李正家

（重庆大唐国际彭水水电开发有限公司，重庆市彭水县 409600）

带阻抗自适应的AVC控制策略在大型水电站的应用

李正家

（重庆大唐国际彭水水电开发有限公司，重庆市彭水县 409600）

维持各枢纽点电压在最佳给定值是电力系统运行优化的重要目的。在水电厂，自动电压控制是维持升压站母线电压在最佳给定值的主要方式，常规自动电压控制主要考虑了发电机的电压、电流、有功、无功及升压站母线电压等安全约束条件。本文叙述了在此基础上，增加了计算系统阻抗作为自动电压控制的补充约束条件，实现了自动电压控制带阻抗自适应的功能。通过静态测试及实际运行，发现在电网负荷异常波动的情况下，带阻抗自适应的AVC控制策略能更好地确保电网的安全稳定运行。

自动电压控制;阻抗自适应;水电站

0 引言

在电力系统中，电压是表征电能质量的主要指标之一。电压是否合格，将直接影响到电网安全稳定运行。随着电网规模的日益扩大，通过电厂运行值班人员根据其运行经验和简单的逻辑判断、人工手动进行无功电压控制的调节模式已经很难满足大电网安全、稳定、经济的运行要求。

2010年5月，华中网调通知要求，自动电压控制需具备不同电网运行方式下的系统阻抗自适应功能，即根据电网系统运行方式变化，自动电压控制（A VC）系统实时、自动计算出接入电网系统的阻抗值，依据此阻抗值AVC系统做出相应的判断，从而确保 AVC 调整正确。

彭水水电站是乌江干流上的梯级电站之一，地处重庆电网东南部，是重庆电网在役的最大水电站，也是重庆电网重要的水电电源点。电站共安装有5台单机容量350MW的水轮发电机组，总装机容量1750MW，在重庆电网中起着调峰、调频、事故备用等作用。发电机—变压器为单元接线，双母线联络运行，电力负荷通过500kV升压站的两条出线送往距离约16km的张家坝变电站。彭水水电站计算机监控系统上位机采用南瑞自控公司开发生产的NC2000系统软件，励磁系统采用南瑞电控公司开发生产的NES5100励磁调节器。

1 自动电压控制

自动电压控制是指按预定条件和要求自动控制水电厂母线电压或全电厂无功功率的技术。在保证机组安全运行的条件下，为系统提供可充分利用的无功功率，减少电厂的功率损耗。

1.1 自动电压控制原理

（1）水电厂无功负荷模型。

目前国内普遍采用灵敏度分析法来计算调节母线电压所需的无功变化量[1]。由此可知，

第i回无功负荷对母线电压的灵敏度系数KQVi：

总的无功负荷对母线电压的灵敏度系数KQV：

消除水电厂母线电压偏差各机组所需增发的总无功功率ΔQm：

式中：Umref——电厂母线电压设定值；

Um——电厂母线电压实际值。

消除母线电压偏差，所需注入母线的总无功功率QmΣ：

由以上各式可以看出，各机组增发的总无功功率与母线电压偏差值存在KQV倍。

（2）自动电压控制调节过程。

重庆市调通过调度D5000系统下发升压站母线电压遥调信号至彭水水电站，在电站调度通信服务器和AVC工作站计算后，按照市调给定的母线电压对全厂无功进行分配，通过控制机组现地控制单元并调节励磁系统的励磁电流，达到调节发电机机端电压的目的，从而使升压站母线电压维持在给定水平。图1为AVC控制拓扑图。

1.2 彭水水电站AVC控制

（1）调度AVC控制模式。

按照重庆电网统一要求，彭水水电站调度AVC控制模式采用调度给定升压站母线电压增量的定值方式，通过AVC工作站计算后对全厂无功进行分配，使升压站母线电压维持在给定水平。

当升压站母线电压在正常范围内时，AVC按照正常的调压系数进行调节，如式（5）所示：

式中：QAVC——全厂无功AVC分配值；

QACT——当前实发无功；

图1 AVC控制拓扑图

ΔV——实际母线电压与给定电压值偏差；

KVNOR——母线电压在正常电压值范围内的调压系数；

当母线电压在正常范围以外时，AVC按紧急调压系数进行调节，如式（6）所示：

式中：KVEMG——母线电压在正常电压值范围外的紧急调压系数。

（2）母线电压下达方式。

为使调节过程更加安全平稳，重庆电网AVC主站系统采用增量方式下发电压控制指令。主站系统下发的遥调指令编码为4位整数：千位表示调节增减方向，2表示上调，1表示下调，其他数值认为是通信错误；百位是计数器，从1～5循环，主站每次下发命令时保证该位与上次命令不同，电厂AVC系统每次保存上次命令值，如果发现新的遥调值的百位与上次不同，认为收到新的命令；如果百位数值不在1～5范围内，认为命令非法。如果15分钟内没有收到新的命令，认为主站AVC退出，电厂AVC自动切换到本地运行；十位和个位数表示电压调节增量，如“08”表示增量为0.8kV。一般情况下一个调度周期（5分钟）的电压调整量不超过1kV，即十位个位的最大数值为“10”。举例：比如电厂AVC收到遥调指令为2109，表示目标电压设定值在电厂高压母线当前电压水平上调0.9kV，而收到1306，表示目标电压设定值在电厂高压母线当前电压水平下调0.6kV。

1.3 计算机监控系统与励磁系统的关系

（1）与励磁系统的关系。

在AVC功能投入后，电站AVC子站接收电网调度主站的电压（或者无功功率）指令，在充分考虑各种安全约束条件后，自动电压控制系统估算出电站内机组总的无功功率，并按照一定的原则合理地分配至每台机组，由计算机监控系统机组现地控制单元的PLC输出增励磁、减励磁信号至励磁系统，再由励磁系统调节机端电压（或无功功率），从而实现对母线电压的调节，使升压站母线电压保持在电网要求的范围内。

（2）与欠励、过励限制的关系。

为保证机组的安全稳定运行，无功功率的上限和下限都需在励磁系统的欠励限制、过励限制曲线以内，否则将自动退出AVC功能。为保证机组无功功率不超出允许范围，在计算机监控系统NC2000的软件组态中，将此策略写入了AVC软件脚本程序中，即AVC无功功率上限QAVC上限为150MVar，小于过励限制值；无功功率下限QAVC下限大于欠励限制值，有如下关系：

式中：P——发电机有功功率。

1.4 相关条件

彭水水电站AVC方式采用等比例分配方式。在满足①无机组投入AVC；②母线电压越故障上限；③母线电压越故障下限；④全厂有事故；⑤与调度通信异常；⑥上下位机通信故障等条件时，AVC自动退出。

在出现①机组机端电压越上限；②机组机端电流越上限；③转子电压、转子电流越上限；④无功功率越上限等情况时，AVC对远方设置进行限制，闭锁增磁出口。

在出现①机组机端电压越下限；②无功功率越下限等情况时，AVC对远方设置进行限制，闭锁减磁出口。

此外，根据电网实际运行情况，调度每个季度下达的母线电压上限、下限不尽相同，为确保电厂内升压站母线电压的调整方便，彭水水电站在AVC控制画面中增加了母线电压上限、下限的设置窗口，方便运行人员根据电网要求随时调整，同时也确保母线电压在其上限、下限之间运行。

2 阻抗自适应

根据华中网调“关于转发河南省调‘开展省调直调电厂无功电压就地自动控制装置排查工作’的通知”要求，自动电压控制需具备不同电网运行方式下的系统阻抗自适应功能。即要求自动电压控制具备阻抗自适应功能，以确保电网的安全稳定运行。

2.1 总体策略

基于电厂侧，电网不同方式下系统阻抗X计算方法[2]如式（8）所示：

式中：V+——本次计算系统阻抗时母线电压；

V-——前一次计算系统阻抗时母线电压；

Q+——本次计算系统阻抗时母线送出的总无功功率；

Q-——前一次计算系统阻抗时母线送出的总无功功率。

彭水水电站AVC控制中，每个AVC运算周期均计算系统阻抗X，当发现本周期计算值与上周期计算值变化过大时，则判定电网结构发生改变，进而将AVC控制中的调压系数作自适应处理或闭锁AVC功能，同时报警。具体策略为：本周期系统阻抗计算值与上周期计算值相比，超过100%时则将调压系数减半，同时报警“系统阻抗发生变化，调压系数减半，请注意！”；如超过150%则将全厂AVC功能切开环，同时报警“系统阻抗剧烈变化，全厂AVC功能切开环，请注意！”，待运行值班人员确认系统已恢复正常后，人为再将AVC调压系数设置为正常值。

2.2 相关配置

根据总体策略，考虑AVC运行过程的安全性，彭水水电站AVC阻抗自适应功能进行了如下方面的配置。

（1）画面上增加阻抗功能投/退开关，投入则正常计算阻抗并采取相应控制策略，退出则阻抗功能失效；

（2）全厂AVC功能退出时，不再自动计算系统阻抗值；

（3）AVC控制画面上增加系统阻抗X（当阻抗功能不计算时，画面上显示阻抗值为0）、正常调压系数及紧急调压系数的数值显示界面；

（4）画面上增加正常调压系数和紧急调压系数这两个参数设值按钮；

（5）当母线电压设定值与实测值之差在2倍AVC电压调整死区内，或当母线电压前后两次值之差在2倍AVC电压调整死区内，或当全厂无功前后两次值之差在16Mvar之内，不再计算系统阻抗值，也不再采取相应控制策略，避免无功/电压小幅波动时系统阻抗计算不准确而导致AVC误调整；

（6）阻抗计算值一律取绝对值；

（7）当调压系数低于最小值2时，则不再继续减小。

3 阻抗自适应功能调试

为不影响电厂正常运行，将1号操作员站配置成AVC主机，由调试笔记本配置成操作员站，用网线直接相连，构成独立的孤网环境进行调试。同时用程序模拟电压和各机组的无功变化，以及模拟测试各种功能计算和闭锁条件。表1模拟测试了阻抗功能的闭锁及计算条件，表2模拟测试了母线电压及机组无功功率变化的情况下计算的系统阻抗值。

表1 阻抗闭锁关系测试数据

表2 阻抗静态测试数据

4 案例应用

目前，彭水水电站自动电压控制已运行数年，AVC投入率大于98%。运行期间，曾出现数次系统阻抗突变的报警信号，皆正确反映了系统的实际运行情况。

某日，电厂计算机监控系统简报窗口报“系统阻抗发生变化，调压系数减半，请注意!”“AVC进入紧急电压调节”等信号，电话询问电网调度侧，告知系统有功负荷有超过约100MW的波动。当时电站为3号机组单机运行，总有功功率约281MW，总无功功率约-26Mvar。查询计算机监控系统历史数据，发现在电网此次负荷波动的情况下致电站侧有功功率波动约44MW（见图2），无功功率波动约72Mvar（见图3），母线电压波动约15kV（见图4）。

图2 有功功率变化曲线

图3 无功功率变化曲线

图4 母线电压变化曲线

本次系统阻抗突变情况，自动电压控制进行了正常的报警及动作，使调压系数进行了减半，如果系统阻抗继续波动，则自动电压控制系统将自动退出，不再自动进行电压的调节，而改为由运行人员根据实际需要进行手动调节来满足电网的相关要求。

5 结束语

通过分析华中网调有关自动电压控制需满足阻抗自适应的文件要求，制定了带阻抗自适应的AVC控制策略，在模拟测试时，阻抗自适应功能正常；正式投运后，发生过数次电网阻抗突变的情况，阻抗自适应功能判断正常，AVC控制动作正常。理论与实践证明，带阻抗自适应的AVC控制策略在电网阻抗发生突变的异常情况下能更好地确保电网的安全稳定运行。

[1]方辉钦.现代水电厂计算机监控技术与试验［M］.北京：中国电力出版社.2004.

[2]刘小力，甘成勇.电站AVC控制设计与实现［J］.水电自动化与大坝监测.2010.34（24）.

[3]高苏杰.抽水蓄能的责任［J］.水电与抽水蓄能，2015，1（1）：1-7.

李正家（1980—），男，工程师，主任助理，主要从事大型水电厂自动化设备管理工作。E-mail：cqlzj@163.com

Application of Adaptive Impedance AVC in Large Hydropower Station

LI Zhengjia
（Chong Qing Datang International Pengshui Hydropower Devlopment Co.，Ltd.Pengshui 409600，China）

Maintain the voltage of the hub node in the best given value is an important objective of optimal operation in electric power system，In hydropower plant，AVC is the main way to maintain the bus voltage of booster station in the best given value，the conventional AVC considers some security constraints，such as the voltage，current，active power，reactive power of the generator and the bus voltage of booster station.On this basis，this article increases impedance of electric power system as a supplementary condition，and achieves adaptive impedance function of AVC.Through the static test and the actual run，it is found that this strategy is a better way which can ensure the power grid run more safely and stably.

AVC；adaptive impedance；hydropower station