提高水電機組AGC與一次調頻調節性能的關鍵技術問題探究與改進

唐亞波（重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶 408506）

提高水電機組AGC與一次調頻調節性能的關鍵技術問題探究與改進

唐亞波
（重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶 408506）

摘要：分析了常規水電機組AGC調節和一次調頻調節中的不足,提出了一種新的調節方式,并在銀盤水電廠調速器中加以運用。實踐表明改進調節方式后,水電廠AGC調節性能和一次調頻調節性能有較大提高，滿足了兩個細則考核要求。

關鍵詞：水電廠；兩個細則；調速器；功率模式

1　前言

目前電網為了提高供電質量，分別制定了《××區域發電廠并網運行管理實施細則》和《××區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》（其中的××代表區域，如“華北”、“東北”），簡稱“兩個細則”。其中對AGC和一次調頻的投入率、調節指標的考核標準進行了嚴格的規定。在兩個細則要求下，大部分水電廠的AGC調節性能和一次調頻性能跟兩個細則中規定的要求尚有較大的差距，尤其是華中電網對水電廠AGC負荷調節速率達到了80%PN/min，調節精度小于3%，對一次調頻的轉速死區、響應時間、穩定時間和速度變動率都有明確的規定。

銀盤水電廠地處重慶市武隆縣，是烏江干流水電開發規劃的第十一個梯級，安裝4臺150MW軸流轉槳式水輪發電機組，電廠AGC功能于2013年10月正式投運參與重慶電網調節，在運行過程中AGC調節性能和一次調頻調節性能達不到華中電網兩個細則的要求，受到調度考核，影響了電廠效益。故對兩個細則要求下AGC與一次調頻調節方法進行研究，并成功在1～4號機組中應用，滿足了華中電網兩個細則的要求。

2　常規水電機組AGC調節原理

AGC調節系統分為三層，一是調度層，二是監控層，三是調速器層。調度層負責下發全廠有功功率給定值至監控層。監控層由上位機(AGC程序)和下位機(機組LCU)構成，上位機AGC程序接收調度下發的全廠有功設定值，并根據當前全廠每臺機組的振動區以及當前水頭等信息將當前有功功率給定值合理分配到各臺機組LCU。機組LCU將上位機下發的有功功率給定值和實發值進行PID運算，在每一個PID運算周期，輸出逐步遞減的脈寬信號，驅動相應的增、減有功繼電器同步動作及復歸。增、減有功這2個繼電器，采用硬接線的方式將繼電器輸出接點傳至調速器，調速器工作在開度模式，根據繼電器節點信號對機組導葉開度、槳葉開度進行調節，繼而達到調節機組有功功率的目的。

3　常規水電機組一次調頻原理

目前大部分水電機組調速器工作在開度模式，根據頻差換算成導葉開度，以導葉開度偏差作為調整目標值進行調節。

4　常規水電機組AGC與一次調頻調節存在的問題及原因分析

4.1 AGC負荷調節品質差

改進前整個AGC調節系統由監控接收調度下發的有功功率給定值，并在上位機進行AGC運算后，將有功功率給定值分配到每臺機組的現地LCU中，在現地LCU PID運算模塊進行有功功率閉環控制后輸出調節脈沖至調速器，調速器工作在開度模式，按調節脈沖控制導葉開度和槳葉開度（軸流轉槳式機組需要同時調整槳葉開度）。由此可見，整個AGC調節系統的結構是監控AGC分配-現地LCU有功PID控制-調速器脈沖調節的結構形式，這樣在整個AGC調節環節多了一個現地LCU有功PID控制這一中間環節，導致有功功率的調節滯后于有功功率的變化，因為對于調速器來說實際上已成為一個隨動系統,當調速器工作在開度模式，只負責接收監控輸出的調節脈沖，將調節脈沖換算成開度給定，對機組導葉開度和槳葉開度進行調整，而不管機組有功功率如何變化，調速器對于有功功率調節來說是一個開環環節，這樣往往會導致調速器調節機組出力時很容易造成超調，再加上機組有功功率的變化本身就滯后于水輪機導葉開度的變化[1],而等監控現地LCU PID模塊反應過來再進行調節時，指令已經滯后于有功功率的變化了，所以AGC調節精度難以保證。

4.2一次調頻調節性能差

電網對一次調頻的考核目標值是有功功率，而調速器工作在開度模式，在一次調頻動作后，調速器根據頻差換算成導葉開度，以導葉開度作為目標值進行調節，由于導葉開度和有功功率存在非線性，且在不同的水頭下,同一導葉開度對應的有功功率變化值也不同[2]，所以調速器工作在開度模式下的一次調頻調節性能，往往難以滿足電網考核要求。

4.3一次調頻與AGC負荷調整存在矛盾

改進前調度下發AGC負荷指令至監控系統，監控系統完成有功功率的閉環調節，一旦負荷偏差超過設定死區就進行實時調節,保證實際負荷值與給定值的偏差在死區范圍內。一次調頻是調速器根據系統頻率偏差,通過調速器對導葉開度進行調節來實現負荷調整。當調速器因一次調頻動作對機組負荷進行調整時,導致監控系統出現負荷偏差,由于監控系統是閉環調節,會將一次調頻進行負荷調整后引起的與給定值的偏差重新調整過來,這樣就導致機組一次調頻功能失去作用。

5　改進措施

5.1采用調速器功率閉環直接調節模式

通過以上分析,在AGC調節系統中，如果能夠避開現地LCUPID運算模塊這個環節，將監控AGC分配的有功功率給定值直接傳送至調速器,由調速器依據一定的控制規律調節發電機組的有功功率,就能避免目前調節品質差的弱點，即監控系統只是根據AGC分配結果將有功設定值傳送給調速器，由調速器完成有功功率閉環調節，直接以有功功率給定與當前有功功率的偏差進行PID運算，實時作用于導葉接力器和槳葉接力器，能夠快速地將有功功率調整至有功功率目標值，保證了調節機組出力的速動性，減少了監控系統主動調節負荷這個中間環節，提高了功率調節的效率。

5.2調速器在功率模式下改進一次調頻算法

調速器在功率模式下，一次調頻動作量為：

5.3調速器在功率模式下一次調頻與AGC負荷調

整的配合

在實現了調速器的功率調節后,監控系統的功率閉環調節功能就能夠由調速器來完成,調速器功率目標值為監控有功功率給定與一次調頻動作量疊加而成，頻率偏離死區，實發功率為功率給定值與一次調頻動作量的疊加量，頻率回到死區內，實發功率恢復為監控系統上位機下發的給定功率，這樣避免了監控AGC負荷調整與一次調頻負荷調整的矛盾。

6　調速器功率模式改進效果

6.1 AGC調節品質良好

以1號機組為例，進行改造后，AGC調節速率在140MW/min以上，達到華中區域兩個細則規定的大于0.8/min要求，調節精度為1%左右，達到兩個細則規定的小于3%要求（表1，圖1～3）。

表1　銀盤水電站1號機組AGC調節試驗數據表

圖1　銀盤水電站1號機組70MW至100MW負荷調節示波圖

圖2　銀盤水電站1號機組100MW至70MW負荷調節示波圖

圖3　銀盤水電站1號機組100MW至140MW負荷調節示波圖

6.2一次調頻調節品質良好

6.2.1響應性能好

在50Hz基礎上，給調速器分別施加±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2 Hz的階躍頻率信號，每個信號持續60 s，以檢驗調速系統的響應行為。試驗結果表明：機組一次調頻負荷響應滯后時間平均為2.08 s,符合小于8 s的要求；機組一次調頻負荷響應穩定時間（負荷調整幅度達90%）平均為7.67 s，符合小于15 s的要求；機組一次調頻負荷完全響應時間平均為28.0 s，符合小于30 s的要求（表2，圖4～6）。

圖4　銀盤水電站1號機組上擾0.15Hz一次調頻響應示波圖

圖5　銀盤水電站1號機組下擾0.15 Hz一次調頻響應示波圖

圖6　銀盤水電站1號機組上擾0.2 Hz一次調頻響應示波圖

6.2.2一次調頻限幅滿足要求

表2　銀盤水電廠1號機組一次調頻試驗表

在50 Hz基礎上，給調速器分別施加±0.25Hz的階躍頻率信號，每個信號持續60 s，機組負荷變化值未超過±10%額定負荷（表3，圖7～8）。

表3　銀盤水電站1號機組一次調頻調整幅度試驗表

圖7　銀盤水電站1號機組上擾0.25 Hz一次調頻響應示波圖

圖8　銀盤水電站1號機組下擾0.25Hz一次調頻響應示波圖

6.3 AGC與一次調頻協調良好

機組帶負荷穩定運行，AGC投入，一次調頻功能投入。在施加的頻率擾動信號未回到一次調頻死區范圍內、同時監控系統未下發新的有功功率給定

待一次調頻調節穩定后，保持施加的頻率擾動信號不變，監控系統下發給定值不低5%額定有功的擾動量Δ，機組有功功率穩態值等于：

有功功率調節穩定后將頻率信號恢復至50 Hz

試驗數據表明銀盤水電站機組的一次調頻功能與AGC調節功能均能獨立完成各自調節任務，互不影響（表4，圖9～10）。

表4　銀盤水電廠1號機組一次調頻與AGC協調試驗表

圖9　銀盤水電站1號機組上擾0.18Hz一次調頻與AGC協調示波圖

圖10　銀盤水電站1號機組下擾0.18Hz一次調頻與AGC協調示波圖

7　結語

本文分析了目前兩個細則考核下常規水電機組AGC調節和一次調頻調節存在的問題,研究采用調速器功率調節模式,由調速器完成功率閉環調節，實現了調速器功率模式下的一次調頻功能，提高了AGC負荷調整品質，避免了AGC負荷調整與一次調頻負荷調整的矛盾問題，此改造方案在銀盤水電廠AGC調節系統中實施,獲得了滿意的效果。

參考文獻：

[1]魏守平，王雅軍，羅萍.數字式電液調速器的功率調節[J].水電自動化與大壩監測，2003:（4）20～21

[2]魏守平.水輪機調節[M].武漢：華中科技大學出版社，2009: 58-59.

中圖分類號：TP272

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0054-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.015

收稿日期：2014-08-28

作者簡介：唐亞波（1987-），男，工程師，從事大型水電廠電氣設備管理工作。