提高水電機組AGC與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能的關(guān)鍵技術(shù)問題探究與改進

唐亞波（重慶大唐國際武隆水電開發(fā)有限公司，重慶 408506）

提高水電機組AGC與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能的關(guān)鍵技術(shù)問題探究與改進

唐亞波
（重慶大唐國際武隆水電開發(fā)有限公司，重慶 408506）

摘要：分析了常規(guī)水電機組AGC調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻調(diào)節(jié)中的不足,提出了一種新的調(diào)節(jié)方式,并在銀盤水電廠調(diào)速器中加以運用。實踐表明改進調(diào)節(jié)方式后,水電廠AGC調(diào)節(jié)性能和一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能有較大提高，滿足了兩個細則考核要求。

關(guān)鍵詞：水電廠；兩個細則；調(diào)速器；功率模式

1　前言

目前電網(wǎng)為了提高供電質(zhì)量，分別制定了《××區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》和《××區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》（其中的××代表區(qū)域，如“華北”、“東北”），簡稱“兩個細則”。其中對AGC和一次調(diào)頻的投入率、調(diào)節(jié)指標的考核標準進行了嚴格的規(guī)定。在兩個細則要求下，大部分水電廠的AGC調(diào)節(jié)性能和一次調(diào)頻性能跟兩個細則中規(guī)定的要求尚有較大的差距，尤其是華中電網(wǎng)對水電廠AGC負荷調(diào)節(jié)速率達到了80%PN/min，調(diào)節(jié)精度小于3%，對一次調(diào)頻的轉(zhuǎn)速死區(qū)、響應(yīng)時間、穩(wěn)定時間和速度變動率都有明確的規(guī)定。

銀盤水電廠地處重慶市武隆縣，是烏江干流水電開發(fā)規(guī)劃的第十一個梯級，安裝4臺150MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，電廠AGC功能于2013年10月正式投運參與重慶電網(wǎng)調(diào)節(jié)，在運行過程中AGC調(diào)節(jié)性能和一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能達不到華中電網(wǎng)兩個細則的要求，受到調(diào)度考核，影響了電廠效益。故對兩個細則要求下AGC與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)方法進行研究，并成功在1～4號機組中應(yīng)用，滿足了華中電網(wǎng)兩個細則的要求。

2　常規(guī)水電機組AGC調(diào)節(jié)原理

AGC調(diào)節(jié)系統(tǒng)分為三層，一是調(diào)度層，二是監(jiān)控層，三是調(diào)速器層。調(diào)度層負責(zé)下發(fā)全廠有功功率給定值至監(jiān)控層。監(jiān)控層由上位機(AGC程序)和下位機(機組LCU)構(gòu)成，上位機AGC程序接收調(diào)度下發(fā)的全廠有功設(shè)定值，并根據(jù)當(dāng)前全廠每臺機組的振動區(qū)以及當(dāng)前水頭等信息將當(dāng)前有功功率給定值合理分配到各臺機組LCU。機組LCU將上位機下發(fā)的有功功率給定值和實發(fā)值進行PID運算，在每一個PID運算周期，輸出逐步遞減的脈寬信號，驅(qū)動相應(yīng)的增、減有功繼電器同步動作及復(fù)歸。增、減有功這2個繼電器，采用硬接線的方式將繼電器輸出接點傳至調(diào)速器，調(diào)速器工作在開度模式，根據(jù)繼電器節(jié)點信號對機組導(dǎo)葉開度、槳葉開度進行調(diào)節(jié)，繼而達到調(diào)節(jié)機組有功功率的目的。

3　常規(guī)水電機組一次調(diào)頻原理

目前大部分水電機組調(diào)速器工作在開度模式，根據(jù)頻差換算成導(dǎo)葉開度，以導(dǎo)葉開度偏差作為調(diào)整目標值進行調(diào)節(jié)。

4　常規(guī)水電機組AGC與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)存在的問題及原因分析

4.1 AGC負荷調(diào)節(jié)品質(zhì)差

改進前整個AGC調(diào)節(jié)系統(tǒng)由監(jiān)控接收調(diào)度下發(fā)的有功功率給定值，并在上位機進行AGC運算后，將有功功率給定值分配到每臺機組的現(xiàn)地LCU中，在現(xiàn)地LCU PID運算模塊進行有功功率閉環(huán)控制后輸出調(diào)節(jié)脈沖至調(diào)速器，調(diào)速器工作在開度模式，按調(diào)節(jié)脈沖控制導(dǎo)葉開度和槳葉開度（軸流轉(zhuǎn)槳式機組需要同時調(diào)整槳葉開度）。由此可見，整個AGC調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是監(jiān)控AGC分配-現(xiàn)地LCU有功PID控制-調(diào)速器脈沖調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式，這樣在整個AGC調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)多了一個現(xiàn)地LCU有功PID控制這一中間環(huán)節(jié)，導(dǎo)致有功功率的調(diào)節(jié)滯后于有功功率的變化，因為對于調(diào)速器來說實際上已成為一個隨動系統(tǒng),當(dāng)調(diào)速器工作在開度模式，只負責(zé)接收監(jiān)控輸出的調(diào)節(jié)脈沖，將調(diào)節(jié)脈沖換算成開度給定，對機組導(dǎo)葉開度和槳葉開度進行調(diào)整，而不管機組有功功率如何變化，調(diào)速器對于有功功率調(diào)節(jié)來說是一個開環(huán)環(huán)節(jié)，這樣往往會導(dǎo)致調(diào)速器調(diào)節(jié)機組出力時很容易造成超調(diào)，再加上機組有功功率的變化本身就滯后于水輪機導(dǎo)葉開度的變化[1],而等監(jiān)控現(xiàn)地LCU PID模塊反應(yīng)過來再進行調(diào)節(jié)時，指令已經(jīng)滯后于有功功率的變化了，所以AGC調(diào)節(jié)精度難以保證。

4.2一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能差

電網(wǎng)對一次調(diào)頻的考核目標值是有功功率，而調(diào)速器工作在開度模式，在一次調(diào)頻動作后，調(diào)速器根據(jù)頻差換算成導(dǎo)葉開度，以導(dǎo)葉開度作為目標值進行調(diào)節(jié)，由于導(dǎo)葉開度和有功功率存在非線性，且在不同的水頭下,同一導(dǎo)葉開度對應(yīng)的有功功率變化值也不同[2]，所以調(diào)速器工作在開度模式下的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能，往往難以滿足電網(wǎng)考核要求。

4.3一次調(diào)頻與AGC負荷調(diào)整存在矛盾

改進前調(diào)度下發(fā)AGC負荷指令至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)完成有功功率的閉環(huán)調(diào)節(jié)，一旦負荷偏差超過設(shè)定死區(qū)就進行實時調(diào)節(jié),保證實際負荷值與給定值的偏差在死區(qū)范圍內(nèi)。一次調(diào)頻是調(diào)速器根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差,通過調(diào)速器對導(dǎo)葉開度進行調(diào)節(jié)來實現(xiàn)負荷調(diào)整。當(dāng)調(diào)速器因一次調(diào)頻動作對機組負荷進行調(diào)整時,導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)負荷偏差,由于監(jiān)控系統(tǒng)是閉環(huán)調(diào)節(jié),會將一次調(diào)頻進行負荷調(diào)整后引起的與給定值的偏差重新調(diào)整過來,這樣就導(dǎo)致機組一次調(diào)頻功能失去作用。

5　改進措施

5.1采用調(diào)速器功率閉環(huán)直接調(diào)節(jié)模式

通過以上分析,在AGC調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，如果能夠避開現(xiàn)地LCUPID運算模塊這個環(huán)節(jié)，將監(jiān)控AGC分配的有功功率給定值直接傳送至調(diào)速器,由調(diào)速器依據(jù)一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)發(fā)電機組的有功功率,就能避免目前調(diào)節(jié)品質(zhì)差的弱點，即監(jiān)控系統(tǒng)只是根據(jù)AGC分配結(jié)果將有功設(shè)定值傳送給調(diào)速器，由調(diào)速器完成有功功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，直接以有功功率給定與當(dāng)前有功功率的偏差進行PID運算，實時作用于導(dǎo)葉接力器和槳葉接力器，能夠快速地將有功功率調(diào)整至有功功率目標值，保證了調(diào)節(jié)機組出力的速動性，減少了監(jiān)控系統(tǒng)主動調(diào)節(jié)負荷這個中間環(huán)節(jié)，提高了功率調(diào)節(jié)的效率。

5.2調(diào)速器在功率模式下改進一次調(diào)頻算法

調(diào)速器在功率模式下，一次調(diào)頻動作量為：

5.3調(diào)速器在功率模式下一次調(diào)頻與AGC負荷調(diào)

整的配合

在實現(xiàn)了調(diào)速器的功率調(diào)節(jié)后,監(jiān)控系統(tǒng)的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)功能就能夠由調(diào)速器來完成,調(diào)速器功率目標值為監(jiān)控有功功率給定與一次調(diào)頻動作量疊加而成，頻率偏離死區(qū)，實發(fā)功率為功率給定值與一次調(diào)頻動作量的疊加量，頻率回到死區(qū)內(nèi)，實發(fā)功率恢復(fù)為監(jiān)控系統(tǒng)上位機下發(fā)的給定功率，這樣避免了監(jiān)控AGC負荷調(diào)整與一次調(diào)頻負荷調(diào)整的矛盾。

6　調(diào)速器功率模式改進效果

6.1 AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)良好

以1號機組為例，進行改造后，AGC調(diào)節(jié)速率在140MW/min以上，達到華中區(qū)域兩個細則規(guī)定的大于0.8/min要求，調(diào)節(jié)精度為1%左右，達到兩個細則規(guī)定的小于3%要求（表1，圖1～3）。

表1　銀盤水電站1號機組AGC調(diào)節(jié)試驗數(shù)據(jù)表

圖1　銀盤水電站1號機組70MW至100MW負荷調(diào)節(jié)示波圖

圖2　銀盤水電站1號機組100MW至70MW負荷調(diào)節(jié)示波圖

圖3　銀盤水電站1號機組100MW至140MW負荷調(diào)節(jié)示波圖

6.2一次調(diào)頻調(diào)節(jié)品質(zhì)良好

6.2.1響應(yīng)性能好

在50Hz基礎(chǔ)上，給調(diào)速器分別施加±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2 Hz的階躍頻率信號，每個信號持續(xù)60 s，以檢驗調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)行為。試驗結(jié)果表明：機組一次調(diào)頻負荷響應(yīng)滯后時間平均為2.08 s,符合小于8 s的要求；機組一次調(diào)頻負荷響應(yīng)穩(wěn)定時間（負荷調(diào)整幅度達90%）平均為7.67 s，符合小于15 s的要求；機組一次調(diào)頻負荷完全響應(yīng)時間平均為28.0 s，符合小于30 s的要求（表2，圖4～6）。

圖4　銀盤水電站1號機組上擾0.15Hz一次調(diào)頻響應(yīng)示波圖

圖5　銀盤水電站1號機組下擾0.15 Hz一次調(diào)頻響應(yīng)示波圖

圖6　銀盤水電站1號機組上擾0.2 Hz一次調(diào)頻響應(yīng)示波圖

6.2.2一次調(diào)頻限幅滿足要求

表2　銀盤水電廠1號機組一次調(diào)頻試驗表

在50 Hz基礎(chǔ)上，給調(diào)速器分別施加±0.25Hz的階躍頻率信號，每個信號持續(xù)60 s，機組負荷變化值未超過±10%額定負荷（表3，圖7～8）。

表3　銀盤水電站1號機組一次調(diào)頻調(diào)整幅度試驗表

圖7　銀盤水電站1號機組上擾0.25 Hz一次調(diào)頻響應(yīng)示波圖

圖8　銀盤水電站1號機組下擾0.25Hz一次調(diào)頻響應(yīng)示波圖

6.3 AGC與一次調(diào)頻協(xié)調(diào)良好

機組帶負荷穩(wěn)定運行，AGC投入，一次調(diào)頻功能投入。在施加的頻率擾動信號未回到一次調(diào)頻死區(qū)范圍內(nèi)、同時監(jiān)控系統(tǒng)未下發(fā)新的有功功率給定

待一次調(diào)頻調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，保持施加的頻率擾動信號不變，監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)給定值不低5%額定有功的擾動量Δ，機組有功功率穩(wěn)態(tài)值等于：

有功功率調(diào)節(jié)穩(wěn)定后將頻率信號恢復(fù)至50 Hz

試驗數(shù)據(jù)表明銀盤水電站機組的一次調(diào)頻功能與AGC調(diào)節(jié)功能均能獨立完成各自調(diào)節(jié)任務(wù)，互不影響（表4，圖9～10）。

表4　銀盤水電廠1號機組一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)試驗表

圖9　銀盤水電站1號機組上擾0.18Hz一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)示波圖

圖10　銀盤水電站1號機組下擾0.18Hz一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)示波圖

7　結(jié)語

本文分析了目前兩個細則考核下常規(guī)水電機組AGC調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻調(diào)節(jié)存在的問題,研究采用調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模式,由調(diào)速器完成功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了調(diào)速器功率模式下的一次調(diào)頻功能，提高了AGC負荷調(diào)整品質(zhì)，避免了AGC負荷調(diào)整與一次調(diào)頻負荷調(diào)整的矛盾問題，此改造方案在銀盤水電廠AGC調(diào)節(jié)系統(tǒng)中實施,獲得了滿意的效果。

參考文獻：

[1]魏守平，王雅軍，羅萍.數(shù)字式電液調(diào)速器的功率調(diào)節(jié)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2003:（4）20～21

[2]魏守平.水輪機調(diào)節(jié)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009: 58-59.

中圖分類號：TP272

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0054-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.015

收稿日期：2014-08-28

作者簡介：唐亞波（1987-），男，工程師，從事大型水電廠電氣設(shè)備管理工作。