式的安全穩(wěn)定性調(diào)節(jié)品質(zhì)和調(diào)節(jié)速率進(jìn)行了驗(yàn)證。

試驗(yàn)過程及結(jié)果表明調(diào)速器及監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)控制邏輯設(shè)置合理，功率調(diào)節(jié)效果滿足電網(wǎng)要求。試驗(yàn)結(jié)果如表3。

圖2 20MW下擾動(dòng)試驗(yàn)，調(diào)節(jié)速率為305MW/min，

調(diào)節(jié)過程中未出現(xiàn)超調(diào)和反調(diào)現(xiàn)象

圖3 80MW上擾擾動(dòng)試驗(yàn)，調(diào)節(jié)速率為942MW/min，

調(diào)節(jié)過程未出現(xiàn)超調(diào)和反調(diào)現(xiàn)象

3 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)南方電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)速率要求，結(jié)合小灣電廠實(shí)際，提出了通過調(diào)速器功率閉環(huán)調(diào)節(jié)優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)速率方案，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證表明了方案的可行性和有效性，適用于南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)類似機(jī)組，具有一定的借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：王遠(yuǎn)洪（1983，5-），男，重慶長(zhǎng)壽人，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事水電廠設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理工作。

紀(jì)正堂（1984，9-），男，云南普洱人，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事水電廠設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理工作。