水電廠AGC控制系統(tǒng)性能分析及其優(yōu)化應(yīng)用

倪宏偉，盛鍇，李正家

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.重慶大唐國(guó)際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶409600)

水電廠AGC控制系統(tǒng)性能分析及其優(yōu)化應(yīng)用

倪宏偉1，盛鍇1，李正家2

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.重慶大唐國(guó)際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶409600)

文章分析了某水電廠AGC存在的問題，提出了AGC優(yōu)化改造的方案，通過增加調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模式，優(yōu)化PID控制參數(shù)，優(yōu)化AGC與一次調(diào)頻相互配合關(guān)系，合理劃分振動(dòng)區(qū)域以達(dá)到優(yōu)化目的。實(shí)際AGC變負(fù)荷試驗(yàn)的結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后機(jī)組AGC性能得到明顯改善，能夠滿足調(diào)度的要求。

兩個(gè)細(xì)則；水電機(jī)組；AGC；控制系統(tǒng)；一次調(diào)頻

自動(dòng)發(fā)電控制(Auto Generation Control，簡(jiǎn)稱“AGC”)是并網(wǎng)發(fā)電廠提供的有償輔助服務(wù)之一，發(fā)電機(jī)組在規(guī)定的出力范圍內(nèi)，跟蹤電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)的指令，按照一定速率實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)組出力，以滿足電網(wǎng)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率控制的要求。AGC著重解決電力系統(tǒng)在運(yùn)行中的頻率調(diào)節(jié)和負(fù)荷分配，以及與相鄰電力系統(tǒng)間按計(jì)劃進(jìn)行功率交換，AGC和一次調(diào)頻是通過調(diào)整運(yùn)行機(jī)組出力來保證電網(wǎng)供電頻率在允許范圍內(nèi)的重要技術(shù)手段。

某水電廠安裝5臺(tái)單機(jī)容量350 MW的大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)采用南瑞公司的SSJ－3000型水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，AGC組態(tài)在監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)，包括負(fù)荷分配、振動(dòng)區(qū)和水頭信號(hào)的設(shè)置等。隨著華中電網(wǎng)《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》和《華中區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱“兩個(gè)細(xì)則”)的頒布與實(shí)施〔1〕，電網(wǎng)調(diào)度嚴(yán)格按照“兩個(gè)細(xì)則”的要求對(duì)水電機(jī)組AGC性能進(jìn)行考核，“兩個(gè)細(xì)則”對(duì)水電機(jī)組AGC性能考核標(biāo)準(zhǔn)見表1。通過對(duì)電網(wǎng)調(diào)度AGC系統(tǒng)中有關(guān)該水電廠AGC考核數(shù)據(jù)的分析，該廠AGC的平均調(diào)節(jié)速率在110 MW/min左右，平均調(diào)節(jié)精度為0.016 Pe，可見該廠AGC主要是調(diào)節(jié)速率不能達(dá)到細(xì)則的要求(V≥280 MW/min)。

表1 AGC各項(xiàng)指標(biāo)的考核標(biāo)準(zhǔn)

1 水電廠AGC問題分析

通過廣泛調(diào)研、分析現(xiàn)有水電廠AGC投運(yùn)情況，存在的主要問題有:

1)調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單:影響調(diào)節(jié)性能水電廠的負(fù)荷調(diào)節(jié)方式多采用監(jiān)控大閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)速器為開度模式運(yùn)行。即由監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)將AGC負(fù)荷分配指令下達(dá)到機(jī)組LCU，由機(jī)組LCU向調(diào)速器發(fā)出“增”、“減”脈沖〔2〕，調(diào)速器按調(diào)節(jié)脈沖來控制導(dǎo)葉開度從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)整。該方式下指令經(jīng)過多道轉(zhuǎn)換、脈沖調(diào)節(jié)的精度控制非常有限，其調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度均不理想。

2)振動(dòng)區(qū)域設(shè)置不合理:在AGC的控制策略中，一般都有避開振動(dòng)區(qū)的設(shè)置，但多數(shù)水電廠存在振動(dòng)區(qū)域劃分不準(zhǔn)、振動(dòng)區(qū)設(shè)置單一的問題。AGC負(fù)荷指令的頻繁變化，使得機(jī)組經(jīng)常穿越或停留在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性受到影響〔3〕。

3)一次調(diào)頻對(duì)AGC調(diào)節(jié)性能的影響:AGC要求機(jī)組出力實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)度下發(fā)的功率給定值，而一次調(diào)頻則要求機(jī)組出力能及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。由于調(diào)度自動(dòng)化的原因，二者的要求有時(shí)會(huì)存在矛盾〔4〕。水電廠無論是采用一次調(diào)頻優(yōu)先(即一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)閉鎖AGC指令的方式)，還是采用AGC優(yōu)先(即AGC調(diào)節(jié)期間閉鎖機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作的方式)，都存在問題。

4)調(diào)節(jié)頻繁和反調(diào)效應(yīng):導(dǎo)致難以滿足小負(fù)荷調(diào)節(jié)的速度要求水電廠在AGC方式下負(fù)荷調(diào)節(jié)十分頻繁〔5〕，經(jīng)常遇到增負(fù)荷還沒有調(diào)整到位，就接受到減負(fù)荷指令，使機(jī)組長(zhǎng)期在加、減負(fù)荷之間來回調(diào)節(jié)。由于加上水電機(jī)組本身的反調(diào)效應(yīng)、AGC指令的通訊延時(shí)等因素，大型水電機(jī)組在面對(duì)20～40 MW這樣的小負(fù)荷指令調(diào)整時(shí)，很難達(dá)到細(xì)則要求的調(diào)節(jié)速率。

2 AGC性能優(yōu)化改進(jìn)及實(shí)施效果

針對(duì)上述存在的問題，選擇該廠1號(hào)機(jī)組作為優(yōu)化對(duì)象，以改善其AGC投運(yùn)效果。

2.1 主要優(yōu)化措施

2.1.1 增加調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模式，并對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

在調(diào)速器側(cè)增加功率調(diào)節(jié)模式，調(diào)速器接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的4～20 mA有功功率設(shè)定值，通過PID環(huán)節(jié)將機(jī)組負(fù)荷快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到設(shè)定值死區(qū)范圍內(nèi)(死區(qū)設(shè)置為10 MW)。保留原開度模式，原開度模式調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)方式保持不變，在監(jiān)控系統(tǒng)增加調(diào)節(jié)方式選擇功能，運(yùn)行人員可根據(jù)需要選擇調(diào)節(jié)模式為開度調(diào)節(jié)或功率調(diào)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)選擇的調(diào)節(jié)方式發(fā)相應(yīng)控制信號(hào)至調(diào)速器，調(diào)速器根據(jù)監(jiān)控命令在功率調(diào)節(jié)模式和開度調(diào)節(jié)模式間進(jìn)行切換。為此增加以下信號(hào):

1)在監(jiān)控LCU增加1個(gè)保持型開關(guān)輸出信號(hào)，定義為:投調(diào)速器功率調(diào)節(jié)(測(cè)值為“1”)、投調(diào)速器開度調(diào)節(jié)(測(cè)值為“0”)。用于控制選擇調(diào)速器的調(diào)節(jié)方式，接入調(diào)速器相應(yīng)開入點(diǎn)。

2)在監(jiān)控LCU增加2個(gè)開關(guān)輸入信號(hào):調(diào)速器在功率調(diào)節(jié)模式、調(diào)速器在開度調(diào)節(jié)模式。2個(gè)信號(hào)接收由調(diào)速器送至監(jiān)控的狀態(tài)信號(hào)，用于顯示和判斷當(dāng)前調(diào)速器的實(shí)際調(diào)節(jié)模式。

3)在監(jiān)控LCU增加1個(gè)4～20 mA模擬輸出信號(hào):機(jī)組有功設(shè)定值，該信號(hào)用于調(diào)速器系統(tǒng)功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，輸出至調(diào)速器系統(tǒng)相應(yīng)模擬量輸入點(diǎn)。

4)在監(jiān)控LCU增加1個(gè)4～20 mA模擬輸入信號(hào)，定義為:調(diào)速器有功設(shè)定值反饋，該信號(hào)接收調(diào)速器反饋的有功設(shè)定值信號(hào)，用于判斷調(diào)速器實(shí)際有功設(shè)定值與監(jiān)控AGC有功設(shè)定值是否一致。

為減少水電機(jī)組固有的反調(diào)效應(yīng)影響，調(diào)速器功率回路采用三段式調(diào)節(jié)。初始階段的調(diào)節(jié)作用較弱，以減少反調(diào)的影響；中間階段的調(diào)節(jié)作用較強(qiáng)，以提高負(fù)荷響應(yīng)的速度；結(jié)尾階段的調(diào)節(jié)速度減弱，以提高調(diào)節(jié)的精度。

2.1.2 優(yōu)化AGC與一次調(diào)頻相互配合

調(diào)速器功率模式下，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，機(jī)組功率目標(biāo)值為AGC給定值與一次調(diào)頻量相疊加。頻率回到死區(qū)時(shí)，響應(yīng)AGC的指令變化，功率目標(biāo)值為上位機(jī)下發(fā)的功率給定。

2.1.3 振動(dòng)區(qū)域劃分

根據(jù)不同水頭下機(jī)組振動(dòng)區(qū)域的劃分，對(duì)監(jiān)控上位機(jī)中的AGC避振程序進(jìn)行優(yōu)化。在AGC組態(tài)中填寫好水頭參數(shù)和水頭對(duì)有功的限制及振動(dòng)區(qū)等參數(shù)。

2.2 AGC性能優(yōu)化效果驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的機(jī)組進(jìn)行AGC變負(fù)荷試驗(yàn)以驗(yàn)證優(yōu)化效果，圖1是機(jī)組AGC變負(fù)荷試驗(yàn)曲線。

由圖1對(duì)AGC變負(fù)荷過程的調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度進(jìn)行計(jì)算。AGC調(diào)節(jié)速率V的計(jì)算公式為

V＝｜ΔP/ΔT｜(1)

式中 ΔP為調(diào)節(jié)過程中負(fù)荷的變化幅度，ΔT為調(diào)節(jié)時(shí)間。

圖1 AGC變負(fù)荷試驗(yàn)曲線

AGC調(diào)節(jié)精度e的計(jì)算公式為

式中 z為AGC目標(biāo)指令；p為實(shí)際負(fù)荷；Pn為機(jī)組額定負(fù)荷；t2為調(diào)節(jié)結(jié)束時(shí)間；T0為精度統(tǒng)計(jì)計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)單的算法就是取調(diào)節(jié)過程最后幾個(gè)采樣點(diǎn)的平均值(取T0＝5 s)。計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)組AGC調(diào)節(jié)速度V為5.0 MW/s，調(diào)節(jié)精度為7.8 MW(“兩個(gè)細(xì)則”要求速率V≥4.6 MW/s，e≤10.5 MW)。由此可見，經(jīng)優(yōu)化后的機(jī)組AGC性能可以滿足“兩個(gè)細(xì)則”的考核要求，從而驗(yàn)證了優(yōu)化措施的可行性和有效性。

3 結(jié)語

本文根據(jù)華中電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”中對(duì)于水電廠AGC的要求，結(jié)合某電廠AGC運(yùn)行的實(shí)際情況，提出了一套機(jī)組AGC優(yōu)化改進(jìn)方法。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行，表明優(yōu)化改造的效果良好，對(duì)于同類型水電機(jī)組具有一定的借鑒作用。對(duì)于提高水電機(jī)組AGC性能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)源之間的智能自動(dòng)化控制，對(duì)網(wǎng)源協(xié)調(diào)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。目前，電網(wǎng)公司的AGC運(yùn)行管理還處在探索和發(fā)展之中。電廠應(yīng)在保證機(jī)組安全的前提下，盡量提高AGC服務(wù)水平。

1)電廠要進(jìn)一步加強(qiáng)調(diào)速器功率回路的參數(shù)優(yōu)化，以適應(yīng)不同水頭下機(jī)組AGC的調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度要求。

2)電廠AGC的分配策略應(yīng)與電網(wǎng)調(diào)度充分交流，在保證機(jī)組安全運(yùn)行同時(shí)，滿足調(diào)度的要求，達(dá)到AGC分配策略的最優(yōu)方式。

3)電廠要加強(qiáng)日常機(jī)組監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)因一次調(diào)頻動(dòng)作引起AGC調(diào)節(jié)過慢時(shí)要及時(shí)記錄，爭(zhēng)取調(diào)度對(duì)該情況免于考核。

4)針對(duì)小負(fù)荷變化、AGC指令短時(shí)間來回變化的情況，建議電廠與市調(diào)進(jìn)行溝通，對(duì)于短時(shí)間(幾十秒內(nèi))內(nèi)朝同方向的變負(fù)荷指令盡量一次下達(dá)到位，否則會(huì)影響電廠的AGC考核速率。

〔1〕國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)華中監(jiān)管局.華中區(qū)域電網(wǎng)兩個(gè)《細(xì)則》2011版〔S〕.2011.

〔2〕滕毅.關(guān)于水電廠AGC合格率的探討〔J〕.中國(guó)科技博覽，2012(34):354-355.

〔3〕陳宏.水電廠機(jī)組AGC運(yùn)行相關(guān)問題分析〔J〕.湖南電力，2013，33(3):37-39.

〔4〕何里，孟佐宏.水電機(jī)組一次調(diào)頻功能關(guān)鍵問題的分析與探討〔J〕.湖南電力，2011，31(2):1-5.

〔5〕田建華，錢建兵.中小水電廠AGC應(yīng)用中的問題〔J〕.云南電力技術(shù)，2010(1):50-52.

Performance analysis and optimized application of AGC for hydroelectric plant

NI Hongwei1，SHENG Kai1，LI Zhengjia2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Chongqing Datang International Pengshui Hydropower Development Company，Chongqing 409600，China)

In this paper，the existing problems of AGC in a hydropower company are analyzed，and the method of AGC optimization is proposed.The optimization objective is achieved by increasing the power regulation mode of the governor，optimizing the PID parameters and the relationship between the AGC and primary frequency modulation，the reasonable division of the vibration region.The results of the actual AGC(auto generation control)load test show that the optimized AGC performance has been improved obviously，which can meet the requirements of the“two rules”.

two rules；hydropower generating unit；AGC；control system；primary frequency regulation

TM761.2

B

1008-0198(2016)01-0043-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.012

2015-08-10

倪宏偉(1978)，湖南湘潭人，高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，從事水電廠熱工技術(shù)監(jiān)督和調(diào)試工作。