燈泡貫流式機組參與調頻輔助市場后運行情況分析

陳國青

（廣西廣投橋鞏能源發展有限公司，廣西 來賓 546503）

0 引言

調頻輔助服務是指發電機二次調頻備用中能夠通過自動發電控制裝置（AGC）自動響應區域控制偏差（ACE）按照一定調節速率實時調整發電出力，滿足ACE控制要求的服務，其調節效果通過調頻里程衡量[1]。橋鞏水電廠位于紅水河下游廣西壯族自治區來賓市遷江鎮境內，為紅水河十級梯級水電站中的第九級，安裝了8臺單機容量為57 MW和1臺24 MW的燈泡貫流式發電機組，總裝機容量為480 MW，屬于大型燈泡貫流式機組。根據《南方區域電力并網運行管理實施細則》中“單機容量20萬kW及以上火電機組、單機容量4萬kW及以上非徑流水電機組和全廠容量10萬kW及以上水電機組應具有自動發電控制（AGC）功能?！币幎?，橋鞏電廠從2020年12月底完成AGC相關試驗并開始按照《南方區域調頻輔助服務市場試運行方案》要求，參與調頻輔助服務市場。本文以橋鞏電廠為例，對參與調頻輔助市場后運行情況進行分析，并給出優化建議，為機組安全穩定調控運行提供參考依據。

1 AGC考核分析

1.1 技術要求

自動發電控制（AGC）主要任務是在滿足電力系統及水電廠和機組運行安全約束條件的前提下，以安全、迅速、經濟的方式自動控制水電廠的有功功率，滿足系統對電站的發電需求，實現水電站的經濟運行[2，3]。在《南方區域電力并網運行管理實施細則》中要求，水電機組AGC的響應時間應小于20 s；常規水電機組標準調節速率為額定容量的20%/min；AGC調節精度不超過1%；在《南方電網自動發電控（AGC）技術規范》中規定了更細致的技術要求，可調容量宜為額定容量的80%以上，一般不應小于額定容量的60%；響應速率為額定容量的20%/min以上；調節的響應延時和反向延時時間都不應該大于30 s；AGC調節精度要求靜態偏差不應大于1%。動態偏差不應大于5%[4-6]。

1.2 電廠AGC試驗情況

橋鞏電廠于2020年9月左右開展了AGC相關試驗，主要進行了單機、多機AGC現地閉環性能測試，AGC與一次調頻聯合測試和單機、多機AGC調度閉環性能測試等試驗，限于篇幅，只列出部分機組試驗數據如表1和表2。

表2 6號機組反向延時測試記錄表

試驗結果表明，其中2號、3號、4號、6號、8號機調節速率達到《南方電網自動發電控制（AGC）技術規范》建議增減負荷的調節速率為額定容量的50%/min以上要求，其他機組的安全、控制邏輯功能與性能指標均滿足《南方電網自動發電控制（AGC）技術規范》要求。

圖1 6號機組AGC大負荷階躍測試曲線

圖2 6號機組一次調頻與AGC協調控制曲線

1.3 AGC考核分析

根據AGC試驗結果可以看出，橋鞏電廠AGC的三大性能指標即調節速率、調節精度和調節時間，均能滿足《南方區域電力并網運行管理實施細則》要求，但是在AGC實際投運后卻經常遭“兩個細則”系統考核，特別是調節速率不合格次數居多。表3是2023年7月其中1個星期橋鞏電廠全廠AGC合格率情況統計。根據南方電網“兩個細則”技術支持系統中有關考核算法介紹可知，考核系統根據PLC調節指令記錄文件去獲取調節起始時刻的有功值P0和目標出力Pe,然后根據P0和Pe判斷是升出力還是降出力，并記錄調節起始時刻t0[8]。以15 min為一個時段，一個時段存在多條指令，則取調節幅度大的指令評價，如果調節幅度一致，則取時間晚的指令。

表3 AGC合格率統計表

第一步：計算出理論的響應死區值和調節死區值。

式（1）和式（2）中Splc為機組額定容量。

第二步：計算出理論調節時間。

第三步：理論調節完成時間。

第四步：計算響應時間、調節速率和調節精度。

響應時間是指AGC系統發出指令之后，機組出力在原出力的基礎上，可靠地跨出與指令方向一致的響應死去所用時間。計算公式：

調節速率是指機組在AGC指令方向，出力越過響應死區到進入調節死區這段時間的速率。計算公式為:

調節精度是指機組實際出力和目標值的誤差與開機機組容量的百分比。這里要分為兩種情況，第一種情況：在理論調節時間內實際出力到達調節死區，如圖3所示。計算公式為：

圖3 理論調節時間內完成調節

第二種情況：在理論調節時間內實際出力未到達調節死區，如圖4所示。計算公式為：

圖4 理論調節時間內未完成調節

圖5 3號機組導水機構鋼珠破碎

圖6 8號機轉子聯軸螺栓及銷釘發生松動斷裂

以橋鞏電廠分析為例，監控調節死區為0.8 MW左右，按上述公式計算考核系統調節死區為0.5 MW左右。當現地上位機監控已經調節結束，但是由于未到達考核系統的調節死區，考核系統程序就會認為調節還在繼續進行，導致計算得出的調節結束時間遠滯后于實際結束時間,從而使計算得出的調節速率遠小于實際調節速率。同時因采取的控制策略不同，AGC調節還受到一次調頻的影響，在開度模式下，當機組同時接到一次調頻功能指令與AGC指令時，按照南網調度規定，電廠一次調頻和AGC功能應協調配合，互不影響，出力變化應該是二者疊加的效果，如果機組調速機構不能同時執行一次調頻和AGC功能實現調節量疊加，AGC指令優先動作，在AGC執行該指令到位后出現一次調頻復歸動作，監控會將負荷調整至AGC目標值，這個過程也將影響AGC考核指標數據。

2 參與調頻輔助市場對機組運行影響

2.1 中標后調節頻次大幅增加

參與調頻輔助市場后，機組中標次數較多，每次中標后機組負荷變動比較大，調節頻繁，來回穿越機組振動區運行。從表4中可以看出，中標后單日單時段調頻里程最大可達1 414 MW，單日AGC動作次數達1 219次，而之前未投入AGC運行時，機組當日負荷變動僅18次。后期橋鞏電廠改變策略，調高中標價格到最高價格，盡量減少中標次數，但是如果當運行日出現因電力平衡緊張、斷面約束矛盾嚴重等影響調頻市場正常出清的情況，市場運營機構會根據電網實時備用等情況采取調用未中標發電單元等措施，未中標電廠仍然會參與調節。

表4 橋鞏電廠參與調頻輔助市場前后當日AGC動作次數對比表

2.2 對機組主機設備影響

機組頻繁參與AGC調節對水輪機和發電機各部套產生了較大影響，主要表現為以下三個方面，一是活動部件軸承磨損加快（導葉軸承，連桿軸承，接力器軸承，葉片軸承，葉片傳動機構軸承，受油器軸承等），軸承磨損后，間隙增大會導致機組的振動、擺度增加，加劇機組的損傷；二是貫流機組通常為臥式結構，軸承受力狀態較差，同時雙調（槳葉、導葉）運行，AGC運行導致機組損傷的風險較常規機組（混流）大很多，容易導致緊固部件松動，加速轉動部件的疲勞損壞；三是機組負荷頻繁調節，發電機內部的熱循環將加速定子線棒絕緣的老化，尤其對貫流機組，發電機冷卻的均勻性比立式機組差，普遍存在局部溫度高的現象，縮短了定子繞組的使用壽命，同時轉動部件緊固件的松動，可能會造成定子線棒損傷。

橋鞏電廠參與調頻輔助市場一段時間出現了一系列問題，在檢修期發現1號、5號、6號機組轉輪部件均發現裂紋；3號、8號機組連軸螺栓斷裂；3號、4號、7號機組導水機構控制環偏磨及操作卡組。

2.3 原因分析

機組運行水頭變動較大，導致機組運行效率會在最優工況到最惡劣工況之間變化，尤其是在主汛期，受到上游水庫的汛限水位和下游泄洪導致水位太高的雙重影響，偏離額定工況運行，機組振動嚴重。

過度穩定性差。貫流式機組轉動慣量較小，通常為立式機組的30%~50%，因此在外部機械的阻力發生改變時，將直接對機組的轉動角加速度造成影響，即不同種類的機組受到同一個外部擾動時，貫流式機組的轉動慣量偏小，而調整的變量要比其他機組大?？蓞⒖脊剑?/p>

其中P為載荷大小，M為部件質量，θ為載荷頻率。

動態調節振動大。因為其整體“懸浮”在過水流道上，燈泡體受到水的浮力、沖力及水錘、漩渦等流水產生的壓力，并且在不同的生產工況下還會產生機械扭矩、電磁力、正向反向的水推力作用，易形成較大的水力振動和機組振動。

3 結語

（1）針對大型燈泡貫流式機組參與AGC調節后頻繁被考核情況，橋鞏電廠可以優化AGC調節程序，比如適當改變監控調節死區，使其與考核系統上調節死區保持一致；對于因一次調頻動作復歸引起AGC調節性能指標不合格情況，可以在監控上做一個一次調頻動作復歸延時判斷指令，超過該時間，監控才會開始將負荷調整至AGC目標值，防止因一次調頻動作復歸引起AGC調節被考核。

（2）大型燈泡貫流式機組不應當作持續的負荷調節，在運行的過程中應盡量避免此種類型的機組進行長時間的參與到系統的動態化控制中，建議退出輔助調頻市場。