巨型水轮机组自动电压控制（AVC）调节性能提升的分析

彭维新 ，秦会会，李勋城，杜守春，柴文婷，赵文秀，武学源

（1.国家电投黄河水电公司拉西瓦电厂，青海 海南州 811700；2.西安五常电力技术有限公司，陕西 西安 710000）

1 AVC控制原理

AVC，即调度侧在保证系统安全稳定的前提下，依据系统有功输送最经济的电压下发遥调指令，厂站侧AVC 子站根据指令动态调节发电机无功，实现母线电压逐次逼近电压目标值，稳定系统电压。调度侧AVC 通过SCADA 系统采集厂站侧母线电压数据，根据系统潮流和功角稳定计算系统电压，给电厂侧下发母线电压增减量；厂站侧AVC在现实际运行母线电压基础上叠加调度侧下发的电压增减量作为一个周期（5 min）的厂站侧母线电压目标值，然后厂站侧AVC 按照控制策略，通过计算将电压增减量转化为厂站所需的无功增减量，分配无功到各台运行机组进行无功调节，使电厂母线电压达到控制目标值。这就需要厂站侧AVC 不断地进行目标电压值与实际运行电压值的比较和电压偏差与无功增减量的转换，通过调节无功来达到改变电压的目的，进而维持母线电压在目标电压值的±0.1 kV范围内，AVC控制原理如图1所示。

图1 AVC控制原理

图1 中，Us是母线电压，取自电厂母线电压变送器；Qg是机组无功，取自电厂机组无功功率变送器。调度侧AVC 主站下发当前时段下的母线电压增减量ΔUs，电厂侧AVC 接收到ΔUs后进行计算，将计算所得的各台机组应发的无功Qg发送到各台机组的现地LCU控制单元，通过PID计算以脉冲形式对励磁系统进行增减磁控制，改变励磁系统AVR给定值，实现对机组无功的控制，进而改变母线电压。电厂侧AVC 在接收到调度侧下发的母线电压增量ΔUs后，进行的无功负荷计算式为

式中，QAVC为全厂AVC 无功功率分配值；QACT为全厂当前实发无功功率；ΔUs为调度侧主站下发母线电压增减量；KV为母线电压调压系数；Q-A----V--C-为不参加AVC机组所发无功之和。

2 影响电厂侧AVC性能的主要因素

2.1 PSS反调对母线电压的影响

电力系统暂态稳定性是指电力系统受到大扰动后各同步发电机保持并过渡到新的运行状态或恢复到初始状态的能力［1-2］。目前，大中型机组励磁系统都加装PSS 以改善系统阻尼，但PSS 的无功反调现象会引起厂站侧AVC重新分配无功。

作为系统第一调频的巨型水电机组，其有功调节更频繁，其中投入了AGC 的机组，在大幅跨越振动区时，有功调节步长很大，无功反调会引起全厂机组无功重新分配和调节，造成母线电压波动，迫使AVC做出响应，维持母线电压稳定。

励磁调节器的控制方式采用的是PID 和PSS方式。对PSS 进行反调试验：当PSS 投入，P=580 MW、Q=35 Mvar 时，以最快的速度增加90 MW 有功出力。试验结果表明：在有功功率变化过程中，无功功率变化不大，基本无反调现象，所以该励磁系统PSS 反调对母线电压波动影响较小，试验录波如图2所示。

图2 PSS反调试验录波

2.2 调差对母线电压影响

目前，在广泛采用的大容量单元式接线的发变组中，励磁控制器中的负调差被用于补偿主变过高的短路阻抗，加快高压母线的电压响应速率，提高系统电压稳定性。在励磁调节器自动方式下，为保证多台并联运行的发电机组之间的无功功率合理分配或补偿单元制接线主变压器的电压降，励磁调节器附加无功调差功能。机组励磁系统采用负调差，减小了机组与系统之间的联系电抗，提高了高压母线对系统电压的支撑能力［3］。

调差系数即为发电机电压调差特性的斜率δ，表示补偿后的机端电压随每单位无功的变化量。由图3 可见，对于通过升压变并列运行的机组，为补偿主变电抗压降的影响，应提供发电机端负的调差系数，使并列点的调差率仍满足要求。

图3 发电机调差特性曲线

以采用机组联合单元接线方式（即一机一变，两台机组主变在高压侧联合并网）的巨型水轮机组为例，主变短路阻抗是14.57%，原机组励磁系统调差系数为0，后机组励磁系统调差系数调整为-4%，机组并列点总的调差率为10.57%。若系统电压升高，则表明系统无功过剩，此时发电机发出的无功减少，因励磁负的调差作用于降低发电机电压，这样就使发电机发出的无功进一步减少，进一步抑制了系统电压的升高。相反，如果发生系统电压降低，负的励磁调差功能进一步提升发电机电压，多发出无功，抑制母线电压降低。励磁系统调差参数优化后，能够充分发挥发电机对电网的无功电压调节能力，无功负荷分配更加合理，发电机无功功率调节幅值范围变大，系统电压波动范围幅值变小，改善了系统的电压水平［4］。

2.3 注入式定子接地保护对励磁系统AVR控制和无功闭环调节的影响

2.3.1 注入式定子接地保护对机端电压的影响

随着电力系统发电机单元容量的增大，发电机定子绕组对地电容也有所增加，从国外引进的大型发电机中心点大多采用变压器电阻接地方式。采用这种中心点接地方式的机组装设定子接地保护［5］，并且有国内三峡水电工程使用西门子公司的7UM62 型外加低频交流电源型（100%）定子绕组接地保护的例子，为其他巨型水轮机组提供了成熟的运行经验。20 Hz 低频电流电源型定子绕组单相接地保护能在机组开停机工况下都起到100%范围内无死区监测发电机定子接地故障，同时也能反映定子绕组绝缘情况，起到对绝缘老化监视的作用。但是，20 Hz 低频电流电源型定子绕组单相接地保护装置通过配电变压器会在机端产生电压幅值为发电机额定相电压3%的低频正弦波电压。注入式定子接地保护原理如图4所示，从发电机中性点注入一个频率为20 Hz 的电压。

图4 注入式定子接地保护原理

20 Hz注入式定子接地保护近似等效电路如图5所示。

图5 20 Hz注入式定子接地保护近似等效电路

图5中，RB为交流滤波器的电阻，电阻值为8 Ω；RL为负载内阻，电阻值为1 Ω，U20Hz为20 Hz 发生器的电压，电压有效幅值为25 V；URL为20 Hz发生器在配电变压器二次侧产生的电压；U'g(20 Hz)为20 Hz发生器在配电变压器一次侧（机端）产生的相电压。

设K为配电变压器，变比为，那么20 Hz发生器在配电变压器二次侧产生的电压为

20 Hz发生器通过配电变压器在一次侧也就是机端产生的相电压为

2.3.2 注入式定子接地保护对母线电压测量计算和励磁系统AVR控制的影响

对于主变压器（励磁变压器同理），采用Ynd-11接线方式，如图6所示。

图6 主变压器（励磁变）接线方式

由于是从发电机中性点注入的对地电压，因此，发电机三相对地电压都叠加了U20Hz电压，即U20Hz电压是零序性质的正弦波电压，同时主变压器低压绕组是三角形接线，低压绕组上的相电压为线电压，以A 相为例，高压侧相电压uA为uA=n⋅(ua-uc)，低压侧相电压（线电压）uac为uac=(ua-uc)=0，U20Hz电压在低压侧三角形接线中被抵消，所以主变压器侧高压绕组中不反映20 Hz 频率的电压量，对母线电压的测量计算基本无影响。同理，励磁变压器低压侧绕组中不反映20 Hz 频率电压量，那么也不会影响励磁系统AVR调节控制。

2.3.3 注入式定子接地保护对机组无功闭环调节的影响

无功移相测量法在一个周期内对三相电压、三相电流均匀采样，以基波周期为基准，整周期采样64点为例（因厂家生产的设备不同而不同），将当前电压采样值乘以滞后16点（移相90度）的电流采样值，得到瞬时无功功率值，整周波64 个瞬时功率做积分运算得到一个周期内的平均无功功率，即

式中，j代表第j个采样点；N代表一个周期的采样点数，N/4代表1/4个周期。

从原理上讲，该测量方法不存在理论误差。但是，该方法的问题主要在于数字移相的适用性。

若被测信号机端电压叠加了20 Hz 频率的电压U20Hz方波，则电压信号的频率会出现周期性偏差并影响整周波采样，机组无功功率会产生失真、跳变。另外，如果信号中含有谐波时（电压信号叠加U20Hz方波后电压波形本身就已产生一定程度的失真），以3 次谐波为例，电流信号滞后16 点时实际移相为270 度，谐波无功测量将出现严重错误。因此，90 度移相的无功测量法只适用于理想的纯正弦基波信号的无功测量。当测量的是单纯的三相正弦信号时，可以通过控制采样点数及其均匀的程度来实现精密的数字移相。但是如果被测信号不是严格的正弦波，而是含有谐波含量，则数字移相就要出现误差。依据AVC 原理无功分配计算式（1），QACT是所有机组无功（Qg）的和，若Qg测量计算失真，不能正确反映机组无功，则会在机组无功闭环调节环节和监控系统下位机PID 脉冲调节环节出现紊乱；若母线电压（Us）测量计算失真，则会在电压闭环调节环节和监控系统上位机AVC 系统调节环节出现紊乱，那么AVC 调节性能就会降低。

基于傅里叶变换的无功测量的基本思想是对被测回路的电压信号、电流信号按基波频率整周期均匀采样，然后用一组正交三角函数（正弦量或者余弦量）对采样值进行正交分解，使用各分解值计算线路的各次无功功率，全波形的无功功率为各次无功功率之和，即

式中，i代表谐波次数；n=（采样点数÷2）-1，当64 点采样时，n=31；Qi代表第i次谐波的无功功率。

根据式（5）可知，全波无功功率是基波频率及以上的各次无功功率之和，频率低于50 Hz 基波的次谐波无功功率被排除在外了（即20 Hz 频率的电压U20Hz方波不参与无功的计算，被完全滤除）。这种基于傅里叶变换的无功功率测量变送器，其4～20 mA 变送信号可以对应全波无功功率，也可以通过参数整定对应到基波无功功率，从而滤除各次谐波无功，使得无功闭环调节稳定可靠。某巨型水轮发电机组无功变送器采用全波无功功率计算后，无功闭环调节环节就基本与机组实际运行工况吻合，通过试验，选择合理的调节参数，AVC 调节性能提升效果很明显，满足调度侧对AVC 调节性能的要求。

3 结论

某巨型水轮发电机组AVC 分析完善工作历时3年多，分析了励磁系统PSS反调、调差、网源协调、机组无功测量源、母线电压测量源对AVC 的影响，同时进行了监控系统与励磁系统协调配合的参数试验，确定了合理的调节参数，包括调压系数、调节周期、脉宽、PID、电压死区、无功死区等和励磁系统各项限制与保护协调的配合关系，以及厂站侧和调度侧用于控制的母线电压源的同源性。通过3 年多的分析完善AVC 工作，某巨型水轮发电机组AVC控制调节性能满足相关部门的技术要求，取得了良好的技术和经济效益。