帶阻抗自適應的AVC控制策略在大型水電站的應用

李正家

（重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶市彭水縣 409600）

帶阻抗自適應的AVC控制策略在大型水電站的應用

李正家

（重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶市彭水縣 409600）

維持各樞紐點電壓在最佳給定值是電力系統(tǒng)運行優(yōu)化的重要目的。在水電廠，自動電壓控制是維持升壓站母線電壓在最佳給定值的主要方式，常規(guī)自動電壓控制主要考慮了發(fā)電機的電壓、電流、有功、無功及升壓站母線電壓等安全約束條件。本文敘述了在此基礎上，增加了計算系統(tǒng)阻抗作為自動電壓控制的補充約束條件，實現(xiàn)了自動電壓控制帶阻抗自適應的功能。通過靜態(tài)測試及實際運行，發(fā)現(xiàn)在電網負荷異常波動的情況下，帶阻抗自適應的AVC控制策略能更好地確保電網的安全穩(wěn)定運行。

自動電壓控制;阻抗自適應;水電站

0 引言

在電力系統(tǒng)中，電壓是表征電能質量的主要指標之一。電壓是否合格，將直接影響到電網安全穩(wěn)定運行。隨著電網規(guī)模的日益擴大，通過電廠運行值班人員根據(jù)其運行經驗和簡單的邏輯判斷、人工手動進行無功電壓控制的調節(jié)模式已經很難滿足大電網安全、穩(wěn)定、經濟的運行要求。

2010年5月，華中網調通知要求，自動電壓控制需具備不同電網運行方式下的系統(tǒng)阻抗自適應功能，即根據(jù)電網系統(tǒng)運行方式變化，自動電壓控制（A VC）系統(tǒng)實時、自動計算出接入電網系統(tǒng)的阻抗值，依據(jù)此阻抗值AVC系統(tǒng)做出相應的判斷，從而確保 AVC 調整正確。

彭水水電站是烏江干流上的梯級電站之一，地處重慶電網東南部，是重慶電網在役的最大水電站，也是重慶電網重要的水電電源點。電站共安裝有5臺單機容量350MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量1750MW，在重慶電網中起著調峰、調頻、事故備用等作用。發(fā)電機—變壓器為單元接線，雙母線聯(lián)絡運行，電力負荷通過500kV升壓站的兩條出線送往距離約16km的張家壩變電站。彭水水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機采用南瑞自控公司開發(fā)生產的NC2000系統(tǒng)軟件，勵磁系統(tǒng)采用南瑞電控公司開發(fā)生產的NES5100勵磁調節(jié)器。

1 自動電壓控制

自動電壓控制是指按預定條件和要求自動控制水電廠母線電壓或全電廠無功功率的技術。在保證機組安全運行的條件下，為系統(tǒng)提供可充分利用的無功功率，減少電廠的功率損耗。

1.1 自動電壓控制原理

（1）水電廠無功負荷模型。

目前國內普遍采用靈敏度分析法來計算調節(jié)母線電壓所需的無功變化量[1]。由此可知，

第i回無功負荷對母線電壓的靈敏度系數(shù)KQVi：

總的無功負荷對母線電壓的靈敏度系數(shù)KQV：

消除水電廠母線電壓偏差各機組所需增發(fā)的總無功功率ΔQm：

式中：Umref——電廠母線電壓設定值；

Um——電廠母線電壓實際值。

消除母線電壓偏差，所需注入母線的總無功功率QmΣ：

由以上各式可以看出，各機組增發(fā)的總無功功率與母線電壓偏差值存在KQV倍。

（2）自動電壓控制調節(jié)過程。

重慶市調通過調度D5000系統(tǒng)下發(fā)升壓站母線電壓遙調信號至彭水水電站，在電站調度通信服務器和AVC工作站計算后，按照市調給定的母線電壓對全廠無功進行分配，通過控制機組現(xiàn)地控制單元并調節(jié)勵磁系統(tǒng)的勵磁電流，達到調節(jié)發(fā)電機機端電壓的目的，從而使升壓站母線電壓維持在給定水平。圖1為AVC控制拓撲圖。

1.2 彭水水電站AVC控制

（1）調度AVC控制模式。

按照重慶電網統(tǒng)一要求，彭水水電站調度AVC控制模式采用調度給定升壓站母線電壓增量的定值方式，通過AVC工作站計算后對全廠無功進行分配，使升壓站母線電壓維持在給定水平。

當升壓站母線電壓在正常范圍內時，AVC按照正常的調壓系數(shù)進行調節(jié)，如式（5）所示：

式中：QAVC——全廠無功AVC分配值；

QACT——當前實發(fā)無功；

圖1 AVC控制拓撲圖

ΔV——實際母線電壓與給定電壓值偏差；

KVNOR——母線電壓在正常電壓值范圍內的調壓系數(shù)；

當母線電壓在正常范圍以外時，AVC按緊急調壓系數(shù)進行調節(jié)，如式（6）所示：

式中：KVEMG——母線電壓在正常電壓值范圍外的緊急調壓系數(shù)。

（2）母線電壓下達方式。

為使調節(jié)過程更加安全平穩(wěn)，重慶電網AVC主站系統(tǒng)采用增量方式下發(fā)電壓控制指令。主站系統(tǒng)下發(fā)的遙調指令編碼為4位整數(shù)：千位表示調節(jié)增減方向，2表示上調，1表示下調，其他數(shù)值認為是通信錯誤；百位是計數(shù)器，從1～5循環(huán)，主站每次下發(fā)命令時保證該位與上次命令不同，電廠AVC系統(tǒng)每次保存上次命令值，如果發(fā)現(xiàn)新的遙調值的百位與上次不同，認為收到新的命令；如果百位數(shù)值不在1～5范圍內，認為命令非法。如果15分鐘內沒有收到新的命令，認為主站AVC退出，電廠AVC自動切換到本地運行；十位和個位數(shù)表示電壓調節(jié)增量，如“08”表示增量為0.8kV。一般情況下一個調度周期（5分鐘）的電壓調整量不超過1kV，即十位個位的最大數(shù)值為“10”。舉例：比如電廠AVC收到遙調指令為2109，表示目標電壓設定值在電廠高壓母線當前電壓水平上調0.9kV，而收到1306，表示目標電壓設定值在電廠高壓母線當前電壓水平下調0.6kV。

1.3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)與勵磁系統(tǒng)的關系

（1）與勵磁系統(tǒng)的關系。

在AVC功能投入后，電站AVC子站接收電網調度主站的電壓（或者無功功率）指令，在充分考慮各種安全約束條件后，自動電壓控制系統(tǒng)估算出電站內機組總的無功功率，并按照一定的原則合理地分配至每臺機組，由計算機監(jiān)控系統(tǒng)機組現(xiàn)地控制單元的PLC輸出增勵磁、減勵磁信號至勵磁系統(tǒng)，再由勵磁系統(tǒng)調節(jié)機端電壓（或無功功率），從而實現(xiàn)對母線電壓的調節(jié)，使升壓站母線電壓保持在電網要求的范圍內。

（2）與欠勵、過勵限制的關系。

為保證機組的安全穩(wěn)定運行，無功功率的上限和下限都需在勵磁系統(tǒng)的欠勵限制、過勵限制曲線以內，否則將自動退出AVC功能。為保證機組無功功率不超出允許范圍，在計算機監(jiān)控系統(tǒng)NC2000的軟件組態(tài)中，將此策略寫入了AVC軟件腳本程序中，即AVC無功功率上限QAVC上限為150MVar，小于過勵限制值；無功功率下限QAVC下限大于欠勵限制值，有如下關系：

式中：P——發(fā)電機有功功率。

1.4 相關條件

彭水水電站AVC方式采用等比例分配方式。在滿足①無機組投入AVC；②母線電壓越故障上限；③母線電壓越故障下限；④全廠有事故；⑤與調度通信異常；⑥上下位機通信故障等條件時，AVC自動退出。

在出現(xiàn)①機組機端電壓越上限；②機組機端電流越上限；③轉子電壓、轉子電流越上限；④無功功率越上限等情況時，AVC對遠方設置進行限制，閉鎖增磁出口。

在出現(xiàn)①機組機端電壓越下限；②無功功率越下限等情況時，AVC對遠方設置進行限制，閉鎖減磁出口。

此外，根據(jù)電網實際運行情況，調度每個季度下達的母線電壓上限、下限不盡相同，為確保電廠內升壓站母線電壓的調整方便，彭水水電站在AVC控制畫面中增加了母線電壓上限、下限的設置窗口，方便運行人員根據(jù)電網要求隨時調整，同時也確保母線電壓在其上限、下限之間運行。

2 阻抗自適應

根據(jù)華中網調“關于轉發(fā)河南省調‘開展省調直調電廠無功電壓就地自動控制裝置排查工作’的通知”要求，自動電壓控制需具備不同電網運行方式下的系統(tǒng)阻抗自適應功能。即要求自動電壓控制具備阻抗自適應功能，以確保電網的安全穩(wěn)定運行。

2.1 總體策略

基于電廠側，電網不同方式下系統(tǒng)阻抗X計算方法[2]如式（8）所示：

式中：V+——本次計算系統(tǒng)阻抗時母線電壓；

V-——前一次計算系統(tǒng)阻抗時母線電壓；

Q+——本次計算系統(tǒng)阻抗時母線送出的總無功功率；

Q-——前一次計算系統(tǒng)阻抗時母線送出的總無功功率。

彭水水電站AVC控制中，每個AVC運算周期均計算系統(tǒng)阻抗X，當發(fā)現(xiàn)本周期計算值與上周期計算值變化過大時，則判定電網結構發(fā)生改變，進而將AVC控制中的調壓系數(shù)作自適應處理或閉鎖AVC功能，同時報警。具體策略為：本周期系統(tǒng)阻抗計算值與上周期計算值相比，超過100%時則將調壓系數(shù)減半，同時報警“系統(tǒng)阻抗發(fā)生變化，調壓系數(shù)減半，請注意！”；如超過150%則將全廠AVC功能切開環(huán)，同時報警“系統(tǒng)阻抗劇烈變化，全廠AVC功能切開環(huán)，請注意！”，待運行值班人員確認系統(tǒng)已恢復正常后，人為再將AVC調壓系數(shù)設置為正常值。

2.2 相關配置

根據(jù)總體策略，考慮AVC運行過程的安全性，彭水水電站AVC阻抗自適應功能進行了如下方面的配置。

（1）畫面上增加阻抗功能投/退開關，投入則正常計算阻抗并采取相應控制策略，退出則阻抗功能失效；

（2）全廠AVC功能退出時，不再自動計算系統(tǒng)阻抗值；

（3）AVC控制畫面上增加系統(tǒng)阻抗X（當阻抗功能不計算時，畫面上顯示阻抗值為0）、正常調壓系數(shù)及緊急調壓系數(shù)的數(shù)值顯示界面；

（4）畫面上增加正常調壓系數(shù)和緊急調壓系數(shù)這兩個參數(shù)設值按鈕；

（5）當母線電壓設定值與實測值之差在2倍AVC電壓調整死區(qū)內，或當母線電壓前后兩次值之差在2倍AVC電壓調整死區(qū)內，或當全廠無功前后兩次值之差在16Mvar之內，不再計算系統(tǒng)阻抗值，也不再采取相應控制策略，避免無功/電壓小幅波動時系統(tǒng)阻抗計算不準確而導致AVC誤調整；

（6）阻抗計算值一律取絕對值；

（7）當調壓系數(shù)低于最小值2時，則不再繼續(xù)減小。

3 阻抗自適應功能調試

為不影響電廠正常運行，將1號操作員站配置成AVC主機，由調試筆記本配置成操作員站，用網線直接相連，構成獨立的孤網環(huán)境進行調試。同時用程序模擬電壓和各機組的無功變化，以及模擬測試各種功能計算和閉鎖條件。表1模擬測試了阻抗功能的閉鎖及計算條件，表2模擬測試了母線電壓及機組無功功率變化的情況下計算的系統(tǒng)阻抗值。

表1 阻抗閉鎖關系測試數(shù)據(jù)

表2 阻抗靜態(tài)測試數(shù)據(jù)

4 案例應用

目前，彭水水電站自動電壓控制已運行數(shù)年，AVC投入率大于98%。運行期間，曾出現(xiàn)數(shù)次系統(tǒng)阻抗突變的報警信號，皆正確反映了系統(tǒng)的實際運行情況。

某日，電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)簡報窗口報“系統(tǒng)阻抗發(fā)生變化，調壓系數(shù)減半，請注意!”“AVC進入緊急電壓調節(jié)”等信號，電話詢問電網調度側，告知系統(tǒng)有功負荷有超過約100MW的波動。當時電站為3號機組單機運行，總有功功率約281MW，總無功功率約-26Mvar。查詢計算機監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在電網此次負荷波動的情況下致電站側有功功率波動約44MW（見圖2），無功功率波動約72Mvar（見圖3），母線電壓波動約15kV（見圖4）。

圖2 有功功率變化曲線

圖3 無功功率變化曲線

圖4 母線電壓變化曲線

本次系統(tǒng)阻抗突變情況，自動電壓控制進行了正常的報警及動作，使調壓系數(shù)進行了減半，如果系統(tǒng)阻抗繼續(xù)波動，則自動電壓控制系統(tǒng)將自動退出，不再自動進行電壓的調節(jié)，而改為由運行人員根據(jù)實際需要進行手動調節(jié)來滿足電網的相關要求。

5 結束語

通過分析華中網調有關自動電壓控制需滿足阻抗自適應的文件要求，制定了帶阻抗自適應的AVC控制策略，在模擬測試時，阻抗自適應功能正常；正式投運后，發(fā)生過數(shù)次電網阻抗突變的情況，阻抗自適應功能判斷正常，AVC控制動作正常。理論與實踐證明，帶阻抗自適應的AVC控制策略在電網阻抗發(fā)生突變的異常情況下能更好地確保電網的安全穩(wěn)定運行。

[1]方輝欽.現(xiàn)代水電廠計算機監(jiān)控技術與試驗［M］.北京：中國電力出版社.2004.

[2]劉小力，甘成勇.電站AVC控制設計與實現(xiàn)［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測.2010.34（24）.

[3]高蘇杰.抽水蓄能的責任［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（1）：1-7.

李正家（1980—），男，工程師，主任助理，主要從事大型水電廠自動化設備管理工作。E-mail：cqlzj@163.com

Application of Adaptive Impedance AVC in Large Hydropower Station

LI Zhengjia
（Chong Qing Datang International Pengshui Hydropower Devlopment Co.，Ltd.Pengshui 409600，China）

Maintain the voltage of the hub node in the best given value is an important objective of optimal operation in electric power system，In hydropower plant，AVC is the main way to maintain the bus voltage of booster station in the best given value，the conventional AVC considers some security constraints，such as the voltage，current，active power，reactive power of the generator and the bus voltage of booster station.On this basis，this article increases impedance of electric power system as a supplementary condition，and achieves adaptive impedance function of AVC.Through the static test and the actual run，it is found that this strategy is a better way which can ensure the power grid run more safely and stably.

AVC；adaptive impedance；hydropower station