提高水电机组AGC与一次调频调节性能的关键技术问题探究与改进

唐亚波（重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 408506）

提高水电机组AGC与一次调频调节性能的关键技术问题探究与改进

唐亚波
（重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 408506）

摘要：分析了常规水电机组AGC调节和一次调频调节中的不足,提出了一种新的调节方式,并在银盘水电厂调速器中加以运用。实践表明改进调节方式后,水电厂AGC调节性能和一次调频调节性能有较大提高，满足了两个细则考核要求。

关键词：水电厂；两个细则；调速器；功率模式

1　前言

目前电网为了提高供电质量，分别制定了《××区域发电厂并网运行管理实施细则》和《××区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》（其中的××代表区域，如“华北”、“东北”），简称“两个细则”。其中对AGC和一次调频的投入率、调节指标的考核标准进行了严格的规定。在两个细则要求下，大部分水电厂的AGC调节性能和一次调频性能跟两个细则中规定的要求尚有较大的差距，尤其是华中电网对水电厂AGC负荷调节速率达到了80%PN/min，调节精度小于3%，对一次调频的转速死区、响应时间、稳定时间和速度变动率都有明确的规定。

银盘水电厂地处重庆市武隆县，是乌江干流水电开发规划的第十一个梯级，安装4台150MW轴流转桨式水轮发电机组，电厂AGC功能于2013年10月正式投运参与重庆电网调节，在运行过程中AGC调节性能和一次调频调节性能达不到华中电网两个细则的要求，受到调度考核，影响了电厂效益。故对两个细则要求下AGC与一次调频调节方法进行研究，并成功在1～4号机组中应用，满足了华中电网两个细则的要求。

2　常规水电机组AGC调节原理

AGC调节系统分为三层，一是调度层，二是监控层，三是调速器层。调度层负责下发全厂有功功率给定值至监控层。监控层由上位机(AGC程序)和下位机(机组LCU)构成，上位机AGC程序接收调度下发的全厂有功设定值，并根据当前全厂每台机组的振动区以及当前水头等信息将当前有功功率给定值合理分配到各台机组LCU。机组LCU将上位机下发的有功功率给定值和实发值进行PID运算，在每一个PID运算周期，输出逐步递减的脉宽信号，驱动相应的增、减有功继电器同步动作及复归。增、减有功这2个继电器，采用硬接线的方式将继电器输出接点传至调速器，调速器工作在开度模式，根据继电器节点信号对机组导叶开度、桨叶开度进行调节，继而达到调节机组有功功率的目的。

3　常规水电机组一次调频原理

目前大部分水电机组调速器工作在开度模式，根据频差换算成导叶开度，以导叶开度偏差作为调整目标值进行调节。

4　常规水电机组AGC与一次调频调节存在的问题及原因分析

4.1 AGC负荷调节品质差

改进前整个AGC调节系统由监控接收调度下发的有功功率给定值，并在上位机进行AGC运算后，将有功功率给定值分配到每台机组的现地LCU中，在现地LCU PID运算模块进行有功功率闭环控制后输出调节脉冲至调速器，调速器工作在开度模式，按调节脉冲控制导叶开度和桨叶开度（轴流转桨式机组需要同时调整桨叶开度）。由此可见，整个AGC调节系统的结构是监控AGC分配-现地LCU有功PID控制-调速器脉冲调节的结构形式，这样在整个AGC调节环节多了一个现地LCU有功PID控制这一中间环节，导致有功功率的调节滞后于有功功率的变化，因为对于调速器来说实际上已成为一个随动系统,当调速器工作在开度模式，只负责接收监控输出的调节脉冲，将调节脉冲换算成开度给定，对机组导叶开度和桨叶开度进行调整，而不管机组有功功率如何变化，调速器对于有功功率调节来说是一个开环环节，这样往往会导致调速器调节机组出力时很容易造成超调，再加上机组有功功率的变化本身就滞后于水轮机导叶开度的变化[1],而等监控现地LCU PID模块反应过来再进行调节时，指令已经滞后于有功功率的变化了，所以AGC调节精度难以保证。

4.2一次调频调节性能差

电网对一次调频的考核目标值是有功功率，而调速器工作在开度模式，在一次调频动作后，调速器根据频差换算成导叶开度，以导叶开度作为目标值进行调节，由于导叶开度和有功功率存在非线性，且在不同的水头下,同一导叶开度对应的有功功率变化值也不同[2]，所以调速器工作在开度模式下的一次调频调节性能，往往难以满足电网考核要求。

4.3一次调频与AGC负荷调整存在矛盾

改进前调度下发AGC负荷指令至监控系统，监控系统完成有功功率的闭环调节，一旦负荷偏差超过设定死区就进行实时调节,保证实际负荷值与给定值的偏差在死区范围内。一次调频是调速器根据系统频率偏差,通过调速器对导叶开度进行调节来实现负荷调整。当调速器因一次调频动作对机组负荷进行调整时,导致监控系统出现负荷偏差,由于监控系统是闭环调节,会将一次调频进行负荷调整后引起的与给定值的偏差重新调整过来,这样就导致机组一次调频功能失去作用。

5　改进措施

5.1采用调速器功率闭环直接调节模式

通过以上分析,在AGC调节系统中，如果能够避开现地LCUPID运算模块这个环节，将监控AGC分配的有功功率给定值直接传送至调速器,由调速器依据一定的控制规律调节发电机组的有功功率,就能避免目前调节品质差的弱点，即监控系统只是根据AGC分配结果将有功设定值传送给调速器，由调速器完成有功功率闭环调节，直接以有功功率给定与当前有功功率的偏差进行PID运算，实时作用于导叶接力器和桨叶接力器，能够快速地将有功功率调整至有功功率目标值，保证了调节机组出力的速动性，减少了监控系统主动调节负荷这个中间环节，提高了功率调节的效率。

5.2调速器在功率模式下改进一次调频算法

调速器在功率模式下，一次调频动作量为：

5.3调速器在功率模式下一次调频与AGC负荷调

整的配合

在实现了调速器的功率调节后,监控系统的功率闭环调节功能就能够由调速器来完成,调速器功率目标值为监控有功功率给定与一次调频动作量叠加而成，频率偏离死区，实发功率为功率给定值与一次调频动作量的叠加量，频率回到死区内，实发功率恢复为监控系统上位机下发的给定功率，这样避免了监控AGC负荷调整与一次调频负荷调整的矛盾。

6　调速器功率模式改进效果

6.1 AGC调节品质良好

以1号机组为例，进行改造后，AGC调节速率在140MW/min以上，达到华中区域两个细则规定的大于0.8/min要求，调节精度为1%左右，达到两个细则规定的小于3%要求（表1，图1～3）。

表1　银盘水电站1号机组AGC调节试验数据表

图1　银盘水电站1号机组70MW至100MW负荷调节示波图

图2　银盘水电站1号机组100MW至70MW负荷调节示波图

图3　银盘水电站1号机组100MW至140MW负荷调节示波图

6.2一次调频调节品质良好

6.2.1响应性能好

在50Hz基础上，给调速器分别施加±0.1Hz、±0.15Hz、±0.2 Hz的阶跃频率信号，每个信号持续60 s，以检验调速系统的响应行为。试验结果表明：机组一次调频负荷响应滞后时间平均为2.08 s,符合小于8 s的要求；机组一次调频负荷响应稳定时间（负荷调整幅度达90%）平均为7.67 s，符合小于15 s的要求；机组一次调频负荷完全响应时间平均为28.0 s，符合小于30 s的要求（表2，图4～6）。

图4　银盘水电站1号机组上扰0.15Hz一次调频响应示波图

图5　银盘水电站1号机组下扰0.15 Hz一次调频响应示波图

图6　银盘水电站1号机组上扰0.2 Hz一次调频响应示波图

6.2.2一次调频限幅满足要求

表2　银盘水电厂1号机组一次调频试验表

在50 Hz基础上，给调速器分别施加±0.25Hz的阶跃频率信号，每个信号持续60 s，机组负荷变化值未超过±10%额定负荷（表3，图7～8）。

表3　银盘水电站1号机组一次调频调整幅度试验表

图7　银盘水电站1号机组上扰0.25 Hz一次调频响应示波图

图8　银盘水电站1号机组下扰0.25Hz一次调频响应示波图

6.3 AGC与一次调频协调良好

机组带负荷稳定运行，AGC投入，一次调频功能投入。在施加的频率扰动信号未回到一次调频死区范围内、同时监控系统未下发新的有功功率给定

待一次调频调节稳定后，保持施加的频率扰动信号不变，监控系统下发给定值不低5%额定有功的扰动量Δ，机组有功功率稳态值等于：

有功功率调节稳定后将频率信号恢复至50 Hz

试验数据表明银盘水电站机组的一次调频功能与AGC调节功能均能独立完成各自调节任务，互不影响（表4，图9～10）。

表4　银盘水电厂1号机组一次调频与AGC协调试验表

图9　银盘水电站1号机组上扰0.18Hz一次调频与AGC协调示波图

图10　银盘水电站1号机组下扰0.18Hz一次调频与AGC协调示波图

7　结语

本文分析了目前两个细则考核下常规水电机组AGC调节和一次调频调节存在的问题,研究采用调速器功率调节模式,由调速器完成功率闭环调节，实现了调速器功率模式下的一次调频功能，提高了AGC负荷调整品质，避免了AGC负荷调整与一次调频负荷调整的矛盾问题，此改造方案在银盘水电厂AGC调节系统中实施,获得了满意的效果。

参考文献：

[1]魏守平，王雅军，罗萍.数字式电液调速器的功率调节[J].水电自动化与大坝监测，2003:（4）20～21

[2]魏守平.水轮机调节[M].武汉：华中科技大学出版社，2009: 58-59.

中图分类号：TP272

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）02-0054-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.015

收稿日期：2014-08-28

作者简介：唐亚波（1987-），男，工程师，从事大型水电厂电气设备管理工作。