基于電網(wǎng)小頻差考核的供熱機(jī)組一次調(diào)頻優(yōu)化

殷建華，張國斌，賈 斌，于海存

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

為了保障電網(wǎng)安全平穩(wěn)運行，促進(jìn)發(fā)電機(jī)組更好地投入、維護(hù)機(jī)組一次調(diào)頻功能，內(nèi)蒙古電網(wǎng)在2020 年正式啟動了機(jī)組的一次調(diào)頻性能考核工作。機(jī)組一次調(diào)頻性能考核包括15 s出力響應(yīng)指數(shù)考核、30 s 出力響應(yīng)指數(shù)考核以及電量貢獻(xiàn)指數(shù)考核[1]。針對火電機(jī)組，15 s出力響應(yīng)指數(shù)大于75%合格，30 s出力響應(yīng)指數(shù)大于90%合格，電量貢獻(xiàn)指數(shù)大于75%合格。通過分析內(nèi)蒙古電網(wǎng)一次調(diào)頻的性能考核數(shù)據(jù)，日常的一次調(diào)頻考核事件多屬于小頻差擾動，頻率變化范圍都在50±0.05 Hz以內(nèi)，由于火電機(jī)組主汽壓力波動、高調(diào)閥流量特性差、蓄熱量不足、調(diào)速系統(tǒng)遲緩率大等因素，導(dǎo)致火電機(jī)組對于負(fù)荷需求較小的小頻差擾動響應(yīng)能力普遍不足，很難合格，依靠原有的控制邏輯已經(jīng)無法滿足考核需求。為了適應(yīng)電網(wǎng)的考核，內(nèi)蒙古電網(wǎng)的火電機(jī)組普遍對分散控制系統(tǒng)（Distributed Control Sys?tem，DCS）和汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（Digital Electro Hydraulic Control System，DEH）中的一次調(diào)頻控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。主要的優(yōu)化策略包括“加速沖量響應(yīng)[2]”“快動緩回[3]”以及“自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）反向調(diào)節(jié)閉鎖”。

1 火電機(jī)組現(xiàn)有一次調(diào)頻優(yōu)化策略

1.1 加速沖量響應(yīng)

針對閥門流量非線性特性、主汽壓力波動以及調(diào)速系統(tǒng)遲緩率等因素帶來的負(fù)荷響應(yīng)遲滯、響應(yīng)不足的現(xiàn)象，內(nèi)蒙古電網(wǎng)火電機(jī)組普遍采用了出死區(qū)沖量響應(yīng)的策略，通過修改原有的一次調(diào)頻函數(shù)，適當(dāng)放大小頻差對應(yīng)的負(fù)荷響應(yīng)值，加強機(jī)組對小頻差的負(fù)荷響應(yīng)能力。如圖1 所示，在原一次調(diào)頻函數(shù)中，插入±2.1 r/min 的轉(zhuǎn)速偏差，將該轉(zhuǎn)速偏差對應(yīng)的調(diào)頻功率值適當(dāng)放大，以更大的高壓調(diào)速汽閥（以下簡稱高調(diào)閥）動作量增大負(fù)荷響應(yīng)值。

圖1 加速沖量響應(yīng)Fig.1 Acceleration impulse response

該策略雖然能夠提高機(jī)組性能考核指標(biāo)，但是也會加劇機(jī)組高調(diào)閥的擺動量，降低機(jī)組的穩(wěn)定性，對調(diào)速系統(tǒng)和抗燃油系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

1.2 AGC反向調(diào)節(jié)閉鎖

《內(nèi)蒙古電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細(xì)則》《內(nèi)蒙古電網(wǎng)發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細(xì)則》中規(guī)定：“當(dāng)機(jī)組一次調(diào)頻動作方向與AGC 指令方向相反時，機(jī)組應(yīng)設(shè)置一次調(diào)頻優(yōu)先”[4]。為了抑制由于AGC 負(fù)荷需求與一次調(diào)頻負(fù)荷需求反向?qū)σ淮握{(diào)頻性能帶來的不利影響，火電機(jī)組普遍設(shè)置了反向閉鎖邏輯，即“一次調(diào)頻負(fù)荷需求與AGC 負(fù)荷需求反向時閉鎖AGC指令”[5]。

反向閉鎖功能雖然能夠一定程度閉鎖反向調(diào)節(jié)，但是對于閉鎖前負(fù)荷給定和實際負(fù)荷已經(jīng)存在的殘余偏差卻無能為力，殘余偏差同樣會削弱一次調(diào)頻，降低性能考核指標(biāo)。

1.3 快動緩回策略

為提高電量貢獻(xiàn)指數(shù)（積分電量），火電機(jī)組主要采用快動緩回策略，對正向的調(diào)節(jié)動作迅速響應(yīng)，通過適當(dāng)增延長頻率偏差回死區(qū)的過程，增加機(jī)組積分電量，提高一次調(diào)頻動作期間的正向貢獻(xiàn)電量。

2 兼顧機(jī)組穩(wěn)定性的一次調(diào)頻綜合優(yōu)化策略

上述3 種優(yōu)化策略，在提高一次調(diào)頻性能指標(biāo)的同時，也會帶來高調(diào)閥波動增大、機(jī)組穩(wěn)定性變差的不良后果。為了進(jìn)一步提高火電機(jī)組的一次調(diào)頻性能指標(biāo)，同時兼顧機(jī)組運行穩(wěn)定性，提出以下改進(jìn)措施。

2.1 針對殘余偏差的AGC反向閉鎖優(yōu)化

為了避免反向期間，由于負(fù)荷給定值和實際值的殘余偏差帶來的反向調(diào)節(jié)動作，提出以下兩種改進(jìn)措施。

（1）在AGC變負(fù)荷期間，判斷其與一次調(diào)頻的負(fù)荷需求反向后，在閉鎖負(fù)荷給定變化的同時，將經(jīng)過速率限制未疊加一次調(diào)頻負(fù)荷修正的負(fù)荷給定值直接切換為當(dāng)前的實發(fā)功率并予以鎖定，使得汽機(jī)主控比例-積分-微分控制器（PID）的偏差輸入為零，消除一次調(diào)頻修正以外的負(fù)荷偏差，抑制由于殘余負(fù)荷偏差帶來的反向調(diào)節(jié)動作。具體方案見圖2。

圖2 AGC反向調(diào)節(jié)閉鎖改進(jìn)措施1Fig.2 Improvement measure 1 of AGC reverse regulation locking

（2）在反向期間除了閉鎖負(fù)荷給定變化，同時閉鎖汽機(jī)主控PID輸出值。高頻時閉鎖調(diào)閥開大的輸出；低頻時，閉鎖高調(diào)閥關(guān)小的輸出。調(diào)節(jié)方向同向時，不產(chǎn)生閉鎖動作，最大程度降低AGC 調(diào)節(jié)對一次調(diào)頻性能的不利影響。方案見圖3。

圖3 AGC反向調(diào)節(jié)閉鎖改進(jìn)措施2Fig.3 Improvement measure 2 of AGC reverse regulation locking

第一種閉鎖方式，可以最大限度地提高機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)值，即便反向，汽機(jī)主控也可產(chǎn)生正向調(diào)節(jié)作用，對提高積分電量最為有利；第二種優(yōu)化策略，僅可以閉鎖反向后的反調(diào)作用，但是汽機(jī)主控在反向期間無法貢獻(xiàn)正向的調(diào)節(jié)作用，只能依靠DEH的閥位前饋作用來響應(yīng)一次調(diào)頻。但是第二種優(yōu)化策略實現(xiàn)簡便，多數(shù)DCS的模擬量手操器均自帶增減閉鎖功能，在線組態(tài)較為方便。

為了避免閉鎖結(jié)束后高調(diào)閥出現(xiàn)大幅擺動，在退出閉鎖功能時，可以對之前的閉鎖對象加以限制，可通過速率限制使其緩慢恢復(fù)，減小機(jī)組的功率波動。

2.2 DEH閥位前饋反向調(diào)節(jié)閉鎖

火電機(jī)組的一次調(diào)頻功能，大多采用DEH側(cè)的前饋響應(yīng)加協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)的聯(lián)合響應(yīng)策略[6]。DEH中的閥位前饋作用的好壞直接決定了機(jī)組一次調(diào)頻性能考核指標(biāo)的優(yōu)劣。一次調(diào)頻的閥位前饋作用是頻差的比例調(diào)節(jié)，會隨著網(wǎng)頻的變化而波動，由于汽輪機(jī)高調(diào)閥流量特性為非線性且高調(diào)閥動作遲滯，會導(dǎo)致調(diào)頻前饋作用對于快速變化的頻率分量的捕捉和響應(yīng)能力不足。同時，閥位前饋作用隨著網(wǎng)頻的變化波動，加之前面“加速沖量響應(yīng)”策略的影響，高調(diào)閥也會出現(xiàn)擺動加劇的現(xiàn)象，影響機(jī)組和調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

針對上述特點，提出了“反向調(diào)節(jié)動作閉鎖”的策略。在DEH中的閥位一次調(diào)頻回路中增加“反向調(diào)節(jié)動作閉鎖”。通過高/低選邏輯功能，即“高頻”時閉鎖高調(diào)閥開大的動作，“低頻”時閉鎖高調(diào)閥關(guān)小的動作，最終達(dá)到DEH側(cè)的閥位前饋在電網(wǎng)頻率“高頻”時，只執(zhí)行高調(diào)閥關(guān)小的調(diào)節(jié)動作；電網(wǎng)“低頻”時，只執(zhí)行高調(diào)閥開大的調(diào)節(jié)動作。

通過“反向調(diào)節(jié)動作閉鎖”，一方面可以提高機(jī)組對頻率極值的捕捉能力，延長機(jī)組對頻率極值的響應(yīng)時間，增大機(jī)組調(diào)頻期間的貢獻(xiàn)電量。另一方面抑制了前饋作用隨網(wǎng)頻變化的頻繁波動，提高機(jī)組的穩(wěn)定性。

2.3 一次調(diào)頻閥位前饋綜合修正

火電機(jī)組一次調(diào)頻邏輯中的閥位前饋一般設(shè)計為與轉(zhuǎn)速偏差相關(guān)的總閥位指令的增量輸出，受機(jī)組閥門流量非線性、主汽壓力波動以及機(jī)組冬季供熱等不利因素影響，DEH中的閥位前饋作用在相同的開度增量下，產(chǎn)生的負(fù)荷變化量極大[7]。

為了適應(yīng)不同的主汽壓力、閥位開度、機(jī)組供熱與否等不利因素的影響，可以對上述不同的影響因素分別加以修正。

（1）主汽壓力的絕對值和波動特性對機(jī)組一次調(diào)頻性能均有明顯的影響。主汽壓力越接近額定值，一次調(diào)頻性能越好，反之調(diào)頻性能將下降；主汽壓力波動對一次調(diào)頻的影響既與主汽壓力的變化方向有關(guān)，也與轉(zhuǎn)速偏差的大小相關(guān)。當(dāng)主汽壓力變化方向與一次調(diào)頻負(fù)荷需求方向一致，則主汽壓力波動對調(diào)頻性能起到積極的影響；反之，將起到消極影響，其影響程度將受到轉(zhuǎn)速偏差的大小影響，轉(zhuǎn)速偏差較大時，其影響程度較小，轉(zhuǎn)速偏差越小，其影響程度越大。電網(wǎng)一次調(diào)頻性能考核事件絕大部分屬于頻差小于0.05 Hz的小擾動，故機(jī)組主汽壓力對一次調(diào)頻性能將造成顯著的影響。對此，可將主汽壓力的絕對值、主汽壓力的變化率作為修正因子，修正閥位前饋，校正一次調(diào)頻前饋輸出。

（2）當(dāng)閥門流量特性具有較強的非線性時，受其影響機(jī)組的一次調(diào)頻性能也會具有明顯的非線性特點，故在非線性區(qū)和重疊度不好的流量指令區(qū)間，可以適當(dāng)修正閥位前饋輸出，降低流量特性非線性對一次調(diào)頻性能帶來的不利影響，提升機(jī)組的一次調(diào)頻性能[8-9]。

（3）供熱機(jī)組冬季供熱后，一部分蒸汽被抽走用作供熱，同時供熱抽汽也改變了高中低壓缸功率比初始值，隨抽汽量增大，高壓缸和中壓缸功率比例系數(shù)上升，低壓缸功率比例系數(shù)下降，且中低壓連通管的時間常數(shù)增加。在供熱抽汽工況下頻率擾動初始階段，由于高中壓缸功率比增大，負(fù)荷響應(yīng)速度會有所提升，但后期負(fù)荷響應(yīng)速度受低壓缸功率輸出影響程度較大，由于中低壓連通管時間常數(shù)增加，容積慣性增大，響應(yīng)速度也會隨之下降[10]，降低機(jī)組的一次調(diào)頻性能。為了補償供熱抽汽帶來的調(diào)頻性能下降，應(yīng)對供熱抽汽流量導(dǎo)致的調(diào)頻性能下降進(jìn)行修正補償，供熱抽汽流量越大，對閥位前饋的補償作用越強。

需要加以說明的是，上述的修正環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)應(yīng)進(jìn)行動態(tài)整定，在機(jī)組大修、閥門解體或是運行工況發(fā)生明顯變化后，應(yīng)對上述前饋作用的相關(guān)參數(shù)適當(dāng)修正。

2.4 分離型加速沖量響應(yīng)策略

“加速沖量響應(yīng)”策略，在增大小頻差調(diào)頻響應(yīng)值的同時，也極大地影響了機(jī)組的穩(wěn)定性，加劇了高調(diào)閥的抖動。此外，由于該策略針對所有頻率成分均無差別地進(jìn)行放大，導(dǎo)致機(jī)組高調(diào)閥的響應(yīng)動作大部分屬于非考核時段的無效響應(yīng)。

為了最大程度抑制高調(diào)閥抖動，同時過濾部分非考核時段的無效響應(yīng)，提出了一種“分離型加速沖量響應(yīng)”優(yōu)化策略，見圖4。

圖4 分離型加速沖量響應(yīng)測策略Fig.4 Strategy of separated acceleration impulse response measurement

將出死區(qū)加速沖量響應(yīng)回路單獨剝離，與原來的一次調(diào)頻函數(shù)或者轉(zhuǎn)速偏差疊加，同時，對加速沖量響應(yīng)輸出端做適當(dāng)處理（濾波或延時），適當(dāng)過濾非必要的加速沖量響應(yīng)動作，盡可能使系統(tǒng)不對電網(wǎng)隨機(jī)的快速頻率分量做出劇烈響應(yīng)，提升機(jī)組穩(wěn)定性。圖中通過對頻率偏差超出死區(qū)（±2 r/min）做適當(dāng)?shù)难訒r處理（頻率持續(xù)超出死區(qū)達(dá)到12 s，電網(wǎng)才會啟動一次調(diào)頻考核），過濾掉電網(wǎng)快速、隨機(jī)波動的頻率成分，減少機(jī)組無效的沖量響應(yīng)和高調(diào)閥擺動，提升機(jī)組穩(wěn)定性。

圖4 回路在提高機(jī)組性能考核指標(biāo)的同時，還可以過濾部分非必要的無效響應(yīng)，降低了對機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的沖擊，兼顧了機(jī)組的穩(wěn)定運行。

2.5 基于熱網(wǎng)儲能的一次調(diào)頻響應(yīng)策略

供熱機(jī)組，在冬季供熱尖寒期，由于熱負(fù)荷較高、以熱定電的運行模式和煤質(zhì)偏離設(shè)計煤種等問題，經(jīng)常導(dǎo)致機(jī)組達(dá)到出力上限，高調(diào)閥接近全開，蓄熱不足，致使機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)低頻的性能降低甚至喪失。但是，在發(fā)電的同時將一部分蒸汽流量用于供熱，熱網(wǎng)中包含了大量的換熱器和供熱管道，儲能容量很大，可以通過調(diào)節(jié)供熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)將這部分熱量加以利用，提高供熱機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)能力。

文獻(xiàn)[11]中，在建立汽輪機(jī)蒸汽流量與功率的仿真模型基礎(chǔ)上，提出通過調(diào)節(jié)機(jī)組供熱抽汽流量來響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻的控制策略。文中通過仿真分析，在改變供熱抽汽流量后，機(jī)組的電功率很短時間內(nèi)就有明顯的變化。

通過對300 MW 機(jī)組仿真建模，對仿真模型輸入擾動，分析額定工況和最大供熱工況下機(jī)組利用熱網(wǎng)儲能響應(yīng)一次調(diào)頻的特性。供熱抽汽流量的快速改變，幾乎能無延遲地將部分供熱抽汽流量分配至低壓缸做功，增加機(jī)組功率，供熱抽汽流量越大，供熱抽汽執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度的變化對有功功率的影響越明顯。

一次調(diào)頻考核大多屬于小擾動考核事件，以300 MW機(jī)組為例，±2.5 r/min的轉(zhuǎn)速偏差，負(fù)荷需求量僅為±1 MW，供熱抽汽量越大，供熱抽汽執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度變化帶來的負(fù)荷變化越明顯。采取適當(dāng)?shù)囊淮握{(diào)頻控制策略，在頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)后，迅速減小熱網(wǎng)抽汽流量，能夠快速提高電功率，短時間的抽汽量變化不會對熱網(wǎng)用戶造成影響。

改變熱網(wǎng)抽汽流量來響應(yīng)一次調(diào)頻，可以通過調(diào)節(jié)中/低壓缸連通管上的供熱旋轉(zhuǎn)蝶閥實現(xiàn)，也可以通過調(diào)節(jié)熱網(wǎng)抽汽管道上具有調(diào)節(jié)功能的供熱抽汽快關(guān)閥實現(xiàn)。但是由于中低壓缸連通管蝶閥在大開度下其線性度、靈敏度較低，同時其對機(jī)組安全影響較大，所以調(diào)節(jié)抽汽快關(guān)閥更為適宜。輔以適當(dāng)?shù)目刂七壿?，在頻差超出死區(qū)后，適當(dāng)改變快關(guān)閥的開度，就能夠?qū)崿F(xiàn)在短時間內(nèi)改變機(jī)組電功率的目的。

改變供熱抽汽流量來響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化，其優(yōu)點是不影響主汽壓力，對運行工況影響較??；由于其不通過高調(diào)閥調(diào)整進(jìn)汽量，所以不受機(jī)組高調(diào)閥流量特性的影響。

3 結(jié)束語

本文分析了內(nèi)蒙古電網(wǎng)現(xiàn)有的火電機(jī)組對于電網(wǎng)小頻差考核的一次調(diào)頻優(yōu)化策略普遍存在的問題，提出了一系列兼顧機(jī)組穩(wěn)定性的一次調(diào)頻改進(jìn)策略，在提升機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)的同時，降低對機(jī)組穩(wěn)定性的不利影響。同時針對供熱機(jī)組冬季供熱后出力超限、響應(yīng)電網(wǎng)低頻能力下降的問題，提出利用熱網(wǎng)蓄熱、通過調(diào)節(jié)供熱抽汽執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變熱網(wǎng)抽汽流量來響應(yīng)一次調(diào)頻等措施。