抽蓄電站AGC模式及其優(yōu)化研究

姜愛軍 孔令華 胡 南

(福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 仙游 351267)

1 概 述

近年來，在清潔能源迅速發(fā)展的形勢下，電網(wǎng)發(fā)展面臨著特高壓直流長距離、大容量、跨區(qū)域的電力輸送，風光等可再生能源在電網(wǎng)電源比例快速增加和傳統(tǒng)火電機組被大規(guī)模取代的變化，使得電網(wǎng)調控遇到了快速調節(jié)電源容量不足、火電機組深度調峰受限和大容量特高壓直流輸電饋入引起受端承受較大沖擊等問題，削弱了系統(tǒng)承受有功沖擊、頻率波動和抗擾動的能力，電網(wǎng)新能源的接納能力受到了頻率穩(wěn)定、電網(wǎng)安全運行的挑戰(zhàn)。而抽水蓄能是目前全球已大規(guī)模應用的成熟儲能技術，可專門提供削峰填谷、旋轉備用、事故備用、調頻、調相等輔助服務。隨著電網(wǎng)能源結構、運行環(huán)境的日益復雜，抽水蓄能電站的重要性更為凸顯，對其發(fā)揮作用的需求勢必進一步增加。因此，如何充分有效的利用抽蓄電站輔助服務功能，加強抽蓄機組調頻模式下的運行關鍵技術研究，提高電網(wǎng)頻率調節(jié)能力，對保證電能質量、實現(xiàn)新能源合理高效利用和緩解能源與環(huán)境問題具有重要意義。

2 抽蓄電站AGC調頻模式

2.1 抽蓄電站AGC調頻模式的主要形式及其影響

在國內電網(wǎng)運行中，對抽蓄電站機組常用的自動發(fā)電控制(AGC)主要包括兩種模式：一種是參考常規(guī)發(fā)電機組的模式，采用單機AGC模式，即電網(wǎng)負荷調度調節(jié)指令直接下發(fā)給抽水蓄能電站的各臺機組；一種是負荷成組控制模式，即電網(wǎng)負荷調度指令以全站總負荷的方式下發(fā)。

2.1.1 單機AGC及其影響分析

單機AGC是電網(wǎng)常見的一種機組有功功率調節(jié)模式，其對應的主站側AGC控制系統(tǒng)有著幾十年的應用經(jīng)驗。單機AGC可以是由機組接收到調度的AGC指令后，由LCU控制機組啟停和負荷調整，或由運行人員手動開啟機組，并網(wǎng)后切換到電網(wǎng)單機AGC控制；運行過程中，電網(wǎng)主站側缺省認為投入單機AGC模式的機組在有功可調節(jié)范圍內具有線性的特征，調節(jié)速率保持不變。此模式有利于簡化電網(wǎng)主站側AGC負荷分配算法，且由于AGC指令直接下發(fā)至單臺機組，機組調節(jié)速率和執(zhí)行的可信度均能有效保證。與火電利用蓄熱來響應AGC不同，單機AGC一般采用接收指令后開機，因此，AGC響應在開機階段是滯后的。另外對純抽水蓄能電站而言，采用常規(guī)的單機AGC對機組進行調控，機組只有在水庫容量滿足發(fā)電條件時才能啟動，發(fā)電運行不連續(xù)。

2.1.1.1 單機AGC對電網(wǎng)側的影響

單機AGC模式對電網(wǎng)控制的影響表現(xiàn)為以下幾個方面：抽蓄機組每日工況轉換頻繁，其調度指令需要調度人員通過電話等方式下達，增加了運行人員的工作強度；在容量較小的電網(wǎng)中，當AGC要求多臺機組同時發(fā)電時，因機組從停機狀態(tài)到滿負荷運行需要一定的時間，容易造成電網(wǎng)頻率波動；當電網(wǎng)出現(xiàn)特殊情況，需要機組發(fā)揮事故備用作用時，單機AGC模式無法以最快的速度響應；當電網(wǎng)需要機組從抽水工況切換到發(fā)電工況時，該過程所產(chǎn)生的電能損耗目前被計及電網(wǎng)運行成本，因此，提高了總的運行成本。

機組運行于額定工況時，抽水蓄能轉換效率約為80%左右，當抽蓄機組參與AGC的負荷調節(jié)范圍較大時，其轉換效率將大幅下降，加大了損耗，進一步提高了成本。

2.1.1.2 單機AGC對電站側的影響

對抽水蓄能電站而言，若采用單機AGC模式，機組直接按照AGC指令調控，單機調節(jié)功能和性能要求簡單，被調度考核的概率較小。但與調度側運行人員面臨的情況一樣，機組每天工況轉換頻繁，需要運行值班人員接聽調度電話后，手動操作機組監(jiān)控系統(tǒng)投入和退出電網(wǎng)AGC運行，增加了電站運行人員的工作強度和操作失誤的風險。此外，AGC的頻繁調節(jié)可能對機組的正常運行產(chǎn)生影響，甚至導致機組設備出現(xiàn)問題，影響到電站安全運行。

a.AGC考核帶來的影響。AGC考核要求調速器的靈敏度必須保持在較高狀態(tài)，而調速器的頻繁動作容易產(chǎn)生機械磨損，影響其使用壽命及整體穩(wěn)定性。此外，設備的機械磨損將導致導水部件的間隙不斷增大，甚至引起密封裝置的損壞，漏水現(xiàn)象將會出現(xiàn)且逐漸加劇，進而影響機組的整體運行效率。

b.AGC頻繁調整帶來的影響。AGC頻繁調節(jié)過程中，整個機組的導水機構及相關設備因處于往復運動的狀態(tài)而出現(xiàn)更加明顯的機械磨損；機組出現(xiàn)水導軸承磨損現(xiàn)象，進而導致機組振動大；導葉筒體的L型法蘭出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，特別是法蘭圈位置的胎體因其自身很薄而在長期工作扭動過程中會出現(xiàn)整體形變甚至破損，影響到機組的工作效率；轉輪所承受應力的變化十分明顯，長時間的金屬應力作用會導致葉片的可靠性及壽命受到顯著影響；當AGC負荷變化幅度調整過大，而機組未處于滿負荷運行狀態(tài)時，機組尾部會出現(xiàn)旋渦，旋渦的快速增大將直接引起機組劇烈振動。

2.1.2 成組控制模式及其影響分析

成組控制模式不同于單機模式，是將整個抽水蓄能電站的機組作為一個單元參與電網(wǎng)的調節(jié)和控制，因此在設計上成組控制不單是負荷控制，還包括了電壓控制。負荷控制方面不僅僅是發(fā)電控制，還包括電動抽水控制。以整個電站機組為單元的成組控制模式，設計兼具了發(fā)電、抽水、調相、事故緊急支援等自適應功能，是電網(wǎng)在新能源擴張形勢下，智能化的調控單元。電站在負荷成組控制模式下，根據(jù)調度下發(fā)的電站總負荷指令，自行計算分配機組負荷、自動進行機組啟?？刂坪凸r切換，滿足電網(wǎng)對電站負荷需求。成組控制根據(jù)電站總負荷設定，在扣除電站所有手動控制機組負荷設定后，計算和分配運行機組臺數(shù)和各機組的負荷，通常機組負荷以平均方式進行分配。

2.1.2.1 成組控制模式對電網(wǎng)側的影響

成組控制模式對電網(wǎng)側的影響表現(xiàn)為以下幾個方面：

a.采用負荷成組控制模式，對電網(wǎng)調度而言，在首臺機組啟動或末臺機組停機時，電站的AGC響應會有偏差，在多臺機組同時運行時，成組控制負荷分配計算需要開停機時，負荷響應短時會有波動(小于一臺機組的容量)。

b.采用全自動的抽水蓄能電站調控模式，在電網(wǎng)出現(xiàn)緊急工況時，可根據(jù)既定規(guī)則無延時進行機組的調配，為電網(wǎng)故障后的恢復創(chuàng)造有利條件。例如電網(wǎng)國調實施的低頻切泵，華東電網(wǎng)實施的緊急事故支援功能，已納入電網(wǎng)頻率控制體系中，為電網(wǎng)故障時增加了強有力的支援。

c.對抽水蓄能電站而言，成組控制的設計可涵蓋發(fā)電、抽水、調相，電網(wǎng)緊急支援以及旋轉備用等自適應調控，唯一不足的是其調控響應在機組啟停期間與電網(wǎng)的指令是有偏差的，若采用計劃曲線方式進行負荷控制，可以通過設置提前啟停時間盡可能地滿足計劃點負荷要求。

2.1.2.2 成組控制模式對電站側的影響

a.采用負荷成組控制模式對抽水蓄能機組進行調控，則無論發(fā)電、抽水還是調相，啟停操作均由監(jiān)控系統(tǒng)自動執(zhí)行，無須電站值班人員手動操作，可減少電站值班人員的勞動強度。

b.采用負荷成組控制模式，全站負荷只需滿足電網(wǎng)調度總指令要求，機組開機選擇具有一定的自由度。此外，機組在發(fā)電或抽水工況發(fā)生故障跳閘時，其產(chǎn)生的功率缺額可由其他停機機組自動替補，可降低電站考核的程度。

c.采用全廠負荷成組控制模式，對電站而言，在某一確定的電站總功率要求下，可根據(jù)機組的效率，優(yōu)化各臺機組的負荷分配，使全站總抽發(fā)電量損耗達到較優(yōu)的水平。

d.采用負荷成組控制模式，要求電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能不僅能夠自動執(zhí)行所有工況轉換，還要在機組故障時能及時進行自啟停等聯(lián)鎖操作，要求具備良好的防錯能力，以確保不發(fā)生誤動。

e.與單機AGC模式類似，當成組負荷調節(jié)頻繁、幅度過大時容易產(chǎn)生機械磨損，進而影響設備的使用壽命及機組的整體穩(wěn)定性，后期出現(xiàn)風險的概率也大大增加。

2.2 頻率考核下兩種模式的分析

電網(wǎng)的電源結構和用戶需求等因素決定了抽水蓄能電站的調控方式，而各抽水蓄能電站的設計和建設因水頭、地形和水工建筑布置形式不同，其機組性能各異。抽水蓄能機組其運行方式的特殊性，影響著電網(wǎng)的控制策略。對于純抽水蓄能電站，其發(fā)電抽水為日循環(huán)運行方式，若采用單機AGC納入電網(wǎng)頻率閉環(huán)調控方式，則需要手動進行AGC投退，將增加運行人員的工作負擔，當電網(wǎng)建有為數(shù)不多的蓄能電站時是可行的。為利用抽水蓄能解決日益精細的頻率考核問題，在機組和電站條件許可、設備安全的前提下，可采用調相旋轉備用方式或不同引水管發(fā)電抽水并列運行方式配合進行。隨著電網(wǎng)抽蓄電站比重不斷增加，全自動化抽水蓄能電站成組控制充分發(fā)揮機組工況多、工況轉換靈活、響應速度快的優(yōu)點,為服務電網(wǎng)提供了新的領域和方式,在未來的智能化電網(wǎng)中,將發(fā)揮更大作用。但在成組控制模式下，以電站為單元調節(jié)的抽水蓄能在機組啟停流程時間控制、負荷調節(jié)響應特性方面存在一定的不確定性，其調節(jié)偏差因機組的水頭、同期并網(wǎng)檢測時間的變化而變化，在區(qū)域調度集中調控抽水蓄能機組時，這種不確定性和調節(jié)偏差可能會引發(fā)多臺機組同時并網(wǎng)或停機退網(wǎng)事件，導致頻率波動，使電網(wǎng)滿足日益精細的考核要求有一定的難度。隨著抽水蓄能容量在電網(wǎng)內的擴張、新能源大規(guī)模接入以及傳統(tǒng)火電的萎縮，給電網(wǎng)頻率控制和調節(jié)帶來新的難題。如何差異化地用好各種能源，用新技術提高能源的調控能力和水平是未來電網(wǎng)發(fā)展的重大課題。

3 抽蓄電站AGC優(yōu)化的局限性研究

電站的自動發(fā)電控制功能對其運行效率有著直接的影響,對抽蓄電站來說,因我國建設開發(fā)起步較晚,前期缺乏電站運維經(jīng)驗,在AGC的設計上早期以借鑒常規(guī)水電站控制經(jīng)驗為主,但實質上抽蓄電站的自動發(fā)電控制功能和日常運行維護較常規(guī)水電站復雜得多,參考的意義有限，且各個電站的控制功能均獨自開發(fā),功能設計上差別很大,在AGC的設計和實施上走了不少彎路。自AGC模式誕生以來，遠遠跟不上抽蓄電站開發(fā)建設的發(fā)展步伐。

從當前抽蓄電站AGC研究現(xiàn)狀中不難看出，我國在該領域的研究中存在以下不足：在AGC控制策略方面，僅在早期的傳統(tǒng)PID控制上進行簡單的改進，無法從根本上改善AGC控制的動態(tài)性能和穩(wěn)定性；在AGC功率分配機制方面，大部分還是按固定比例來分配調節(jié)功率或者進行簡單微調，這類分配方法相對簡單，卻對AGC資源配置要求較高；在精確的預測模型建立方面研究較少，隨著電網(wǎng)中可再生能源規(guī)模的不斷增大，僅依照歷史數(shù)據(jù)進行調節(jié)，勢必影響AGC容量預測精度，進而影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；AGC模式是一個典型的先有偏差再調節(jié)的時滯控制過程，如何更好地解決、克服滯后控制方面帶來的不利影響，在當前的抽蓄電站AGC模式研究中考慮得還不夠。

4 總 結

隨著國家新能源戰(zhàn)略的實施和推廣，部分區(qū)域電網(wǎng)新能源占比逐步提升，在未來一段時間內，新能源裝機還將繼續(xù)穩(wěn)步增長。電網(wǎng)安全運行為提供電網(wǎng)輔助服務的抽蓄電站及其AGC模式，指出了未來需要加強研究的方向。

將先進的智能控制策略引入抽蓄電站AGC模式中，進一步提升系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性；加強負荷預測研究，如引入超短期負荷預測并對AGC機組進行分類，通過實現(xiàn)AGC的超前控制以最大程度克服滯后控制帶來的不利影響；加快機組動態(tài)模型建立研究,探索更加全面、詳細的精準模型建立方法，以更好地表示抽水蓄能電站的動態(tài)特性，提高計算結果的可信度。