蓄能機組自動發電控制系統的關鍵技術研究與應用

梁 彥,馮凌云

(廣州蓄能水電廠,廣州 510950)

0 前 言

電站的自動電壓控制(簡稱AVC)就是以電站的無功/電壓為調節對象，以防止電網電壓震蕩、降低電網損耗、維護電網安全穩定運行為目標，合理地配置機組無功/電壓資源及進行無功/電壓的實時閉環控制[1-3]。蓄能電站與常規電站相比，蓄能機組啟動速度快，能快速地在5 min內達到所需要的工況；蓄能機組能調節電壓的工況多，在發電、抽水、發電調相、抽水調相等工況均能進行機組的電壓調節[4-5]。顯然，使用蓄能機組進行電壓調節，優勢顯著。因此，建立一套適合蓄能機組的AVC系統，實現其多機組、多工況的無功/電壓控制對于提高電網電壓的調節能力，具有重要的意義。

廣州蓄能水電站(以下簡稱廣蓄)B廠上位機監控系統于2016年初完成改造，其AVC系統同步投入運行。本文主要結合廣蓄電廠的成功運用經驗，研究其AVC系統的配置結構、控制策略、分配策略、安全策略等關鍵技術。

1 AVC系統配置結構

廣蓄B廠監控系統控制界面、拓撲結構如圖1、2所示。電廠監控系統AVC子站接收來自調度側AVC主站系統/電站側下發的全廠控制目標(電廠高壓母線電壓、全廠總無功等)，并按照控制策略、分配原則和安全策略等將無功/電壓調節指令分配給每臺機組，機組向其發電機的勵磁系統發送增減磁信號以調節其發電機無功出力，使電廠變高側母線電壓或者各機組無功出力向目標值逼進，形成電廠側AVC子站系統與調度主站系統的閉環控制，實現全廠多機組電壓/無功的自動控制[6]。

圖1 廣蓄B廠的AVC系統控制界面圖

圖2 AVC控制系統拓撲結構示意圖

2 AVC系統控制策略

電站側AVC系統響應調度層/電站層給出的控制指令(恒無功、恒母線電壓、電壓曲線)，根據與實際測量值的偏差計算得出電站控制目標值，然后通過分配原則分配給各AVC機組。

2.1 恒無功控制

根據調度層/電站層給定的全廠總無功直接控制參與AVC機組的無功目標值，具體的公式如下：

(1)

2.2 母線電壓控制和電壓曲線控制

根據調度層/電站層設置的母線電壓目標值或當前時段的電壓曲線值，與實發電壓值作比較，如果差值超過死區，則通過“電壓調差系數”計算出需要調節的無功值，進而設定可調機組的無功功率，使其維持母線電壓在“死區限值”范圍內。

(2)

式中：QACT為全廠無功實發值;ΔV為實際母線電壓與給定電壓值偏差/母線電壓增量;KVNOR為母線電壓在正常電壓值范圍內的調壓系數。

當母線電壓值出現突變或異常時，按緊急調壓系數進行調節。

(3)

式中：KVEMG為母線電壓在正常電壓值范圍外的調壓系數。

根據實際運行經驗和電網要求，蓄能機組AVC控制一般采用恒無功控制、母線電壓控制和電壓曲線控制3種方式并按需靈活切換，切換時設定值保持不變。如廣蓄B廠，其根據調度側控制方式的要求和機組的實際情況采用了母線電壓控制為主，恒無功控制為輔的控制方式。

3 AVC系統分配策略

蓄能機組在發電、抽水、發電調相、抽水調相4種工況均可以發出/吸收無功來調節電壓。但各工況的機組運行特性不同，其無功調節能力也不同，所以AVC分配時應充分考慮機組P-Q(有功-無功)曲線限制。

根據廣蓄機組進相-遲相實驗，機組的P-Q曲線如圖3所示。可以看出，調相工況(CG、CP)時，無功出力的范圍為-160～+80 Mvar；抽水工況時，無功出力的范圍為-45～+50 Mvar；發電工況時所對應的無功范圍為圖3的線性曲線值。顯然，調相工況下的無功調節能力要遠優于發電和抽水工況，因此無功功率的調節要優先考慮調相運行機組。

圖3 廣蓄B廠機組P-Q曲線圖

針對多機組、多工況運行狀態，如何將全廠無功AVC分配值在滿足機組P-Q限制的情況下合理分配給各機組呢？一般采用的分配算法有等功率因數原則、無功功率等比例原則、相似調整裕度、動態優化原則等，具體的分配邏輯如下。

(1) 等功率因數原則

(4)

(2) 無功功率等比例原則

(5)

(3) 相似調整裕度原則

(6)

(4) 動態優化原則

(7)

等功率因數原則側重于機組實際有功值和P-Q曲線，無功功率等比例原則側重于機組最大無功值，相似調整裕度側重于機組實際無功裕度，這3種分配方式算法簡單、響應速度快。動態優化原則則充分考慮機組整體的優化性能，整體性能最優，但算法復雜、響應速度較前3種稍慢。這4種分配方式都是經過多年運行檢驗的成熟、可行、可靠的分配原則，可根據電廠需求選用任一項。廣蓄電廠根據機組的性能和對響應速度的要求，采用的是無功功率等比例分配原則。

4 AVC系統安全策略

為確保電網和機組設備的安全穩定運行，預防AVC系統在通信故障、指令異常或測量異常等異常或突發情況，AVC系統必須充分考慮其安全策略。

4.1 AVC輸出閉鎖策略

當AVC子站檢測到主站下發的命令非法時(如主站下發的目標值越限(上下限、最多調節量)或控制方向與實際不符)，AVC系統應能閉鎖AVC輸出并保持原設定值。

4.2 AVC增磁/減磁閉鎖策略

當高壓母線電壓、廠用母線電壓、機組有功/無功功率超過閉鎖限值，或者定子電流/電壓、轉子電流超過最大限值時，AVC系統應能相應地閉鎖增磁/減磁控制[7]。

4.3 AVC自動退出策略

當無機組參加AVC、母線電壓測量值異常、系統電壓震蕩等情況時全站AVC自動退出，并給出告警信號；當機組無功不可調、機組LCU故障、機組勵磁裝置故障、機組無功測量品質差等情況時機組AVC自動退出，并給出告警信號。

5 結 語

廣蓄B廠新AVC系統經過長時間的靜態和動態試驗，并結合調度側要求和機組運行特性，遵循最優制的原則設計出合理的控制策略、分配策略和安全策略。經過1 a多的運行實踐，新系統的AVC在穩定性、響應時間、人機交互等方面都有很大的提高。因此，本文針對的AVC系統控制策略、分配策略和安全策略研究，對將來在建或改造的抽水蓄能電站AVC系統應用有著重要的借鑒作用。

參考文獻:

[1] 李偉,王士偉,周佳旭.自動電壓控制的關鍵技術淺析[J].東北電力技術,2015(03)：22-23.

[2] 郭曉平.自動電壓控制AVC系統的配置及控制策略[J].電力安全技術,2014(08)：18-20.

[3] 葉家瑋.電力系統無功電壓控制(AVC)探討[J].能源與節能,2014(03)：51-52.

[4] 趙潔,劉滌塵,雷慶生,杜治,王靜,周玲,黃涌.核電機組參與電網調峰及與抽水蓄能電站聯合運行研究[J].中國電機工程學報,2011(07)：1-6.

[5] 肖寧,朱振文.抽水蓄能電站的發展前景[J].水電與新能源,2011(01)：70-71.

[6] 李欽,汪皓,馮永青,周群,劉和森.中國南方電網自動電壓控制(AVC)技術規范:Q/CSG110008-2012[S].中國南方電網有限責任公司,2012: 11-23.

[7] 黃旭東.自動電壓控制系統在發電廠側的應用[J].浙江電力,2014(01)：43-46.