水电厂自动发电控制系统AGC

3 水电厂自动发电控制系统（AGC）
目录
3 水电厂自动发电控制系统（AGC） (1)
3.1 水电机组的类型与响应特性 (1)
3.1.1 水电机组的类型 (1)
3.1.2 各型水轮机的特点 (2)
3.1.3 水电机组的响应特性 (4)
3.2 水电厂有功调节系统 (5)
3.2.1 有功功率给定方式 (5)
3.2.2 水轮机调速器系统 (5)
3.3 水电厂全厂负荷控制策略 (10)
3.4 水电厂AGC 控制对一次设备的影响 (12)
3.5 本章小结 (12)
3.1 水电机组的类型与响应特性
3.1.1 水电机组的类型
水电机组是由水轮机和发电机等组成的，发电机的响应特性比水轮机的响应特快得多，因此水电机组的响应特性主要取决于水轮机的响应特性。

近代水轮机分成两大类：反击式和冲击式，如图3-1所示。

在转轮内转换成固体机械能的水流能量形式是位能、压能和动能的水轮
机，称为反击式水轮机。

在这种水轮机中，从转轮的进口至出口水流压力是逐渐减小的。

转轮中的水流具有大于大气压的压力，充满全部流道。

根据转轮区域水流运动方向的特征，反击式水轮机又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式等不同型式。

在转轮内转换成固体机械的水流量形式仅仅是动能的水轮机，称为冲击式水轮机。

在这种水轮机里水流沿转轮斗叶流动过程中压力保持不变（一般等于大气压），具有与空气接触的自由表面，转轮不是整周进水。

根据转轮的进水特征，冲击式水轮机又可分为水斗式、钭击式和双击式等不同的型式。

图3-1 近代水轮机类型
3.1.2 各型水轮机的特点
1）混流式水轮机
混流式水轮机又叫法兰西斯水轮机。

水流沿径向进入转轮，然后大体沿轴向自转轮流出。

混流式水轮机由于应用水头适合多数地区的需要，以及结构简单、运行可靠且效率高，是现代应用最广泛的一种水轮机。

在我国已建水电站中混流式水轮机采用最多。

例如（单机容量）：二滩550MW、瀑布沟（600MW）等。

2）轴流式水轮机
轴流式水轮机转轮区域的水流是沿轴向流动的，水流在导叶至转轮之间转为轴向，然后进入转轮。

根据转轮桨叶在运行时是否可以转动，轴流式水
轮机分为轴流定浆式和轴流转浆式（又称卡普兰式）两种。

轴流定浆式水轮机在运行时其转轮浆叶固定不动，制造简单，但它处于高效区的流量和出力范围远较混流式窄，当离开高效区运行时效率急剧下降。

因此，这种水轮机多用于功率不大和水头变化幅度小的水电站。

目前它的应用水头一般为3～50 米。

轴流转浆式水轮机在运行时其转轮浆叶可以转动。

由于桨叶的转动与导叶的转动相配合，实现流量和出力的双重调节，使其高效区的流量和出力范围显著扩大，并提高了它的运行稳定性。

凡水头变化大的中低水头电站，多采用轴流转浆式水轮机。

3）斜流式水轮机
斜流式水轮机转轮区域的水流是斜向流动的。

由于转轮叶片可以转动而实现双重调节，它象轴流转桨式，处于高效率区的流量，出力范围大。

又因叶片轴线与水轮机轴线斜交，它象混流式，可比轴流式装较多的的叶片（一般为8－12 片），应用水头为30～200米。

该水轮机除了转轮和转轮室有其独特的形状结构外，其余部件完全和混流式水轮机相同，导水机构为辐向式，这样的布置使结构趋于简单。

经实测证明，斜流式水轮机可以在比较宽的负荷范围内稳定运行，有较高的平均效率，然而由于该电站两台机容量小，在系统中担任基荷，不能充分发挥作用。

而其缺点却相当突出，如结构复杂，可靠性低，容易漏油而造成污染，在吸出高度Hs＝－8m条件下运行，其空蚀现象仍比较严重，后来把转轮和转轮室改为不锈钢材料后，空蚀破坏才有所改善。

由于斜流式水轮机在与混流式或轴流式水轮机的比选中无显著特点，因此，在全国的水电设计中很少采用。

4）贯流式水轮机
这是一种流道呈直线状的卧轴水轮机，其转轮与轴流式相似，可作成定桨和转桨两种。

贯流式水轮机的主要优点是：水流基本上沿轴向，不转弯，提高了效率和过流能力；由于流道外形象管子且主轴卧置，可缩短机组高度、间距和简化厂房水工结构，减少土建工程量。

贯流式水轮机适用于水头25 米以下的低水头电站。

目前常用灯泡贯流式、竖井贯流式和轴伸贯流式，其中灯泡贯流式应用最普遍。

5）水斗式水轮机
水斗式水轮机又称培尔顿水轮机，其特点为从喷嘴出来的射流是沿转轮圆周切线方向冲击在斗叶上作功的。

小型水斗式用于水头40～250 米。

大型水斗式用于水头在400－450米以上的水电站。

6）双击式水轮机
双击式水轮机在工作时，来自喷嘴的水流首先从转轮外周进入叶片流道，大约70～80％的水流能量变成转轮的机械能，然后离开流道穿过转轮中心部分的自由空间，第二次从内周进入叶道，剩下的20～30％的水流能量，再转变为转轮的机械能。

最后水流由转轮外周泄走。

双击式水轮机结构简单，但效率低，用于小型水电站，适用水头10～150 米，出力达到300 千瓦。

7）斜击式水轮机
在斜击式水轮机中，由喷嘴出来的射流不是沿着切向，而是沿着与转轮旋转平面成某一角度（大约22.5°）的方向，从转轮的一侧进入斗叶，再从另一侧离开斗叶。

斜击式适用于水头50～400 米，主要用于混流式与单嘴水斗式均不适宜的水头和出力范围。

我国高水头、大容量的水电能源点开发甚少，冲击式（包括水斗式、双击式、斜击式）水轮机选用不多。

3.1.3 水电机组的响应特性
水电机组的响应特性包括有功功率响应特性和无功功率响应特性。

无功功率的调节过程无机械环节，惯性小，且调节精度指标宽。

例如新安江水电厂无功功率调节，要求220kV 母线的电压保持在244kV 至204kV 范围内，其技术指标是比较宽松的。

因此调节过程很快，一般无功功率突变量试验测得均在十几秒钟内调节结束。

有功功率的调节是通过调速器改变导的叶开度，控制水量的变化来实现的。

由于水量的变化和导叶的开度并非是线性关系，而且由于引水管的长度引起水量变化的滞后效应，因此有功功率调节容易超调甚至发生振荡，从而延长了调节过程。

目前大部部份水电厂已将老式的调速器更新为微机型的调速器，采用PID 调节方式，调节品质大大改善。

3.2 水电厂有功调节系统
有功功率调节系统包括有功功率给定和有功功率调节两部份组成。

3.2.1 有功功率给定方式
有功功率给定方式有：调度所给定，负荷曲线给定，或通过键盘在显示器上实时设定等方式。

调度所给定电厂有功功率有二种方式，即调度所给定全厂总功率，然后由电厂监控系统分配到机组；或调度所直接给定机组功率。

采用的给定全厂总功率方式，可便于电厂根据机组的具体情况（如避开机组运行的振动区，功率上下限等）更合理地在机组间分配负荷，且容易采取适当的措施提高有功功率的调节精度。

例如，当某台机组因故不能及时响应系统的给定功率变化时，则可在调节系统程序中增加积分环节，适当选择积分速率，即可自动调整功率给定值，将功率差值转移到调节性能正常的机组上，从而满足了系统功率调节的要求，提高了系统功率调节品质。

当现地控制单元级（LCU）即机组控制器接收到机组功率设定值后，由于新型的微机调速器调节品质较好，以PID 调节方式调节机组有功率即可达到较为满意的效果。

当丰水季节水位较高时，为了防止弃水可采用负荷曲线给定运行方式，或通过键盘在显示器上实时设定等方式给定机组功率。

3.2.2 水轮机调速器系统
现代调速器的系统结构可分为调节器和电液随动系统两大部份。

（一）调节器的系统结构模式
调节器的系统结构模式主要有PC模式、双PC模式、带通信双PC模式、双PCS模式、带通信双PCS模式等。

1）PC 模式
PC 模式是指单系统模式的PC 调节器，其系统如下图所示。

f
图 3-2 PC 调节器框图
2）双PC 模式
双PC 模式是指调节器采用两套PC 而输出功放为一套，其系统如下图所示。

f
f
图 3-3 双PC 调节器框图
3）带通信双PC 模式
在双PC 模式的基有础上，使PC1 与PC2 之间实现数据通信，实现了两套PC 之间的自动跟踪，即所谓带通信双PC 模式。

其系统如下图所示。

f
图 3-4带通信双PC 模式简化系统结构图
4）双PCS 模式 在双PC 模式上再增加一套输出功放，则其输入至输出是完全独立的两套
系统，称之为双PCS 模式。

其系统结构模式的简化图如下图所示。

f
PCS1
图 3-5双PCS 模式简化系统结构图
5）带通信双PCS 模式
在双
PCS 模式的基础上，实现两系统之间数据通信双系统之间实现自动跟踪，即所谓带通信双
PCS 模式。

其系统结构模式的简化图如下图所示。

f PCS1
图 3-6带通信双PCS 模式简化系统结构图
（二）液压装置的系统结构模式
1）电-机式液压随动装置
BDY-S 型和STARS 型两种转换装置由步进电动机、液压缸和机械杆件组成；LAND 型转换装置由稍大容量步进电动机及丝杆组成；“长控”转换装置由力矩电动机和丝杆组成。

这些转换装置的共同特征是：输入是电位号，输出是机械位移信号，无“复中”特性，是积分环节。

它可以代替老式调速器中的电液转换器和中间增力器，合二为一的装置。

由电－机转换装置为核心的液压系统必然是二级随动系统，其系统结构模式如下图所示。

它的第二级是机械－液压随动系统。

导叶
f
图 3-7液压系统结构框图
2）电-液式随动装置
国内开发的的HDY 环喷式和DYS 双锥阀式两种电液转换器，其抗油污能力相对于传统老式调速器有所改善，但其频率响应性能尚不能令人满意。

与电－机式转换装置相比，电-液式随动装置有它不可取代的优点，因而新型电液转换器件仍是开发新型液压系统的主要方向。

以电－液转换装置为核心的液压系统，目前都设计成一级随动系统，其系统结构如下图所示。

f
图 3-8容错电液一级式随动系统
（三）二滩水电站双微机调速系统（需与二滩确认）
二滩水电站位于雅砻江下游四川省攀株花境内，电厂装有 6 台单机容量为550MW 的机组，总装机容量为3300MW ，多年平均发电量为170 亿kw.h ，是我国20世纪末建成投产的最大的水电站。

二滩水电站6 台机组调速器电柜和机柜均由瑞士HYDRO VEVEY 公司制造，金属构件部份（如集油槽、接力器等）由加拿大GE 公司制造；双微机调速器的软件和硬件均是瑞士HYDROVEVY 公司的产品，经该公司系统设置、软件开发后，成为欧式标准产品。

调速器电气控制柜安装在发电机层单元控制室中。

机械控制柜、压油装置布置在水轮机层。

调速器系统结构为双徽机系统，由双微机、双总线、双输入／双输出通
道组成。

实际上是两套微机调节器，内容完全相同而结构完全独立但互为备用的冗余系统。

二滩水电站微机调速器具有多种功能和行运方式。

主要采用的有开度控制、功率控制、开度限制控制、频率跟踪控制、频率控制等，各控制方式均设置了单独的控制软件，能独立地完成对机组的调节控制，且彼此既相互独立，又相互联系。

1）开度控制
开度控制主要用于机组启动、停止和并网后带固定负荷。

机组并网后，调速器可在开度或功率反馈方式下，通过现地或远方调整负荷，也可以通过AGC 的方式，根据预定的负荷曲线自动进行调整。

2）转速控制
转速控制包括空载转速控制、并网转速控制和孤网转速控制三种方式。

1 空载转速控制
只有在发电机出口断路器断开时有效，它主要作用于机组的启动并维持机组的转速在额定的转速范围内运行。

2 并网转速控制
只有在发电机并网时有效，以消除系统中的频率异常（因为二滩水电厂机组容量大，并网时对系统影响也大）。

3 孤网转速控制
为了承担地方孤立负荷和应急时系统负荷大波动而设置的控制方式，其运行条件是出口断路器合上且频率超过预定的偏差时（49.5Hz～50.5Hz），自动投入，参与系统调频。

并按照预定的机组调差率，消除转速偏差，提高系统的稳定性。

3）功率控制
当发电机出口断路器合上时才能实现功率控制，机组功率实发值与功率设定值相比较后决定机组负荷的增减，以维持系统频率稳定。

4）开度限制控制
它是作为所有控制方式信号的限值控制，当任一控制方式的信号达达到限制值时，开度限制控制将自动投入，防止调节错误和失误。

该软件中“开度限制点”单独设置两个，即启动开度限制和开度限制。

其内部控制遵循“最
小参数选择”原则自动转换；开度限制可以在机柜上调整，也可在电柜、触摸屏和中控室调整，导叶开度限制器范围是－3 ～ 110％。

5）频率跟踪控制
频率跟踪控制实际上就是转速控制，在机组启动转速达到额定转速的25％时，投入该方式，机组频率将自动、稳定地跟踪系统频率，以实现快速并网。

当机组频率跟踪到49.5～50.5Hz 时（该范围可调整）。

同期装置自动投入，并网后自动退出。

3.3 水电厂全厂负荷控制策略
（一）全厂控制负荷分配策略
以耗水量而言，水轮发电机组按等微增率分配有功功率是最经济的。

当机组型号和额定功率相同时，即可认为机组的水耗微增率特性是相同的，因此可简化为水轮发电机组功率按等比例分配的原则。

但是，这是忽略了水轮机的机械磨损对发电成本的影响。

而水轮机的机械磨损主要是在功率调整过程中发生的。

如果每次给定功率的变化，不管功率变化多大，全厂所有参与AGC 运行的机组都将进行相应的调节。

例如，华东总调每八秒钟更新一次全厂功率给定值，也就是说在系统负荷发生变化时，每八秒钟不管全厂给定功率变化多大，每台机组都要进行相应的调节，显然这是不合理的。

为此，采用“有级分配机组功率”的方法，基本上可实现每次给定功率的变化只发生在极少的机组上。

所谓“有级分配机组功率”即机组的给定功率变化是阶梯形的，而每一个阶梯的“级差”是有限的（如5MW，10MW 等）。

这样，机组间的功率分配是有差别的，但和等微增率分配差别不大，其最大的误差就是功率分配阶梯的“级差”。

例如：某水电厂有三台100MW 的机组正在运行，功率分配级差为10MW。

假如，调度所的给定功率为180MW 并已调结束，每台机组的负荷均为60MW。

几秒钟后给定功率刷新为193MW，则三台机组的给定功率分别为70MW、63MW 和60MW；又过几秒钟后给定功率为200MW时则三台机组的给定功率分别为70MW、70MW 和60MW。

由上可见，“有级分配机组功率”相对于“平均分配机组功率”机组的调
节频度大大减少，，从而减少了功率调整部件的机械磨损。

当参加AGC 运行的机组增加时，其优越性更加明显。

目前华东电网AGC 运行方式是每隔八秒钟给定功率刷新一次，但每次给定功率一般变化不大。

采用“有级分配机组功率”方法后，适当选择“级差”值，每次调节只需一至二台机组响应即可。

既可大大减少机组功率调节的频繁程度，减轻了调速器和和有关部件的机械磨损，同时也满足了全厂经济运行的要求。

水轮发电机组的功率调节性能很好，通常机组功率从空载到满载，负荷上升时间小于一分钟。

在全厂有功功率控制调节下，采用PID 调节方式，适当选择PID 的系数，使机组在接收到给定功率突变值后30 秒内，应实现70％的功率增量的调节，并在 1 分钟内完成调节过程。

如果超调过大时，可采用反向的“制动”调节脉冲消除或减少超调量，从而提高了有功功率的调节品质。

（二）全厂控制调节速率要求
水轮发电机组的功率调节方式，可以是单机调节方式，也可以是全厂控制调节方式。

两者差别是，单机控制调节方式下，调度所给定的是每台机组的给定功率。

而全厂控制调节方式下，调度所给定的是全厂总功率，每台机组的给定功率是由电厂计算机控制系统分配的。

在每台机组正常运行的功况下，这两种调节方式下差别不大。

但在特殊的情况下，例如在单机调节方式下，某台机组较长时间不响应调度所的给定值，造成较大的场率调节误差，甚至影响电能质量。

而在全厂控制调节方式下可在给定功率回路中增加积分环节，弥补名机组引起的功率误差。

水轮发电机组大多采用微机型的调速器，负荷调节方便，调节范围宽，调节速度快，可在一分钟内从零功率增至满负荷。

为了使水轮发电机组持续稳定运行，必须设定合理的调节死区。

调节死区的范围在保证进入死区后能稳定运行的前提下，调节死区应尽可能小一些，以保证功率调节的精度，提高调节品质。

一般调节死区设定为1～2％机组功率额定值。

在全厂负荷控制条件下，在功率控制回路中增加积增加积分环节，选择合理的积分系数，能大大提高全厂总功率的调节精度。

特别在特定的工况下，例如某台机组因故而导致和上位机通信失败，给定功率不能更新，此时积分
环节能将通信失败机组的功率差额自动转移到通信正常的机组上，从而使全厂实发功率满足系统的要求。

3.4 水电厂AGC控制对一次设备的影响
水电厂AGC 控制对一次设备的影响最大的是水轮机，其次是发电机开关。

新安江水电厂是华东电网最大的水电厂，九台水轮发电机组经增容改造后，机组容量从原来725MW 增容为900MW。

新安江水电厂的计算机监控系统接受华东总调发出的全厂总功率设定值，经计算后分配到参加AGC 运行的机组上。

华东总调发送的全厂总功率设定值是每八秒钟发送一次。

电厂计算机监控系统接到新的全厂总功率设定值经计算后，立即将机组的最新功率设定值送到机组控制器，机组控制器根据机组的实发值和给定值之差发出增功率脉冲或减功率脉冲。

目前水轮发电机组的调速器都已更新为微机型的调速器，调节品质很好。

超调小，调节速度快，一般调节过程在二十秒左右即可完成。

但由于华东总调发送的全厂总功率设定值是每八秒钟发送一次，因此调速器和水轮机的运动部件，特别是导叶套筒磨损严重，导致漏水。

由于新安江水电厂是华东电网第一调频厂，负荷变化很大，更加剧了水轮机叶片的汽蚀。

新安江水电厂，在无特殊原因的情况下（如机组检修等）九台机组大部分都参与AGC运行。

每天上午八时左右机组开机并网运行，迎接峰负荷的到来。

晚上灯峰负荷过后机组逐台停机，等待新一天的黎明。

在中午负荷低谷时所有运行的机组均改调相运行或停机备用。

紧水滩水力发电厂和乌溪江水力发厂是浙江省电网中最大的两个水电厂，主要用于调频调峰。

由于机组特性的限制，尽量不采用调相方式，因此开停机十分频繁。

对水能发电机组及发电机开关影响很大。

3.5 本章小结
本章深入研究了水电厂自动化发电控制系统，分析了不同水电机组的类型及其特点与响应特性；研究了水电厂有功调节系统的工作方式；研究了水电厂现有的全厂负荷控制策略方法；分析了水电厂AGC控制对一次设备的影响，为后续水电机组出力快递调节方法的研究提供了基础。