火電機(jī)組一次調(diào)頻及試驗(yàn)

張燕平 吳子豪 師 鵬 羅德柱

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安 710100）

在電網(wǎng)中，大容量發(fā)電機(jī)組與光伏、風(fēng)電等新型能源發(fā)電機(jī)組數(shù)量的增加以及用戶用電量的持續(xù)增加，使發(fā)電結(jié)構(gòu)及用電結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化。交直流外送工程運(yùn)行以及電網(wǎng)系統(tǒng)中自動(dòng)化水平和電力調(diào)度工作質(zhì)量不斷提高，要求火電機(jī)組的運(yùn)行方式隨之改變且響應(yīng)速度相應(yīng)加快[1-2]。根據(jù)文獻(xiàn)[3-6]對(duì)組合火電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)的介紹和說(shuō)明，證明了機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)的實(shí)際過(guò)程中還存在著一系列的問(wèn)題，作者對(duì)問(wèn)題也進(jìn)行了一定的分析說(shuō)明，改善了一次調(diào)頻的性能方法，優(yōu)化了一次調(diào)頻的技術(shù)要求。在文獻(xiàn)[7-8]中，作者指出對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻邏輯優(yōu)化與試驗(yàn)方法數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和闡述能夠使機(jī)組一次調(diào)頻的性能進(jìn)一步提高，對(duì)實(shí)際的工作有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)前面作者指出的一些改進(jìn)措施和實(shí)施方法，發(fā)現(xiàn)尚且存在一些試驗(yàn)證明中存在的具體問(wèn)題，還不能夠?qū)μ岢龅挠^點(diǎn)和闡述的理論具有十足的支撐[9]。

為了適應(yīng)這些變化，火電機(jī)組要在一定條件下以電網(wǎng)中所需要的負(fù)荷總量與電網(wǎng)頻率偏差為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻。這就對(duì)火電機(jī)組一次調(diào)頻性能提出了更嚴(yán)格的要求。為此，國(guó)內(nèi)各大電網(wǎng)都主動(dòng)開(kāi)展火電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)工作。查閱相關(guān)文獻(xiàn)與研究報(bào)告可知，目前CCS與DEH控制系統(tǒng)同時(shí)具備一次調(diào)頻功能是火電機(jī)組當(dāng)前能夠滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求的最佳模式[10]。

1 DEH與CCS系統(tǒng)一次調(diào)頻

若要火電機(jī)組一次調(diào)頻功能有效地發(fā)揮作用，則必須了解DEH和CCS控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式。雖然火電機(jī)組可采用不同類型的DEH和CCS控制系統(tǒng)，但是一次調(diào)頻原理基本一致[11]。

1.1 一次調(diào)頻功能概述

電力系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)受到來(lái)自外界的影響而引起負(fù)荷發(fā)生改變，電網(wǎng)頻率有時(shí)候會(huì)超出正常要求范圍，這時(shí)就需要并入電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功能發(fā)揮作用，根據(jù)電網(wǎng)頻率實(shí)際變化幅度調(diào)整發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率增大或者減小，以求能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的平衡，并將電網(wǎng)頻率變化幅度控制在一定可控的范圍之內(nèi)[12-13]。

發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻具有調(diào)整速度較快、調(diào)整量隨電網(wǎng)頻率變化和調(diào)整量可控的特點(diǎn)。一次調(diào)頻涉及的技術(shù)指標(biāo)較多，主要包括轉(zhuǎn)速不等率、頻率死區(qū)、調(diào)頻負(fù)荷范圍等[14]。

轉(zhuǎn)速不等率是機(jī)組空負(fù)荷對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速和滿負(fù)荷對(duì)應(yīng)的最小轉(zhuǎn)速之差，與額定轉(zhuǎn)速之比的百分?jǐn)?shù)，表示為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷靜態(tài)控制特性曲線的斜率，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)速與功率的線性關(guān)系

轉(zhuǎn)速不等率的大小能夠體現(xiàn)機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻能力的強(qiáng)弱，其值越大調(diào)頻能力越弱，機(jī)組能夠更加穩(wěn)定運(yùn)行；反之，調(diào)頻能力越強(qiáng)，機(jī)組的穩(wěn)定性會(huì)相應(yīng)降低。

調(diào)頻死區(qū)設(shè)置可以有效地避免汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥因轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定或在電網(wǎng)頻率小范圍波動(dòng)時(shí)引起機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)擺動(dòng)，能夠保證電網(wǎng)和設(shè)備更加穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)調(diào)頻負(fù)荷變化量進(jìn)行限制，避免在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)出現(xiàn)負(fù)荷超出的現(xiàn)象，防止發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)大范圍劇烈波動(dòng)，保證發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 DEH系統(tǒng)一次調(diào)頻功能

在DEH控制系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)電網(wǎng)頻差校正的負(fù)荷需求直接與DEH系統(tǒng)中負(fù)荷指令進(jìn)行疊加，再作用于對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的控制。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，電網(wǎng)頻率偏差與機(jī)組負(fù)荷變化存在一定關(guān)系，無(wú)論機(jī)組運(yùn)行在何種狀態(tài)，在頻率偏差理論上都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)幅度的負(fù)荷變化，能夠?qū)㈦娋W(wǎng)頻率偏差控制在一定范圍內(nèi)，為二次調(diào)頻創(chuàng)造更好的運(yùn)行條件。但這種方法需要保證 DEH系統(tǒng)功率控制回路始終處于投入狀態(tài)，否則一次調(diào)頻功能就難以有效發(fā)揮作用。當(dāng)功率控制回路不投入時(shí)，DEH控制系統(tǒng)為閥位控制方式，一次調(diào)頻為純比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)品質(zhì)與機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及調(diào)節(jié)閥的流量特性有關(guān)，一次調(diào)頻的實(shí)際負(fù)荷響應(yīng)與調(diào)頻負(fù)荷目標(biāo)值必然存在偏差。

DEH控制系統(tǒng)一次調(diào)頻反應(yīng)速度快，但存在偏差，且持續(xù)性差，機(jī)組蓄熱只能持續(xù)一段時(shí)間，后期機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷量無(wú)法維持，甚至又回到一次調(diào)頻動(dòng)作前的原負(fù)荷值。

一次調(diào)頻函數(shù)可以作為電網(wǎng)頻差校正的負(fù)荷指令參考，當(dāng)機(jī)組額定功率、轉(zhuǎn)速不等率、一次調(diào)頻負(fù)荷限制、死區(qū)等參數(shù)已知，一次調(diào)頻函數(shù)即可確定。一次調(diào)頻函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 一次調(diào)頻函數(shù)曲線圖

圖中，Δn為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差，Px與-Px分別是機(jī)組一次調(diào)頻增、減負(fù)荷限幅，Δnx與-Δnx分別是Px與-Px對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速差。

1.3 CCS系統(tǒng)一次調(diào)頻功能

CCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能的原理與DEH控制系統(tǒng)基本相同，函數(shù)關(guān)系也一致。以美國(guó)MCS公司（原teads&Northrup公司）研發(fā)的DEB400直接能量平衡系統(tǒng)為例，說(shuō)明CCS控制系統(tǒng)一次調(diào)頻功能的控制原理，如圖3所示。

圖3 一次調(diào)頻函數(shù)曲線

在CCS控制系統(tǒng)負(fù)荷控制回路中，負(fù)荷指令由AGC指令或運(yùn)行人員設(shè)定給出，該負(fù)荷指令經(jīng)過(guò)幅度和速率限制后與一次調(diào)頻的負(fù)荷增減指令疊加，疊加后的功率指令經(jīng)PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算形成汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)指令，控制機(jī)組負(fù)荷的增減。

CCS控制系統(tǒng)一次調(diào)頻的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)組運(yùn)行較穩(wěn)定，持續(xù)性較好，但響應(yīng)速度較慢，不能快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。

2 DEH與CCS系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)

火電機(jī)組一次調(diào)頻功能可以選擇以下控制方式投入：①DEH控制系統(tǒng)單獨(dú)投入；②CCS控制系統(tǒng)單獨(dú)投入；③DEH控制系統(tǒng)（遙控方式）與 CCS控制系統(tǒng)同時(shí)投入，即“CCS+DEH”方式。

如前所述，無(wú)論是DEH控制系統(tǒng)還是CCS控制系統(tǒng)，單獨(dú)投入一次調(diào)頻功能效果均不十分理想。同時(shí)，若CCS控制系統(tǒng)不投入一次調(diào)頻功能，則由DEH控制系統(tǒng)一次調(diào)頻動(dòng)作產(chǎn)生的負(fù)荷變化量會(huì)被 CCS控制系統(tǒng)負(fù)荷控制回路的負(fù)荷調(diào)節(jié)作用拉回，產(chǎn)生反調(diào)。因此，火電機(jī)組要想充分發(fā)揮一次調(diào)頻功能，采用DEH與CCS控制系統(tǒng)同時(shí)投入一次調(diào)頻功能是最佳選擇，即采用“CCS+DEH”方式投入一次調(diào)頻功能，這也是當(dāng)前火電機(jī)組采用的常規(guī)方法。

電網(wǎng)頻率信號(hào)精度較低，一般由DEH控制系統(tǒng)將機(jī)組轉(zhuǎn)速差或轉(zhuǎn)速信號(hào)送至CCS控制系統(tǒng)，保證CCS控制系統(tǒng)一次調(diào)頻動(dòng)作產(chǎn)生的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度指令或流量指令與 DEH控制系統(tǒng)一次調(diào)頻動(dòng)作指令同步。同時(shí)，CCS控制系統(tǒng)改變鍋爐指令，使鍋爐與汽輪機(jī)能量保持平衡，維持機(jī)組運(yùn)行參數(shù)基本穩(wěn)定。

DEH與CCS控制系統(tǒng)同時(shí)投入一次調(diào)頻功能，既能夠保證電網(wǎng)中負(fù)荷與頻率發(fā)生變化時(shí)調(diào)頻功能的靈敏度，實(shí)現(xiàn)快速、有效的響應(yīng)，還能夠保證調(diào)頻負(fù)荷的準(zhǔn)確性和調(diào)頻效果的持續(xù)性。頻差出現(xiàn)時(shí)，DEH控制系統(tǒng)能夠迅速地接收到一次調(diào)頻信號(hào)發(fā)出調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)指令，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，滿足電網(wǎng)需求。換一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，DEH控制系統(tǒng)一次調(diào)頻是開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，發(fā)揮著前饋的作用，將電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，屬于有差的比例調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)頻信號(hào)傳送到CCS控制系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)定回路時(shí)，主控制面板會(huì)發(fā)出負(fù)荷增減指令，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高負(fù)荷調(diào)節(jié)精度，鞏固DEH控制系統(tǒng)一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)成果，維持頻率與負(fù)荷的穩(wěn)定性。因此，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)發(fā)出的調(diào)節(jié)閥指令與 DEH控制系統(tǒng)一次調(diào)頻動(dòng)作保持一致，火電機(jī)組一次調(diào)頻功能才能夠完全發(fā)揮出來(lái)。

3 一次調(diào)頻試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

在試驗(yàn)開(kāi)始之前，需要確認(rèn)CCS與DEH控制系統(tǒng)邏輯組態(tài)及一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置是否正確，機(jī)組處于協(xié)調(diào)控制方式或DEH功率控制方式，其他系統(tǒng)運(yùn)行正常，各項(xiàng)自動(dòng)、保護(hù)系統(tǒng)工作正常，機(jī)組負(fù)荷在最低穩(wěn)定燃燒負(fù)荷與額定負(fù)荷之間可調(diào)，CCS與DEH控制系統(tǒng)一次調(diào)頻功能均能正常投入狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

一次調(diào)頻試驗(yàn)是衡量評(píng)價(jià)火電機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)品質(zhì)的主要手段，正確的試驗(yàn)方法對(duì)公正準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)火電機(jī)組一次調(diào)頻各項(xiàng)性能指標(biāo)非常重要。

按照相關(guān)要求，火電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)應(yīng)在不同的運(yùn)行工況、負(fù)荷點(diǎn)，采用不同的頻差或轉(zhuǎn)速差進(jìn)行，其選擇原則如下：

1）運(yùn)行工況選擇。一次調(diào)頻試驗(yàn)應(yīng)包括單閥方式下和順序閥方式下的一次調(diào)頻試驗(yàn)。無(wú)單、順序閥運(yùn)行工況的機(jī)組進(jìn)行的一次調(diào)頻試驗(yàn)應(yīng)能表征該機(jī)組運(yùn)行工況下的實(shí)際性能。機(jī)組控制方式應(yīng)為協(xié)調(diào)控制方式或DEH功率控制方式。

2）負(fù)荷工況選擇。一次調(diào)頻試驗(yàn)選擇的負(fù)荷工況點(diǎn)不應(yīng)少于 3個(gè)，一般選擇在 60%、75%、90%額定負(fù)荷點(diǎn)附近。亦可在穩(wěn)燃負(fù)荷至50%額定負(fù)荷之間的負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)。選擇的工況點(diǎn)應(yīng)能較準(zhǔn)確反映機(jī)組滑壓運(yùn)行的一次調(diào)頻特性。

3）擾動(dòng)量選擇。每個(gè)試驗(yàn)負(fù)荷工況點(diǎn)，應(yīng)至少分別進(jìn)行±0.067Hz及±0.1Hz頻差階躍擾動(dòng)試驗(yàn)；應(yīng)至少選擇一個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行機(jī)組最大雙向調(diào)頻負(fù)荷試驗(yàn)，檢驗(yàn)機(jī)組的一次調(diào)頻負(fù)荷限制功能。實(shí)際試驗(yàn)中，一般采用機(jī)組額定轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速差作為擾動(dòng)量，而優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)速差作為擾動(dòng)量。±2r/min死區(qū)校驗(yàn)可任選一個(gè)試驗(yàn)負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行。

一次調(diào)頻試驗(yàn)應(yīng)采集的參數(shù)一般包括機(jī)組轉(zhuǎn)速差、功率、總閥位指令、高壓調(diào)節(jié)閥反饋、主蒸汽壓力、速度級(jí)壓力等，參數(shù)采集周期應(yīng)不大于1s。

根據(jù)一次調(diào)頻試驗(yàn)采集的參數(shù)記錄、計(jì)算轉(zhuǎn)速差擾動(dòng)量、試驗(yàn)前負(fù)荷、試驗(yàn)發(fā)生 15s負(fù)荷、15s負(fù)荷變化量、15s負(fù)荷變化幅度、試驗(yàn)穩(wěn)定負(fù)荷、穩(wěn)定后負(fù)荷變化量、實(shí)際轉(zhuǎn)速不等率、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間等參數(shù)，并計(jì)算發(fā)電機(jī)組每個(gè)試驗(yàn)負(fù)荷工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速不等率、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、15s響應(yīng)幅值、死區(qū)等參數(shù)的均值，對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻性能做出評(píng)價(jià)。

3.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)以 300MW 單元火電機(jī)組作為試驗(yàn)對(duì)象。機(jī)組運(yùn)行在順序閥、協(xié)調(diào)控制方式下，負(fù)荷設(shè)定為270MW，由試驗(yàn)人員開(kāi)始進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)。在DEH工程師站改變轉(zhuǎn)速差信號(hào)，將其由0強(qiáng)制至試驗(yàn)要求的擾動(dòng)量，記錄機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，穩(wěn)定至少1min后將轉(zhuǎn)速差信號(hào)恢復(fù)至0，分析各項(xiàng)參數(shù)的變化幅度是否滿足相關(guān)規(guī)定要求。用同樣的方法可進(jìn)行機(jī)組不同控制方式、不同負(fù)荷點(diǎn)、不同轉(zhuǎn)速差擾動(dòng)量，以及單閥或順序閥運(yùn)行狀態(tài)下的一次調(diào)頻試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)束后，檢查火電機(jī)組與試驗(yàn)相關(guān)的邏輯組態(tài)及參數(shù)是否恢復(fù)到試驗(yàn)前狀態(tài)?；痣姍C(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)方法可參照《火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能驗(yàn)收導(dǎo)則》（GB/T 30370—2013）或《火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)導(dǎo)則》（Q/GDW 669—2011）執(zhí)行，一次調(diào)頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算及機(jī)組一次調(diào)頻性能評(píng)價(jià)方法可參照《火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能驗(yàn)收導(dǎo)則》（GB/T 30370—2013）中的相關(guān)規(guī)定，機(jī)組一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足屬地能監(jiān)局“兩個(gè)細(xì)則”及所屬電網(wǎng)調(diào)度控制中心頒布的一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定的相關(guān)要求。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行的數(shù)據(jù)結(jié)果，把不同轉(zhuǎn)速偏差的機(jī)組一次調(diào)頻的負(fù)荷偏差和轉(zhuǎn)速不等率進(jìn)行了一定的記錄，相關(guān)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)速不等率測(cè)試結(jié)果

從機(jī)組一次調(diào)頻和AGC功能的投入表明，可以明顯地提高電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性以及對(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)進(jìn)行很好的改善。不同電廠的機(jī)組一次調(diào)頻在性能上也存在著一定的差異和差距，要對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的不同問(wèn)題和不足之處進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整優(yōu)化，針對(duì)存在的問(wèn)題及時(shí)查找和分析原因。

4 結(jié)論

電網(wǎng)是否能夠保質(zhì)保量、安全穩(wěn)定運(yùn)行涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和千家萬(wàn)戶的利益，保證其能夠穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行是電力企業(yè)必須要擔(dān)負(fù)的責(zé)任和義務(wù)。一次調(diào)頻功能的實(shí)現(xiàn)可以對(duì)電網(wǎng)安全和電能質(zhì)量帶來(lái)更好的保障，必須具備相應(yīng)的技術(shù)條件和物質(zhì)條件使其得以實(shí)現(xiàn)，為電力行業(yè)更好、更快地發(fā)展保駕護(hù)航。

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