一次調(diào)頻對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析

【摘 要】本文簡(jiǎn)要介紹了一次調(diào)頻的基本原理以及參數(shù)的設(shè)置方法及對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并對(duì)一次調(diào)頻對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析，提出了將DEH一次調(diào)頻因子引入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的方法，DEH和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)就能夠共同完成一次調(diào)頻功能，不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。

【關(guān)鍵詞】一次調(diào)頻；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；穩(wěn)定性

0 引言

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(hù)對(duì)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(wèn)題越來(lái)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。為提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，增強(qiáng)電網(wǎng)抗事故能力。電能質(zhì)量越高，電網(wǎng)也越安全。

對(duì)于電網(wǎng)中快速的負(fù)荷變動(dòng)所引起的周波變動(dòng)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化情況利用鍋爐的蓄能，自動(dòng)改變調(diào)門(mén)的開(kāi)度，即改變發(fā)電機(jī)的功率，使之適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的隨機(jī)變動(dòng)，來(lái)滿(mǎn)足電網(wǎng)負(fù)荷變化的過(guò)程這就是一次調(diào)頻。

系統(tǒng)中運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)組，按照其調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性增加調(diào)門(mén)開(kāi)度，彌補(bǔ)系統(tǒng)中功率的不足。機(jī)組一次調(diào)頻功能是指當(dāng)電網(wǎng)頻率超出規(guī)定的正常范圍后，電網(wǎng)頻率的變化將使電網(wǎng)中參與一次調(diào)頻的各機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化自動(dòng)地增加或減小機(jī)組的功率，從而達(dá)到新的平衡，并且將電網(wǎng)頻率的變化限制在一定的范圍內(nèi)。一次調(diào)頻功能是維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定的重要手段。為了保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)頻率的控制水平，迅速消除由于電網(wǎng)負(fù)荷變化而引起的頻率波動(dòng)，電網(wǎng)對(duì)機(jī)組的一次調(diào)頻要求越來(lái)越高。

1 一次調(diào)頻的基本原理

電網(wǎng)的頻率是由發(fā)電功率與用電負(fù)荷大小決定的，當(dāng)發(fā)電功率與用電負(fù)荷大小相等時(shí)，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定；發(fā)電功率大于用電負(fù)荷時(shí)，電網(wǎng)頻率升高；發(fā)電功率小于用電負(fù)荷時(shí)，電網(wǎng)頻率降低。電網(wǎng)的頻率（周波）一旦偏離額定值時(shí)，電網(wǎng)中機(jī)組的控制系統(tǒng)就自動(dòng)地控制機(jī)組有功功率的增減，限制電網(wǎng)頻率變化，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定的個(gè)自動(dòng)控制過(guò)程。當(dāng)電網(wǎng)頻率升高時(shí)，一次調(diào)頻功能要求機(jī)組利用其蓄熱快速減負(fù)荷，反之，機(jī)組快速減負(fù)荷。一次調(diào)頻的主要技術(shù)指標(biāo)有：轉(zhuǎn)速不等率、調(diào)頻死區(qū)、調(diào)頻負(fù)荷范圍。

一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速不等率定義為：δ=（nmax-nmin）╱n0×100%

式中：nmax、nmin——機(jī)組空負(fù)荷、滿(mǎn)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的速度，（r/min）；n0——機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，（r/min）。

轉(zhuǎn)速不等率δ是反映機(jī)組調(diào)頻能力的重要指標(biāo)，既反映了機(jī)組一次調(diào)頻能力的強(qiáng)弱，又表明了穩(wěn)定性的好壞。轉(zhuǎn)速不等率δ越大，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的調(diào)頻能力越小，機(jī)組運(yùn)行越穩(wěn)定；轉(zhuǎn)速不等率δ越小，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的調(diào)頻能力越強(qiáng)，但機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性差。調(diào)頻死區(qū)的設(shè)置主要是為了防止電網(wǎng)頻率在小范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)汽機(jī)調(diào)門(mén)的不必要的頻繁動(dòng)作，調(diào)頻過(guò)于靈敏，不利于設(shè)備的安全運(yùn)行。另外，為了保持一次調(diào)頻時(shí)機(jī)組的穩(wěn)定和機(jī)組的實(shí)際調(diào)頻能力及設(shè)備的安全，還需要對(duì)調(diào)頻負(fù)荷進(jìn)行限幅，防止一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)機(jī)組出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷的情況。

1.1 一次調(diào)頻的參數(shù)設(shè)置

機(jī)組一次調(diào)頻性能，是指電網(wǎng)頻率發(fā)生偏離額定值的變化時(shí)，機(jī)組出力與電網(wǎng)頻率的相關(guān)性，傳統(tǒng)上用汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的速度變動(dòng)率（調(diào)差系數(shù)）及遲緩率（死區(qū)）表示。當(dāng)頻差或轉(zhuǎn)速差超過(guò)死區(qū)值時(shí)一次調(diào)頻開(kāi)始動(dòng)作，速度變動(dòng)率（調(diào)差系數(shù)）是指令一次調(diào)頻動(dòng)作的比例，其值越大，一次調(diào)頻的負(fù)荷變化越小，反之就越大。

一次調(diào)頻要求機(jī)組在保證機(jī)組安全的前提下，適當(dāng)利用機(jī)組的蓄熱快速變化機(jī)組的負(fù)荷，使電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。一次調(diào)頻對(duì)機(jī)組會(huì)有一些負(fù)面作用，所以一次調(diào)頻的動(dòng)作不易過(guò)大和過(guò)頻，一次調(diào)頻的參數(shù)應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的模型特性、頻率指標(biāo)、并結(jié)合機(jī)組的情況綜合制訂。

由于DEH的生產(chǎn)廠家不同，參數(shù)的設(shè)置方法也有差異。如果一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置不合理，會(huì)對(duì)機(jī)組的安全性與穩(wěn)定性帶來(lái)一定的影響。以下針對(duì)河北南網(wǎng)大型火電機(jī)組中一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置及其對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，并探討如何合理設(shè)置DEH和DCS一次調(diào)頻的參數(shù)，使其既能滿(mǎn)足電網(wǎng)頻率快速響應(yīng)的需求，又能滿(mǎn)足機(jī)組安全穩(wěn)定性的要求。

1.2 一次調(diào)頻功能的控制策略和邏輯

1.2.1 DEH側(cè)的一次調(diào)頻功能

早期汽機(jī)的一次調(diào)功能由汽機(jī)液調(diào)系統(tǒng)完成，這些液調(diào)系統(tǒng)控制汽機(jī)由于其一次調(diào)頻的死區(qū)大于電網(wǎng)的正常頻率波動(dòng)，所以目前正常情況下一次調(diào)頻已經(jīng)不起作用，只有電網(wǎng)有大的頻率偏差才會(huì)動(dòng)作。一次調(diào)頻功能分別設(shè)置在DEH和CCS側(cè)，DEH側(cè)的一次調(diào)頻代替原液調(diào)系統(tǒng)的功能，但其控制的性能有了很大的提高，而且一次調(diào)頻的參數(shù)可能方便精確地設(shè)置。機(jī)組并網(wǎng)后，汽機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率是一致，DEH中普遍使用汽機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)代表電網(wǎng)頻率。DEH一次調(diào)頻是換算成電負(fù)荷當(dāng)量的調(diào)門(mén)指令=F2（△轉(zhuǎn)速），但由于此換算存在著一定的偏差，而且是開(kāi)環(huán)控制，所以DEH實(shí)際一次調(diào)頻的負(fù)荷響應(yīng)和一次調(diào)頻的負(fù)荷要求是有偏差的，而且由于機(jī)組的蓄熱只能維護(hù)一段時(shí)間，所以后期負(fù)荷又回到原值。

1.2.2 CCS側(cè)的一次調(diào)頻功能

對(duì)于CCBF方式，如沒(méi)有一次調(diào)頻功能，由DEH一次調(diào)頻動(dòng)作所變化的負(fù)荷很快會(huì)被CCBF的負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)拉回。投一次調(diào)頻后CCBF的負(fù)荷指令與DEH側(cè)同步變化，使二側(cè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)調(diào)門(mén)的變化一致。如沒(méi)有一次調(diào)頻功能，由于DEH的一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)會(huì)引起主蒸汽壓力變化，CCTF的主蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)很快會(huì)把調(diào)門(mén)恢復(fù)到原位，也使負(fù)荷很快回到原值。CCTF方式下即使投入一次調(diào)頻功能，主蒸汽壓力調(diào)節(jié)回路也會(huì)對(duì)一次調(diào)頻有較大抑制作用，為此要對(duì)CCTF下的一次調(diào)頻邏輯進(jìn)行一些修改，使一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，主蒸汽壓力在允許的范圍內(nèi)，閉鎖與一次調(diào)頻反向汽機(jī)指令變化，使機(jī)組能釋放出一部分蓄熱來(lái)滿(mǎn)足一次調(diào)頻的變負(fù)荷要求。

以上兩種CCS方式都是把一次調(diào)頻的負(fù)荷要求疊加在原負(fù)荷指令上，一方面使調(diào)門(mén)的動(dòng)作與DEH側(cè)的一次調(diào)頻保持一致，另外改變鍋爐指令，使鍋爐與汽機(jī)能量上保持平衡。一次調(diào)頻的作用應(yīng)該時(shí)短時(shí)間內(nèi)保持用電與供電的平衡，使電網(wǎng)頻繁穩(wěn)定，基本上用電與供電的平衡應(yīng)由AGC完成。一次調(diào)頻功能是通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)的開(kāi)度，利用機(jī)組的蓄熱來(lái)快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。目前大機(jī)組普遍應(yīng)用DEH來(lái)進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和有功功率的控制。

DEH中一次調(diào)頻功能是將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值直接換算成有功功率指令，以新華控制工程公司的DEH為例。汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速（一般為3000r/min）與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)函數(shù)f（x）轉(zhuǎn)換后生成一次調(diào)頻因子，直接疊加到DEH的有功功率給定值上，以控制汽輪機(jī)的調(diào)門(mén)開(kāi)度。一次調(diào)頻因子的設(shè)置包括頻差死區(qū)和轉(zhuǎn)速不等率兩個(gè)因素。頻差死區(qū)的設(shè)置是為了防止在電網(wǎng)頻差小范圍變化時(shí)汽機(jī)調(diào)門(mén)不必要的動(dòng)作。

一次調(diào)頻不等率δ定義為：δ=Δn/n0

式中Δn——機(jī)組空負(fù)荷時(shí)和滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速差值，r/min；n0——機(jī)組額定負(fù)荷值，MW。

δ的數(shù)值一般設(shè)置在3%～6%。δ值越小，在相同的頻差下汽機(jī)調(diào)門(mén)的變化幅值越大，反之則越小。一次調(diào)頻因子的設(shè)置與機(jī)組的穩(wěn)定性密切相關(guān)，頻差死區(qū)越大，δ越大，機(jī)組越穩(wěn)定，但是對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻的貢獻(xiàn)也越小。一次調(diào)頻因子的設(shè)置應(yīng)兼顧機(jī)組穩(wěn)定性和一次調(diào)頻快速響應(yīng)的指標(biāo)。

2 一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置及其對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

δ的數(shù)值確定之后，頻差的變化和一次調(diào)頻因子的數(shù)值的關(guān)系就是線(xiàn)性的，可以有多種方法來(lái)完成一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置。應(yīng)用較廣泛的是利用函數(shù)發(fā)生器f（x）進(jìn)行一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置方法。

調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置并不適用于國(guó)內(nèi)機(jī)組的運(yùn)行情況。只要汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與給定值有偏差，汽輪機(jī)調(diào)門(mén)就會(huì)動(dòng)作，使協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)疊加的擾動(dòng)過(guò)于頻繁，從而影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

頻差設(shè)置了死區(qū)以后，實(shí)際上小幅度地改變了δ，而且越接近死區(qū)，改變?cè)酱?。這種一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置方法雖然既考慮了頻差死區(qū)，又對(duì)因?yàn)轭l差死區(qū)設(shè)置而造成的δ的變化做了修正，但是對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性卻造成了很大影響。首先，一次調(diào)頻因子沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何速率限制直接加到DEH的有功功率給定值上，當(dāng)頻差在超過(guò)和回落到死區(qū)的過(guò)程中，一次調(diào)頻因子的變化是一個(gè)階躍過(guò)程，整體的調(diào)節(jié)后果會(huì)導(dǎo)致汽機(jī)調(diào)門(mén)的突然開(kāi)大或者關(guān)小，在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入的情況下，會(huì)導(dǎo)致燃料量的大幅度波動(dòng)，從而引起汽包水位、爐膛壓力、主汽壓力和主汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定，而這種對(duì)δ的修正量對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻的貢獻(xiàn)量是非常小的，因此這種設(shè)置方法總體上是弊大于利，應(yīng)該擯棄。

如果DEH功率回路沒(méi)有投入，則一次調(diào)頻作用為純比例調(diào)節(jié)，有功功率變化的數(shù)值與一次調(diào)頻因子不可避免地存在偏差，偏差量與當(dāng)時(shí)機(jī)組的運(yùn)行工況有關(guān)。為了防止一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)機(jī)組出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷的情況，最好對(duì)一次調(diào)頻因子進(jìn)行幅值的限制。

除了上述雙向幅值限制以外，還可以進(jìn)行單向的幅值限制，在一次調(diào)頻因子增的方向進(jìn)行限幅，減的方向不進(jìn)行限制。

3 DEH與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)一次調(diào)頻功能的聯(lián)合調(diào)整

在DEH一次調(diào)頻功能投入后，如果有頻差出現(xiàn)時(shí)，一次調(diào)頻因子直接疊加在DEH的有功功率的給定值上，通過(guò)調(diào)節(jié)DEH的調(diào)門(mén)使機(jī)組有功功率快速響應(yīng)一次調(diào)頻的需求。但是如果此時(shí)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的負(fù)荷給定值沒(méi)有改變而機(jī)組有功功率發(fā)生了變化，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功率控制回路就會(huì)發(fā)出和一次調(diào)頻作用方向相反的汽輪機(jī)調(diào)門(mén)指令，不僅從一定程度上抵消了一次調(diào)頻的效果，而且對(duì)于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)相當(dāng)于增加了外部擾動(dòng)量。對(duì)于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和DEH遙控指令是開(kāi)關(guān)量脈沖傳輸形式的系統(tǒng)來(lái)講，由于DEH遙控指令有一定的速率限制，這種抵消作用還弱一些，如果協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和DEH遙控指令是通過(guò)模擬量傳輸?shù)?，由于DEH的調(diào)門(mén)變化速率不受限制，不僅將一次調(diào)頻效果馬上抵消，而且容易引起協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)振蕩，從而降低協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為使一次調(diào)頻達(dá)到最佳的調(diào)節(jié)效果，需要將一次調(diào)頻因子引入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的負(fù)荷給定值回路。

4 結(jié)論

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力市場(chǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，最終是要求各上網(wǎng)電廠機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率的支持要快，同時(shí)又要保證機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求機(jī)組的一次調(diào)頻程序在機(jī)組安全的前提下，能快速適應(yīng)各種工況。一次參數(shù)的設(shè)置既要充分考慮對(duì)電網(wǎng)周波變化的快速響應(yīng)，又不能對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。只要能夠根據(jù)機(jī)組的實(shí)際情況正確合理地設(shè)置一次調(diào)頻參數(shù)，DEH和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)就能夠共同完成一次調(diào)頻功能，而不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。

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[責(zé)任編輯：曹明明]