大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻功能試驗研究

季俊偉

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

專論

大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻功能試驗研究

季俊偉

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

電網(wǎng)大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻功能的優(yōu)劣直接影響到供電質(zhì)量和電網(wǎng)安全，因此，完善大容量火電機(jī)組的一次調(diào)頻性能、提高響應(yīng)速度是一項非常重要的任務(wù)。經(jīng)過現(xiàn)場試驗研究，確認(rèn)大容量火電機(jī)組投入機(jī)爐協(xié)調(diào)方式運行后，采用CCS與DEH協(xié)同作用的一次調(diào)頻方式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、持久的一次調(diào)頻。

火電機(jī)組；協(xié)調(diào)控制；一次調(diào)頻；試驗研究

近年來，隨著大容量機(jī)組在電網(wǎng)中的比例不斷增加，電網(wǎng)用電結(jié)構(gòu)變化引起的負(fù)荷峰谷差逐步加大，而用戶對電能質(zhì)量的要求卻在不斷提高，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的問題越來越被重視。大容量火電機(jī)組需要根據(jù)中調(diào)的AGC指令和電網(wǎng)的頻率偏差參與電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻［1］。

由于并網(wǎng)大容量機(jī)組性能與調(diào)節(jié)特性各不相同，使一次調(diào)頻功能投入后的實際能力參差不齊，機(jī)組間調(diào)頻動作時對電網(wǎng)的貢獻(xiàn)不同，為保證對機(jī)組考核的公正性，必須對不同機(jī)組的調(diào)節(jié)能力與特性進(jìn)行試驗分析，并在機(jī)組條件許可的前提下盡可能發(fā)掘機(jī)組的最大調(diào)頻能力。

通過對一次調(diào)頻實現(xiàn)方式分析，得出采用CCS與DEH協(xié)同作用的一次調(diào)頻方式為最佳方式。對某電廠1號300 MW機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻試驗，盡可能發(fā)掘機(jī)組最大調(diào)頻能力，為提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)頻率波動，增強電網(wǎng)抗事故能力做出貢獻(xiàn)。

1 機(jī)組一次調(diào)頻原理與特性參數(shù)

1.1 一次調(diào)頻原理

由于系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組跳閘或大用戶發(fā)生跳閘時，電網(wǎng)頻率發(fā)生瞬間變化，一般變化幅度較大，要求網(wǎng)上機(jī)組負(fù)荷能夠在允許范圍內(nèi)快速調(diào)整，以彌補網(wǎng)上負(fù)荷缺口，保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的過程，稱為一次調(diào)頻。傳統(tǒng)的電網(wǎng)一次調(diào)頻功能就是機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)自動控制機(jī)組負(fù)荷的增減，以適應(yīng)外界負(fù)荷需要，保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。廣義的電網(wǎng)一次調(diào)頻功能，需考慮汽輪機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)間的相互配合與制約關(guān)系，應(yīng)以整臺機(jī)組作為控制對象［2］。功能上既要有傳統(tǒng)電網(wǎng)一次調(diào)頻的快速性，又要有現(xiàn)代控制的整體協(xié)調(diào)性，從而實現(xiàn)汽輪機(jī)快速響應(yīng)外界負(fù)荷、頻率的變化，鍋爐跟隨汽輪機(jī)的快速響應(yīng)，滿足汽輪機(jī)的要求。

1.2 特性參數(shù)

1.2.1 轉(zhuǎn)速不等率

當(dāng)機(jī)組在單機(jī)運行時，對應(yīng)不同的功率，機(jī)組

式中 δ——轉(zhuǎn)速不等率；

Δn——轉(zhuǎn)速變化量，Δn＝n－n0；

n——實際轉(zhuǎn)速；

n0——額定轉(zhuǎn)速；

ΔP——功率變化量，ΔP＝P0－P；

P0——功率額定值；

P——實際功率值。

轉(zhuǎn)速不等率的不同數(shù)值代表了機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力。轉(zhuǎn)速不等率低，參與一次調(diào)頻的能力強，但控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；轉(zhuǎn)速不等率高，參與一次調(diào)頻的能力弱。

1.2.2 遲緩率

在實際的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于結(jié)構(gòu)上存在摩擦、鉸接間隙、滑閥重疊度，機(jī)組靜態(tài)特性曲線表現(xiàn)為上升曲線與下降曲線不重合的帶狀區(qū)域，系統(tǒng)遲緩率就表明了這種關(guān)系，具體表述為機(jī)組在某一功率下對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速之差除以額定轉(zhuǎn)速的百分比，即：的轉(zhuǎn)速是不同的，而轉(zhuǎn)速不等率即為這種差異的量度，具體表述為在機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定值不變的情況下，汽輪機(jī)由滿負(fù)荷到空負(fù)荷的轉(zhuǎn)速變化與額定轉(zhuǎn)速之比。

當(dāng)機(jī)組并列于電網(wǎng)運行時，其轉(zhuǎn)速是由電網(wǎng)頻率決定的，因此轉(zhuǎn)速不等率實際上就是機(jī)組一次調(diào)頻的調(diào)差率。通常用下式計算并網(wǎng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率，以百分?jǐn)?shù)形式表示：

式中 ε——遲緩率；

Δn——轉(zhuǎn)速變化量；

n0——額定轉(zhuǎn)速。

1.2.3 負(fù)荷變化幅度

機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度，是考慮當(dāng)頻率變化過大時，機(jī)組負(fù)荷不再隨頻率變化，以保證機(jī)組運行的穩(wěn)定。負(fù)荷限制的范圍越小，一次調(diào)頻能力越弱。

1.2.4 機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)

機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)是指機(jī)組轉(zhuǎn)速在死區(qū)范圍內(nèi)變化，機(jī)組的一次調(diào)頻不動作，即ΔP＝0。超出該范圍區(qū)域稱為一次調(diào)頻動作區(qū)域。一般要求一次調(diào)頻死區(qū)不大于±2 r／min。

1.3 機(jī)組一次調(diào)頻特性參數(shù)設(shè)置

機(jī)組一次調(diào)頻特性參數(shù)設(shè)置主要有4種方式，以1臺300 MW機(jī)組為例進(jìn)行說明。

1.3.1 帶死區(qū)、不帶限幅的一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

若要求頻差死區(qū)為±2 r／min，δ為4%，則其函數(shù)關(guān)系如圖1所示。

圖1 帶死區(qū)、不帶限幅的一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

1.3.2 不帶死區(qū)、不帶限幅的一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置除了沒有頻差死區(qū)外，其他與1.3.1相同，其函數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 不帶死區(qū)、不帶限幅的一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

這種設(shè)置方法只要汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與給定值有偏差，汽輪機(jī)調(diào)門就會動作，一般用于電網(wǎng)容量和電網(wǎng)穩(wěn)定性均較好的歐美等發(fā)達(dá)國家。

1.3.3 帶死區(qū)但不改變δ、不帶限幅的一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

若要求頻差死區(qū)為±2 r／min，δ為4%，則其函數(shù)關(guān)系如圖3所示。

這種設(shè)置方法雖然考慮了頻差死區(qū)，但當(dāng)頻差在超過和回落到死區(qū)的過程中，一次調(diào)頻功率的變化是一個階躍過程，整體的調(diào)節(jié)效果會導(dǎo)致汽機(jī)調(diào)門的突然開大或者關(guān)小，造成自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖3 帶死區(qū)但不改變δ、不帶限幅的一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

1.3.4 帶死區(qū)、帶限幅的一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

為防止一次調(diào)頻動作時機(jī)組出現(xiàn)過負(fù)荷情況，對一次調(diào)頻功率進(jìn)行幅值限制，其函數(shù)關(guān)系如圖4所示。

圖4 帶死區(qū)、帶限幅的一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

2 機(jī)組一次調(diào)頻實現(xiàn)方式

2.1 DEH系統(tǒng)調(diào)頻方式

2.1.1 功率回路自動

DEH功率回路自動方式時，一次調(diào)頻作為功率指令的校正信號加到調(diào)節(jié)器設(shè)定值端，通過調(diào)節(jié)器控制汽輪機(jī)調(diào)門開度，保證機(jī)組實際負(fù)荷等于經(jīng)校正后的功率指令［3］。其優(yōu)點是頻率偏差與機(jī)組負(fù)荷變化成一定關(guān)系，在機(jī)組運行的任何工況下，一定的頻率偏差理論上產(chǎn)生同樣幅度、速率的負(fù)荷變化，有利于二次調(diào)頻功能的運行。其缺點是該方式必須在系統(tǒng)功率回路投入的情況下才能起作用，當(dāng)DEH側(cè)功率回路退出運行時，這種方式的一次調(diào)頻功能就不起作用了，同時一次調(diào)頻功能的響應(yīng)時間受調(diào)節(jié)器的參數(shù)控制。

2.1.2 手動或閥位控制

DEH系統(tǒng)手動或閥位控制方式時，一次調(diào)頻作為功率調(diào)節(jié)器輸出指令的校正信號，經(jīng)校正后的指令直接輸出到閥門管理程序，相當(dāng)于以前同步器液調(diào)機(jī)組的一次調(diào)頻功能。其優(yōu)點是負(fù)荷響應(yīng)速度快，一次調(diào)頻功能可以在功率回路解除的情況下正常投運；但由于閥門流量的非線性及不同參數(shù)運行工況，靜態(tài)不能準(zhǔn)確達(dá)到對參數(shù)指標(biāo)幅度要求，不利于二次調(diào)頻功能對控制對象的性能把握。

2.1.3 兩種方案結(jié)合方式

結(jié)合以上兩種方案的優(yōu)點，功率回路投入時同2.1.1，功率回路解除時同2.1.2，在任何運行方式下均能投運一次調(diào)頻功能。

2.2 CCS系統(tǒng)調(diào)頻方式分析

2.2.1 頻率校正信號加在經(jīng)速率限制后的功率指令上

該方式下頻率校正信號作為設(shè)定值輸入到調(diào)節(jié)器的設(shè)定值端。其優(yōu)點與2.1.1方式相同。其缺點是該種方式必須在CCS系統(tǒng)功率回路投入的情況下才能起作用，同時一次調(diào)頻功能的響應(yīng)時間受調(diào)節(jié)器參數(shù)控制。

2.2.2 頻率校正信號直接加在功率指令上后再經(jīng)速率限制

該方式下速率限制在校正運算的后面，當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運行，AGC或CCS指令沒有變化時，在速率限制范圍內(nèi)一次調(diào)頻功能可以起作用。但當(dāng)機(jī)組正處于變負(fù)荷階段（機(jī)組投運AGC后經(jīng)常會出現(xiàn)），同方向（加負(fù)荷過程中頻率偏低或減負(fù)荷過程中頻率偏高）的一次調(diào)頻功能就被禁止了［4］。

2.3 DEH與CCS共同調(diào)頻方式

機(jī)組一次調(diào)頻控制方式為DEH＋CCS，即DEH內(nèi)額定轉(zhuǎn)速與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速差通過一定函數(shù)計算后直接動作調(diào)門，CCS進(jìn)行補償，保證機(jī)組負(fù)荷滿足電網(wǎng)要求［5］。DEH側(cè)的一次調(diào)頻功能是機(jī)組快速響應(yīng)頻率變化的主要手段，隨著電廠自動化水平的提高，并網(wǎng)機(jī)組正常工況下均處于AGC或協(xié)調(diào)方式下運行，因此為實現(xiàn)快速有效的一次調(diào)頻功能，必須將DEH與DCS的調(diào)頻回路進(jìn)行協(xié)同考慮與研究。DEH側(cè)2.1.2方式與CCS側(cè)2.2.1方式協(xié)同進(jìn)行調(diào)頻動作，既提高調(diào)頻的響應(yīng)速度，同時又保證參數(shù)指標(biāo)的幅度要求。當(dāng)頻差出現(xiàn)時，一次調(diào)頻信號直接疊加在DEH側(cè)閥門指令上，通過調(diào)節(jié)DEH調(diào)門使機(jī)組有功功率快速響應(yīng)，滿足一次調(diào)頻需求；同時一次調(diào)頻功率信號疊加在CCS負(fù)荷設(shè)定值上，鍋爐主控增加給煤量指令，汽機(jī)主控增加負(fù)荷指令，維持主汽壓力和負(fù)荷的穩(wěn)定。這樣協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功率控制回路就會發(fā)出和一次調(diào)頻作用方向相同的汽輪機(jī)調(diào)門指令，從而既快速又穩(wěn)定地實現(xiàn)一次調(diào)頻功能。

3 試驗過程與結(jié)果分析

某電廠1號300 MW機(jī)組為國產(chǎn)亞臨界參數(shù)、滑壓運行、燃煤汽包爐火力發(fā)電機(jī)組。鍋爐為平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式，亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐。汽機(jī)為亞臨界參數(shù)、中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。DCS與DEH均采用OVATION控制系統(tǒng)。

3.1 試驗過程

將原設(shè)計邏輯優(yōu)化為2.3方式，特性參數(shù)設(shè)置為1.3.4方式。測試項目如下。

a.測試機(jī)組是否在各種方式下都可投入一次調(diào)頻功能。

b.測試DEH中是否設(shè)計一次調(diào)頻功能。

c.測試DCS中是否設(shè)計機(jī)組協(xié)調(diào)或AGC方式下的頻率校正回路。

d.測試機(jī)組一次調(diào)頻的人工死區(qū)。

e.測試機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不等率。

f.測試一次調(diào)頻最大調(diào)整負(fù)荷限幅。g.測試機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的遲緩率。

h.測試機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)行為，包括一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整滯后時間和一次調(diào)頻最大負(fù)荷調(diào)整幅度。

測試方法為機(jī)組穩(wěn)定運行在270 MW，在機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式下，分別施加2 r／min、－2 r／min、4 r／min、－4 r／min、6 r／min、－6 r／min、8 r／min、－8 r／min、10 r／min、－10 r／min、12 r／min、－12 r／min的轉(zhuǎn)速偏差擾動，記錄擾動后轉(zhuǎn)速偏差、調(diào)門開度、負(fù)荷需求、有功功率、主汽壓力等參數(shù)的變化曲線和數(shù)據(jù)，最后通過數(shù)據(jù)分析得出有關(guān)機(jī)組一次調(diào)頻功能的技術(shù)指標(biāo)。

3.2 試驗結(jié)果

圖5 轉(zhuǎn)速偏差＝＋6 r／min一次調(diào)頻試驗曲線

圖6 轉(zhuǎn)速偏差＝－6 r／min一次調(diào)頻試驗曲線

圖7 轉(zhuǎn)速偏差＝－8 r／min一次調(diào)頻試驗曲線

測試項目a、b、c均滿足要求，機(jī)組典型一次調(diào)頻動作曲線如圖5～圖7所示。圖中1為高壓1～3號調(diào)門開度曲線，%；2為實發(fā)功率曲線，MW；3為含頻差信號的負(fù)荷指令曲線，MW；4為高壓4號調(diào)門開度曲線，%；5為轉(zhuǎn)速偏差曲線，r／min；6為一次調(diào)頻動作曲線。由試驗數(shù)據(jù)可知，機(jī)組一次調(diào)頻的人工死區(qū)為±2 r／min（±0.033 Hz），設(shè)計轉(zhuǎn)速不等率為4%，實際測試在－8～12 r／min轉(zhuǎn)速偏差擾動下，機(jī)組速度不等率在4%～5%，低于－8 r／min的轉(zhuǎn)速偏差擾動，機(jī)組速度不等率將超過5%，轉(zhuǎn)速不等率數(shù)值如表1所示。設(shè)計最大調(diào)整負(fù)荷限幅±30 MW，遲緩率最大值為0.037%，調(diào)整滯后時間最大值為2 s。在－8～12 r／min轉(zhuǎn)速偏差擾動下，機(jī)組15 s內(nèi)一次調(diào)頻最大負(fù)荷調(diào)整幅度＞90%；在－12～－10 r／min轉(zhuǎn)速偏差擾動下，機(jī)組15 s內(nèi)一次調(diào)頻最大負(fù)荷調(diào)整幅度分別為58.125%和45.09%，一次調(diào)頻功頻曲線如圖8所示。

表1 轉(zhuǎn)速不等率測試結(jié)果

圖8 一次調(diào)頻設(shè)計功頻曲線1——設(shè)計功頻曲線；2——實際功頻曲線

通過試驗數(shù)據(jù)分析可知，機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差在2～12 r／min時的曲線走向與圖5所示基本一致，均可以按照相應(yīng)的指令進(jìn)行動作；轉(zhuǎn)速偏差在－6～－2 r／min時的曲線走向與圖6所示基本一致，均可以按照相應(yīng)的指令進(jìn)行動作；轉(zhuǎn)速偏差在－12～－8 r／min時的曲線走向與圖7所示基本一致，在0～15 s內(nèi)可以按照相應(yīng)的指令進(jìn)行動作，超過15 s負(fù)荷變化出現(xiàn)一段平緩時期，之后負(fù)荷緩慢上升接近目標(biāo)值，這是由于汽機(jī)高壓缸4個調(diào)門因一次調(diào)頻動作在很短時間內(nèi)就開完，一次調(diào)頻動作15 s時鍋爐蓄熱已經(jīng)用盡，雖然一次調(diào)頻動作通過前饋作用快速增加了鍋爐燃料量，但這部分燃料量轉(zhuǎn)化為熱量的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過15 s，建議降低該工況下考核標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

試驗研究表明，該機(jī)組能滿足一次調(diào)頻技術(shù)要求（轉(zhuǎn)速偏差低于－8 r／min時15 s內(nèi)的負(fù)荷調(diào)整幅度除外），具備參與電網(wǎng)一次調(diào)頻能力。在一次調(diào)頻動作前期主要依靠DEH側(cè)調(diào)頻功能來完成負(fù)荷的快速響應(yīng)，在一次調(diào)頻動作后期由于機(jī)組蓄熱已經(jīng)用完，CCS側(cè)一次調(diào)頻回路通過負(fù)荷指令和煤量變化將維持較大的積分電量為系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。該次試驗采用的外加頻差階躍擾動方式，這和機(jī)組正常運行中頻差脈沖擾動相比，對控制系統(tǒng)及就地設(shè)備的要求更加苛刻，對鍋爐蓄熱量要求更大。

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Test Research for Primary Frequency Regulation Function of Large Capacity Thermal Power Units

JI Jun?wei
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The quality function of primary frequency regulation of the large capacity thermal power unit in grid directly affects the pow?er quality and grid security，so it is a very important task to improve its performance and response speed.Through field experimental study，it has been confirmed that rapid and lasting primary frequency regulation can be achieved by the manner of coordinated with CCS and DEH，when the large capacity thermal power unit is put into the running mode of boiler?turbine coordinated control.

Thermal power unit；Coordinated control；Primary frequency regulation；Experimental study

TM621；TM76

A

1004－7913（2015）02－0001－05

季俊偉（1971—），男，本科，高級工程師，從事火電廠熱工自動化的設(shè)計、組態(tài)及調(diào)試工作。

2014－12－10）