灯泡贯流式机组参与调频辅助市场后运行情况分析

陈国青

（广西广投桥巩能源发展有限公司，广西 来宾 546503）

0 引言

调频辅助服务是指发电机二次调频备用中能够通过自动发电控制装置（AGC）自动响应区域控制偏差（ACE）按照一定调节速率实时调整发电出力，满足ACE控制要求的服务，其调节效果通过调频里程衡量[1]。桥巩水电厂位于红水河下游广西壮族自治区来宾市迁江镇境内，为红水河十级梯级水电站中的第九级，安装了8台单机容量为57 MW和1台24 MW的灯泡贯流式发电机组，总装机容量为480 MW，属于大型灯泡贯流式机组。根据《南方区域电力并网运行管理实施细则》中“单机容量20万kW及以上火电机组、单机容量4万kW及以上非径流水电机组和全厂容量10万kW及以上水电机组应具有自动发电控制（AGC）功能。”规定，桥巩电厂从2020年12月底完成AGC相关试验并开始按照《南方区域调频辅助服务市场试运行方案》要求，参与调频辅助服务市场。本文以桥巩电厂为例，对参与调频辅助市场后运行情况进行分析，并给出优化建议，为机组安全稳定调控运行提供参考依据。

1 AGC考核分析

1.1 技术要求

自动发电控制（AGC）主要任务是在满足电力系统及水电厂和机组运行安全约束条件的前提下，以安全、迅速、经济的方式自动控制水电厂的有功功率，满足系统对电站的发电需求，实现水电站的经济运行[2，3]。在《南方区域电力并网运行管理实施细则》中要求，水电机组AGC的响应时间应小于20 s；常规水电机组标准调节速率为额定容量的20%/min；AGC调节精度不超过1%；在《南方电网自动发电控（AGC）技术规范》中规定了更细致的技术要求，可调容量宜为额定容量的80%以上，一般不应小于额定容量的60%；响应速率为额定容量的20%/min以上；调节的响应延时和反向延时时间都不应该大于30 s；AGC调节精度要求静态偏差不应大于1%。动态偏差不应大于5%[4-6]。

1.2 电厂AGC试验情况

桥巩电厂于2020年9月左右开展了AGC相关试验，主要进行了单机、多机AGC现地闭环性能测试，AGC与一次调频联合测试和单机、多机AGC调度闭环性能测试等试验，限于篇幅，只列出部分机组试验数据如表1和表2。

表2 6号机组反向延时测试记录表

试验结果表明，其中2号、3号、4号、6号、8号机调节速率达到《南方电网自动发电控制（AGC）技术规范》建议增减负荷的调节速率为额定容量的50%/min以上要求，其他机组的安全、控制逻辑功能与性能指标均满足《南方电网自动发电控制（AGC）技术规范》要求。

图1 6号机组AGC大负荷阶跃测试曲线

图2 6号机组一次调频与AGC协调控制曲线

1.3 AGC考核分析

根据AGC试验结果可以看出，桥巩电厂AGC的三大性能指标即调节速率、调节精度和调节时间，均能满足《南方区域电力并网运行管理实施细则》要求，但是在AGC实际投运后却经常遭“两个细则”系统考核，特别是调节速率不合格次数居多。表3是2023年7月其中1个星期桥巩电厂全厂AGC合格率情况统计。根据南方电网“两个细则”技术支持系统中有关考核算法介绍可知，考核系统根据PLC调节指令记录文件去获取调节起始时刻的有功值P0和目标出力Pe,然后根据P0和Pe判断是升出力还是降出力，并记录调节起始时刻t0[8]。以15 min为一个时段，一个时段存在多条指令，则取调节幅度大的指令评价，如果调节幅度一致，则取时间晚的指令。

表3 AGC合格率统计表

第一步：计算出理论的响应死区值和调节死区值。

式（1）和式（2）中Splc为机组额定容量。

第二步：计算出理论调节时间。

第三步：理论调节完成时间。

第四步：计算响应时间、调节速率和调节精度。

响应时间是指AGC系统发出指令之后，机组出力在原出力的基础上，可靠地跨出与指令方向一致的响应死去所用时间。计算公式：

调节速率是指机组在AGC指令方向，出力越过响应死区到进入调节死区这段时间的速率。计算公式为:

调节精度是指机组实际出力和目标值的误差与开机机组容量的百分比。这里要分为两种情况，第一种情况：在理论调节时间内实际出力到达调节死区，如图3所示。计算公式为：

图3 理论调节时间内完成调节

第二种情况：在理论调节时间内实际出力未到达调节死区，如图4所示。计算公式为：

图4 理论调节时间内未完成调节

图5 3号机组导水机构钢珠破碎

图6 8号机转子联轴螺栓及销钉发生松动断裂

以桥巩电厂分析为例，监控调节死区为0.8 MW左右，按上述公式计算考核系统调节死区为0.5 MW左右。当现地上位机监控已经调节结束，但是由于未到达考核系统的调节死区，考核系统程序就会认为调节还在继续进行，导致计算得出的调节结束时间远滞后于实际结束时间,从而使计算得出的调节速率远小于实际调节速率。同时因采取的控制策略不同，AGC调节还受到一次调频的影响，在开度模式下，当机组同时接到一次调频功能指令与AGC指令时，按照南网调度规定，电厂一次调频和AGC功能应协调配合，互不影响，出力变化应该是二者叠加的效果，如果机组调速机构不能同时执行一次调频和AGC功能实现调节量叠加，AGC指令优先动作，在AGC执行该指令到位后出现一次调频复归动作，监控会将负荷调整至AGC目标值，这个过程也将影响AGC考核指标数据。

2 参与调频辅助市场对机组运行影响

2.1 中标后调节频次大幅增加

参与调频辅助市场后，机组中标次数较多，每次中标后机组负荷变动比较大，调节频繁，来回穿越机组振动区运行。从表4中可以看出，中标后单日单时段调频里程最大可达1 414 MW，单日AGC动作次数达1 219次，而之前未投入AGC运行时，机组当日负荷变动仅18次。后期桥巩电厂改变策略，调高中标价格到最高价格，尽量减少中标次数，但是如果当运行日出现因电力平衡紧张、断面约束矛盾严重等影响调频市场正常出清的情况，市场运营机构会根据电网实时备用等情况采取调用未中标发电单元等措施，未中标电厂仍然会参与调节。

表4 桥巩电厂参与调频辅助市场前后当日AGC动作次数对比表

2.2 对机组主机设备影响

机组频繁参与AGC调节对水轮机和发电机各部套产生了较大影响，主要表现为以下三个方面，一是活动部件轴承磨损加快（导叶轴承，连杆轴承，接力器轴承，叶片轴承，叶片传动机构轴承，受油器轴承等），轴承磨损后，间隙增大会导致机组的振动、摆度增加，加剧机组的损伤；二是贯流机组通常为卧式结构，轴承受力状态较差，同时双调（桨叶、导叶）运行，AGC运行导致机组损伤的风险较常规机组（混流）大很多，容易导致紧固部件松动，加速转动部件的疲劳损坏；三是机组负荷频繁调节，发电机内部的热循环将加速定子线棒绝缘的老化，尤其对贯流机组，发电机冷却的均匀性比立式机组差，普遍存在局部温度高的现象，缩短了定子绕组的使用寿命，同时转动部件紧固件的松动，可能会造成定子线棒损伤。

桥巩电厂参与调频辅助市场一段时间出现了一系列问题，在检修期发现1号、5号、6号机组转轮部件均发现裂纹；3号、8号机组连轴螺栓断裂；3号、4号、7号机组导水机构控制环偏磨及操作卡组。

2.3 原因分析

机组运行水头变动较大，导致机组运行效率会在最优工况到最恶劣工况之间变化，尤其是在主汛期，受到上游水库的汛限水位和下游泄洪导致水位太高的双重影响，偏离额定工况运行，机组振动严重。

过度稳定性差。贯流式机组转动惯量较小，通常为立式机组的30%~50%，因此在外部机械的阻力发生改变时，将直接对机组的转动角加速度造成影响，即不同种类的机组受到同一个外部扰动时，贯流式机组的转动惯量偏小，而调整的变量要比其他机组大。可参考公式：

其中P为载荷大小，M为部件质量，θ为载荷频率。

动态调节振动大。因为其整体“悬浮”在过水流道上，灯泡体受到水的浮力、冲力及水锤、漩涡等流水产生的压力，并且在不同的生产工况下还会产生机械扭矩、电磁力、正向反向的水推力作用，易形成较大的水力振动和机组振动。

3 结语

（1）针对大型灯泡贯流式机组参与AGC调节后频繁被考核情况，桥巩电厂可以优化AGC调节程序，比如适当改变监控调节死区，使其与考核系统上调节死区保持一致；对于因一次调频动作复归引起AGC调节性能指标不合格情况，可以在监控上做一个一次调频动作复归延时判断指令，超过该时间，监控才会开始将负荷调整至AGC目标值，防止因一次调频动作复归引起AGC调节被考核。

（2）大型灯泡贯流式机组不应当作持续的负荷调节，在运行的过程中应尽量避免此种类型的机组进行长时间的参与到系统的动态化控制中，建议退出辅助调频市场。