機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)模式下一次調(diào)頻邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)

韓英昆 ，牟 琳，韓德順

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250061；3.山東電力調(diào)度控制中心，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

隨著特高壓、新能源、智能電網(wǎng)的建設(shè)及發(fā)電技術(shù)的成熟，大容量火力發(fā)電機(jī)組建設(shè)已成為技術(shù)主流，影響電網(wǎng)運(yùn)行頻率的因素也越來(lái)越多，電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻性能的依賴(lài)性也越來(lái)越大，機(jī)組調(diào)頻能力是機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的一個(gè)重要支撐。因此對(duì)發(fā)電機(jī)組的涉網(wǎng)試驗(yàn)性能要求也越來(lái)越嚴(yán)格。為了提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)頻率的控制水平，優(yōu)化機(jī)組機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)性能，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組都要求具備相應(yīng)的一次調(diào)頻能力。以生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中典型并網(wǎng)火電機(jī)組為例，介紹一次調(diào)頻的控制原理、實(shí)現(xiàn)及其相應(yīng)的參數(shù)配置，結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，探討如何合理設(shè)置優(yōu)化一次調(diào)頻的組態(tài)邏輯，避免生產(chǎn)過(guò)程中一次調(diào)頻動(dòng)作對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

1 一次調(diào)頻概述

在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，由用戶消耗負(fù)荷變化影響，引起電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行頻率變化較小、變動(dòng)周期較短的微小分量，主要靠汽輪發(fā)電機(jī)組本身的調(diào)節(jié)系統(tǒng)直接自動(dòng)調(diào)整汽輪機(jī)調(diào)門(mén)完成電網(wǎng)負(fù)荷補(bǔ)償，修正電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，這個(gè)過(guò)程即為發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻［1］。

發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)即DEH系統(tǒng)中一次調(diào)頻功能通常是將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值直接轉(zhuǎn)化為功率信號(hào)補(bǔ)償或流量補(bǔ)償，控制結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1 所示［2］。

圖1 一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)原理圖

在我國(guó)電網(wǎng)額定頻率為50 Hz，汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3000 r／min，額定轉(zhuǎn)速與汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)函數(shù)變換后生成一次調(diào)頻補(bǔ)償因子，一次調(diào)頻功能投入時(shí)，直接與功率或流量信號(hào)疊加，控制汽輪機(jī)的調(diào)門(mén)開(kāi)度，一次調(diào)頻切除時(shí)，調(diào)頻補(bǔ)償因子為零，不參與系統(tǒng)控制。

2 一次調(diào)頻函數(shù)的設(shè)置

隨著用戶對(duì)電能質(zhì)量和電網(wǎng)頻率要求的提高，電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻性能要求也越來(lái)越嚴(yán)格，因此發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的參數(shù)設(shè)置也就越來(lái)越重要。

2.1 不帶死區(qū)不帶限幅方式

只要機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速有偏差，一次調(diào)頻就動(dòng)作，汽輪機(jī)的高壓調(diào)門(mén)就動(dòng)作，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。限于我國(guó)電網(wǎng)的容量與穩(wěn)定性性能要求，這種調(diào)頻方式一般不適用于我國(guó)目前的發(fā)電機(jī)組。

2.2 帶死區(qū)不帶限幅方式

設(shè)置一定的轉(zhuǎn)速死區(qū)，在偏差死區(qū)范圍內(nèi)，一次調(diào)頻不動(dòng)作，超出偏差死區(qū)，一次調(diào)頻投入。目前我國(guó)大部分機(jī)組采用這種一次調(diào)頻方式。

2.3 帶死區(qū)但不改變不等率δ不帶限幅方式

與2.2相比，這種模式設(shè)置了調(diào)頻死區(qū)，但在頻差死區(qū)臨界點(diǎn)處，存在一次調(diào)頻補(bǔ)償因子突變過(guò)程，將使機(jī)組的調(diào)門(mén)突然開(kāi)關(guān)動(dòng)作，引起機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中燃料、給水、送風(fēng)等參數(shù)的突變，造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

2.4 帶死區(qū)帶限幅方式

與2.3相比，這種調(diào)頻方式增加了調(diào)頻限幅功能，可有效防止機(jī)組頻差信號(hào)超限時(shí)引起機(jī)組調(diào)頻超負(fù)荷現(xiàn)象。適當(dāng)修改參數(shù)也可實(shí)現(xiàn)單向限幅功能。

2.5 調(diào)頻函數(shù)設(shè)置實(shí)例

以一臺(tái)超超臨界直流鍋爐運(yùn)行機(jī)組為例，機(jī)組額定容量1000 MW，一次調(diào)頻控制方式采取DEH＋CCS控制，按照山東電力系統(tǒng)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)相關(guān)技術(shù)要求，不等率δ設(shè)為5%，轉(zhuǎn)速死區(qū)為±2 r／min。一次調(diào)頻最大補(bǔ)償要求為額定負(fù)荷的6%，采用2.4所述的帶死區(qū)帶限幅的設(shè)置方式，一次調(diào)頻指令函數(shù)設(shè)定值如表1所示，表中：轉(zhuǎn)速偏差＝額定轉(zhuǎn)速－實(shí)際轉(zhuǎn)速。其一次調(diào)頻函數(shù)設(shè)置曲線如圖2所示。

圖2 一次調(diào)頻函數(shù)設(shè)置曲線

當(dāng)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速偏差大于2 rpm轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過(guò)調(diào)頻函數(shù)計(jì)算得出一調(diào)頻補(bǔ)償值直接加到機(jī)組調(diào)節(jié)器控制閥門(mén)開(kāi)度值及機(jī)組控制指令上，控制高壓調(diào)門(mén)的開(kāi)度變化，完成機(jī)組的一次調(diào)頻［3］。

表1 一次調(diào)頻指令函數(shù)刻度設(shè)定值

3 一次調(diào)頻組態(tài)存在的問(wèn)題

電站機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)中，為了安全可靠，一般采用固定范圍投入一次調(diào)頻的設(shè)置方式，目的為了保證機(jī)組在一次調(diào)頻發(fā)生時(shí)，不出現(xiàn)超出機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間。但是，某些機(jī)組由于在范圍限制時(shí)邏輯組態(tài)使用不當(dāng)，不但不能起到正確的限幅保護(hù)，反而給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)不利影響。下面列舉幾種不恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)組態(tài)方式。

3.1 投入條件設(shè)置不恰當(dāng)

如某330 MW機(jī)組，組態(tài)設(shè)置如圖3所示，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻在180～330 MW區(qū)間投入，調(diào)頻補(bǔ)償負(fù)荷額定設(shè)置為－26.4～＋26.4 MW，超出范圍自動(dòng)退出一次調(diào)頻功能。

圖3一次調(diào)頻投入條件限幅不當(dāng)組態(tài)邏輯

圖3所示邏輯組態(tài)，虛框內(nèi)的固定投入范圍功能塊雖然保證了超出180～330 MW區(qū)間一次調(diào)頻自動(dòng)退出，但是在兩個(gè)限幅點(diǎn)左右，如在183 MW負(fù)荷點(diǎn)，機(jī)組一次調(diào)頻減4 MW負(fù)荷時(shí)，機(jī)組負(fù)荷小于180 MW，調(diào)頻退出瞬間，機(jī)組負(fù)荷指令又增大，機(jī)組升負(fù)荷大于180 MW，調(diào)頻又投入，調(diào)頻指令起作用，機(jī)組又減負(fù)荷，如此反復(fù)，出現(xiàn)一次調(diào)頻頻繁投入退出。類(lèi)似于此類(lèi)組態(tài)設(shè)置的調(diào)頻投入方式，在限幅點(diǎn)往往會(huì)引起機(jī)組負(fù)荷震蕩，不利于機(jī)組安全運(yùn)行。

3.2 調(diào)頻補(bǔ)償負(fù)荷限幅組態(tài)不當(dāng)

如圖4所示。某600 MW機(jī)組，一次調(diào)頻組態(tài)設(shè)置目的是限幅調(diào)頻補(bǔ)償負(fù)荷最大為36 MW，機(jī)組調(diào)頻區(qū)間為300～600 MW，在接近限幅點(diǎn)左右，邏輯實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整調(diào)頻負(fù)荷補(bǔ)償幅度，使機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷不超過(guò)高低限值。如在590 MW時(shí)，如果出現(xiàn)調(diào)頻補(bǔ)償20 MW情況，邏輯組態(tài)自動(dòng)計(jì)算一次調(diào)頻指令最大為10 MW，使機(jī)組最高指令為負(fù)荷高限600 MW，而不會(huì)出現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷指令將達(dá)610 MW，超出機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷高限，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

圖4 新型一次調(diào)頻控制邏輯框圖

但是圖4邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)在自動(dòng)計(jì)算調(diào)頻補(bǔ)償時(shí)，選取機(jī)組實(shí)際負(fù)荷做比較參數(shù)，在正常情況下不會(huì)影響一次調(diào)頻調(diào)節(jié)，在接近高低負(fù)荷限值點(diǎn)，則會(huì)發(fā)生調(diào)頻指令達(dá)不到額定實(shí)際，影響機(jī)組一次調(diào)頻指標(biāo)。如在590 MW負(fù)荷時(shí)，疊加一次調(diào)頻前機(jī)組指令590 MW，它在調(diào)頻動(dòng)作過(guò)程保持不變，機(jī)組出現(xiàn)調(diào)頻增負(fù)荷10 MW，調(diào)頻瞬間機(jī)組實(shí)際指令為600 MW，機(jī)組升負(fù)荷，但是升負(fù)荷過(guò)程中，邏輯計(jì)算出的機(jī)組調(diào)頻指令逐漸減小，機(jī)組實(shí)際指令也同步減小，理想狀態(tài)下，最終機(jī)組總指令與實(shí)際負(fù)荷穩(wěn)定在595 MW，影響機(jī)組一次調(diào)頻性能，調(diào)頻過(guò)程曲線如圖5所示（假設(shè)機(jī)組調(diào)頻過(guò)程負(fù)荷變化率固定不變）。t1時(shí)刻前，負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷曲線重合，均為590 MW，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，t1時(shí)刻，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作，補(bǔ)償升負(fù)荷10 MW，疊加機(jī)組調(diào)頻指令后，機(jī)組理想負(fù)荷指令為600 MW。t1至t2時(shí)刻，為一次調(diào)頻動(dòng)作過(guò)程，機(jī)組負(fù)荷上升，同時(shí)一次調(diào)頻指令自動(dòng)減小，造成機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令減小，最終機(jī)組穩(wěn)定在t2時(shí)刻，機(jī)組實(shí)際指令和負(fù)荷均為595 MW，未達(dá)到一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 一次調(diào)頻動(dòng)作曲線

4 影響一次調(diào)頻功能的不利因素

4.1 降參數(shù)運(yùn)行

考慮機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，目前大部分機(jī)組采用滑參數(shù)運(yùn)行，在不同的負(fù)荷段，機(jī)組運(yùn)行不同壓力參數(shù)，保持汽輪機(jī)調(diào)門(mén)一定的開(kāi)度，減小調(diào)門(mén)的節(jié)流，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。但是滑壓運(yùn)行，增大機(jī)組調(diào)門(mén)開(kāi)度，給機(jī)組一次調(diào)頻性能帶來(lái)了較大影響。機(jī)組調(diào)門(mén)開(kāi)度超過(guò)一定值，其流量特性越來(lái)越差，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，增加機(jī)組增負(fù)荷指令，即使給了開(kāi)調(diào)門(mén)指令，調(diào)門(mén)按指令動(dòng)作，由于流量特性限制，機(jī)組負(fù)荷補(bǔ)償也有限，進(jìn)而影響機(jī)組一次調(diào)頻能力。

4.2 汽機(jī)跟隨運(yùn)行（TF方式）

機(jī)組在汽機(jī)跟隨方式下運(yùn)行時(shí)，汽機(jī)控制對(duì)象為機(jī)前壓力，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，機(jī)組負(fù)荷根據(jù)電網(wǎng)頻率波動(dòng)做相應(yīng)補(bǔ)償調(diào)整，機(jī)前壓力也會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)TF控制回路勢(shì)必進(jìn)行壓力修正調(diào)節(jié)，而這一過(guò)程與一次調(diào)頻動(dòng)作是反作用的，比如電網(wǎng)頻率小于額定值時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作升負(fù)荷，機(jī)前壓力降低，而TF方式調(diào)整壓力，則進(jìn)行下關(guān)汽機(jī)調(diào)門(mén)提高機(jī)前壓力，這樣機(jī)組又會(huì)降負(fù)荷，所以機(jī)組運(yùn)行在TF方式下，不做壓力特殊修正，一次調(diào)頻性能不能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 汽機(jī)調(diào)門(mén)線性度差

機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，尤其機(jī)組調(diào)門(mén)經(jīng)過(guò)解體大修等過(guò)程后，其流量曲線會(huì)發(fā)生明顯的漂移變化，如調(diào)門(mén)不對(duì)其流量特性曲線重新整定，對(duì)整個(gè)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整控制過(guò)程均有比較大的影響，一次調(diào)頻動(dòng)作的負(fù)荷補(bǔ)償更得不到可靠保障。

4.4 一次調(diào)頻優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)機(jī)組瞬時(shí)發(fā)電負(fù)荷指令P及機(jī)組一次調(diào)頻投入上、下限值 P1、P2，通過(guò) SUB、MAX、MIN 算法模塊，自動(dòng)計(jì)算出一次調(diào)頻理論補(bǔ)償負(fù)荷限幅值，來(lái)設(shè)定H／L限幅模塊的高低限幅值。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行頻率波動(dòng)差值（或用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)代替電網(wǎng)頻率波動(dòng)）通過(guò)設(shè)定函數(shù)F1（x）計(jì)算出機(jī)組一次調(diào)頻理論補(bǔ)償負(fù)荷值，通過(guò)H／L限幅模塊保證機(jī)組調(diào)頻動(dòng)作不超過(guò)機(jī)組正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，限制機(jī)組一次調(diào)頻補(bǔ)償指令在（－ΔP～ΔP）之間，防止機(jī)組出現(xiàn)大幅擾動(dòng)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，具體實(shí)現(xiàn)控制邏輯組態(tài)如圖6所示，圖中P為機(jī)組瞬時(shí)發(fā)電負(fù)荷指令（不疊加一次調(diào)

圖6 新型一次調(diào)頻控制邏輯框圖

頻指令）；P1為機(jī)組一次調(diào)頻投入負(fù)荷上限；P2為機(jī)組一次調(diào)頻投入負(fù)荷下限；Δf或Δn為機(jī)組頻率偏差或機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差；ΔP為機(jī)組一次調(diào)頻補(bǔ)償理論值，一般取 ΔP＝機(jī)組額定容量k（現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)要求規(guī)定：機(jī)組額定容量小于250 MW時(shí)，k不小于10%；機(jī)組額定容量大于等于250 MW小于等于350 MW級(jí)機(jī)組，k不小于8%；機(jī)組額定容量大于350 MW小于等于500 MW級(jí)機(jī)組，k不小于7%；500 MW以上機(jī)組，k不小于6%）；SUB為減法計(jì)算模塊；MAX為兩輸入變量輸出取大計(jì)算模塊；MIN為兩輸入變量輸出取小計(jì)算模塊；MUL為乘法計(jì)算模塊；H／L為限幅模塊：限制輸出值在固定范圍內(nèi)；F1（x）為計(jì)算函數(shù)，一般根據(jù)不等率設(shè)置調(diào)頻曲線。

同時(shí)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)主蒸汽壓力，通過(guò)調(diào)頻補(bǔ)償修正功能塊計(jì)算出機(jī)組一次調(diào)頻指令修正系數(shù)，修正一次調(diào)頻指令輸出，保證機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作在各個(gè)運(yùn)行工況下滿足設(shè)計(jì)要求，盡快修正電網(wǎng)頻率波動(dòng)，保證電網(wǎng)供電質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著電力系統(tǒng)對(duì)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)性能的要求提高，火電機(jī)組一次調(diào)頻性能一般采用DEH＋CCS完成，DEH中一次調(diào)頻功能響應(yīng)速度快，動(dòng)作迅速，系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，易于操作，不會(huì)對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性造成大的影響，而協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）中一次調(diào)頻以功率為調(diào)節(jié)基準(zhǔn)，保證了一次調(diào)頻的能力。正確的設(shè)置一次調(diào)頻邏輯組態(tài)，協(xié)調(diào)利用好兩側(cè)控制系統(tǒng)特點(diǎn)，不僅能夠滿足一次調(diào)頻的性能要求，又能滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的需要，提高機(jī)組機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)能力。

［1］肖曾弘.汽輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)電力出版社,2003.

［2］王付生.電廠熱工自動(dòng)控制與保護(hù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社,2005.

［3］韓英昆，孟祥榮，牟琳.1000 MW火電機(jī)組DEH一次調(diào)頻控制方式應(yīng)用與探討［J］.華東電力， 2008（3）：95－97.