西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗中向家壩電廠調(diào)速器運(yùn)行情況簡析

楊朝磊，李大領(lǐng)，羅澤文，陳華軍

（長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川省宜賓市 644000）

0 引言

渝鄂背靠背柔性直流工程（以下簡稱渝鄂工程）2018年12月投產(chǎn)。工程投產(chǎn)后，西南電網(wǎng)將與華中電網(wǎng)實現(xiàn)異步聯(lián)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，由于交流電網(wǎng)規(guī)模減小，頻率調(diào)節(jié)特性發(fā)生變化，需要調(diào)整華中電網(wǎng)和西南電網(wǎng)頻率控制方案，并網(wǎng)電站的調(diào)速系統(tǒng)、AGC/AVC、監(jiān)控系統(tǒng)等均要進(jìn)行必要的優(yōu)化改造以適應(yīng)新的電網(wǎng)特性。

目前西南電網(wǎng)在水電機(jī)組大發(fā)期間，水電出力占西南電網(wǎng)全網(wǎng)出力90%。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組遭遇系統(tǒng)沖擊時，水輪發(fā)電機(jī)組由于其水輪機(jī)特性將會引起水錘效應(yīng)，而水電機(jī)組的水錘效應(yīng)將使西南電網(wǎng)存在超低頻振蕩風(fēng)險。為消除渝鄂背靠背柔性直流工程投運(yùn)后，極大降低或消除低頻振蕩的風(fēng)險，國調(diào)組織對西南電網(wǎng)范圍內(nèi)水電廠水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)前期二灘電廠試驗數(shù)據(jù)，對向家壩電站機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行優(yōu)化改造，新增調(diào)速器“小網(wǎng)”模式，大幅度減小Kp和Ki等PID調(diào)節(jié)控制參數(shù)（見圖1），降低機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)和調(diào)速相位特性[1-2]。

圖1 參數(shù)調(diào)整前后頻率振蕩對比（a）調(diào)整前；（b）調(diào)整后Figure 1 Comparison of frequency oscillation before and after parameter adjustment（a）Before adjustment；（b）After adjustment

后續(xù)，按照國家電力調(diào)度通信中心統(tǒng)一安排，西南電網(wǎng)調(diào)控中心組織實施了西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗。本文針對西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗中，向家壩電廠調(diào)速器運(yùn)行情況進(jìn)行簡要分析。

1 試驗期間調(diào)速器運(yùn)行情況介紹及分析

1.1 一次調(diào)頻動作情況

西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗期間，由于網(wǎng)內(nèi)頻率變化較大，向家壩電站機(jī)組一次調(diào)頻動作頻繁。在進(jìn)行二灘電廠降負(fù)荷及錦東電廠、彭水電廠機(jī)組無故障跳閘試驗時，向家壩左右岸每臺機(jī)組一次調(diào)頻動作24次左右；錦蘇直流升/降功率試驗期間，左右岸每臺機(jī)組一次調(diào)頻動作230次左右。經(jīng)統(tǒng)計，整個西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗期間，向家壩電站機(jī)組一次調(diào)頻平均每小時動作35次左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流聯(lián)網(wǎng)模式。交流聯(lián)網(wǎng)模式下，機(jī)組一次調(diào)頻平均每小時動作次數(shù)小于0.1。

異步聯(lián)網(wǎng)后，西南電網(wǎng)頻率總體穩(wěn)定，由于西南網(wǎng)內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組占比大，水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)特性等原因，還是存在一定的頻率波動，從而導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)機(jī)組一次調(diào)頻動作頻繁，電網(wǎng)頻率波動原因本文不做詳細(xì)分析，僅分析一次調(diào)頻動作對向家壩電廠機(jī)組調(diào)速器的影響。

1.2 試驗期間機(jī)組停機(jī)異常及分析

在錦蘇直流降功率試驗期間，為進(jìn)一步驗證向家壩電站調(diào)速器特性，安排了4F機(jī)組開停機(jī)操作。4F停機(jī)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)報“西南遠(yuǎn)方連續(xù)三次下發(fā)異常指令”，向家壩AGC自動切至廠站控制。后經(jīng)手動配合調(diào)整后，重新加入西南電網(wǎng)控制模式。

通過監(jiān)控事件分析，在西南電網(wǎng)AGC下達(dá)負(fù)荷調(diào)節(jié)計劃時，由于機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)速度較慢，未在規(guī)定時間內(nèi)將西南電網(wǎng)AGC下發(fā)指令負(fù)荷調(diào)整到位，導(dǎo)致電廠AGC退出西南電網(wǎng)控制。向家壩電廠AGC調(diào)節(jié)策略中，需負(fù)荷變化累計值大于50MW，AGC才會下達(dá)指令進(jìn)行機(jī)組負(fù)荷調(diào)整。由此可見，西南電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)策略與向家壩電廠AGC調(diào)節(jié)策略不一致導(dǎo)致電廠AGC退出西南電網(wǎng)控制。

由圖2所示的趨勢分析圖可見，當(dāng)一次調(diào)頻動作時，機(jī)組LCU（下位機(jī)）不下發(fā)新的負(fù)荷命令給調(diào)速器，但會接收監(jiān)控系統(tǒng)（上位機(jī)）設(shè)定值（AGC下發(fā)或操作員設(shè)定），機(jī)組LCU（下位機(jī)）將功率調(diào)節(jié)信號接收并保持。當(dāng)一次調(diào)頻動作信號復(fù)歸后，延時30s后，機(jī)組LCU將負(fù)荷調(diào)節(jié)指令下發(fā)給調(diào)速器，調(diào)速器才會開始執(zhí)行負(fù)荷調(diào)節(jié)指令，最終完成整個負(fù)荷調(diào)節(jié)過程。

圖2 一次調(diào)頻動作時有功調(diào)節(jié)趨勢圖Figure 2 Trend chart of active power regulation in primary frequency modulation

2 機(jī)組負(fù)荷調(diào)整應(yīng)對措施分析

按照西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗方案，向家壩機(jī)組調(diào)速器完成參數(shù)優(yōu)化后，需運(yùn)行在小網(wǎng)開度模式。

向家壩電站調(diào)速器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，為盡量減少機(jī)組振動區(qū)運(yùn)行時間，優(yōu)化機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)后負(fù)荷調(diào)節(jié)過程，我們將“開度調(diào)節(jié)模式”下負(fù)荷調(diào)整時間與“功率調(diào)節(jié)模式”下負(fù)荷調(diào)整（+50MW）時間進(jìn)行了收集對比，多次平均值對比數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 “開度模式”與“功率模式”負(fù)荷調(diào)整（+50MW）時間對比表Table 1 Comparisons of“open mode” and“power mode” load adjustment （+50MW）schedules

經(jīng)過對比，機(jī)組調(diào)速器“開度調(diào)節(jié)模式”相較于“功率調(diào)節(jié)模式”負(fù)荷調(diào)整耗時明顯變長。

在開度調(diào)節(jié)模式下，AGC或操作員下發(fā)負(fù)荷指令后，由監(jiān)控系統(tǒng)通過脈沖方式調(diào)節(jié)機(jī)組的導(dǎo)葉開度來增減負(fù)荷。在功率調(diào)節(jié)模式下，功率調(diào)節(jié)是由AGC或操作員下發(fā)負(fù)荷指令后，調(diào)速器自身進(jìn)行功率的調(diào)節(jié)。功率調(diào)節(jié)相對于開度調(diào)節(jié)而言，最主要的不同是在閉環(huán)調(diào)節(jié)中將被控水輪發(fā)電機(jī)組的功率作為反饋值，并構(gòu)成調(diào)速器的靜態(tài)特性，其采樣精度和調(diào)節(jié)速率均優(yōu)于開度調(diào)節(jié)模式。但在開度模式下，上位機(jī)發(fā)出調(diào)節(jié)命令于調(diào)速器，調(diào)速器根據(jù)PID參數(shù)內(nèi)設(shè)置，導(dǎo)葉實際開度自動跟蹤PID內(nèi)當(dāng)前水頭、當(dāng)前負(fù)荷下的導(dǎo)葉開度限制，自動調(diào)節(jié)；開度模式在死區(qū)內(nèi)導(dǎo)葉開度不會變化，可以有效避免頻繁調(diào)節(jié)帶來的頻率振蕩問題，滿足西南電網(wǎng)的運(yùn)行要求。

然而，機(jī)組調(diào)速器運(yùn)行在開度調(diào)節(jié)模式時，負(fù)荷調(diào)節(jié)速率較慢，若與一次調(diào)頻動作時間疊加，將大大增加機(jī)組負(fù)荷調(diào)整的時間和配合難度，因此需考慮采取一定的應(yīng)對措施來減少負(fù)荷調(diào)整時間。經(jīng)過對機(jī)組調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模式分析，在調(diào)速器有功開環(huán)模式下，機(jī)組調(diào)速器可直接執(zhí)行LCU下發(fā)的相關(guān)負(fù)荷調(diào)節(jié)指令，實現(xiàn)機(jī)組功率的實時調(diào)整。因此我們建議在機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)后，可采取以下兩種方式進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整：①在監(jiān)控系統(tǒng)中，退出調(diào)速器有功閉環(huán)模式，在調(diào)速器有功開環(huán)模式下，通過LCU發(fā)令調(diào)整導(dǎo)葉開度來實現(xiàn)負(fù)荷調(diào)整；②將機(jī)組調(diào)速器控制模式切至現(xiàn)地，由運(yùn)行人員現(xiàn)場電手動（或機(jī)手動）調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度來實現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整。

方式①目前還未進(jìn)行過實際操作驗證，后續(xù)需在實際機(jī)組開停機(jī)時進(jìn)行驗證。方式②在機(jī)組開停機(jī)實際操作中做過驗證，可以實現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的有效調(diào)整，但是存在負(fù)荷調(diào)整不均勻，機(jī)組負(fù)荷波動較大等問題，對操作人員技能水平要求較高。理論上，采用以上兩種方式調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，可以使機(jī)組在一次調(diào)頻頻繁動作的情況下，按時滿足電網(wǎng)下達(dá)的實時發(fā)電計劃，確保系統(tǒng)內(nèi)潮流穩(wěn)定，同時也可以優(yōu)化機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)后的負(fù)荷調(diào)節(jié)時間，盡量減少水輪發(fā)電機(jī)組在振動區(qū)運(yùn)行時間。

3 結(jié)束語

西南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行試驗過程中，電網(wǎng)內(nèi)未出現(xiàn)低頻振蕩，向家壩電廠機(jī)組一次調(diào)頻動作頻繁，維持了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。試驗期間電廠開停機(jī)操作也驗證了調(diào)速器參數(shù)修改后的一次調(diào)頻與AGC調(diào)節(jié)的邏輯正確性。但是對于電廠而言，仍然存在一些問題亟待解決：

（1）西南電網(wǎng)AGC策略與電廠AGC策略不一致，負(fù)荷過程中會導(dǎo)致電廠AGC退出西南網(wǎng)控，負(fù)荷不能實時跟隨負(fù)荷調(diào)節(jié)。后續(xù)需根據(jù)西南網(wǎng)AGC調(diào)整策略優(yōu)化向家壩AGC調(diào)整策略，以滿足西南電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整要求。

（2）《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》[3]中規(guī)定：“一次調(diào)頻的優(yōu)先級高于 AGC 或功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，應(yīng)保證機(jī)組一次調(diào)頻功能始終能夠正常發(fā)揮，當(dāng)機(jī)組AGC 投入運(yùn)行或監(jiān)控系統(tǒng)功率閉環(huán)調(diào)節(jié)方式下，機(jī)組一次調(diào)頻功能應(yīng)不受監(jiān)控系統(tǒng)影響，一次調(diào)頻應(yīng)與AGC 或功率閉環(huán)調(diào)節(jié)相互協(xié)調(diào)”。此規(guī)定要求一次調(diào)頻的優(yōu)先級高于 AGC并相互協(xié)調(diào)。目前，電廠調(diào)速器參數(shù)已滿足此要求。當(dāng)電網(wǎng)故障情況下，必定伴隨一次調(diào)頻的頻繁動作，一次調(diào)頻動作閉鎖調(diào)速器負(fù)荷調(diào)節(jié)指令，此時若電網(wǎng)要求電廠迅速調(diào)整機(jī)組功率，必定無法滿足要求。此種情況下，電廠采取必要措施，盡力滿足電網(wǎng)負(fù)荷要求，此時可能會導(dǎo)致負(fù)荷調(diào)整需求與一次調(diào)頻功能矛盾的情況，這個問題也需進(jìn)一步討論。

（3）西南電網(wǎng)異步運(yùn)行時，電廠一次調(diào)頻動作頻繁，且目前一次調(diào)頻動作時閉鎖有功調(diào)節(jié)，加之機(jī)組調(diào)速器在開度模式下，調(diào)速器反饋調(diào)節(jié)速率較慢，機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)后，調(diào)整負(fù)荷過程中，必定會延長機(jī)組在振動區(qū)運(yùn)行時間。機(jī)組振動區(qū)運(yùn)行時間長將對水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備產(chǎn)生不利影響。因此，需進(jìn)一步研究機(jī)組負(fù)荷調(diào)整的優(yōu)化策略，既要滿足電網(wǎng)要求，也要減少水輪發(fā)電機(jī)組振動區(qū)運(yùn)行時間。