火電機(jī)組一次調(diào)頻的仿真研究

梅柏杉，張德蘭，陳 瑢

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

0 引言

隨著電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大、發(fā)電機(jī)組容量提高，機(jī)組在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用也越來(lái)越大;且隨著風(fēng)力發(fā)電投入量的增加，電網(wǎng)對(duì)一次調(diào)頻備用容量的要求也隨之提高。雖然新能源發(fā)展迅速，但是我國(guó)各大電網(wǎng)以火電為主的現(xiàn)狀在近幾十年改變相對(duì)困難，而火電機(jī)組的一次調(diào)頻特性對(duì)電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定、防止因突發(fā)的負(fù)荷變動(dòng)及發(fā)電機(jī)跳閘造成頻率大范圍波動(dòng)而引發(fā)連鎖反應(yīng)至關(guān)重要，所以投入運(yùn)行的火電機(jī)組都要求具有一次調(diào)頻能力[1]。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，在保證機(jī)組安全的前提下，各發(fā)電機(jī)組通過(guò)快速改變汽門開度，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率，自動(dòng)平衡電力系統(tǒng)的第一種擾動(dòng)負(fù)荷分量 (快速的、幅值較小隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷)，從而抑制頻率快速變化。但是，很多火電廠一次調(diào)頻考核合格率較低[2～4]，機(jī)組不能有效參與一次調(diào)頻的主要原因有一次調(diào)頻死區(qū)和限幅設(shè)置不合理[5]。頻率死區(qū)、限幅和不等率等參數(shù)[6]的合理設(shè)置很重要。文獻(xiàn)[7]在仿真的基礎(chǔ)上定性指出在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)改變調(diào)差系數(shù)、調(diào)頻限幅和調(diào)頻死區(qū)對(duì)頻率穩(wěn)定的影響。文獻(xiàn)[8]分析了發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行一次調(diào)頻的數(shù)學(xué)模型，基于文獻(xiàn)[1]用數(shù)學(xué)原理定性指出調(diào)差系數(shù)偏大時(shí)，機(jī)組調(diào)頻能力不足;調(diào)差系數(shù)小時(shí)，電網(wǎng)穩(wěn)定性變差。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]指出通過(guò)前饋環(huán)節(jié)能加快汽機(jī)的響應(yīng)速度，更好地適應(yīng)快速的負(fù)荷變化。發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展快速，且全數(shù)字式調(diào)速器和分布式機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用也日益廣泛。多數(shù)火電廠沒有認(rèn)清機(jī)組一次調(diào)頻的重要性，進(jìn)而忽略了機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中參數(shù)及結(jié)構(gòu)對(duì)一次調(diào)頻特性的影響，這使各火電機(jī)組不能充分發(fā)揮一次調(diào)頻的作用，結(jié)果影響電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[2～7]。本文利用 Matlab/Simulink 對(duì)火電廠原動(dòng)機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)建模和仿真，研究分析負(fù)荷突變對(duì)電網(wǎng)火電機(jī)組的影響，及汽輪機(jī)汽門開度的變化情況。通過(guò)對(duì)火電機(jī)組一次調(diào)頻模型中不同參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)比了調(diào)頻特性。

1 火電機(jī)組一次調(diào)頻主要參數(shù)

衡量機(jī)組一次調(diào)頻性能時(shí)，通常要求電廠應(yīng)保證機(jī)組滿足以下技術(shù)要求[11]:

(1)轉(zhuǎn)速不等率δ。反映機(jī)組一次調(diào)頻能力的強(qiáng)弱及穩(wěn)定性的好壞?；痣姍C(jī)組轉(zhuǎn)速不等率一般為4% ～5%[12]，其計(jì)算公式為 δ=(n1-n2)/n×100%。式中:n1為汽輪機(jī)空載轉(zhuǎn)速;n2為汽輪機(jī)滿負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速;n為汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

(2)調(diào)速系統(tǒng)遲緩率 (電液調(diào)節(jié)型)

單機(jī)容量≤100 MW時(shí)，遲緩率小于0.15%。

單機(jī)容量100 MW～200 MW(包括200 MW)，遲緩率小于0.1%。

單機(jī)容量＞200 MW，遲緩率小于0.07%。

(3)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)。火電機(jī)組該參數(shù)不大于±0.034 Hz(±2 r/min)。

(4)一次調(diào)頻的響應(yīng)滯后時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間。

一次調(diào)頻的響應(yīng)滯后時(shí)間應(yīng)小于或等于3 s;一次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)小于60 s;當(dāng)電網(wǎng)頻率差值在調(diào)頻死區(qū)外時(shí)，一次調(diào)頻動(dòng)作45 s前，機(jī)組發(fā)出有功與響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值應(yīng)在額定有功出力的±3%內(nèi)。

(5)負(fù)荷變化幅度?？焖俅蠓鹊呢?fù)荷變化對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行有影響，可限制機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化。限制幅度應(yīng)滿足以下規(guī)定:

額定負(fù)荷200 MW及以下的火電機(jī)組，限制幅度不小于機(jī)組額定負(fù)荷的±10%;額定負(fù)荷200 MW以上的火電機(jī)組，限制幅度不小于機(jī)組額定負(fù)荷的±6%。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(guò)大時(shí)，機(jī)組負(fù)荷不再隨頻率變化，以保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行;但是，變化幅度限制得越小，一次調(diào)頻能力越弱。

2 火電機(jī)組一次調(diào)頻原理

發(fā)電機(jī)輸入和輸出功率之間的不平衡導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定，數(shù)學(xué)公式為

式中:Pm為機(jī)械功率，與發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)和調(diào)速器的特性有關(guān);Pe為電磁功率，與發(fā)電機(jī)的電磁特性有關(guān)，還取決于電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性，難以控制，是引起系統(tǒng)頻率波動(dòng)的主要原因;Hs為發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù);Δω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差。

圖1是火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻模型原理圖[13]，主要由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) (CCS)、調(diào)速器、汽輪機(jī)及鍋爐組成。

由于在汽輪機(jī)跟隨鍋爐的方式下，根據(jù)主蒸汽壓力的變化調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)門開度，機(jī)組負(fù)荷變化率較慢，不具備一次調(diào)頻的功能;所以，建立的模型采用以鍋爐跟隨汽輪機(jī)方式下的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

圖1 火電機(jī)組一次調(diào)頻原理圖Fig.1 Principle diagram of primary frequency control in thermal power plant

圖1中，Pe為電網(wǎng)功率，ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，Pmec為汽輪機(jī)輸出機(jī)械功率，pt為鍋爐主蒸汽壓力，TD為汽輪機(jī)的主控制器輸出，BD表示鍋爐的主控制器輸出，CV表示汽輪機(jī)調(diào)門開度，SF表示蒸汽流量。

2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) (CCS)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型主要由機(jī)組負(fù)荷指令處理器、汽輪機(jī)主控制器和鍋爐主控制器3部分組成，如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of coordinative control system

CCS側(cè)一次調(diào)頻特點(diǎn)是機(jī)組運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，但是對(duì)頻率響應(yīng)較慢。機(jī)組轉(zhuǎn)速變化和AGC指令共同構(gòu)成了負(fù)荷指令，作為機(jī)組的功率目標(biāo)。功率控制系統(tǒng)通過(guò)汽輪機(jī)主控制器改變汽輪機(jī)調(diào)門開度的指令 (CV)，通過(guò)鍋爐主控制器修正主蒸汽壓力，最終使機(jī)組發(fā)電功率達(dá)到電網(wǎng)要求。為了克服由于鍋爐的動(dòng)態(tài)遲延和慣性給負(fù)荷響應(yīng)速度帶來(lái)的影響，在鍋爐主控制器中加入負(fù)荷前饋，采用壓力差實(shí)現(xiàn)修正[14]。

2.2 數(shù)字電液控制系統(tǒng)模型 (DEH)

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型可分為以下3個(gè)部分:速度/負(fù)載控制環(huán)節(jié)、過(guò)速保護(hù)環(huán)節(jié) (負(fù)荷限制)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。仿真模型圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字電液控制系仿真模型Fig.3 Simulation model of digital electro-hydraulic system

DEH側(cè)一次調(diào)頻特點(diǎn)是對(duì)頻率響應(yīng)快，但是調(diào)節(jié)效果較差，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。

(1)速度/負(fù)載控制環(huán)節(jié)

速度/負(fù)載控制用來(lái)產(chǎn)生閥門位置指令，包括一次調(diào)頻、功率控制和調(diào)節(jié)級(jí)壓力控制，其中負(fù)載控制回路包括功率控制和調(diào)節(jié)級(jí)壓力控制。

選擇功率和調(diào)節(jié)級(jí)壓力控制時(shí)，PID起作用，且不能接受CCS系統(tǒng)控制指令;當(dāng)只有轉(zhuǎn)速控制時(shí)，PID環(huán)節(jié)不起作用，且可以選擇是否接受CCS系統(tǒng)的指令信號(hào)。

含有功率和速度輸入的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng) (功頻電調(diào))因其具有抗內(nèi)部干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍[15]。

(2)接受CCS的遠(yuǎn)方控制

汽輪機(jī)調(diào)速器接受CCS閥門控制時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)中沒有功率控制和調(diào)節(jié)級(jí)壓力控制，功率和壓力控制功能都在CCS中實(shí)現(xiàn)[16];轉(zhuǎn)速控制可有可無(wú)，此時(shí)DEH是為一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且PID不起作用。

由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)都能接收功率和壓力控制，所以在建模中，使調(diào)速器中的PID不起作用，僅將DEH看作對(duì)CCS指令的一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如情況 (2)所示[14]。

2.3 汽輪機(jī)模型

汽輪機(jī)模型已較成熟。文獻(xiàn)[17]對(duì)再熱凝汽式汽輪機(jī)熱力過(guò)程進(jìn)行了原理分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)了傳統(tǒng)的汽輪機(jī)模型[18]，較準(zhǔn)確地模擬了汽輪機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，數(shù)學(xué)模型為

式中:Trh為再熱蒸汽容積時(shí)間常數(shù);Tcs為高壓汽室蒸汽容積時(shí)間常數(shù);Tco為低壓連通管蒸汽容積時(shí)間常數(shù);FHP為高壓缸功率系數(shù);FIP為中壓缸功率系數(shù);FLP為低壓缸功率系數(shù) (其中FHP+FIP+FLP=1);λ為高壓缸功率過(guò)調(diào)系數(shù)。

模型結(jié)構(gòu)如圖4。改進(jìn)后的模型在0.1～1 Hz的工作頻段更接近實(shí)際。

圖4 改進(jìn)的再熱凝汽式汽輪機(jī)模型Fig.4 Model of reheat turbine after improving

3 仿真結(jié)果分析

以600 MW的火電機(jī)組為例仿真，額定電壓為22 kV，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。根據(jù)圖1～4及發(fā)電機(jī)搭建Simulink仿真模型，一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置為±2 r/min;轉(zhuǎn)速不等率δ為5%。仿真中采用標(biāo)幺制。

在45 s初始狀態(tài)建立后，網(wǎng)側(cè)有功功率突然增加11%，機(jī)組功率變化、轉(zhuǎn)速波動(dòng)、汽輪機(jī)汽門開度如圖5所示。負(fù)荷突增，發(fā)電機(jī)電磁功率Pe開始波動(dòng)，影響電機(jī)轉(zhuǎn)速;在CCS控制系統(tǒng)收到轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)后，經(jīng)過(guò)限幅、死區(qū)判斷是否進(jìn)行一次調(diào)頻;當(dāng)偏差超出死區(qū)時(shí)，經(jīng)PID控制調(diào)節(jié)，輸出控制汽輪機(jī)功率的信號(hào)，再經(jīng)DEH系統(tǒng)，控制機(jī)械功率Pm;當(dāng)汽輪機(jī)收到CCS的控制信號(hào)動(dòng)作時(shí)，調(diào)門開度開始改變。

圖5 45 s負(fù)荷突變時(shí)各輸出量的變化情況Fig.5 Outputs of the model with the step disturbance in 45 s

從波形中可以看出，負(fù)荷突變后電磁功率突然增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速頻率下降;汽門開度及機(jī)械功率在前0.2 s出現(xiàn)了延時(shí)，滿足一次調(diào)頻的響應(yīng)時(shí)間限制，之后汽門開度逐漸增大，機(jī)械功率也增加;經(jīng)過(guò)5 s后，轉(zhuǎn)速和電磁功率趨于穩(wěn)定，一次調(diào)頻結(jié)束，滿足了負(fù)荷對(duì)頻率的需求。

根據(jù)規(guī)定設(shè)置合理的頻率死區(qū)范圍、限幅和不等率等，能有效發(fā)揮一次調(diào)頻的作用;但是負(fù)荷波動(dòng)一直存在，一次調(diào)頻有效意味著汽輪機(jī)的汽門需要頻繁動(dòng)作來(lái)減少頻率變化。汽門頻繁動(dòng)作對(duì)機(jī)組存在著很大的安全隱患，后續(xù)將研究利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)參與火電廠一次調(diào)頻，減小或盡量消除汽輪機(jī)調(diào)門的動(dòng)作，加強(qiáng)機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性。

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