巨型水輪機組自動電壓控制（AVC）調(diào)節(jié)性能提升的分析

彭維新 ，秦會會，李勛城，杜守春，柴文婷，趙文秀，武學(xué)源

（1.國家電投黃河水電公司拉西瓦電廠，青海 海南州 811700；2.西安五常電力技術(shù)有限公司，陜西 西安 710000）

1 AVC控制原理

AVC，即調(diào)度側(cè)在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，依據(jù)系統(tǒng)有功輸送最經(jīng)濟的電壓下發(fā)遙調(diào)指令，廠站側(cè)AVC 子站根據(jù)指令動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機無功，實現(xiàn)母線電壓逐次逼近電壓目標值，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。調(diào)度側(cè)AVC 通過SCADA 系統(tǒng)采集廠站側(cè)母線電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)潮流和功角穩(wěn)定計算系統(tǒng)電壓，給電廠側(cè)下發(fā)母線電壓增減量；廠站側(cè)AVC在現(xiàn)實際運行母線電壓基礎(chǔ)上疊加調(diào)度側(cè)下發(fā)的電壓增減量作為一個周期（5 min）的廠站側(cè)母線電壓目標值，然后廠站側(cè)AVC 按照控制策略，通過計算將電壓增減量轉(zhuǎn)化為廠站所需的無功增減量，分配無功到各臺運行機組進行無功調(diào)節(jié)，使電廠母線電壓達到控制目標值。這就需要廠站側(cè)AVC 不斷地進行目標電壓值與實際運行電壓值的比較和電壓偏差與無功增減量的轉(zhuǎn)換，通過調(diào)節(jié)無功來達到改變電壓的目的，進而維持母線電壓在目標電壓值的±0.1 kV范圍內(nèi)，AVC控制原理如圖1所示。

圖1 AVC控制原理

圖1 中，Us是母線電壓，取自電廠母線電壓變送器；Qg是機組無功，取自電廠機組無功功率變送器。調(diào)度側(cè)AVC 主站下發(fā)當(dāng)前時段下的母線電壓增減量ΔUs，電廠側(cè)AVC 接收到ΔUs后進行計算，將計算所得的各臺機組應(yīng)發(fā)的無功Qg發(fā)送到各臺機組的現(xiàn)地LCU控制單元，通過PID計算以脈沖形式對勵磁系統(tǒng)進行增減磁控制，改變勵磁系統(tǒng)AVR給定值，實現(xiàn)對機組無功的控制，進而改變母線電壓。電廠側(cè)AVC 在接收到調(diào)度側(cè)下發(fā)的母線電壓增量ΔUs后，進行的無功負荷計算式為

式中，QAVC為全廠AVC 無功功率分配值；QACT為全廠當(dāng)前實發(fā)無功功率；ΔUs為調(diào)度側(cè)主站下發(fā)母線電壓增減量；KV為母線電壓調(diào)壓系數(shù)；Q-A----V--C-為不參加AVC機組所發(fā)無功之和。

2 影響電廠側(cè)AVC性能的主要因素

2.1 PSS反調(diào)對母線電壓的影響

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到大擾動后各同步發(fā)電機保持并過渡到新的運行狀態(tài)或恢復(fù)到初始狀態(tài)的能力［1-2］。目前，大中型機組勵磁系統(tǒng)都加裝PSS 以改善系統(tǒng)阻尼，但PSS 的無功反調(diào)現(xiàn)象會引起廠站側(cè)AVC重新分配無功。

作為系統(tǒng)第一調(diào)頻的巨型水電機組，其有功調(diào)節(jié)更頻繁，其中投入了AGC 的機組，在大幅跨越振動區(qū)時，有功調(diào)節(jié)步長很大，無功反調(diào)會引起全廠機組無功重新分配和調(diào)節(jié)，造成母線電壓波動，迫使AVC做出響應(yīng)，維持母線電壓穩(wěn)定。

勵磁調(diào)節(jié)器的控制方式采用的是PID 和PSS方式。對PSS 進行反調(diào)試驗：當(dāng)PSS 投入，P=580 MW、Q=35 Mvar 時，以最快的速度增加90 MW 有功出力。試驗結(jié)果表明：在有功功率變化過程中，無功功率變化不大，基本無反調(diào)現(xiàn)象，所以該勵磁系統(tǒng)PSS 反調(diào)對母線電壓波動影響較小，試驗錄波如圖2所示。

圖2 PSS反調(diào)試驗錄波

2.2 調(diào)差對母線電壓影響

目前，在廣泛采用的大容量單元式接線的發(fā)變組中，勵磁控制器中的負調(diào)差被用于補償主變過高的短路阻抗，加快高壓母線的電壓響應(yīng)速率，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。在勵磁調(diào)節(jié)器自動方式下，為保證多臺并聯(lián)運行的發(fā)電機組之間的無功功率合理分配或補償單元制接線主變壓器的電壓降，勵磁調(diào)節(jié)器附加無功調(diào)差功能。機組勵磁系統(tǒng)采用負調(diào)差，減小了機組與系統(tǒng)之間的聯(lián)系電抗，提高了高壓母線對系統(tǒng)電壓的支撐能力［3］。

調(diào)差系數(shù)即為發(fā)電機電壓調(diào)差特性的斜率δ，表示補償后的機端電壓隨每單位無功的變化量。由圖3 可見，對于通過升壓變并列運行的機組，為補償主變電抗壓降的影響，應(yīng)提供發(fā)電機端負的調(diào)差系數(shù)，使并列點的調(diào)差率仍滿足要求。

圖3 發(fā)電機調(diào)差特性曲線

以采用機組聯(lián)合單元接線方式（即一機一變，兩臺機組主變在高壓側(cè)聯(lián)合并網(wǎng)）的巨型水輪機組為例，主變短路阻抗是14.57%，原機組勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)為0，后機組勵磁系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)調(diào)整為-4%，機組并列點總的調(diào)差率為10.57%。若系統(tǒng)電壓升高，則表明系統(tǒng)無功過剩，此時發(fā)電機發(fā)出的無功減少，因勵磁負的調(diào)差作用于降低發(fā)電機電壓，這樣就使發(fā)電機發(fā)出的無功進一步減少，進一步抑制了系統(tǒng)電壓的升高。相反，如果發(fā)生系統(tǒng)電壓降低，負的勵磁調(diào)差功能進一步提升發(fā)電機電壓，多發(fā)出無功，抑制母線電壓降低。勵磁系統(tǒng)調(diào)差參數(shù)優(yōu)化后，能夠充分發(fā)揮發(fā)電機對電網(wǎng)的無功電壓調(diào)節(jié)能力，無功負荷分配更加合理，發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)幅值范圍變大，系統(tǒng)電壓波動范圍幅值變小，改善了系統(tǒng)的電壓水平［4］。

2.3 注入式定子接地保護對勵磁系統(tǒng)AVR控制和無功閉環(huán)調(diào)節(jié)的影響

2.3.1 注入式定子接地保護對機端電壓的影響

隨著電力系統(tǒng)發(fā)電機單元容量的增大，發(fā)電機定子繞組對地電容也有所增加，從國外引進的大型發(fā)電機中心點大多采用變壓器電阻接地方式。采用這種中心點接地方式的機組裝設(shè)定子接地保護［5］，并且有國內(nèi)三峽水電工程使用西門子公司的7UM62 型外加低頻交流電源型（100%）定子繞組接地保護的例子，為其他巨型水輪機組提供了成熟的運行經(jīng)驗。20 Hz 低頻電流電源型定子繞組單相接地保護能在機組開停機工況下都起到100%范圍內(nèi)無死區(qū)監(jiān)測發(fā)電機定子接地故障，同時也能反映定子繞組絕緣情況，起到對絕緣老化監(jiān)視的作用。但是，20 Hz 低頻電流電源型定子繞組單相接地保護裝置通過配電變壓器會在機端產(chǎn)生電壓幅值為發(fā)電機額定相電壓3%的低頻正弦波電壓。注入式定子接地保護原理如圖4所示，從發(fā)電機中性點注入一個頻率為20 Hz 的電壓。

圖4 注入式定子接地保護原理

20 Hz注入式定子接地保護近似等效電路如圖5所示。

圖5 20 Hz注入式定子接地保護近似等效電路

圖5中，RB為交流濾波器的電阻，電阻值為8 Ω；RL為負載內(nèi)阻，電阻值為1 Ω，U20Hz為20 Hz 發(fā)生器的電壓，電壓有效幅值為25 V；URL為20 Hz發(fā)生器在配電變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的電壓；U'g(20 Hz)為20 Hz發(fā)生器在配電變壓器一次側(cè)（機端）產(chǎn)生的相電壓。

設(shè)K為配電變壓器，變比為，那么20 Hz發(fā)生器在配電變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的電壓為

20 Hz發(fā)生器通過配電變壓器在一次側(cè)也就是機端產(chǎn)生的相電壓為

2.3.2 注入式定子接地保護對母線電壓測量計算和勵磁系統(tǒng)AVR控制的影響

對于主變壓器（勵磁變壓器同理），采用Ynd-11接線方式，如圖6所示。

圖6 主變壓器（勵磁變）接線方式

由于是從發(fā)電機中性點注入的對地電壓，因此，發(fā)電機三相對地電壓都疊加了U20Hz電壓，即U20Hz電壓是零序性質(zhì)的正弦波電壓，同時主變壓器低壓繞組是三角形接線，低壓繞組上的相電壓為線電壓，以A 相為例，高壓側(cè)相電壓uA為uA=n?(ua-uc)，低壓側(cè)相電壓（線電壓）uac為uac=(ua-uc)=0，U20Hz電壓在低壓側(cè)三角形接線中被抵消，所以主變壓器側(cè)高壓繞組中不反映20 Hz 頻率的電壓量，對母線電壓的測量計算基本無影響。同理，勵磁變壓器低壓側(cè)繞組中不反映20 Hz 頻率電壓量，那么也不會影響勵磁系統(tǒng)AVR調(diào)節(jié)控制。

2.3.3 注入式定子接地保護對機組無功閉環(huán)調(diào)節(jié)的影響

無功移相測量法在一個周期內(nèi)對三相電壓、三相電流均勻采樣，以基波周期為基準，整周期采樣64點為例（因廠家生產(chǎn)的設(shè)備不同而不同），將當(dāng)前電壓采樣值乘以滯后16點（移相90度）的電流采樣值，得到瞬時無功功率值，整周波64 個瞬時功率做積分運算得到一個周期內(nèi)的平均無功功率，即

式中，j代表第j個采樣點；N代表一個周期的采樣點數(shù)，N/4代表1/4個周期。

從原理上講，該測量方法不存在理論誤差。但是，該方法的問題主要在于數(shù)字移相的適用性。

若被測信號機端電壓疊加了20 Hz 頻率的電壓U20Hz方波，則電壓信號的頻率會出現(xiàn)周期性偏差并影響整周波采樣，機組無功功率會產(chǎn)生失真、跳變。另外，如果信號中含有諧波時（電壓信號疊加U20Hz方波后電壓波形本身就已產(chǎn)生一定程度的失真），以3 次諧波為例，電流信號滯后16 點時實際移相為270 度，諧波無功測量將出現(xiàn)嚴重錯誤。因此，90 度移相的無功測量法只適用于理想的純正弦基波信號的無功測量。當(dāng)測量的是單純的三相正弦信號時，可以通過控制采樣點數(shù)及其均勻的程度來實現(xiàn)精密的數(shù)字移相。但是如果被測信號不是嚴格的正弦波，而是含有諧波含量，則數(shù)字移相就要出現(xiàn)誤差。依據(jù)AVC 原理無功分配計算式（1），QACT是所有機組無功（Qg）的和，若Qg測量計算失真，不能正確反映機組無功，則會在機組無功閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)下位機PID 脈沖調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)出現(xiàn)紊亂；若母線電壓（Us）測量計算失真，則會在電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)上位機AVC 系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)出現(xiàn)紊亂，那么AVC 調(diào)節(jié)性能就會降低。

基于傅里葉變換的無功測量的基本思想是對被測回路的電壓信號、電流信號按基波頻率整周期均勻采樣，然后用一組正交三角函數(shù)（正弦量或者余弦量）對采樣值進行正交分解，使用各分解值計算線路的各次無功功率，全波形的無功功率為各次無功功率之和，即

式中，i代表諧波次數(shù)；n=（采樣點數(shù)÷2）-1，當(dāng)64 點采樣時，n=31；Qi代表第i次諧波的無功功率。

根據(jù)式（5）可知，全波無功功率是基波頻率及以上的各次無功功率之和，頻率低于50 Hz 基波的次諧波無功功率被排除在外了（即20 Hz 頻率的電壓U20Hz方波不參與無功的計算，被完全濾除）。這種基于傅里葉變換的無功功率測量變送器，其4～20 mA 變送信號可以對應(yīng)全波無功功率，也可以通過參數(shù)整定對應(yīng)到基波無功功率，從而濾除各次諧波無功，使得無功閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠。某巨型水輪發(fā)電機組無功變送器采用全波無功功率計算后，無功閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)就基本與機組實際運行工況吻合，通過試驗，選擇合理的調(diào)節(jié)參數(shù)，AVC 調(diào)節(jié)性能提升效果很明顯，滿足調(diào)度側(cè)對AVC 調(diào)節(jié)性能的要求。

3 結(jié)論

某巨型水輪發(fā)電機組AVC 分析完善工作歷時3年多，分析了勵磁系統(tǒng)PSS反調(diào)、調(diào)差、網(wǎng)源協(xié)調(diào)、機組無功測量源、母線電壓測量源對AVC 的影響，同時進行了監(jiān)控系統(tǒng)與勵磁系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合的參數(shù)試驗，確定了合理的調(diào)節(jié)參數(shù)，包括調(diào)壓系數(shù)、調(diào)節(jié)周期、脈寬、PID、電壓死區(qū)、無功死區(qū)等和勵磁系統(tǒng)各項限制與保護協(xié)調(diào)的配合關(guān)系，以及廠站側(cè)和調(diào)度側(cè)用于控制的母線電壓源的同源性。通過3 年多的分析完善AVC 工作，某巨型水輪發(fā)電機組AVC控制調(diào)節(jié)性能滿足相關(guān)部門的技術(shù)要求，取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟效益。