梯級串聯(lián)小水電站AGC策略

張 庭，慕宗君，郭利軍，胡 斌

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

1 概 述

某梯級水電站位于新疆吐魯番地區(qū)大河沿鎮(zhèn)境內(nèi)，以“串糖葫蘆”形式沿紅星干渠兩側(cè)及干渠與牙爾乃孜水庫間的戈壁灘地進(jìn)行工程布置。工程區(qū)段全長約42.7 km，共布置開發(fā)7座水電站：渠首水電站裝機(jī)2×3.125 MW，二級水電站裝機(jī)4×1.250 MW，三級水電站裝機(jī)4×1.250 MW，四級水電站裝機(jī)2×2.4 MW +1×1.5 MW，五級水電站裝機(jī)2×2.1 MW，六級水電站裝機(jī)2×4.1 MW，七級水電站裝機(jī)2×2.125 MW。

該梯級電站是通過明渠、管道等串聯(lián)起來的小型水電站群，這類水電站機(jī)組都是高水頭沖擊式機(jī)組，發(fā)電流量較小。其次是這類梯級電站基本無蓄水能力，首級電站有緩沖小水庫，但庫容可調(diào)范圍也較小。第三是這類梯級電站是通過輸水通道串聯(lián)起來的，無區(qū)間流量，因此梯級電站間的水力聯(lián)系緊密，流量的變化直接影響到電站的運(yùn)行。同時(shí)，這類電站無類似主閥的旁通閥設(shè)備，無法使多余的水量流向下游電站；當(dāng)電站事故或檢修停機(jī)時(shí)，下游電站會因?yàn)榱髁繙p小導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)(電站機(jī)組停機(jī)時(shí)，通過前池溢流到沙漠)。

為了管理梯級各電站運(yùn)行，在集控站配置1套集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對梯級各電站的集中監(jiān)視和控制。

2 運(yùn)行方式

梯級電站運(yùn)行基本原則是流量平衡[1]，對于無庫容調(diào)節(jié)能力的梯級小水電站，運(yùn)行過程中無蓄水要求，根據(jù)來水流量以及調(diào)度方式來選擇合理的運(yùn)行方式；結(jié)合實(shí)際調(diào)度需求，集控AGC設(shè)置了按流量自動(dòng)運(yùn)行和給定梯級出力兩種運(yùn)行方式，兩種運(yùn)行方式可以在線自由切換。

2.1 按流量自動(dòng)運(yùn)行方式

該運(yùn)行方式適用于調(diào)度對梯級電站出力無限制，以梯級發(fā)電量最大為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前流量下的發(fā)電效益最大化，目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

式中，N為梯級總出力；Ni為第i級電站出力；n為電站級數(shù)。

由于無出力限值，該目標(biāo)函數(shù)可以分解為各級電站出力最大化，在這種運(yùn)行方式下，只有充分利用當(dāng)前來水才能使各級電站的出力最大化，因此可以按照流量自動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)流量變化大于流量死區(qū)時(shí)，自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前流量下的電站最大出力，然后分配給站內(nèi)各臺機(jī)組。由于電站水頭變化不大，耗水率(單位電量所消耗的水量)可以認(rèn)為固定不變[2_3]，根據(jù)電站耗水率可計(jì)算出電站的出力：

Nimax=Qi/qi

(2)

式中，Nimax為第i級電站出力；Qi為第i級電站流量；qi為第i級電站耗水率。

2.2 給定梯級出力方式

這種運(yùn)行方式適用于調(diào)度對梯級電站出力有限制，按照調(diào)度給定的梯級總出力運(yùn)行。這種運(yùn)行方式要求在當(dāng)前流量下使梯級總出力等于調(diào)度給定出力。為了滿足調(diào)度出力要求、流量平衡及最低運(yùn)行成本要求，需合理分配給梯級各電站，站間負(fù)荷分配流程如下所示。

(1)按電站上下游順序計(jì)算依次計(jì)算1至k級電站最大出力和。

(3)

式中，Nmaxk為第1至k級電站最大出力和；Nimax為第i級電站最大出力；k為電站序號。

比較給定出力與當(dāng)前流量下梯級最大總出力的大小，當(dāng)給定出力大于當(dāng)前流量下梯級最大總出力時(shí)，發(fā)出告警“調(diào)度給定出力超過當(dāng)前梯級出力調(diào)節(jié)上限”，保持當(dāng)前梯級總出力不變；如果給定出力小于等于當(dāng)前流量下梯級最大總出力，則進(jìn)行負(fù)荷再分配。

(2)選擇參與負(fù)荷分配的電站。

選擇原則是用最少的電站級數(shù)滿足負(fù)荷要求，降低梯級運(yùn)行成本；依次比較調(diào)度給定出力與第1至k級電站最大出力和，當(dāng)調(diào)度給定出力小于等于第1至k級電站最大出力和時(shí)停止判斷，初步確定負(fù)荷分配電站為第1—k級電站，k級下游電站預(yù)計(jì)停機(jī)。

(3)根據(jù)流量平衡原則計(jì)算1—k級電站的出力。

(5)

式中，N為梯級給定總出力；Ni為第i級電站分配出力；qk為第k級電站耗水率。

(4)分配出力校核。

依次比較Ni與Nimax的大小，如果Ni>Nimax，則將第級電站出力分配為Nimax，將負(fù)荷Ni-Nimax分配給k+1級電站，k+1級下游的電站負(fù)荷分配為零。

3 水位控制策略

在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于流量、耗水率等數(shù)據(jù)的誤差，可能造成控制過程中電站實(shí)際出力小于當(dāng)前流量下的最大出力而造成棄水；或超發(fā)造成水流拉空的現(xiàn)象發(fā)生；這些情況都不利于電站的運(yùn)行。由于前池水位可以間接地反應(yīng)流量和出力的平衡關(guān)系，因此通過合理的水位控制可避免前述現(xiàn)象的發(fā)生。

3.1 前池溢流控制

如果運(yùn)行方式為流量自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)前池出現(xiàn)溢流時(shí)，將電站可增負(fù)荷的機(jī)組增加固定步長的負(fù)荷直至無溢流；對于梯級給定功率方式出現(xiàn)溢流情況時(shí)，可以向調(diào)度申請?jiān)黾迂?fù)荷以提高水能利用。

3.2 水位過低控制

當(dāng)前池水位低于安全水位時(shí)，將電站處于發(fā)電狀態(tài)的1臺機(jī)組減固定步長的負(fù)荷直至水位達(dá)到安全運(yùn)行水位；當(dāng)水位持續(xù)低于安全運(yùn)行水位時(shí)，采取逐臺停機(jī)措施以提高前池水位，防止水流拉空現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 前池高水位控制

提高前池水位可以適當(dāng)提高水輪發(fā)電機(jī)組水頭，從而提高機(jī)組效率。在運(yùn)行過程，當(dāng)前池水位低于設(shè)定運(yùn)行水位時(shí)，減小電站出力使前池水位迅速恢復(fù)到運(yùn)行水位。

在水位調(diào)節(jié)過程中會造成總出力的波動(dòng)，但由于機(jī)組容量小，負(fù)荷變化對系統(tǒng)的影響是可以忽略的。在水位調(diào)節(jié)過程中設(shè)置水位調(diào)節(jié)死區(qū)，防止頻繁調(diào)節(jié)。

4 安全控制策略

對于梯級給定負(fù)荷運(yùn)行方式，當(dāng)梯級中的某一級電站機(jī)組事故停機(jī)時(shí)，迅速增加該級電站中處于發(fā)電狀態(tài)的機(jī)組負(fù)荷以平衡負(fù)荷差值；如果調(diào)節(jié)發(fā)電狀態(tài)機(jī)組負(fù)荷仍無法平衡負(fù)荷差，則開啟停機(jī)機(jī)組平衡負(fù)荷。對于處于事故電站下游的機(jī)組運(yùn)行方式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為按流量自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)流量恢復(fù)正常后切換為給定負(fù)荷運(yùn)行方式。

對于按流量自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)發(fā)生事故停機(jī)，如該機(jī)電站有停機(jī)狀態(tài)機(jī)組則迅速開啟機(jī)組以消除停機(jī)對下游電站的影響。

5 小負(fù)荷調(diào)整策略

梯級給定負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)，當(dāng)給定負(fù)荷與當(dāng)前梯級總負(fù)荷差值小于小負(fù)荷調(diào)節(jié)限值時(shí)，選取其中的一個(gè)站進(jìn)行調(diào)節(jié)，以避免小負(fù)荷變化造成多個(gè)站參與調(diào)節(jié)。增負(fù)荷時(shí)優(yōu)先選擇前池溢流的電站進(jìn)行調(diào)節(jié)。其次選擇首級電站進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果無電站可調(diào)時(shí)，發(fā)出告警信號。減負(fù)荷時(shí)優(yōu)先減梯級末尾的電站負(fù)荷；如需停機(jī)，優(yōu)先停梯級末尾電站的機(jī)組。

6 結(jié) 語

梯級AGC功能滿足了梯級串聯(lián)小水電站自動(dòng)發(fā)電控制的需求，充分考慮不同調(diào)度方式的需要，輔助控制策略兼顧了實(shí)時(shí)運(yùn)行的需要，提高了梯級串聯(lián)小水電站的自動(dòng)化水平，對以后類似的工程項(xiàng)目有一定的參考意義。