基于網(wǎng)源協(xié)調(diào)火電機(jī)組一次調(diào)頻的閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李寧綱 董建朋

摘 要：電力系統(tǒng)頻率不僅是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要質(zhì)量指標(biāo)，也是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。目前，在網(wǎng)源協(xié)調(diào)范疇內(nèi)，一次調(diào)頻是與電網(wǎng)聯(lián)系的重要控制要素，但經(jīng)過多年的一次調(diào)頻優(yōu)化工作，仍然有很多機(jī)組調(diào)頻效果并不理想。因此，本文提出一種一次調(diào)頻閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過多臺(tái)機(jī)組技術(shù)實(shí)施，充分驗(yàn)證了其控制策略的優(yōu)越性，希望對(duì)各發(fā)電企業(yè)的一次調(diào)頻工作有所促進(jìn)。

關(guān)鍵詞：一次調(diào)頻;火電機(jī)組;閉環(huán)控制

中圖分類號(hào)：TM732;TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）19-0052-03

Abstract： Power system frequency is not only an important quality index for power system operation， but also an important factor affecting the safe and stable operation of power system. At present， in the category of network source coordination， primary frequency modulation is an important control factor in connection with the power grid. After many years of primary frequency modulation optimization， there are still many units whose frequency modulation effect is not satisfactory. Therefore， this paper proposed a primary frequency closed-loop control system design， and through the technology of multi units， fully proved the superiority of the control strategy， hoping for a work on FM all power enterprises to promote.

Keywords： primary frequency modulation;thermal power unit;closed-loop control

隨著大容量機(jī)組在電網(wǎng)中的比例不斷增加、特高壓電網(wǎng)的大力建設(shè)以及水電、風(fēng)電、光伏、核電等新能源的接入，區(qū)域電網(wǎng)的傳統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)隨之改變，增加了電網(wǎng)運(yùn)行的不確定性，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題逐漸被重視。大容量機(jī)組的故障跳閘和直流聯(lián)絡(luò)線的故障閉鎖，會(huì)對(duì)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生較大的沖擊，而機(jī)組一次調(diào)頻的作用就尤為重要。發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)速度、調(diào)頻電量等，對(duì)維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定具有重要意義，頻率的穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全至關(guān)重要。

目前，發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻邏輯的基本原理是轉(zhuǎn)速不等率，其為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。又由于汽輪機(jī)的一次調(diào)頻特性是一個(gè)多環(huán)節(jié)、多因素的系統(tǒng)，汽輪機(jī)閥門的流量特性、主蒸汽壓力、機(jī)組負(fù)荷等因素均會(huì)影響最終調(diào)節(jié)效果。

在對(duì)眾多發(fā)電機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻測(cè)評(píng)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)目前這種有差調(diào)節(jié)的一次調(diào)頻邏輯，并不能滿足所有機(jī)組的調(diào)頻要求，從而導(dǎo)致很多機(jī)組一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率偏低。本文針對(duì)此問題，提出一種一次調(diào)頻閉環(huán)控制系統(tǒng)，希望能達(dá)到精準(zhǔn)控制機(jī)組一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率的目的。

1 一次調(diào)頻的必要性

“十三五”期間，將建成以特高壓交流為骨干網(wǎng)架，覆蓋華北、華中、華東的受端電網(wǎng)，山西、蒙西、陜北、寧夏和錫盟等大型煤電、風(fēng)電以此沿海核電通過特高壓交流通道就近直接接入“三華”特高壓電網(wǎng)，西北、東北大型煤電、風(fēng)電和兩南大型水電通過特高壓直流通道送入“三華”負(fù)荷中心，形成“強(qiáng)交強(qiáng)直”的格局[1-3]。規(guī)劃到2020年將建成15回特高壓直流。目前，中國(guó)已投運(yùn)7條特高壓線路，形成大電網(wǎng)格局。

大電網(wǎng)面臨的主要安全穩(wěn)定問題有5項(xiàng)：電磁環(huán)網(wǎng)問題、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題、潮流轉(zhuǎn)移問題、多直流集中落點(diǎn)問題和頻率穩(wěn)定問題。其中，潮流轉(zhuǎn)移問題和頻率穩(wěn)定問題均與機(jī)組一次調(diào)頻有著直接關(guān)系。

2 一次調(diào)頻傳統(tǒng)控制理論

機(jī)組的一次調(diào)頻是指電網(wǎng)頻率偏離額定值時(shí)，機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化，自動(dòng)增加或減少機(jī)組的功率，從而達(dá)到新的平衡，維持電網(wǎng)頻率在額定值。一次調(diào)頻是汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化，自發(fā)地調(diào)整機(jī)組負(fù)荷以恢復(fù)電網(wǎng)頻率。

一次調(diào)頻傳統(tǒng)邏輯核心是轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的函數(shù)（見圖1），在DEH側(cè)一次調(diào)頻作為前饋，在CCS側(cè)一次調(diào)頻疊加在設(shè)定值上。

傳統(tǒng)一次調(diào)頻特性定義為靜態(tài)時(shí)，汽輪機(jī)功率與其轉(zhuǎn)速之間的曲線，又稱汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性（見圖2），對(duì)應(yīng)表征一次調(diào)頻特性的基本參數(shù)是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不等率。

速度不等率：汽輪機(jī)空負(fù)荷時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速[nmax]和額定負(fù)荷時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小轉(zhuǎn)速[nmin]之差，與額定轉(zhuǎn)速[n0]之比稱為調(diào)速系統(tǒng)的速度不等率，用[δ]表示。

（1）

3 影響一次調(diào)頻的主要因素

根據(jù)電網(wǎng)對(duì)一次調(diào)頻的考核情況，以及多年來一次調(diào)頻試驗(yàn)和優(yōu)化過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，筆者將造成一次調(diào)頻不合格的原因劃分為三類：動(dòng)作不正確、動(dòng)作不合格、通信不正常（見表1）。

通過對(duì)河南省機(jī)組1年多的一次調(diào)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和分析可知，85%的機(jī)組均能滿足一次調(diào)頻的正確動(dòng)作。但是，由于機(jī)組的運(yùn)行方式、閥門流量特性、機(jī)組工況等多因素影響，很多時(shí)候造成一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)貢獻(xiàn)量達(dá)不到考核要求，甚至出現(xiàn)調(diào)頻作用因工況變化而抵消的情況。

4 一次調(diào)頻閉環(huán)控制策略

本控制策略的目的是提供一種一次調(diào)頻閉環(huán)控制系統(tǒng)，克服機(jī)組由于閥門流量特性不好、主蒸汽壓力參數(shù)影響、不同負(fù)荷段的影響、升降負(fù)荷的影響等造成的問題，解決目前諸多機(jī)組存在的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率偏低的問題，提高一次調(diào)頻合格率，確保電網(wǎng)運(yùn)行安全。

其主要思路是，以理論貢獻(xiàn)負(fù)荷為設(shè)定值，以實(shí)際貢獻(xiàn)負(fù)荷為被調(diào)量，構(gòu)成一次調(diào)頻功率閉環(huán)回路，通過閉環(huán)回路輸出修正一次調(diào)頻作用量，達(dá)到快速、有效、準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)效果，保證一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率。一次調(diào)頻閉環(huán)控制策略如圖3所示。

5 硬件設(shè)計(jì)

本控制策略的硬件設(shè)計(jì)采用外掛式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其與DEH、CCS之間通過硬接線或通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)點(diǎn)是易于維護(hù)、安全性高。

控制系統(tǒng)硬件包含中央處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（見圖4）。

6 軟件設(shè)計(jì)

一次調(diào)頻閉環(huán)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：本地考核系統(tǒng)和閉環(huán)控制策略。本地考核系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了中調(diào)一次調(diào)頻考核算法的本地實(shí)施，不僅為一次調(diào)頻閉環(huán)控制策略提供數(shù)據(jù)支持，還為機(jī)組提供更多的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。閉環(huán)控制策略將為機(jī)組一次調(diào)頻控制回路提供閉環(huán)控制輸出，進(jìn)一步提高一次調(diào)頻的合格率，最終達(dá)到根據(jù)機(jī)組特性，精準(zhǔn)控制調(diào)頻負(fù)荷貢獻(xiàn)量的目的，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式。

6.1 本地考核系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)中調(diào)一次調(diào)頻考核細(xì)則，在一次調(diào)頻外掛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套完整的本地考核系統(tǒng)。

機(jī)組的一次調(diào)頻理論積分電量[He]表示為：

（2）

機(jī)組的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量[Hi]表示為：

（3）

一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率[K]為：

（4）

6.2 閉環(huán)控制策略設(shè)計(jì)

一次調(diào)頻閉環(huán)控制策略核心數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)的調(diào)頻貢獻(xiàn)量。此數(shù)據(jù)由本地考核程序提供，通過對(duì)調(diào)頻貢獻(xiàn)量差值的PID運(yùn)算，得到動(dòng)態(tài)的修正數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)機(jī)組一次調(diào)頻主回路，控制調(diào)頻貢獻(xiàn)量在理論數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。一次調(diào)頻閉環(huán)控制簡(jiǎn)易方框圖如圖5所示。

一次調(diào)頻貢獻(xiàn)量偏差值為：

（5）

其中，[He]為理論積分電量;[Hi]為實(shí)際積分電量。

對(duì)一次調(diào)頻貢獻(xiàn)量偏差進(jìn)行PID運(yùn)算

（6）

其中，[KP]為比例系數(shù);[Ti]為積分系數(shù);[Td]為微分系數(shù)。

傳遞函數(shù)為：

（7）

7 發(fā)展分析

基于網(wǎng)源協(xié)調(diào)模式下，簡(jiǎn)單地要求機(jī)組對(duì)電網(wǎng)提供快速、安全的調(diào)頻服務(wù)，或單方面為了確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，犧牲調(diào)頻作用，都不利于電網(wǎng)和機(jī)組的安全。

傳統(tǒng)一次調(diào)頻控制策略已無法滿足所有機(jī)組的調(diào)頻特性，一次調(diào)頻閉環(huán)控制策略的實(shí)施，從另一種技術(shù)層面，尋找電網(wǎng)與機(jī)組特性的平衡點(diǎn)，即能確保機(jī)組調(diào)頻的合理率，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率參數(shù)，能根據(jù)機(jī)組自身特點(diǎn)調(diào)整參數(shù)，穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行，確保機(jī)組安全。

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