安薩爾多AE94.3A燃氣輪機一次調頻分析及優(yōu)化

肖新宇， 史毅越， 湯可怡， 高愛民， 張?zhí)旌?/p>

(江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102)

電網(wǎng)頻率變化反映了電力系統(tǒng)中發(fā)電和用電間的不平衡關系。發(fā)電設備突發(fā)故障和用電隨機性都會引起電網(wǎng)頻率波動。當電網(wǎng)頻率下降時，電力系統(tǒng)存在功率缺額，調頻功能要求發(fā)電機組快速增負荷；當電網(wǎng)頻率上升時，要求發(fā)電機組快速降負荷。隨著電網(wǎng)容量的不斷增大，非線性和沖擊性載荷頻繁出現(xiàn)，降低了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。風能、太陽能等新能源發(fā)電由于存在明顯的間歇性，進一步加劇了電網(wǎng)頻率的波動[1]。

一次調頻是電網(wǎng)頻率控制中響應最快、次序最先的調頻，其作為一種有差調節(jié)，可在系統(tǒng)頻率受到擾動的第一時間自動控制發(fā)電機組出力，對維護電網(wǎng)功率的平衡和頻率的穩(wěn)定有重大意義[2]。

國內某安薩爾多AE94.3A燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組經(jīng)過一次調頻性能試驗后，發(fā)現(xiàn)其一次調頻響應指數(shù)達不到電網(wǎng)要求。筆者對該機組負荷控制回路進行分析，優(yōu)化了其一次調頻控制策略，并通過試驗驗證優(yōu)化后機組一次調頻響應指數(shù)滿足電網(wǎng)要求。

1 一次調頻策略分析

該安薩爾多AE94.3A燃氣輪機機組為9F聯(lián)合循環(huán)供熱機組，額定負荷為440 MW。汽輪機出力依賴于燃氣輪機的排煙量，汽輪機本身不具備調節(jié)功率的能力，所以機組的一次調頻功能由燃氣輪機實現(xiàn)。

燃氣輪機負荷控制采用傳統(tǒng)的前饋-反饋控制系統(tǒng)，一次調頻回路是負荷控制中的一部分。因此，也可以將一次調頻作用劃分為前饋部分和功率閉環(huán)補償部分。

燃氣輪機負荷控制回路見圖1。

圖1 燃氣輪機負荷控制回路

前饋部分采取將頻率信號經(jīng)轉速不等率換算函數(shù)(一次調頻特性函數(shù))與負荷設定值合并，疊加在燃氣輪機流量指令處，以使負荷快速響應；功率閉環(huán)補償部分是將一次調頻負荷指令疊加到燃機負荷設定值作為比例積分(PI)控制器的設定值參與閉環(huán)調節(jié)。

一次調頻響應指數(shù)的計算公式為：

(1)

式中：a為一次調頻響應指數(shù)；P為機組負荷，MW；P0為一次調頻動作開始時的機組負荷，MW；Pe為機組額定負荷，MW；t為一次調頻響應時間，s；Δn為轉速偏差，r/min；n為一次調頻轉速死區(qū)，n=±2 r/min。

在前饋部分和功率閉環(huán)補償部分中，一次調頻都是與負荷設定值疊加后作用的，所以可以將一次調頻認為是負荷設定值的偏置。當一次調頻作用時，燃料閥動作速率也和變負荷速率一致。對于供熱燃氣輪機機組，電網(wǎng)要求其變負荷速率應≥1.5%Pe/min，由于燃氣輪機燃燒慣性小，實際運行中，變負荷速率在1.5%Pe/min～3%Pe/min。

圖2為變負荷速率為3%Pe/min，一次調頻負荷的變化情況，其中：A部分為-4 r/min轉速偏差時的一次調頻積分電量，0～15 s、0～30 s、0～45 s的一次調頻響應指數(shù)分別為0.28、0.55、0.70；A+B部分為-6.5 r/min轉速偏差時的一次調頻積分電量，0～15 s、0～30 s、0～45 s的一次調頻響應指數(shù)分別為0.125、0.250、0.375。由圖2可得：轉速偏差越大，機組對于一次調頻積分電量調節(jié)的能力越不足。對于燃氣輪機，江蘇省電網(wǎng)對一次調頻的要求為：在0～15 s、0～30 s、0～45 s，實際積分電量分別達到理論積分電量的40%、60%、70%。該機組目前的控制策略無法實現(xiàn)對一次調頻的快速響應，對一次調頻積分電量的調節(jié)能力達不到電網(wǎng)要求。

圖2 一次調頻負荷的變化情況

2 一次調頻策略優(yōu)化

如果保持控制策略不變，提高比例、積分、前饋系數(shù)，可以提高一次調頻作用；但是，這會對非一次調頻作用的負荷控制回路造成影響，增加了變負荷時的超調量，使系統(tǒng)振蕩風險增加、穩(wěn)定性降低。另外，由于一次調頻作用是負荷設定值的一部分，一次調頻作用應當無限速，如果為了提高一次調頻的響應速率取消限速，會使機組變負荷速率也相應提升。但是，燃氣輪機在設計過程中，對變負荷速率有所限制，變負荷速率過高不利于機組安全運行，所以需要對現(xiàn)有的控制策略進行優(yōu)化。

優(yōu)化后的控制策略見圖3。

圖3 優(yōu)化后的控制策略

考慮到在一次調頻與變負荷過程中，機組對負荷響應的不同要求，將一次調頻從負荷設定值前饋中獨立出來，形成專有的一次調頻控制前饋，前饋系數(shù)可根據(jù)一次調頻響應情況進行調整，而不會影響正常的負荷控制回路。一次調頻作用不經(jīng)限速直接疊加到流量指令，從而動作燃料閥，有利于機組對轉速偏差的快速響應。正常的負荷設定值前饋依舊經(jīng)過限速，以保證變負荷時，燃料閥不會出現(xiàn)階躍性響應。此外，一次調頻作用疊加到負荷設定值上，對功率閉環(huán)進行補償，以彌補一次調頻前饋部分作為開環(huán)調節(jié)的不足，使機組的調頻出力得到準確控制。

3 性能測試

優(yōu)化前、后機組的一次調頻性能測試結果分別見圖4和圖5。

圖4 優(yōu)化前機組一次調頻性能測試結果

圖5 優(yōu)化后機組一次調頻性能測試結果

由圖4和圖5可得：優(yōu)化前，在±4.0 r/min和±6.5 r/min轉速偏差下，機組的一次調頻實際積分電量均低于理論積分電量；優(yōu)化后，在±4.0 r/min和±6.5 r/min轉速偏差下，機組的一次調頻實際積分電量均高于理論積分電量。

通過對優(yōu)化前、后機組一次調頻性能測試的主要參數(shù)進行計算，得出的主要結果見表1。

表1 優(yōu)化前、后機組一次調頻性能測試主要數(shù)據(jù)

將測試數(shù)據(jù)平均值作為統(tǒng)計指標，并與電網(wǎng)要求[3]進行對比，具體見表2。

表2 優(yōu)化前、后機組一次調頻性能測試統(tǒng)計指標

由表1和表2可得：

(1) 優(yōu)化前，機組的一次調頻響應幅值和響應指數(shù)在4次試驗中均未達到電網(wǎng)要求，實際轉速不等率也在電網(wǎng)要求范圍內偏高，說明在一次調頻過程中，機組對電網(wǎng)的貢獻不足。此外，在相同轉速偏差下，機組對一次調頻增負荷的響應效果優(yōu)于一次調頻降負荷，原因是負荷設定值前饋作用對升降負荷速率的限制不同，升負荷速率高于降負荷速率。通過將一次調頻作用獨立，使一次調頻增減作用都不經(jīng)過限速，可以有效解決問題。

(2) 優(yōu)化后，機組的一次調頻響應幅值和響應指數(shù)在4次試驗中均滿足電網(wǎng)要求，實際轉速不等率也低于5%，說明在一次調頻過程中，機組對電網(wǎng)的貢獻大于電網(wǎng)的要求。此外，在相同轉速偏差下，一次調頻增負荷和一次調頻降負荷作用基本一致，機組更加穩(wěn)定。

4 結語

(1) 針對將一次調頻負荷作用簡單疊加到負荷設定值上作為設定值偏置的控制策略，經(jīng)過理論分析和計算后，得出該控制策略無法實現(xiàn)機組對一次調頻的快速響應，并且由于設備的設計要求，不宜采用提高比例、積分、前饋系數(shù)，以及取消限速等方式提高機組一次調頻響應指數(shù)。

(2) 對原有的控制策略進行優(yōu)化，將一次調頻作用從負荷設定值前饋中獨立出來，形成專有的一次調頻控制前饋；正常的負荷設定值前饋依舊經(jīng)過限速，以保證變負荷時，燃料閥不會出現(xiàn)階躍性響應；將一次調頻作用疊加到負荷設定值上，對功率閉環(huán)進行補償，以彌補一次調頻前饋部分作為開環(huán)調節(jié)的不足，使機組的調頻出力得到準確控制。

(3) 通過對優(yōu)化前、后機組進行一次調頻性能測試，得出優(yōu)化后機組對一次調頻積分電量的調節(jié)能力較優(yōu)化前有較大提升，機組各項性能指標均能滿足電網(wǎng)要求。