巨型水电厂开停机过程中的有功功率自动调节方法

2022-07-17张朝阳曾凡斐曹景磊

水电与抽水蓄能 2022年3期

张朝阳，曾凡斐，李桦，曹景磊

［1.国家能源投资集团有限责任公司，北京市 100011；2.国能智深控制技术有限公司（北京市电站自动化工程技术研究中心），北京市 102211；3.北科信控科技有限公司，北京市 100083］

0 引言

随着水电厂计算机监控技术的发展，水电厂自动发电控制（automated generation control，AGC）已成为必备功能之一。当前调度模式下，由于种种原因电网调度基本上不允许水电厂投入AGC自动开停机功能。

对于某巨型水电厂，调度要求该电厂按照负荷曲线方式运行，负荷曲线一天共96点，两点间隔15min，调度要求调节过程中，每分钟的全厂总有功尽可能贴近负荷曲线邻近两点负荷曲线线性插值数据。由于该电厂机组多容量大，机组容量大，单机容量达700MW，其机组在不同水头下430～610MW以下为非稳定运行区，以上为稳定运行区。AGC功能投入时，AGC一般会自动躲过非稳定运行区。如果某机组开机并网后加入AGC，AGC给该机组分配的功率则至少应在其稳定运行区的下沿，以避免落入非稳定运行区，即一次性给定功率至430～610MW，如此大幅度功率调节不满足电厂要求。

为了满足调度要求，开机机组并网后，电厂运行人员需手动将有功调节至稳定运行区后再将机组加入AGC。因为电厂实发总有功功率应尽可能接近负荷曲线拉斜线值，因此在开机过程中，运行人员在增加开机机组功率的同时，需减少其他运行机组有功功率，通常开机机组以每20s约60MW的步长进行调节，那么需对其他运行机组进行调节总量为60MW的对应调节。如果全部机组的功率调节由运行人员手动完成，不仅对运行人员素质要求极高，也非常容易出错。反之，停机过程亦存在同样问题。文献[1]提出了巨型电站开停机过程中AGC有功功率调节方法，并提出了有关安全策略与处理措施[2]。文献[3]提出了宝珠寺水电厂AGC功能的基本功能配置与实现原则。文献[4]分析了国内某水电站AGC成组运行有功策略分配原则及安全策略。文献[5]分析了华北电网AGC机组的现状、控制模式。文献[6]分析了自动发电控制机组参与一次调频的投入条件、参数设置和实际应用。文献[7]分析了南方电网水电厂加入AGC算法后的设计以及优化控制。文献[8]分析了大规模水电站群短期发电优化调度模型，提出了改进算法，结果表明，可以使效率明显提高。文献[9]提出一种新方法能更准确地计算出AGC机组的调节效能，从而能更好地对AGC机组对电网的贡献进行公平、准确的考核评估。文献[10]对巨型水电站的AGC程序进行了优化升级，提升了电站的效率安全运行水平。

在该巨型水电厂采用如下开机和停机过程的AGC有功功率自动调节方法后，与人工调节相比，不仅大大降低运行人员工作强度，也显著提高了调节速度和精度，减少了与给定负荷曲线的偏离度。

1 负荷曲线模式下调节模型

日负荷曲线一天96点，两点间隔时间为15min，为了减少负荷调节对电网冲击，调度要求调节过程有功需尽可能按照两点间斜线值。采用两点之间线性插值，得到每分钟的目标值，AGC按照该目标值调节有功。对于时刻t，处于负荷曲线两点之前，令当前时刻前一点时刻为t0，曲线值为，当前时刻后一点时刻为t15，曲线值为，则t0和t15之间每分钟分别记为t1，t2…t14，若当前时刻t在t0开始计时的15min内位置为第n分钟，当前时刻t的目标有功值为：

根据调度要求并结合电厂情况，负荷曲线模式下有功调节模型如下：

（1）在负荷曲线两点间隔（15min）内最多只会启停一台机组。

（2）新开机组和待停机组需尽快穿越非稳定运行区。

（3）因为调度不允许自动开停机，开机由运行人员操作，等机组有功超30MW后，加入AGC运行。

（4）停机根据预设优先级请求停机，人工确认后进行停机减载，待停机组自动减有功至30MW后，软件将该机组自动退出AGC，由人工停机。

（5）开停机过程总有功调节平稳，有功增减方向与负荷曲线要求一致，机组开机过程增有功过程中，不能出现全厂总有功减少；机组停机过程减有功过程中，不能出现全厂总有功增加的情况。

（6）开停机过程中每分钟全厂总有功尽可能跟Pt吻合。

（7）机组开机过程中，全厂总有功逐步增加且不宜过快，全厂总有功不高于目标有功；停机过程中，全厂总有功逐步减少且不宜过快，调节过程要求全厂实发总有功不低于目标有功。

2 步长修正等比例有功分配策略

每台机组按照容量比例分配有功，对于机组基本相同情况下，平均分配全厂效率最高。但是，对于给定负荷变化不大情况下，由于电厂机组台数较多，如果平均分配，部分机组将在死区范围内不响应，另外，如果每次所有机组都参与调节，将导致机组增加磨损。因此采用步长修正等比例有功分配方法。

当增有功时，选择上次给定有功少的机组优先增，增加一个预设步长后，如果未分配完，再次比较机组给定值，选择给定有功最少的机组增加一个预设步长，如果剩余分配额小于步长，将增加剩余分配额，依次类推，直至将给定有功分配完成。减有功与增有功类似，优先选择上次给定有功多的机组优先减。这样小幅增减有功将只有一台或两台机组参与调节。

3 有功补偿调节

由于电厂机组属于巨型机组，全厂总有功短暂增减方向与预期方向不一致，都会对电网带来较大冲击。有功补偿调节针对开停机过程或跨越较大振动区增减台数不一致的情况，为了确保全厂总有功增减方向与预期一致，每次采用一台机组增有功一台机组减有功的方法。譬如当前两台机组a和b发电态，一台新并网机组c加入AGC，并网机组按照每20s x MW（参数x受限于机组调节速度，该电厂通常每20s调节60MW，取60MW），发电态机组选择一台机组a参与补偿调节，每20s减少y MW，要求y＜x，这样就保证机组增有功方向调节，每20s全厂总有功增（x-y）MW。如果参与补偿机组剩余调节功率不到y MW，则减少剩余调节功率。根据每分钟需要增有功幅度，确定x和y值。当a减有功到目标值后，再换机组b。如果机组a和b均达到预定有功，则新并网机组c单步增负荷。当多有机组都进入稳定区后，各机组按照目标负荷调节，有功补偿调节结束。停机减有功过程类似。

4 开机调功策略

分为两种情况：

4.1 情况1：开机机组并网加入后，Pt0大于所有机组稳定运行区下沿之和

对于在t0和t15之间任意每分钟t的目标值Pt均在稳定运行区，因此，调节过程中均可以按照每分钟计算的Pt值进行调节，每台机组的目标值均在稳定运行区。分为两个阶段：

第一阶段，新并网机组加入AGC前，各机组按照每分钟负荷曲线值减去新并网机组有功后，分配有功值；第二阶段：新并网机组加入AGC后，新并网机组以每20s步长x MW增有功，快速穿越非稳定运行区，其他机组以每20s步长y MW与新并网进行补偿调节，当新并网机组进入稳定区后，补偿调节结束，每台机组按照目标有功值调节。

以某工况为例，机组当前稳定区下沿500MW，机组最大可调有功700MW，Pt0为3400MW，Pt15为3800MW，发电运行机组由5台调整为6台，需要新开机一台机组，x为60MW。参数y可以根据负荷曲线每分钟增有功的速度确定，由表1可以得出曲线每分钟增有功27MW，则x-y=9，取y为51MW，则每分钟增27MW，根据表1可看出实际给定值与负荷曲线给定值吻合。

表1 情况1开机调功策略结果表Table 1 Case 1 Start-up power adjustment strategy result table

4.2 情况2：开机机组并网加入后，Pt0小于所有机组稳定运行区下沿之和

对于在t0和t15之间任意每分钟t的目标值Pt不能保证所有机组在所有时段目标值在稳定运行区。这种情况下，将调节过程分为三个阶段：

第一阶段：新并网机组加入AGC前，各机组按照当前分钟负荷曲线值减去新并网机组有功后，在可调范围内分配有功值。

第二阶段：以所有机组稳定区下沿之和作为目标有功进行调节。新并网机组以每20s步长60MW增有功，快速穿越非稳定运行区，其他机组以每20s步长yMW与新并网进行补偿调节。该阶段将稳定区下沿之和对应的负荷曲线值所在时间，确定参数y。

第三阶段：所有机组按照当前分钟负荷曲线值作为目标有功值，分配有功，各台机组直接按照分配有功值进行调节。

以某工况为例，机组当前稳定区下沿600MW，机组最大可调有功 700MW，Pt0为 2000MW，Pt15为 2600MW，发电运行机组由3台调整为4台，需要新开机一台机组，并网负荷为30MW，调节至每台机600MW，取x为60MW，参数y可以根据负荷曲线每分钟增有功的速度确定，由表2可以得出曲线每分钟增有功40MW，则x-y=13，取y为47MW，根据表2可看出偏差在允许范围内，实际给定总有功均低于Pt15。