火電機(jī)組一次調(diào)頻功能實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

朱邦那

（中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗(yàn)研究院，北京 100040）

0.引言

由于電能是無法儲(chǔ)存的一種能源，發(fā)電廠發(fā)的電送到電網(wǎng)側(cè)，需要被用戶瞬時(shí)消耗掉，但是用戶的用電需求是很難預(yù)測的，所以就存在電網(wǎng)的電能過多或過少的情況。當(dāng)電網(wǎng)電能過多時(shí)，電網(wǎng)就會(huì)表現(xiàn)出頻率過高，相反的，電網(wǎng)的電能過少時(shí)，電網(wǎng)就會(huì)表現(xiàn)出頻率過低。當(dāng)發(fā)出的電和使用的電平衡時(shí)電網(wǎng)的頻率才能穩(wěn)定在50Hz，所以電廠通過一次調(diào)頻的功能，自動(dòng)增減發(fā)電量平衡需求關(guān)系，保證電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。

1.設(shè)備概況

機(jī)組額定功率600MW，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠的HG-2023/17.6-YM4型亞臨界壓力、一次中間再熱、固態(tài)排渣、單爐膛、Π形布置、全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)、半露天布置、控制循環(huán)汽包爐。

汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸、四排汽、反動(dòng)式凝汽汽輪機(jī)，型號為N600-16.7/537/537。

2.一次調(diào)頻邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

當(dāng)機(jī)組不在CCS（協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，Coordination Control System）方式下運(yùn)行時(shí)，并且DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)，Digital Electro-hydraulic Control System）側(cè)投入功率自動(dòng)控制方式，機(jī)組的負(fù)荷由DEH系統(tǒng)控制，一次調(diào)頻的功能完全由DEH側(cè)完成；當(dāng)機(jī)組投入CCS方式時(shí)，一次調(diào)頻的功能由CCS側(cè)和DEH側(cè)共同完成，DEH側(cè)為開環(huán)控制，通過快速動(dòng)作汽輪機(jī)主蒸汽調(diào)門以達(dá)到快速響應(yīng)一次調(diào)頻的目的，CCS則為閉環(huán)控制，通過修正目標(biāo)負(fù)荷的方法以達(dá)到穩(wěn)定最終負(fù)荷的目的并能防止DEH的調(diào)節(jié)作用被拉回。修正的負(fù)荷指令不受負(fù)荷速率限制，直接疊加到機(jī)主控的總負(fù)荷指令上，參與負(fù)荷的調(diào)節(jié)[1]。無論是DEH側(cè)還是CCS側(cè)一次調(diào)頻動(dòng)作量都是按照預(yù)先設(shè)定好的轉(zhuǎn)速不等率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.1 DEH運(yùn)行方式下的一次調(diào)頻功能：

2.1.1 一次調(diào)頻允許條件

（1）汽輪機(jī)未跳閘；（2）機(jī)組已并網(wǎng)；（3）轉(zhuǎn)速無故障。

2.1.2 實(shí)現(xiàn)方法

（1）在DEH方式下，發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，一次調(diào)頻功能自動(dòng)投入，不能手動(dòng)退出，只有允許條件不滿足時(shí)，一次調(diào)頻功能才會(huì)自動(dòng)退出。

（2）發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后，一次調(diào)頻控制中，通過采集的發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速或頻率計(jì)算出實(shí)時(shí)的頻率偏差，根據(jù)頻差的大小和預(yù)先設(shè)定的機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率δ，按照一次調(diào)頻功率補(bǔ)償計(jì)算方法，得出一次調(diào)頻功率補(bǔ)償指令，將該指令疊加到機(jī)組負(fù)荷目標(biāo)值上。疊加的一次調(diào)頻負(fù)荷指令，不受機(jī)組負(fù)荷變化率的限制，直接參與機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)。一次調(diào)頻功率補(bǔ)償量的計(jì)算公式為：

其中：n0為發(fā)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速，Pn為發(fā)電機(jī)組的額定功率，Δn為機(jī)組運(yùn)行時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)的額定轉(zhuǎn)速的差值，ΔP為一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)需要補(bǔ)償?shù)墓β柿?，δ為機(jī)組預(yù)先設(shè)定實(shí)際轉(zhuǎn)速不等率，大小為4%～5%。

（3）發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)以后，當(dāng)DEH處于功率控制方式時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)將計(jì)算出的頻率偏差和機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率δ，按照一次調(diào)頻功率補(bǔ)償量計(jì)算公式，計(jì)算出一次調(diào)頻補(bǔ)償功率值，該值與機(jī)組DEH功率控制回路的負(fù)荷指令相疊加，做為最終的機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷，參與機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)。

（4）DEH控制系統(tǒng)在閥控方式下，通過頻率偏差和機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率δ運(yùn)算后的一次調(diào)頻綜合閥位補(bǔ)償信號，經(jīng)主汽壓力函數(shù)修正后作為綜合閥位的修正值。

2.2 機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行方式下的一次調(diào)頻功能

2.2.1 一次調(diào)頻允許條件

（1）協(xié)調(diào)方式；（2）機(jī)組已并網(wǎng)；（3）轉(zhuǎn)速無故障。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)方法

發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)接收到DEH系統(tǒng)的頻率偏差或轉(zhuǎn)速偏差信號，一次調(diào)頻功率補(bǔ)償量計(jì)算公式依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率δ計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)囊淮握{(diào)頻負(fù)荷值，該值與原有的機(jī)組負(fù)荷給定值相加，作為機(jī)組總的負(fù)荷指令，送到汽輪機(jī)主控調(diào)節(jié)，同時(shí)DEH側(cè)按照閥控方式下的控制方案，參與機(jī)組的一次調(diào)頻功能。

3.一次調(diào)頻功能參數(shù)設(shè)置

3.1 轉(zhuǎn)速不等率

當(dāng)汽輪機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，空負(fù)荷轉(zhuǎn)速與滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速之差與額定轉(zhuǎn)速比值的百分?jǐn)?shù)稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不等率（或稱不均勻度，速度變動(dòng)率等），以符號δ表示，即一般δ的范圍為3%～5%，電網(wǎng)一般要求火電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置為5%，同樣的轉(zhuǎn)速偏差下，轉(zhuǎn)速不等率越小要求機(jī)組補(bǔ)償電網(wǎng)的負(fù)荷越多，轉(zhuǎn)速不等率越大要求機(jī)組補(bǔ)償電網(wǎng)的負(fù)荷越少，機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置越小，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，機(jī)組貢獻(xiàn)的負(fù)荷量越大，更有利于整個(gè)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，但是過低的轉(zhuǎn)速不等率會(huì)加劇機(jī)組的調(diào)節(jié)強(qiáng)度，使主汽調(diào)門動(dòng)作幅度增加，影響其他參數(shù)的穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷的低頻震蕩，所以轉(zhuǎn)速不等率不能設(shè)置過小，一般取4.5%為宜。

3.2 轉(zhuǎn)速死區(qū)

轉(zhuǎn)速死區(qū)是指當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差超過某一值時(shí)，一次調(diào)頻功能才生效并按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速不等率進(jìn)行負(fù)荷的調(diào)節(jié)，電網(wǎng)要求轉(zhuǎn)速死區(qū)為±2r/min，其目的是為了消除轉(zhuǎn)速頻繁小范圍波動(dòng)（由于測量系統(tǒng)的精度不夠引起的測量誤差）引起機(jī)組一次調(diào)頻頻繁調(diào)節(jié)帶來的負(fù)荷高頻波動(dòng)。轉(zhuǎn)速偏差超出死區(qū)后調(diào)頻的負(fù)荷量從零開始增減，不設(shè)置為階躍式增減。

3.3 調(diào)頻限幅

因?yàn)椴扇∫淮握{(diào)頻動(dòng)作時(shí)需疊加的負(fù)荷指令是不經(jīng)過速率限制的，這種階躍式的負(fù)荷指令變化會(huì)對機(jī)組安全運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，所以機(jī)組的調(diào)頻負(fù)荷上下限值需要增加一定的限制，但限制幅度不宜過小，不同容量的機(jī)組要求也是不同的。其要求如下（Pn為機(jī)組額定負(fù)荷）：

（1）250MW＞Pn的火電機(jī)組，限制幅度≥10%Pn；

（2）350MW≥Pn≥250MW的火電機(jī)組，限制幅度≥8%Pn；

（3）500MW≥Pn＞350MW的火電機(jī)組，限制幅度≥7%Pn；

（4）Pn＞500MW的火電機(jī)組，限制幅度≥6%Pn；

（5）額定負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組參與一次調(diào)頻時(shí)，增負(fù)荷方向最大調(diào)頻負(fù)荷增量幅度不小于5%Pn。

4.考核方法

并網(wǎng)發(fā)電廠機(jī)組必須具備一次調(diào)頻功能且機(jī)組必須參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，當(dāng)電網(wǎng)頻率超過一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)應(yīng)自動(dòng)參與一次調(diào)頻，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組不得擅自退出機(jī)組的一次調(diào)頻功能。機(jī)組一次調(diào)頻性能考核包括15s出力響應(yīng)指數(shù)考核、30s出力響應(yīng)指數(shù)考核以及電量貢獻(xiàn)指數(shù)考核。對于煤電機(jī)組15s出力響應(yīng)指數(shù)應(yīng)達(dá)到75%理論值；30s出力響應(yīng)指數(shù)應(yīng)達(dá)到90%理論值；電量貢獻(xiàn)指數(shù)應(yīng)達(dá)到理論值的75%。在深度調(diào)峰期間各響應(yīng)指數(shù)指標(biāo)減半。如果一次調(diào)頻動(dòng)作持續(xù)時(shí)間超過60s則調(diào)頻時(shí)間按照60s計(jì)算，所以就要求一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，在60s內(nèi)應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定即能達(dá)到理論值。

5.一次調(diào)頻試驗(yàn)

新建機(jī)組、機(jī)組大修或DCS（分散控制系統(tǒng)，Distributed Control System）系統(tǒng)發(fā)生變化后都應(yīng)進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：（1）選擇功率在60%Pn、75%Pn、90%Pn負(fù)荷且機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行期間，分別進(jìn)行試驗(yàn)。（2）檢查計(jì)算DEH軟件中死區(qū)的設(shè)置應(yīng)為±2r/min，不等率的設(shè)置為4.5%，一次調(diào)頻限制幅值6%Pn，無一次調(diào)頻速率限制，一次調(diào)頻疊加指令位置正確。（3）通過強(qiáng)制頻率的方法進(jìn)行一次調(diào)頻試驗(yàn)，60%Pn和90%Pn負(fù)荷時(shí)分別做頻差±0.067Hz、±0.1Hz試驗(yàn)，75%Pn時(shí)做頻差±0.067Hz、±0.1Hz及最大頻差±0.1667Hz試驗(yàn)，某600MW機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及指標(biāo)如表1所示。

表1 某廠一次調(diào)頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)論：通過表1數(shù)據(jù)可以得出：該機(jī)組不同工況、不同擾動(dòng)量下全部能在3s內(nèi)響應(yīng)，1min內(nèi)穩(wěn)定，15s負(fù)荷變化幅度為＞75%，30s負(fù)荷變化幅度為＞90%，轉(zhuǎn)速不等率均小于為5%。其性能指標(biāo)滿足“華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則”要求。

6.優(yōu)化提升方法

6.1 使用同源的一次調(diào)頻信號

電網(wǎng)和電廠在計(jì)算一次調(diào)頻性能指標(biāo)時(shí)所選取的數(shù)據(jù)有所不同，電網(wǎng)使用PMU（Phasor Measurement Unit相量測量裝置）中的頻率信號，而大部分電廠是將汽機(jī)轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過計(jì)算后轉(zhuǎn)化為頻率信號，這些信號可能與電網(wǎng)考核用的頻率存在偏差。實(shí)踐證明，這種信號不同源而產(chǎn)生的偏差，會(huì)導(dǎo)致火電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作正確率下降。為了解決這一問題，需要對機(jī)組PMU（相量測量裝置，Phasor Measurement Unit）裝置進(jìn)行同源改造，有針對性地安裝頻率同源裝置[2]。將PMU裝置上的頻率和功率信號引入DEH，用頻率信號計(jì)算一次調(diào)頻的理論值，用功率信號反應(yīng)實(shí)際負(fù)荷的變化量，提高了機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作的正確率，滿足電網(wǎng)的一次調(diào)頻的要求。

6.2 一次調(diào)頻邏輯優(yōu)化

一般機(jī)組的協(xié)調(diào)控制邏輯中都設(shè)置了壓力拉回回路，當(dāng)壓力設(shè)定值和實(shí)際值存在偏差時(shí)，機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值指令會(huì)根據(jù)壓力偏差的大小，自動(dòng)改變機(jī)組的負(fù)荷指令，當(dāng)存在的壓力偏差要求減小負(fù)荷而一次調(diào)頻卻要求增加負(fù)荷時(shí)，這時(shí)一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)性能會(huì)大打折扣，所以就需要對壓力拉回回路進(jìn)行優(yōu)化，可增加壓力拉回回路動(dòng)作限制條件，當(dāng)主汽壓力達(dá)到額定值后作用，這樣就能保證一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)性能也能確保機(jī)組不長時(shí)間超壓運(yùn)行，影響機(jī)組安全[3]。

在協(xié)調(diào)控制方式下，DEH側(cè)一次調(diào)頻為開環(huán)控制，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)速不等率，直接動(dòng)作汽輪機(jī)調(diào)門以達(dá)到快速響應(yīng)一次調(diào)頻的目的，但是由于每個(gè)工況下主汽壓力會(huì)存在調(diào)節(jié)偏差的現(xiàn)象，當(dāng)主汽壓力偏低時(shí)，想要?jiǎng)幼魍瑯恿康呢?fù)荷，動(dòng)作同樣的閥位指令就不能滿足要求，所以一般都設(shè)置主汽壓力函數(shù)，作為閥位指令的修正系數(shù)，以滿足不同主汽壓力下的一次調(diào)頻性能。除此之外，為滿足電網(wǎng)對一次調(diào)頻電量貢獻(xiàn)的要求，可以在一次調(diào)頻動(dòng)作期間增強(qiáng)機(jī)主控的PID參數(shù)，使調(diào)門能夠快速開關(guān)，避免一次調(diào)頻后期實(shí)際負(fù)荷持續(xù)下降，但是調(diào)門不能快速開啟，使電量貢獻(xiàn)指數(shù)不達(dá)標(biāo)造成考核。

7.結(jié)語

隨著越來越多的新能源納入到電網(wǎng)，電網(wǎng)的對火電機(jī)組的一次調(diào)頻的能力提出了更高的要求，火電機(jī)組也應(yīng)該在新的形勢下不斷完善自身的一次調(diào)頻的能力，對于傳統(tǒng)的一次調(diào)頻邏輯能否滿足電網(wǎng)更高的要求做一次全面的評估，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，加大一次調(diào)頻的調(diào)頻能力，通過摸底試驗(yàn)等方法使每臺機(jī)組一次調(diào)頻能力最大化，這樣既能保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，也能保證電廠的一次調(diào)頻性能指標(biāo)滿足電網(wǎng)的要求，使電網(wǎng)側(cè)和電廠側(cè)雙贏。