水电厂一次调频及AGC在电网稳定中的作用

水电厂一次调频及AGC在电网稳定中的作用作者：刘仙玉来源：《华中电力》2013年第09期摘要：电压、频率和波形是衡量电能质量的三大指标，维持电网频率稳定是电力系统运行的主要任务之一。

要维持电网频率稳定，就必须保证能源侧的供电功率与用户侧的用电负荷平衡。

本文对水电机组的运行特性进行了研究，通过对水电机组调速系统运行方式、电网AGC与频率特性以及水电机组一次调频与AGC控制特性的分析，提出了一次调频与AGC控制权限的协调方法以及优化水电机组一次调频与AGC调节的措施。

水电机组的一次调频与AGC在当今电网稳定控制中发挥着十分重要的作用，是维持电网稳定的重要手段。

关键词：电网频率；一次调频；自动发电控制（AGC）；电网稳定中图分类号：文献标识码：0 引言近年来，我国电力工业迅速发展，电力系统规模日趋扩大，区域电网容量迅速加大，区域电网间实现联网，并要求进行交换功率控制。

同时，电网负荷峰谷差也在逐步加大，电力系统的突发事故往往是难以预测的。

水电厂生产过程比较简单，水轮发电机组起动快，开停机迅速，操作简便，并可迅速改变其发出的功率。

水轮发电机组的频繁起动和停机，不会消耗过多的能量，且在较大的负荷变化范围内仍能保持较好的效率。

由于水电机组这一特点，在系统中主要担任调峰、调频及事故备用等任务。

当系统内突然出现负荷扰动时，需要进行功率调整，保持功率平衡。

相对火电、核电等机组，水电机组一次调频调节性能好，响应速度快，调节幅度大，可以快速响应电网功率的突变，明显改善电网频率质量。

因此，水电机组的一次调频功能越来越受到人们的重视。

充分发挥水电机组一次调频及AGC的作用，已成为维持电网频率稳定的重要措施。

1 水电机组调速系统调节方式水电机组在不同的运行工况下，调速系统有不同的调节方式，机组开机进入空载工况运行时，调速器在频率调节模式下工作。

这种方式下，以频率为闭环控制，当机组实际频率与频率给定的偏差大于转速死区时，调速系统将调节导叶开度，直到机组实际频率与频率给定的偏差在转速死区范围内。

当发电机出口断路器投入，并入电网工作时，调速器自动进入功率调节（或开度调节）模式工作。

在开度调节模式下，调速系统以导叶开度为闭环控制，导叶开度与给定值存在偏差就进行调节，直到实际开度与给定相等。

在功率调节模式下，调速系统以功率为闭环控制，在这种方式下，当实际功率与功率给定存在偏差就进行调节，直至两者相等。

机组在并网工况下，可以人为的使调速器工作于三种调节模式中的任一种，当调速器工作于功率调节模式时，若检测到机组功率传感器有故障，则自动切换至开度调节模式工作；当调速器工作于功率调节或开度调节模式时，若电网频率差偏离额定值过大，且持续一段时间，则调速器判断被控机组为孤网运行工况，将自动切换至频率调节模式工作。

图1所示为水电机组调速系统三种调节模式的转换关系。

图1 调速系统三种调节模式转换关系2 电网AGC与频率特性2.1 电网AGC电网AGC是现代电网控制的一项基本和重要功能，是基于电网高度自动化的EMS与发电机组协调控制系统间闭环控制的一种先进技术手段。

AGC通过修改有功出力给定来控制发电机有功出力，从而跟踪电力系统负荷变化，维持电网频率稳定在额定值，同时满足互联电力系统间按计划要求交换功率的一种控制技术。

其基本目标包括：1. 使系统发电侧出力与负荷侧负载功率匹配；2. 调整电网频率偏差到零，保持电网频率为额定值；3. 在各控制区域内分配全网发电出力，使区域间联络线潮流与计划值相等，实现各区域内有功功率的平衡；4. 在本区域发电厂之间分配发电出力，使区域运行成本最小。

电网调度端AGC的输入信号为频率、联络线功率等，输出信号为各厂站的有功定值，是典型的多输入多目标控制系统。

系统AGC控制框图如图2所示：图2 电网AGC控制框图2.2 系统频率特性当系统频率发生变化时，电网负荷在额定频率下的值也会随之变化，且变化的方向是抑制频率的变化。

即当系统频率增大时，额定频率下的原负荷值会增加，从而阻止频率的进一步增大；频率减少时，额定频率下的原负荷值会减小，从而阻止频率的进一步减少。

负荷的这种随频率变化而变化的特性，称为电网静态特性，因其对频率变化的抑制作用，也可称为电网静态自调节特性。

负荷的不同性质（电动机负荷、照明负荷等）及其不同的组合，将使电网有与之对应的静态频率特性。

因此，静态频率特性也是随时变化的。

3 水电机组一次调频性能要求《电网运行准则》规定，并网发电机组均应参与一次调频。

机组一次调频基本性能指标包括：死区：电液型汽轮机调节控制系统的火电机组和燃机死区控制在内；机械、液压调节控制系统的火电机组和燃机死区控制在内；水电机组死区控制在内；转速不等率，火电机组和燃机为，水电机组不大于。

最大负荷限幅为机组额定功率的。

响应行为包括：当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组应在15s内根据机组响应目标完成响应；在电网频率变化超过机组一次调频死区的45s内，机组实际功率与机组响应目标偏差的平均值应在机组额定有功功率的以内。

从准则中可以看出水电机组的死区为±0.05Hz比火电机组±0.033Hz大，这是因为水电机组负荷控制的主要手段是利用接力器控制水轮机的导叶开度，而接力器是由液压控制装置组成，通过机械连接来控制导叶开度，这种转动机械设备不宜在小范围内频繁动作，否则将导致回差增大，控制设备在某一区域控制不连续，造成油缸严重磨损，减少机组寿命。

按照电网统计数字显示：网频偏差超过±0.033Hz的次数远大于超过±0.05Hz的次数，这样电网在一次调频方面基本没有损失却在很大程度上保护了水电机组的主要设备。

4 水电机组一次调频及AGC调节特性由于电力系统负荷的不断变化，导致了电网频率的波动，根据电网频率偏离50Hz的方向和数值来不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在规定的范围内，这就是水轮机调节的基本任务。

一次调频就是由发电机组调速系统的自身频率/功率特性对电网的控制，它主要是由发电机组调速系统的静态特性和动态调节规律来实现的。

《电网运行准则》规定，并网发电机组均应参与一次调频，200MW（新建100MW）及以上火电和燃气机组，40MW及以上非灯泡贯流式水电机组和抽水蓄能机组应具备自动发电控制（AGC）功能，参与电网闭环自动发电控制。

发电机组月AGC可用率应不低于90%。

图3所示为水电机组一次调频与AGC联合调节特性曲线，机组原始工况为静特性曲线上的A点，此时机组的目标功率为；机组实际功率；机组频率；调速系统调差系数为。

当系统发生功率缺额，假设分配到调节机组的功率缺额为。

水电机组一次调频作用为：当电网功率发生缺额，引起电网频率降低，如果AGC不改变机组功率定值，发电机组调速系统将按静特性曲线进行调节，频率将降至，系统中各机组根据频率偏差进行一次调频，与电网负荷静态频率自调节作用一起，使调频机组增发了功率，电网频率回到静态曲线1上的B点，此时电网频率为。

虽然该机组与电网上其它机组一起进行了一次调频，但电网频率为，不可能恢复到扰动前的。

这是由于电网一次调频是针对偏离了系统额定频率的频率偏差进行机组的功率调节控制。

由于机组调速系统都有调差系数，这决定了它是一个有差调节。

因而，由各机组调速系统共同完成的一次调频不可能完全弥补电网的功率差值，从而也不可能使电网频率恢复到额定的50Hz附近的一个允许范围内。

图3 水电机组一次调频，AGC调节特性曲线AGC（二次调频）的作用为：当电网机组进行一次调频后，仍未能弥补电网的功率差值，此时，AGC将机组的目标功率由Pc1修正为Pc2，此时，机组调速系统静特性由特性曲线1（Pc1）变为特性曲线2（Pc2）。

最后的调节结果为特性曲线2（Pc2）上C点：机组目标功率Pc2、机组实际功率P3、机组频率f1；电网的功率缺额得以补偿，系统频率也恢复到扰动前的数值f1。

上述调节过程说明：电网在负荷扰动后，电网频率产生偏差，各机组的调速系统根据频率偏差Δf和功率调差系数ep进行一次调频，在《电网运行准则》规定的15s内弥补了系统部分功率差值；在一次调频的基础上，电网AGC再经过重新修正相关机组的目标功率值进行二次调频。

因此，调速系统通过两个信号输入端：频率输入端（一次调频）和机组目标功率输入端（二次调频）对电网的频率进行的调节，最终达到电网功率平衡和频率恢复到额定频率。

5 水电机组一次调频与AGC的配合一次调频与AGC（二次调频）都能改变发电机组的出力，从而调节电网频率，维护电网稳定。

但二者的响应方式和响应时间不同。

一次调频根据调速系统自身的静态特性进行调节，使机组出力随着电网频率的变化而变化，使机组出力与电网负荷相适应，从而稳定电网频率。

AGC则是在电网频率波动后，由调度系统发出的指令，使电网发电功率与电网负荷相适应，维持电网稳定。

可见，一次调频响应速度快，AGC反应时间较长，并且一次调频为有差调节，AGC属于无差调节。

如何协调一次调频和AGC以及优化他们的调节性能是一个非常值得研究的问题。

5.1 机组一次调频与AGC控制权限的协调《电网运行准则》中规定并网的发电机组均应参与一次调频，目前所有的并网机组都投入了一次调频功能。

一次调频投入后，当调速系统检测到机组频率和电网额定频率的偏差越过了频率死区，一次调频就会启动，调速系统将依据当前的频率自行对功率进行调节。

在一次调频动作过程中，监控系统捕捉到当前机组功率和功率给定产生了偏差，这个偏差很有可能会越过监控系统设定的功率死区，如果此时监控系统的功率闭环参与调节有功，就会引起机组功率的双路调节，很容易引起机组的功率振荡。

这时就需要协调调速系统和监控系统的控制，在实际应用中主要采用两种方式。

一种方式是，当调速器一次调频动作后，将输出一次调频动作信号给计算机监控系统，监控系统收到该信号后就退出功率闭环控制，切换到功率跟踪方式。

当调速器一次调频动作完成后，输出一次调频动作完成信号给计算机监控系统，此时，监控系统可以根据该信号重新投入功率控制闭环。

另一种方式是，当调速器在启动一次调频功率控制后，自己屏蔽来自监控系统的功率控制信号，待一次调频动作完成后，撤销屏蔽功能。

这两个方式都可以有效解决一次调频过程中功率调节控制权紊乱的问题。

5.2防止一次调频误动水电机组并网运行后，必须投入一次调频。

一次调频的动作源是调速系统所测到的频率信号，因此机组频率信号的测量必须准确，而且精度要求较高。

但是，水电厂电磁环境复杂，特别是地下厂房，电磁环境更加恶劣。

由于调速器控制柜周围有一些大功率设备，导致调速系统测频模块受到的电磁干扰比较严重，会出现高频谐波。

虽然干扰产生的时间可能非常短，如果一次调频没有采用误动作判断的处理，很容易引起频率超过死区，一次调频动作，导致瞬间机组功率的大幅度波动。