華東抽水蓄能電站側(cè)緊急支援系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用

項(xiàng) 捷，高伏英，周 毅，秦 俊

（1.原上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海市 200090；2. 國家電網(wǎng)華東電力調(diào)控分中心，上海市200120；3.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

華東抽水蓄能電站側(cè)緊急支援系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用

項(xiàng) 捷1，高伏英2，周 毅2，秦 俊3

（1.原上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海市 200090；2. 國家電網(wǎng)華東電力調(diào)控分中心，上海市200120；3.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

本文簡單說明了以抽水蓄能電站側(cè)負(fù)荷成組控制為基礎(chǔ)的緊急支援系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)思路、抽水蓄能電站在華東電網(wǎng)頻率控制體系中的作用以及抽水蓄能電站負(fù)荷成組控制的方式，并重點(diǎn)講述了電站緊急支援功能及故障安全設(shè)計(jì)。

抽水蓄能負(fù)荷成組控制；緊急支援；電網(wǎng)故障頻率恢復(fù)系統(tǒng)；故障安全

0 引言

華東電網(wǎng)是國內(nèi)輸送電量最大的電網(wǎng)，電網(wǎng)電源以火電為主，隨著國家節(jié)能減排政策的落實(shí)，域外大容量、遠(yuǎn)距離、特高壓輸送大功率電源改變?nèi)A東電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)。

清潔能源是國家可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢，作為承擔(dān)著長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快、經(jīng)濟(jì)總量規(guī)模最大、最活躍地區(qū)電力調(diào)控的華東電網(wǎng)，區(qū)域性停電將嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和民眾安全。電網(wǎng)在采用遠(yuǎn)方大容量清潔能源支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展、緩解環(huán)境壓力的同時(shí)，還承擔(dān)著保證電力可靠供應(yīng)和電網(wǎng)安全運(yùn)行重責(zé)。

抽水蓄能集發(fā)電和負(fù)荷特性于一身，其機(jī)組快速啟停特點(diǎn)和多工況運(yùn)行方式，賦予電網(wǎng)有功、無功雙向調(diào)控能力。利用抽水蓄能的特點(diǎn)，研究和制定相應(yīng)策略，與電網(wǎng)協(xié)同解決承載大規(guī)模清潔能源的安全運(yùn)行難題。

1 基本思路

以抽水蓄能負(fù)荷成組控制為基礎(chǔ)，以緊急事故支援附加值為故障頻率恢復(fù)的快速調(diào)控手段，綜合利用火電和抽水蓄能兩種不同能源的調(diào)節(jié)特性，研究開發(fā)電網(wǎng)智能控制策略，動(dòng)態(tài)地對(duì)電網(wǎng)大功率缺失進(jìn)行調(diào)控，確保電網(wǎng)故障恢復(fù)過程的平穩(wěn)和安全。

2 電站在華東電網(wǎng)頻率控制體系中的作用

正常方式下，電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)分一次調(diào)頻和二次調(diào)頻兩種，一次調(diào)頻是并網(wǎng)機(jī)組調(diào)速器對(duì)頻率變化自主調(diào)節(jié)控制，二次調(diào)頻是電網(wǎng)利用AGC指令對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)控制，恢復(fù)電網(wǎng)頻率的偏移。

一次調(diào)頻和二次調(diào)頻對(duì)電網(wǎng)頻率控制是協(xié)調(diào)互補(bǔ)的關(guān)系。由于一次調(diào)頻響應(yīng)是調(diào)速器對(duì)頻率的單方向、直接的響應(yīng)，調(diào)節(jié)是快速、開環(huán)有差的。而二次調(diào)頻是電網(wǎng)和并網(wǎng)機(jī)組共同承擔(dān)的，通過比較頻率和用電負(fù)荷，采用頻率閉環(huán)控制手段，實(shí)時(shí)計(jì)算調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷目標(biāo)，因此調(diào)節(jié)相對(duì)緩慢。

圖1 抽水蓄能電站一次調(diào)頻和二次調(diào)頻示意圖

華東網(wǎng)源協(xié)調(diào)頻率控制機(jī)理是：在頻率發(fā)生大偏差的初始階段，一次調(diào)頻作為電網(wǎng)調(diào)頻的前饋迅速發(fā)揮作用，緩解頻率偏差。考慮到火電和水電一次調(diào)頻頻率調(diào)節(jié)持續(xù)性上的差別，電網(wǎng)對(duì)一次調(diào)頻采用差異化控制，即：

（1）當(dāng)頻率波動(dòng)范圍超過0.033Hz，啟動(dòng)并網(wǎng)火電機(jī)組一次調(diào)頻，調(diào)節(jié)范圍是機(jī)組額定容量的6%。

（2）當(dāng)頻率波動(dòng)范圍超過0.05Hz，除了火電外，啟動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電的水電和抽水機(jī)組一次調(diào)頻，調(diào)節(jié)范圍是機(jī)組額定容量的10%。

鑒于電網(wǎng)AGC僅控制機(jī)組發(fā)電，而抽水蓄能機(jī)組兼具發(fā)電和抽水特性，設(shè)計(jì)為日調(diào)節(jié)電站。目前，華東電網(wǎng)抽水蓄能電站一般不參與由電網(wǎng)側(cè)AGC系統(tǒng)直接下發(fā)AGC指令而進(jìn)行負(fù)荷控制的模式，而是采用電站以成組控制模式運(yùn)行，且按電網(wǎng)側(cè)下發(fā)的96點(diǎn)電站負(fù)荷計(jì)劃曲線進(jìn)行控制調(diào)節(jié)模式參與電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷。

電站一次調(diào)頻與二次調(diào)頻的關(guān)系可見圖1。

3 電站負(fù)荷成組控制

一般意義上，抽水蓄能聯(lián)合控制是指以電站為基礎(chǔ)的負(fù)荷和電壓協(xié)同控制，負(fù)荷成組控制則是電站聯(lián)合控制的一個(gè)子系統(tǒng)，其將電站所有機(jī)組（如單機(jī)容量300MW）組合成一個(gè)被控單元（如4×300MW=1200MW）進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)和控制，不過與大容量發(fā)電機(jī)組連續(xù)調(diào)節(jié)不同的是，發(fā)電工況時(shí)該被控對(duì)象在涉及機(jī)組啟停時(shí)的調(diào)節(jié)是斷續(xù)的；而電動(dòng)工況時(shí)，電站轉(zhuǎn)變成一個(gè)大用電負(fù)荷，該負(fù)荷是無法調(diào)節(jié)的，只能按機(jī)組電動(dòng)容量逐個(gè)投入或切除。

負(fù)荷成組控制是電站負(fù)荷“自動(dòng)”控制方式，其要求被控機(jī)組處在“成組”模式，成組控制按機(jī)組模式來動(dòng)態(tài)計(jì)算電站成組的可控范圍和調(diào)節(jié)容量，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組啟停控制和負(fù)荷調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)組因故障跳閘時(shí)，該機(jī)組控制模式將自動(dòng)切換到“單機(jī)”模式。

電站負(fù)荷成組控制方式有：

（1）實(shí)時(shí)控制。分指令控制和AGC控制，指令控制即可應(yīng)用于發(fā)電也可應(yīng)用于抽水；而AGC控制僅局限于電站操作權(quán)限設(shè)置在“電網(wǎng)”側(cè)且發(fā)電工況有效狀況。

（2）計(jì)劃曲線控制。按照調(diào)度下發(fā)的日96點(diǎn)（15min/點(diǎn)）發(fā)電、電動(dòng)負(fù)荷計(jì)劃進(jìn)行控制，調(diào)度可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況，提前45min對(duì)未來計(jì)劃曲線進(jìn)行修改和下載更新的曲線。

4 電站緊急支援控制

華東抽水蓄能電站緊急支援是新研究開發(fā)的華東電網(wǎng)故障頻率恢復(fù)體系中電站側(cè)控制部分。緊急事故支援功能的設(shè)計(jì)是在原有電站成組控制計(jì)劃曲線功能模塊基礎(chǔ)上，采用電站按總計(jì)劃負(fù)荷指令疊加緊急支援附加值，并直接啟停機(jī)組方式來實(shí)現(xiàn)的。基本構(gòu)架可見圖2。

圖2 電站緊急支援框架示意圖

鑒于電網(wǎng)故障發(fā)生的隨機(jī)性，電站緊急支援的啟動(dòng)必須考慮電站可能運(yùn)行的各種工況（停機(jī)、發(fā)電、調(diào)相、抽水）、機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程，以及與電網(wǎng)信息交互的安全性、可靠性和實(shí)時(shí)性。

電站緊急支援功能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電站當(dāng)前和下一時(shí)刻可調(diào)容量的確定。作為電站與調(diào)度側(cè)故障頻率恢復(fù)控制系統(tǒng)之間交互的關(guān)鍵參數(shù)，上傳到調(diào)度側(cè)的電站可調(diào)容量（正整數(shù)）實(shí)時(shí)地反映了電站當(dāng)前的工況、運(yùn)行狀態(tài)及當(dāng)前和下一時(shí)刻點(diǎn)電站可支援的容量，是電網(wǎng)故障頻率恢復(fù)系統(tǒng)啟動(dòng)抽水蓄能遠(yuǎn)方緊急支援附加值計(jì)算分配以及電網(wǎng)故障頻率系統(tǒng)恢復(fù)退出后調(diào)控的依據(jù)。

電站可調(diào)容量的計(jì)算原則如下：

（1）發(fā)電工況（當(dāng)前）為成組運(yùn)行機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用及成組停機(jī)機(jī)組容量總和。

（2）發(fā)電工況（下一時(shí)刻）為電站總成組容量與下一時(shí)刻負(fù)荷計(jì)劃的差值。

（3）電動(dòng)工況（當(dāng)前）為成組運(yùn)行機(jī)組電動(dòng)容量。

（4）電動(dòng)工況（下一時(shí)刻）為下一時(shí)刻負(fù)荷計(jì)劃的電動(dòng)容量。

（5）調(diào)相工況（當(dāng)前）為零。

（6）調(diào)相工況（下一時(shí)刻）為下一時(shí)刻負(fù)荷計(jì)劃的電動(dòng)容量（若負(fù)荷計(jì)劃要求轉(zhuǎn)抽水）。

一旦電網(wǎng)故障頻率恢復(fù)系統(tǒng)啟動(dòng)，電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)根據(jù)抽水蓄能電站當(dāng)前可調(diào)容量計(jì)算和分配疊加的緊急支援附加值（正整數(shù)），要求電站緊急支援系統(tǒng)按下列原則控制：

（1）停機(jī)工況，即刻觸發(fā)機(jī)組發(fā)電流程，啟動(dòng)機(jī)組到發(fā)電工況。

（2）發(fā)電工況，即刻調(diào)用現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)備用，同時(shí)觸發(fā)成組停機(jī)機(jī)組的發(fā)電流程。

（3）電動(dòng)工況，即刻觸發(fā)水泵停機(jī)流程，釋放相應(yīng)的有功功率。

（4）調(diào)相工況，即刻閉鎖下一個(gè)計(jì)劃曲線點(diǎn)調(diào)相轉(zhuǎn)抽水的流程。

根據(jù)事先約定，電網(wǎng)故障頻率恢復(fù)系統(tǒng)在第二個(gè)計(jì)劃周期啟動(dòng)自動(dòng)退出控制，緊急支援附加值根據(jù)電站當(dāng)時(shí)工況，以不同的線性遞減方式，逐步將附加值降至零，使電站在一定的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到預(yù)定的計(jì)劃曲線控制方式。

5 故障安全設(shè)計(jì)

由于華東電網(wǎng)故障頻率恢復(fù)系統(tǒng)分跨電網(wǎng)和電站兩個(gè)不同的控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性尤為重要。按照故障安全的要求，電網(wǎng)和電站兩側(cè)自身的安全監(jiān)測和故障處理分別由各自系統(tǒng)模塊承擔(dān)。

對(duì)電站而言，一旦監(jiān)測到自身系統(tǒng)、設(shè)備以及與電網(wǎng)調(diào)度間的通信故障，將自動(dòng)終止緊急支援功能，保持先前運(yùn)行狀態(tài)并自動(dòng)切換到電站手動(dòng)控制方式，同時(shí)向上層發(fā)送故障告警信息。而電站或機(jī)組安全運(yùn)行限制、指令超限等應(yīng)在電站負(fù)荷成組控制中實(shí)施，并通過上傳電站當(dāng)前可調(diào)容量來限制電網(wǎng)的調(diào)節(jié)范圍。

6 結(jié)束語

華東電網(wǎng)故障頻率恢復(fù)系統(tǒng)在經(jīng)歷了電站側(cè)功能測試、故障安全測試、電網(wǎng)和單個(gè)電站的聯(lián)合功能測試、電網(wǎng)和多個(gè)電站的聯(lián)合測試及試運(yùn)行后，已經(jīng)在2015年迎峰度夏前正式投入運(yùn)行。

該系統(tǒng)啟動(dòng)門檻是電網(wǎng)頻率低于49.80Hz，10s內(nèi)未恢復(fù)至49.90Hz以內(nèi)，損失功率大于等于（4830MW+300MW）。可以預(yù)見，作為電網(wǎng)事故頻率調(diào)節(jié)手段之一的抽水蓄能，必將會(huì)在電網(wǎng)未來應(yīng)對(duì)外來直流大功率缺失中發(fā)揮重要的作用。

[1]汪德星，楊立兵.自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）技術(shù)在華東電力系統(tǒng)中的應(yīng)用.華東電力，2005.

[2]游光華，鄧?yán)?抽水蓄能機(jī)組在電網(wǎng)調(diào)頻中的實(shí)踐研究.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2014.

[3]周毅.華東電網(wǎng)動(dòng)態(tài)區(qū)域控制誤差應(yīng)用分析.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，34（8）：106-110.

項(xiàng) 捷（1957—），女，高級(jí)工程師，主要研究方向：電網(wǎng)及電站自動(dòng)化。E-mail：xiangjiesh@126.com

高伏英（1966—），女，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化運(yùn)行和管理工作。E-mail：13386056537@163.com

周 毅（1982—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理。E-mail：joryie@163.com

秦 俊（1977—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：電站自動(dòng)化。E-mail：dsy_qinj@163.com

The Implementation and Application of the Emergency Power Support Control of East China Pumped Storage Power Station

XIANG Jie1，GAO Fuying2，ZHOU Yi2，QIN Jun3
（1.The Electric Science and Research Institute of Shanghai Electric Power Company，Shanghai 200090，China；2.State Grid East China Electric Power Dispatch center，Shanghai 200120，China；3.Technology Center state grid Xinyuan Company Ltd.，Beijing 100161，China）

This paper briefly describes the basic design idea of emergency power support control on the pumped storage power station load group control system，the way of load group control and the role played in frequency control system of East China power grid，also introduced the function of emergency power support control and system fault secure.

load group control；emergency power support control；frequency recovery system during grid；fault secure