楊 鵬，曾 勇，王凌云

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443133）

0 引言

作為現(xiàn)代化電網(wǎng)運(yùn)行控制的基本技術(shù)，自動發(fā)電控制（AGC）已成為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行必備的手段之一。水電機(jī)組與火電機(jī)組相比具有更加優(yōu)良的調(diào)節(jié)特點(diǎn)，有著負(fù)荷調(diào)節(jié)速度更快以及精度較高等優(yōu)勢，正因如此，在電力系統(tǒng)中通常是由水電機(jī)組承擔(dān)著AGC運(yùn)行的主力，在地區(qū)頻率控制以及穩(wěn)定系統(tǒng)電壓方面起重要作用，在電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線潮流當(dāng)中有著更加明顯的經(jīng)濟(jì)效益。所以，發(fā)電廠投入AGC 運(yùn)行已是保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必備條件。

隨著特高壓電網(wǎng)、交直流輸電技術(shù)和新能源的快速發(fā)展，國內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電源組成發(fā)生了新的變化。風(fēng)電、光伏作為重要的可再生能源，對我國的能源與環(huán)境安全至關(guān)重要，但風(fēng)電、光伏因其隨機(jī)性和不確定性帶來的風(fēng)電、光伏功率波動，使得原有系統(tǒng)的單側(cè)負(fù)荷側(cè)波動轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)有的“電源+負(fù)荷”雙側(cè)波動，AGC作為抑制系統(tǒng)功率波動的主要手段將面臨雙重考驗[1]，需考慮大規(guī)模風(fēng)電、光伏并網(wǎng)條件下水電機(jī)組AGC協(xié)調(diào)控制的新策略。另一方面，我國水電資源地理上分布不均，比如金沙江下游河段，就因水量大、落差集中，是金沙江流域乃至長江流域水能資源最豐富的河段。由上至下依次規(guī)劃建設(shè)烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4 個梯級大型水利樞紐，4 個梯級樞紐總裝機(jī)容量約4000～4600萬kW，年發(fā)電量約1960億kWh，是重要的電源基地[2]。成都和昆明兩處調(diào)控中心負(fù)責(zé)對金沙江下游的這四座電站進(jìn)行遠(yuǎn)方集控和調(diào)度，因其水文聯(lián)系緊密，AGC需從廠站級提升到流域梯級調(diào)度。金沙江流域梯級AGC 在實現(xiàn)梯級電站安全自動運(yùn)行、負(fù)荷調(diào)節(jié)滿足調(diào)度要求的基礎(chǔ)上，追求實現(xiàn)整個流域梯級效益的最大化，安全、可靠地自動調(diào)節(jié)電站出力，實時保證電網(wǎng)的電能平衡[3]。這些變化增加了電網(wǎng)調(diào)度和控制的復(fù)雜程度，對諸如AGC等電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的調(diào)度業(yè)務(wù)支撐提出了新的要求。

本文以某巨型水電站的AGC應(yīng)用實例為研究對象，分析其存在的一些問題，并提出相應(yīng)的解決方案。該巨型水電站安裝了32臺單機(jī)容量為70萬kW的巨型水輪發(fā)電機(jī)組，從電氣聯(lián)接上可以分為五個分廠：左一電站、左二電站、右一電站、右二電站、地下電站，除左一電站安裝8臺機(jī)組外，其他四個分站各安裝6臺機(jī)組。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，左一、左二電站可合母運(yùn)行，合稱左岸電站，右一、右二電站可合母運(yùn)行，合稱右岸電站。每一個分站均由獨(dú)立的AGC控制，包括左、右岸的分、合母，總計7種AGC控制，每個分站中AGC控制機(jī)組臺數(shù)在6～14之間。這么一座巨型體量的電站，其調(diào)峰量也是相關(guān)巨大的，2017年夏季單日配合系統(tǒng)調(diào)峰開停機(jī)達(dá)到40臺次，總調(diào)峰功率超過該電站總裝機(jī)容量2250萬kW。這樣巨大的調(diào)峰量如果完全由人工手動逐臺機(jī)組進(jìn)行調(diào)整，工作量將非常大，且誤操作的風(fēng)險也很高。而AGC可將分站總有功設(shè)定自動地、合理地分配到每一臺機(jī)組，且其不存在誤操作的風(fēng)險，在大容量的調(diào)峰操作中發(fā)揮了重要作用。

1 發(fā)電計劃小范圍變化時有功調(diào)整時機(jī)選擇優(yōu)化

該電站發(fā)電計劃調(diào)度曲線文件中包含有功曲線，有功曲線由96個設(shè)定值點(diǎn)組成，每隔15min有一個設(shè)定值點(diǎn)。AGC聯(lián)控程序把15min的步長分解為15個1min步長來調(diào)節(jié)。AGC聯(lián)控程序首先計算相鄰兩設(shè)定值點(diǎn)間的差值，并把差值15等分，把差值平均分配到15分鐘去，為兩設(shè)值點(diǎn)中的每一分鐘計算一個設(shè)定值。若任一分鐘的設(shè)定值與前一次有效設(shè)定值的差值大于50MW（有功死區(qū)），則這1min的設(shè)定值就會被提前40s分配給機(jī)組，同時這一設(shè)定值也變成有效設(shè)定值。第15min的設(shè)定值無論與上一個有效設(shè)定值的差值是否大于50MW都會被分配。

在這種設(shè)定下，如果發(fā)電計劃的兩個相鄰設(shè)定值點(diǎn)差值較小，AGC的自動調(diào)整就顯得不夠平滑。如圖1所示，以0：00～0：15分站總有功由2700MW上調(diào)至2750MW（調(diào)節(jié)量50MW）為例，曲線2是按發(fā)電計劃以絕對平滑分布的有功曲線，曲線1是按當(dāng)前的AGC聯(lián)控程序下發(fā)策略進(jìn)行的實際下發(fā)。按當(dāng)前策略，會將這15min的有功變化量50MW平均分成15等分，然而在最后1min之前，每一分鐘的設(shè)定值與0：00的差值都小于50MW（有功死區(qū)），因此這15min上調(diào)的50MW只會在最后1min提前40s（即0：14：20）下發(fā)。由圖1可見，按目前的AGC策略，下發(fā)值和理想的有功調(diào)整偏差較大。這樣會造成以下后果：

（1）計劃發(fā)電量與實際發(fā)電量偏差，如圖1所示，曲線1和曲線2之間的面積相當(dāng)于計劃發(fā)電量和實際發(fā)電量之間的偏差；

（2）該電站為國調(diào)直調(diào)電廠，國調(diào)對該電站各分站實際出力與發(fā)電計劃之間的偏差限制在20MW以內(nèi)。如圖1所示，曲線4、曲線5分別為國調(diào)允許實際實時有功的上、下限。從圖中可以看出，若按目前的AGC控制策略，在0：06左右，該分站的實際有功將超出國調(diào)許可范圍。

針對這種情況，經(jīng)實際運(yùn)行經(jīng)驗，建議在原來的控制策略基礎(chǔ)上，增加：若發(fā)電計劃的兩個相鄰點(diǎn)之間的差別小于100MW，則以3min為周期，每一周期的設(shè)定值無論與上一個有效設(shè)定值的差值是否大于50MW（有功死區(qū)）都下發(fā)。這樣實際的調(diào)節(jié)結(jié)果如圖1中的曲線3所示，該區(qū)間內(nèi)的發(fā)電量非常接近于計劃發(fā)電量，且不會超出許可范圍。

2 安全穩(wěn)定裝置允切機(jī)組參與AGC調(diào)節(jié)策略優(yōu)化

該電站安全穩(wěn)定裝置為國調(diào)直調(diào)設(shè)備，為了滿足系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定要求，該電站左、右岸安控裝置允切機(jī)組的出力下限要求分別是650MW和620MW。為防止安控允切機(jī)組的有功低于該下限值，該電站右岸監(jiān)控系統(tǒng)中，安控允切機(jī)組作為AGC單機(jī)投入的閉鎖條件，不能投入AGC聯(lián)控。這給調(diào)峰過程帶了不必要的麻煩，且會導(dǎo)致分站AGC調(diào)節(jié)失敗。下文以實例進(jìn)行說明。

該電站某一分站共6臺機(jī)，某一水頭下，各臺機(jī)組可在530～700MW之間穩(wěn)定運(yùn)行，則AGC可對投入聯(lián)控的機(jī)組在530～701MW之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，有兩臺機(jī)組是安控允切機(jī)組，未投入AGC。以0：00～0：15分站總有功由3200MW上調(diào)至3500MW進(jìn)行分析，按照該電站AGC下發(fā)策略，該分站的總有功下發(fā)指令列表如表1所示。

表1 單站出力由3200MW上調(diào)至3500MW時的指令下發(fā)列表Table 1 The order listduringthe output powerofasingle station increasing from 3200MW to 3500MW

這時，安控允切的機(jī)組不能投入AGC的弊端就顯現(xiàn)出來：

（1）運(yùn)行值班人員需要時刻關(guān)注AGC的調(diào)節(jié)指令，因3500MW需要所有并網(wǎng)運(yùn)行的5臺機(jī)組全部滿發(fā)，運(yùn)行人員必須在合適的時機(jī)將兩臺因安控允切而未能投入聯(lián)控的機(jī)組手動調(diào)節(jié)至700MW。本來AGC是用來降低人員勞動強(qiáng)度的，現(xiàn)在卻需要人為配合AGC調(diào)節(jié)，增加了人員的勞動強(qiáng)度；

（2）單個分站AGC的調(diào)節(jié)上限為：聯(lián)控機(jī)組的出力上限+未投聯(lián)控機(jī)組的實時出力，單個分站AGC的調(diào)節(jié)下限為：聯(lián)控機(jī)組的出力下限+未投聯(lián)控機(jī)組的實時出力。在本例中，該分站AGC的調(diào)節(jié)上限為：700×3+兩臺未投聯(lián)控機(jī)組的出力總和。然而在實際運(yùn)行中，即使將2臺未投入AGC的機(jī)組有功設(shè)定為700MW，由于正常的功率波動，亦無法保證該兩臺機(jī)組的實際出力為700MW，造成該分站AGC的調(diào)節(jié)上限達(dá)不到3500MW，這就意味著3500MW不能成功下發(fā)，該分站的出力會維持在上一次的下發(fā)值3440MW。

安控允切的機(jī)組不是不能參加AGC調(diào)節(jié)，而是其調(diào)節(jié)下限不得低于允許值。針對這種情況，應(yīng)該去掉安控允切機(jī)組不能投入AGC聯(lián)控的閉鎖，并將允切機(jī)組投入AGC之后的單機(jī)調(diào)節(jié)下限值由當(dāng)前水頭機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的下限值改為當(dāng)前水頭機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的下限值與630MW（右岸安控允切機(jī)組的國調(diào)允許出力下限值620MW，再考慮機(jī)組功率的波動，留出裕量）比較后的較大者。這樣，在該例中，該分站AGC調(diào)節(jié)的上限將成為700×5＝3500MW。分站發(fā)電計劃為所有運(yùn)行機(jī)組滿發(fā)時的計劃曲線不能正常下發(fā)的問題便可解決，同時調(diào)峰過程中無需人為調(diào)節(jié)安控允切機(jī)組的有功出力。

3 開、停機(jī)調(diào)峰跨越機(jī)組振區(qū)策略優(yōu)化

水輪發(fā)電機(jī)組因其自身特點(diǎn)，隨著運(yùn)行水頭的變化，其穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)也會發(fā)生變化，運(yùn)行規(guī)程規(guī)定：水輪發(fā)電機(jī)組開、停機(jī)過程中應(yīng)迅速穿越振動區(qū)，正常運(yùn)行時不應(yīng)運(yùn)行在禁止運(yùn)行區(qū)，不得長時間運(yùn)行在限制運(yùn)行區(qū)。受這一特點(diǎn)限制，水輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，需要快速增加機(jī)組出力以穿越振動區(qū)，這也會造成該機(jī)組所在分站的總有功功率迅速上升，使總有功功率偏離發(fā)電計劃，此時AGC會調(diào)節(jié)該分站其他聯(lián)控機(jī)組將分站總有功向設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)初期往往存在分站總有功率功無法調(diào)節(jié)到AGC下發(fā)值的情況，這是因為新的機(jī)組并網(wǎng)后，該站的AGC調(diào)節(jié)上、下限發(fā)生變化，而AGC剛剛下發(fā)的值已經(jīng)不在這個上、下限之內(nèi)了。假設(shè)在某一時刻，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)為600～700MW，0：00～0：15該分站有功自2000MW上調(diào)至2600MW，2臺機(jī)組投入AGC聯(lián)控，1臺機(jī)組為安控允切機(jī)組，未投聯(lián)控。按照該電站AGC下發(fā)策略，該分站的總有功功率下發(fā)指令列表如表2所示。

按發(fā)電計劃，0：02時原來運(yùn)行的機(jī)組已經(jīng)滿發(fā)（在此之前安控允切機(jī)組須由人工手動調(diào)整至700MW），新開的機(jī)組亦需要在此時并網(wǎng)，當(dāng)其并網(wǎng)并投入AGC聯(lián)控后，該站的AGC調(diào)節(jié)上、下限發(fā)生變化。該電站機(jī)組并網(wǎng)后約3min穿越振區(qū)到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，即0：05時新并網(wǎng)機(jī)組有功600MW，隨即其他機(jī)組被壓低至出力下限（安控允切機(jī)組由人工手動提前調(diào)整至620MW），調(diào)整到位后的該分站有功功率即為該分站的有功功率下限值600×3+620＝2420MW，仍大于此時的AGC曲線設(shè)定值2240MW。

表2 單站出力由2000MW上調(diào)至2600MW時的指令下發(fā)列表Table 2 The order list during the output power of a single station increasing from 2000MW to 2600MW

從圖2可以看出，由于新并網(wǎng)機(jī)組穿越振區(qū)時快速加出力，大概從0：03開始，AGC的設(shè)定值已經(jīng)小于該分站的有功調(diào)節(jié)下限及實際出力，監(jiān)控系統(tǒng)會報“有功設(shè)置錯誤”信號，一直到0：10左右，當(dāng)AGC有功設(shè)定值達(dá)到該分站的有功調(diào)節(jié)下限時，該信號才能返回。然而由于水輪發(fā)電機(jī)組振動區(qū)的問題，在調(diào)峰過程中這個報警出現(xiàn)的概率很高。

圖2 開停機(jī)調(diào)峰中考慮穿越振動區(qū)時的有功調(diào)節(jié)情況Figure 2 The active power regulation when crossing the vibration zone during units startup and shutdown

解決問題的思路：增加單機(jī)允許振動區(qū)運(yùn)行軟連片，視需要在機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)后或計劃停機(jī)前由人工監(jiān)視和控制，手動投入。該軟連片投入后：

3.1 因發(fā)電計劃增加，開機(jī)并網(wǎng)時

（1）新開機(jī)組并網(wǎng)后，投入該機(jī)組允許振動區(qū)運(yùn)行軟連片；

（2）AGC自動將允切機(jī)組要求的最低出力值以上出力，以及其他機(jī)組穩(wěn)定區(qū)以上出力按一定步長分配給該新并網(wǎng)機(jī)組；

（3）負(fù)荷曲線下新增加出力自動分配給該新并網(wǎng)機(jī)組；

（4）同時可考慮完善負(fù)荷曲線分配功能，如下一個點(diǎn)計劃出力能夠滿足所有機(jī)組在穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行、安控允切機(jī)組出力滿足要求（我們的發(fā)電計劃一般都能滿足這個要求），AGC程序按照負(fù)荷曲線進(jìn)行分步調(diào)整，當(dāng)前所有可分配出力全部分配給該新并網(wǎng)機(jī)組后，如新并網(wǎng)機(jī)組離穩(wěn)定區(qū)還差150MW以內(nèi)，在新并網(wǎng)機(jī)組出力到達(dá)上一個有效設(shè)定值之后，再次下發(fā)一個給定，使新并網(wǎng)機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)。然后，再以曲線計劃為目標(biāo)，平穩(wěn)調(diào)整出力。

3.2 因發(fā)電計劃減少，停機(jī)備用時

（1）提前投入該機(jī)組允許振動區(qū)運(yùn)行軟連片；

（2）安控允切機(jī)組出力達(dá)到要求最低值、其他機(jī)組出力達(dá)到穩(wěn)定區(qū)下沿后，優(yōu)先下調(diào)投入該軟連片機(jī)組出力；

（3）投入允許振動區(qū)運(yùn)行軟連片機(jī)組出力下調(diào)至30MW后，自動退出該軟連片；

（4）操作員下發(fā)計劃停機(jī)機(jī)組停機(jī)令。

該軟連片同時設(shè)計功能：投入后延時15min自動退出。

4 結(jié)束語

隨著中國電力工業(yè)的高速發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)和電力互聯(lián)方式的變化，對發(fā)電聯(lián)合控制的要求也越來越高，確保電網(wǎng)、機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和電能的高質(zhì)量是基本要求。AGC的負(fù)荷自動調(diào)節(jié)功能在調(diào)峰過程中可大大降低人員的勞動強(qiáng)度，也可避免人工調(diào)節(jié)可能出現(xiàn)的計算錯誤。本文對AGC在水電站調(diào)峰中的實際應(yīng)用中出現(xiàn)的典型問題進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的解決方案，為促進(jìn)AGC功能的完善提供了新的思路，相應(yīng)問題的解決也可以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的自動化水平和促進(jìn)水電站高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。