碗米坡水电厂1号机功率调节模式的改进研究

皮海波，李靖沙，侯 锐

（1.五凌电力有限公司碗米坡水电厂，湖南 保靖416500；2.五凌电力有限公司集控中心，湖南 长沙410213；3.北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

1 电站概况及机组主要参数

碗米坡水电厂位于湖南省保靖县境内的酉水河中游，装有3台80MW的混流式水轮发电机组，为坝后式电站，1号机于2004年2月正式投入运行，2、3号机于2004年8月正式投入运行。主要技术参数见表1：

表1 机组主要技术参数

2 问题的提出

2016年初结合1号机A修，我厂对监控系统与调速器系统同时进行更新改造。1号机调速器原来采用“步进电机+主配”形式，改造后为系凌公司首台使用“高速开关阀+逻辑插装阀”结构形式的调速器；该台机组调速器采用直接功率给定的功率闭环调节模式作为主用方式，即监控系统只需直接下发功率目标值至调速器，由调速器自行实现闭环调节；而常规的脉宽调节模式（即开度调节）作为降级运行模式，只有当功率信号故障时，才降级为脉宽控制方式；这也是五凌公司所属水电厂首次实现直接功率给定闭环调节的机组，具有一定的探索与开创意义。值得指出的是，功率模式下运行可以做到一次调频与AGC的有机统一，充分发挥水电机组一次调频能力，这对抑制电网频率波动，实现安全稳定运行有着重要意义。

经一段时间初期运行后发现，1号机组AGC调节指标有时达不到华中电网两个细则的要求，电厂多次受到两个细则的考核，有损电厂发电经济效益，亟待解决。

3 缺陷分析及处理研究

3.1 缺陷基本情况

针对1号机AGC被考核现象，专业人员对华中电网两个细则实施内容进行全面学习与理解，重点摘出AGC考核方面指标，并进行全面梳理；现场实际记录统计新监控系统中1号机AGC调节数据，并对照AGC考核指标分析研究，以便确定解决问题方向与步骤。

查看华中电网两个细则AGC考核，版本众多，多次咨询五凌公司集控中心与湖南电网公司中调、电科院等相关单位，答复结果略有出入。本着实事求是精神，根据两个细则查询网下载每日AGC考核数据，认真分析数据，多方求证，最终确定现行AGC考核指标为（以我厂单台机80 MW为例）：调节负荷变化率为40%额定容量，即调节速率须大于32 MW/min；调节精度为±3%额定容量，即调节稳态偏差值须小于±2.4 MW，具体对照湖南省中调每日发布的AGC考核数据表格：AGC调节日平均速度须大于40%，调节精度须小于±2.4 MW。

经过多次抽样分析中调每日发布的AGC考核数据表格，我厂AGC调节精度基本满足要求，很少为此指标受到考核，主要是调速器调节负荷速度较慢，日调节平均速度低于40%造成考核。表2为两个细则考核平台发布的我厂AGC一日考核数据情况，其中2016年3月19日的日平均调节速度为38.67%，接近40%，但是仍不合格，故被考核，但考核量较少，为2 000元；2016年3月20日的日平均调节速度为39.87%，也接近40%，考核量为1 000元。

表2 两个细则AGC每日考核数据

3.2 1号机AGC单独运行时现场数据分析与研究

单开1号机AGC运行，调速器分别置于功率调节模式、开度调节模式下均存在被考核现象，由于功率模式为主控方式，故以下以功率调节模式为例记录现场数据，展开分析与研究。

由于接近主汛期，向中调申请试验时间较短，具体为4月5日、6日两天，为顺利在申请的试验时间内更好地优化完善1号机AGC调节性能，赶在申请处理试验进行前，电厂尽量申请单开1号机，并于3月19日、20日两天，由专业人员现场实测1号机AGC调节数据，对数据进行分类分析，比对华中电网两个细则下载考核情况，查找问题成因。

3.2.1 1号机AGC调节精度数据统计

调节精度即功率稳态偏差值，ΔP∞=下发功率目标值-功率稳定值，根据表3、表4所列的部分统计数据，功率稳态偏差值很少超出1 MW，说明调节精度完全满足要求。对比中调对该两日AGC统计的考核数据，日平均调节精度值分别为表3：1.99%，、表4：2.3%，均满足调节精度小于±3%额定容量要求，即小于±2.4 MW；故调节精度不是AGC被考核原因。

表3 新监控系统AGC调节过程数据（2016年3月19日）

3.2.2 1号机AGC调节响应过程数据分析

（1）根据表3、表4的现场数据统计与计算，新监控系统统计数据计算结果为：19日平均速度为38.67%，20日平均速度为39.87%,数据均与中调下发数据基本一致，证明现场测试与两个细则中调的软件测试相符，现场测试方法可行。这些汇总数据表明，调速器在直接功率给定的功率闭环调节模式下，对AGC的响应速率达不到两个细则要求，故经常存在被考核现象。

（2）对每条数据反复单独分析比较，最终找出一条规律：一次负荷调整幅度大于15 MW时，调节速度基本满足要求；小于15 MW时，调节速度往往不满足要求，一次负荷调整幅度越小，得出的调节速度越慢。

综上所述，AGC调节投入，1号机处于“功率调节”模式下，调节精度可以达到中调要求，AGC给定负荷在小负荷范围内变化时，调节速度往往达不到要求。若小于15 MW的小幅负荷调节次数越多，造成全厂日平均调节速度降低，增加全厂AGC考核的可能性。

表4 新监控系统AGC调节过程数据（2016年3月20日）

3.3 AGC缺陷处理研究

3.3.1 提高AGC调节速率的基本思路

在功率模式条件下，控制过程的基本原则为：同时保证功率PID调节的速动性和稳定性，既满足调速系统对调节速率的要求，同时也要满足稳定性的要求，避免出现小负荷偏差时的低频振荡或拉锯，且稳态误差小。

根据对上述功率调节过程数据的综合分析对比，经讨论甄别，形成了功率模式PID参数优化控制策略的基本思路：

（1）大功率偏差调节算法：当机组功率目标值与功率实发值的差值ΔP=Pref-PE超出±25%时，采用较小PID参数，以保证调节过程的稳定性与快速性；虽然此时调节参数偏小，但由于功率偏差较大，故调节器依然可以保证较快的积分速率。

（2）小功率偏差调节算法：当机组功率目标值与功率实发值的差值ΔP=Pref-PE在±18%以内，则采用较大PID参数，以保证较快的积分速率，从而加快调节趋于稳定区间的速度及调节精度。

（3）考虑调节参数平滑切换：当功率偏差ΔP介于±18%～±25%之间时，切换至中间的PID参数，以同时兼顾调节稳定性与快速性、不出现超调。

（4）适当增加随动系统综放环节的比例与微分增益，以提高接力器响应的灵敏度与快速性，进而加快功率调节速率。

3.3.2 单开1号机、退AGC，PID参数优化调整

针对以上思路，电厂向中调申请单开1号机、退出AGC运行，制定的相应组织措施、技术措施，于4月5日、6日进行试验。并由专业人员在现地分别给定不同的功率目标值，根据调速器调节情况，对调速器“功率调节”模式的内部程序与参数进行修改，调整调速器功率模式下比例增益KP、积分增益KI参数值、随动系统综放环节增益，重点是KI与随动系统综放的调整，在不同负荷水平下进行试验验证，重复以上步骤，最终选出最优功率调节参数值的组合，并保证选用的参数在水轮机不同工作点都处于稳定域内。既能满足调节速率，也能满足调节精度，还要保证不出现大的超调与拉锯。在最优参数整定下，对负荷调整情况进行录波，观测到波形稳定、呈单调变化，调节速度满足要求，这表明，所选PID调节参数，能达到预期的控制效果，具体抽样调节波形与调节数据如图1、表5所示。

3.3.3 单开1号机、投AGC，验证功率调节过程

4月6日，我们把4月5日优化后的调节参数选为整定值，单开1号机、投入AGC运行，由专业人员现场实测1号机AGC调节过程数据，验证调节精度、调节速度、调节稳定性。所有AGC考核数据均满足中调要求。具体抽样调节波形与调节数据如图2、图 3、表 6 所示。

图1 参数优化后调节过程波形1（2016年4月05日）

表5 参数优化后AGC调节过程数据记录（2016年4月5日）

图2 参数优化后调节过程波形2（2016年4月06日）

图3 参数优化后调节过程波形3（2016年4月06日）

表6 参数优化后AGC调节过程数据记录（2016年4月6日）

应当指出，从图2、图3所反映的平均调节速率几乎在80%/min附近，而表6反映的平均调节速率仅为52%/min，前者远大于后者，这是由于录波图是在调速器中提取的，反映的是调速器自身的调节速度，而表格数据来源于监控系统AGC数据的统计，其时间起点是调度发令的时刻，自调度至监控系统，再从监控系统发令至调速器，中间要耗去一定时间，这对调速器而言是无谓的等待时间，但也要算到调速器头上，其实这种考核规则对调速器很苛刻；故在整定功率调节参数时，要求调速器自身的调节速率比AGC考核值高出一定的裕度，才能满足调度考核要求。

4 结语

（1）我厂1号机水轮机调速器改造后，采用了直接功率给定的功率闭环调节模式作为主用方式，这在五凌公司所属电厂为首例，从初期运行情况看，大幅度功率调节很容易满足调度对于AGC的考核要求，但小幅度功率调节速度折算后偏慢，有时难以满足调度考核要求。为此我们进行了大量工作，经仔细分析研究，采用基于偏差切换的变PID参数优化控制策略，并适当提高随动系统速动性，解决了AGC调节速度问题，保证电厂发电经济效益。

（2）从1号机一系列的功率响应过程分析，在保证调节稳定的前提下，还有进一步提高功率模式调节速率的空间，但过快的调节速度将造成反水锤及功率反调，且易加剧导水机构、接力器等部件的额外磨损，经折中考虑，本次功率调节完善工作以满足调度考核要求作为基本目标，不单纯追求过快的调节速率。

（3）本文的思想方法对于受类似问题困扰的功率模式下调节系统性能优化具有普遍的启示与借鉴意义。