燈泡貫流式機組參與調(diào)頻輔助市場后運行情況分析

陳國青

（廣西廣投橋鞏能源發(fā)展有限公司，廣西 來賓 546503）

0 引言

調(diào)頻輔助服務(wù)是指發(fā)電機二次調(diào)頻備用中能夠通過自動發(fā)電控制裝置（AGC）自動響應(yīng)區(qū)域控制偏差（ACE）按照一定調(diào)節(jié)速率實時調(diào)整發(fā)電出力，滿足ACE控制要求的服務(wù)，其調(diào)節(jié)效果通過調(diào)頻里程衡量[1]。橋鞏水電廠位于紅水河下游廣西壯族自治區(qū)來賓市遷江鎮(zhèn)境內(nèi)，為紅水河十級梯級水電站中的第九級，安裝了8臺單機容量為57 MW和1臺24 MW的燈泡貫流式發(fā)電機組，總裝機容量為480 MW，屬于大型燈泡貫流式機組。根據(jù)《南方區(qū)域電力并網(wǎng)運行管理實施細(xì)則》中“單機容量20萬kW及以上火電機組、單機容量4萬kW及以上非徑流水電機組和全廠容量10萬kW及以上水電機組應(yīng)具有自動發(fā)電控制（AGC）功能?！币?guī)定，橋鞏電廠從2020年12月底完成AGC相關(guān)試驗并開始按照《南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場試運行方案》要求，參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場。本文以橋鞏電廠為例，對參與調(diào)頻輔助市場后運行情況進行分析，并給出優(yōu)化建議，為機組安全穩(wěn)定調(diào)控運行提供參考依據(jù)。

1 AGC考核分析

1.1 技術(shù)要求

自動發(fā)電控制（AGC）主要任務(wù)是在滿足電力系統(tǒng)及水電廠和機組運行安全約束條件的前提下，以安全、迅速、經(jīng)濟的方式自動控制水電廠的有功功率，滿足系統(tǒng)對電站的發(fā)電需求，實現(xiàn)水電站的經(jīng)濟運行[2，3]。在《南方區(qū)域電力并網(wǎng)運行管理實施細(xì)則》中要求，水電機組AGC的響應(yīng)時間應(yīng)小于20 s；常規(guī)水電機組標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率為額定容量的20%/min；AGC調(diào)節(jié)精度不超過1%；在《南方電網(wǎng)自動發(fā)電控（AGC）技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了更細(xì)致的技術(shù)要求，可調(diào)容量宜為額定容量的80%以上，一般不應(yīng)小于額定容量的60%；響應(yīng)速率為額定容量的20%/min以上；調(diào)節(jié)的響應(yīng)延時和反向延時時間都不應(yīng)該大于30 s；AGC調(diào)節(jié)精度要求靜態(tài)偏差不應(yīng)大于1%。動態(tài)偏差不應(yīng)大于5%[4-6]。

1.2 電廠AGC試驗情況

橋鞏電廠于2020年9月左右開展了AGC相關(guān)試驗，主要進行了單機、多機AGC現(xiàn)地閉環(huán)性能測試，AGC與一次調(diào)頻聯(lián)合測試和單機、多機AGC調(diào)度閉環(huán)性能測試等試驗，限于篇幅，只列出部分機組試驗數(shù)據(jù)如表1和表2。

表2 6號機組反向延時測試記錄表

試驗結(jié)果表明，其中2號、3號、4號、6號、8號機調(diào)節(jié)速率達到《南方電網(wǎng)自動發(fā)電控制（AGC）技術(shù)規(guī)范》建議增減負(fù)荷的調(diào)節(jié)速率為額定容量的50%/min以上要求，其他機組的安全、控制邏輯功能與性能指標(biāo)均滿足《南方電網(wǎng)自動發(fā)電控制（AGC）技術(shù)規(guī)范》要求。

圖1 6號機組AGC大負(fù)荷階躍測試曲線

圖2 6號機組一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)控制曲線

1.3 AGC考核分析

根據(jù)AGC試驗結(jié)果可以看出，橋鞏電廠AGC的三大性能指標(biāo)即調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)時間，均能滿足《南方區(qū)域電力并網(wǎng)運行管理實施細(xì)則》要求，但是在AGC實際投運后卻經(jīng)常遭“兩個細(xì)則”系統(tǒng)考核，特別是調(diào)節(jié)速率不合格次數(shù)居多。表3是2023年7月其中1個星期橋鞏電廠全廠AGC合格率情況統(tǒng)計。根據(jù)南方電網(wǎng)“兩個細(xì)則”技術(shù)支持系統(tǒng)中有關(guān)考核算法介紹可知，考核系統(tǒng)根據(jù)PLC調(diào)節(jié)指令記錄文件去獲取調(diào)節(jié)起始時刻的有功值P0和目標(biāo)出力Pe,然后根據(jù)P0和Pe判斷是升出力還是降出力，并記錄調(diào)節(jié)起始時刻t0[8]。以15 min為一個時段，一個時段存在多條指令，則取調(diào)節(jié)幅度大的指令評價，如果調(diào)節(jié)幅度一致，則取時間晚的指令。

表3 AGC合格率統(tǒng)計表

第一步：計算出理論的響應(yīng)死區(qū)值和調(diào)節(jié)死區(qū)值。

式（1）和式（2）中Splc為機組額定容量。

第二步：計算出理論調(diào)節(jié)時間。

第三步：理論調(diào)節(jié)完成時間。

第四步：計算響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度。

響應(yīng)時間是指AGC系統(tǒng)發(fā)出指令之后，機組出力在原出力的基礎(chǔ)上，可靠地跨出與指令方向一致的響應(yīng)死去所用時間。計算公式：

調(diào)節(jié)速率是指機組在AGC指令方向，出力越過響應(yīng)死區(qū)到進入調(diào)節(jié)死區(qū)這段時間的速率。計算公式為:

調(diào)節(jié)精度是指機組實際出力和目標(biāo)值的誤差與開機機組容量的百分比。這里要分為兩種情況，第一種情況：在理論調(diào)節(jié)時間內(nèi)實際出力到達調(diào)節(jié)死區(qū)，如圖3所示。計算公式為：

圖3 理論調(diào)節(jié)時間內(nèi)完成調(diào)節(jié)

第二種情況：在理論調(diào)節(jié)時間內(nèi)實際出力未到達調(diào)節(jié)死區(qū)，如圖4所示。計算公式為：

圖4 理論調(diào)節(jié)時間內(nèi)未完成調(diào)節(jié)

圖5 3號機組導(dǎo)水機構(gòu)鋼珠破碎

圖6 8號機轉(zhuǎn)子聯(lián)軸螺栓及銷釘發(fā)生松動斷裂

以橋鞏電廠分析為例，監(jiān)控調(diào)節(jié)死區(qū)為0.8 MW左右，按上述公式計算考核系統(tǒng)調(diào)節(jié)死區(qū)為0.5 MW左右。當(dāng)現(xiàn)地上位機監(jiān)控已經(jīng)調(diào)節(jié)結(jié)束，但是由于未到達考核系統(tǒng)的調(diào)節(jié)死區(qū)，考核系統(tǒng)程序就會認(rèn)為調(diào)節(jié)還在繼續(xù)進行，導(dǎo)致計算得出的調(diào)節(jié)結(jié)束時間遠(yuǎn)滯后于實際結(jié)束時間,從而使計算得出的調(diào)節(jié)速率遠(yuǎn)小于實際調(diào)節(jié)速率。同時因采取的控制策略不同，AGC調(diào)節(jié)還受到一次調(diào)頻的影響，在開度模式下，當(dāng)機組同時接到一次調(diào)頻功能指令與AGC指令時，按照南網(wǎng)調(diào)度規(guī)定，電廠一次調(diào)頻和AGC功能應(yīng)協(xié)調(diào)配合，互不影響，出力變化應(yīng)該是二者疊加的效果，如果機組調(diào)速機構(gòu)不能同時執(zhí)行一次調(diào)頻和AGC功能實現(xiàn)調(diào)節(jié)量疊加，AGC指令優(yōu)先動作，在AGC執(zhí)行該指令到位后出現(xiàn)一次調(diào)頻復(fù)歸動作，監(jiān)控會將負(fù)荷調(diào)整至AGC目標(biāo)值，這個過程也將影響AGC考核指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 參與調(diào)頻輔助市場對機組運行影響

2.1 中標(biāo)后調(diào)節(jié)頻次大幅增加

參與調(diào)頻輔助市場后，機組中標(biāo)次數(shù)較多，每次中標(biāo)后機組負(fù)荷變動比較大，調(diào)節(jié)頻繁，來回穿越機組振動區(qū)運行。從表4中可以看出，中標(biāo)后單日單時段調(diào)頻里程最大可達1 414 MW，單日AGC動作次數(shù)達1 219次，而之前未投入AGC運行時，機組當(dāng)日負(fù)荷變動僅18次。后期橋鞏電廠改變策略，調(diào)高中標(biāo)價格到最高價格，盡量減少中標(biāo)次數(shù)，但是如果當(dāng)運行日出現(xiàn)因電力平衡緊張、斷面約束矛盾嚴(yán)重等影響調(diào)頻市場正常出清的情況，市場運營機構(gòu)會根據(jù)電網(wǎng)實時備用等情況采取調(diào)用未中標(biāo)發(fā)電單元等措施，未中標(biāo)電廠仍然會參與調(diào)節(jié)。

表4 橋鞏電廠參與調(diào)頻輔助市場前后當(dāng)日AGC動作次數(shù)對比表

2.2 對機組主機設(shè)備影響

機組頻繁參與AGC調(diào)節(jié)對水輪機和發(fā)電機各部套產(chǎn)生了較大影響，主要表現(xiàn)為以下三個方面，一是活動部件軸承磨損加快（導(dǎo)葉軸承，連桿軸承，接力器軸承，葉片軸承，葉片傳動機構(gòu)軸承，受油器軸承等），軸承磨損后，間隙增大會導(dǎo)致機組的振動、擺度增加，加劇機組的損傷；二是貫流機組通常為臥式結(jié)構(gòu)，軸承受力狀態(tài)較差，同時雙調(diào)（槳葉、導(dǎo)葉）運行，AGC運行導(dǎo)致機組損傷的風(fēng)險較常規(guī)機組（混流）大很多，容易導(dǎo)致緊固部件松動，加速轉(zhuǎn)動部件的疲勞損壞；三是機組負(fù)荷頻繁調(diào)節(jié)，發(fā)電機內(nèi)部的熱循環(huán)將加速定子線棒絕緣的老化，尤其對貫流機組，發(fā)電機冷卻的均勻性比立式機組差，普遍存在局部溫度高的現(xiàn)象，縮短了定子繞組的使用壽命，同時轉(zhuǎn)動部件緊固件的松動，可能會造成定子線棒損傷。

橋鞏電廠參與調(diào)頻輔助市場一段時間出現(xiàn)了一系列問題，在檢修期發(fā)現(xiàn)1號、5號、6號機組轉(zhuǎn)輪部件均發(fā)現(xiàn)裂紋；3號、8號機組連軸螺栓斷裂；3號、4號、7號機組導(dǎo)水機構(gòu)控制環(huán)偏磨及操作卡組。

2.3 原因分析

機組運行水頭變動較大，導(dǎo)致機組運行效率會在最優(yōu)工況到最惡劣工況之間變化，尤其是在主汛期，受到上游水庫的汛限水位和下游泄洪導(dǎo)致水位太高的雙重影響，偏離額定工況運行，機組振動嚴(yán)重。

過度穩(wěn)定性差。貫流式機組轉(zhuǎn)動慣量較小，通常為立式機組的30%~50%，因此在外部機械的阻力發(fā)生改變時，將直接對機組的轉(zhuǎn)動角加速度造成影響，即不同種類的機組受到同一個外部擾動時，貫流式機組的轉(zhuǎn)動慣量偏小，而調(diào)整的變量要比其他機組大?？蓞⒖脊剑?/p>

其中P為載荷大小，M為部件質(zhì)量，θ為載荷頻率。

動態(tài)調(diào)節(jié)振動大。因為其整體“懸浮”在過水流道上，燈泡體受到水的浮力、沖力及水錘、漩渦等流水產(chǎn)生的壓力，并且在不同的生產(chǎn)工況下還會產(chǎn)生機械扭矩、電磁力、正向反向的水推力作用，易形成較大的水力振動和機組振動。

3 結(jié)語

（1）針對大型燈泡貫流式機組參與AGC調(diào)節(jié)后頻繁被考核情況，橋鞏電廠可以優(yōu)化AGC調(diào)節(jié)程序，比如適當(dāng)改變監(jiān)控調(diào)節(jié)死區(qū)，使其與考核系統(tǒng)上調(diào)節(jié)死區(qū)保持一致；對于因一次調(diào)頻動作復(fù)歸引起AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)不合格情況，可以在監(jiān)控上做一個一次調(diào)頻動作復(fù)歸延時判斷指令，超過該時間，監(jiān)控才會開始將負(fù)荷調(diào)整至AGC目標(biāo)值，防止因一次調(diào)頻動作復(fù)歸引起AGC調(diào)節(jié)被考核。

（2）大型燈泡貫流式機組不應(yīng)當(dāng)作持續(xù)的負(fù)荷調(diào)節(jié)，在運行的過程中應(yīng)盡量避免此種類型的機組進行長時間的參與到系統(tǒng)的動態(tài)化控制中，建議退出輔助調(diào)頻市場。