火電機組一次調(diào)頻性能分析及優(yōu)化

張永軍，陳 波

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

為保證電能質(zhì)量，維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，2009年華東電網(wǎng)頒布了《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》和《華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》，同時規(guī)定這兩個細則從2009年9月開始試行，并于2010年1月正式實施，對并網(wǎng)發(fā)電機組提供的輔助服務提出了明確的指標要求和考核方法。針對火電機組一次調(diào)頻功能的實現(xiàn)過程，結(jié)合這兩個細則規(guī)定的指標及考核方式，深入分析了影響一次調(diào)頻性能的主要因素，并提出了相應的改善與優(yōu)化方法。

1 機組一次調(diào)頻性能考核

根據(jù)這兩個細則，在電網(wǎng)頻率越過機組一次調(diào)頻死區(qū)及發(fā)生大擾動期間對涉網(wǎng)機組進行一次調(diào)頻性能考核，考核依據(jù)為機組一次調(diào)頻效果，考核標準為機組在電網(wǎng)高頻或低頻期間的一次調(diào)頻響應行為，即一次調(diào)頻電量。

一次調(diào)頻效果是指當電網(wǎng)頻率超出50±△fsq（機組頻率控制死區(qū)，±0.033 Hz）且持續(xù)時間超過20 s時，機組在該時段內(nèi)一次調(diào)頻動作響應積分電量（±△QsY）占相應時間內(nèi)理論計算積分電量（±△QjY） 的比例， 即 DX＝△QsY/△QjY（當 DX＜0或DX＞200%時，則DX＝0）。

當一次調(diào)頻效果DX＞0，則機組一次調(diào)頻正確動作1次；否則為不正確動作1次。每月的正確動作率為：

式中：λ為每月的正確動作率；fc為每月正確動作次數(shù)；fw為每月不正確動作次數(shù)。

對于λ＜80%的機組，每月考核電量為：

式中：Q為一次調(diào)頻考核電量；α為一次調(diào)頻考核系數(shù)，其數(shù)值為3；t為1 h；PN為機組額定容量。

當機組一次調(diào)頻效果DX＜60%時，分以下兩種情況進行電量考核：

當 DXi＞0 且│60%△QjYi│-│△QsYi│＞0 時，

當DXi=0時，

式中：Q1為一次調(diào)頻效果大于0時的考核電量；Q2為一次調(diào)頻效果等于0時的考核電量；n為每月電網(wǎng)頻率超出50±△fsq并持續(xù)時間超過20 s的次數(shù)；DXi為第i次一次調(diào)頻效果；△QjYi為第i次一次調(diào)頻理論計算積分電量；△QsYi為第i次一次調(diào)頻實際計算積分電量；α為一次調(diào)頻考核系數(shù)，其數(shù)值為3。

從上述計算方法可看出，一次調(diào)頻性能考核主要分兩部分：

（1）一次調(diào)頻正確動作率考核。根據(jù)統(tǒng)計情況，當每月一次調(diào)頻正確動作率小于80%時，進行考核電量計算。

（2）一次調(diào)頻效果考核。對效果小于60%的一次調(diào)頻正確動作進行電量偏差計算的累計；同時對一次調(diào)頻不正確的動作，追加理論計算積分電量和實際計算積分電量之和的考核，并累加得到最終考核電量。

由此可見，要改善一次調(diào)頻性能考核，關鍵是改善一次調(diào)頻效果，使一次調(diào)頻動作更為精確。而結(jié)合考核計算分析，對于一次調(diào)頻效果達到60%以上同時＜200%，將不予考核計算。這對一次調(diào)頻效果的優(yōu)化工作提出了明確的目標。

2 火電機組一次調(diào)頻功能實現(xiàn)方式

根據(jù)目前火電機組的運行狀況，一次調(diào)頻功能主要通過兩部分實現(xiàn)：電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）側(cè)功能回路和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）側(cè)功能回路。

DEH側(cè)的一次調(diào)頻功能回路通常由DEH系統(tǒng)配套設計，其基本實現(xiàn)過程為：將機組運行中實際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速進行比較，計算轉(zhuǎn)速偏差；通過轉(zhuǎn)速死區(qū)和不等率參數(shù)的設置，輸出對應一次調(diào)頻動作的目標負荷或目標主汽流量調(diào)節(jié)值；經(jīng)閥門流量管理計算后至汽機調(diào)門動作輸出。例如機組容量為600 MW，調(diào)頻死區(qū)為2 r/min（0.033 Hz），按不等率為5%進行調(diào)頻參數(shù)的計算：在新華DEH系統(tǒng)中，直接由轉(zhuǎn)速偏差2～11 r/min，對應負荷調(diào)節(jié)量0～36 MW；而日立DEH系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速最大偏差11 r/min時，對應調(diào)節(jié)的負荷為額定負荷的6%，即36 MW，在扣除汽機空負荷流量后其額定流量輸出為0～64.7%，對應0～600 MW，因而36 MW負荷調(diào)節(jié)量對應流量指令為64.7%×6%=3.87%，DEH側(cè)最終設置該參數(shù)進行一次調(diào)頻的閥門響應動作。

由于DEH側(cè)一次調(diào)頻回路為開環(huán)控制過程，閥門指令在輸出后不再進行精度調(diào)節(jié)，因此在CCS側(cè)增加了一次調(diào)頻的閉環(huán)控制邏輯。DEH側(cè)的一次調(diào)頻動作目標負荷送至CCS，通過協(xié)調(diào)PID運算實現(xiàn)對負荷調(diào)節(jié)量的閉環(huán)控制。通常DEH側(cè)的目標調(diào)節(jié)量信號送至CCS側(cè)后分兩路處理：一路通過函數(shù)曲線擬合后加一定的慣性環(huán)節(jié)進入鍋爐前饋回路，用于燃料的控制；另一路則疊加在負荷指令中進入汽機主控PID回路，并適當設置汽機調(diào)門控制的前饋量，也有機組不設置前饋而僅僅將目標量疊加在汽機主控PID的負荷反饋中，通過PID計算實現(xiàn)汽機主控的負荷調(diào)節(jié)。

3 影響一次調(diào)頻性能的因素分析及改善

火電機組經(jīng)過長時間的運行和不同的運行工況，機組特性會發(fā)生改變，由此也影響到機組一次調(diào)頻性能。結(jié)合多臺火電機組一次調(diào)頻運行狀況的分析及多種改進方法的嘗試效果，總結(jié)出影響一次調(diào)頻效果及性能的下列主要因素。

3.1 AGC指令與一次調(diào)頻動作反向

機組AGC工況下常出現(xiàn)AGC指令和一次調(diào)頻動作目標兩者之間調(diào)節(jié)作用反向的情況。圖1為某電廠AGC和一次調(diào)頻曲線，所示虛線位置為AGC指令加負荷過程中一次調(diào)頻出現(xiàn)減負荷的調(diào)節(jié)目標。分析機組工況：AGC設定速率12 MW/min，負荷實際響應速率9 MW/min，頻差動作時轉(zhuǎn)速偏差2.7 r/min，一次調(diào)頻負荷調(diào)節(jié)目標值約3 MW。由汽機調(diào)門動作可看出，在一次調(diào)頻觸發(fā)時DEH調(diào)頻回路迅速動作，汽機調(diào)門明顯關小；但AGC指令造成機組升負荷量遠大于一次調(diào)頻減負荷量，使得一次調(diào)頻動作實際積分電量與目標電量反向，本次調(diào)頻效果為0。

圖1 AGC與一次調(diào)頻分析曲線

通過分析統(tǒng)計機組一次調(diào)頻正確動作率，發(fā)現(xiàn)這種反向動作情況時有發(fā)生，嚴重影響一次調(diào)頻效果。由此可考慮對CCS控制邏輯進行優(yōu)化，當出現(xiàn)一次調(diào)頻動作時閉鎖AGC指令以保證一次調(diào)頻效果。同時為了不使AGC受太大影響，結(jié)合一次調(diào)頻考核時間，將閉鎖設定為：當一次調(diào)頻動作持續(xù)時間＜60 s時，閉鎖時間與一次調(diào)頻響應時間同步；當持續(xù)時間≥60 s時，閉鎖時間為60 s。

3.2 機組轉(zhuǎn)速測量

一次調(diào)頻動作目的是電網(wǎng)出現(xiàn)頻差時通過機組的快速響應穩(wěn)定電網(wǎng)頻率在50 Hz。對機組側(cè)來說相應的頻差控制對象為機組轉(zhuǎn)速，當轉(zhuǎn)速偏離額定轉(zhuǎn)速較大時進行一次調(diào)頻響應調(diào)節(jié)。因此轉(zhuǎn)速測量的精確性，直接影響到每次調(diào)節(jié)動作的電量值和最終效果。如某發(fā)電廠由于機組測量的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率不一致，使得一次調(diào)頻功能難以正常投用。

此外，不少機組轉(zhuǎn)速測量精度無小數(shù)位，也會帶來較大影響。通常電網(wǎng)運行時頻差較小，對應的轉(zhuǎn)速偏差也很小，大多數(shù)一次調(diào)頻動作在2～3 r/min之間。沒有小數(shù)位精度的轉(zhuǎn)速測量，會給一次調(diào)頻動作的目標精度帶來較大偏差，例如電網(wǎng)頻差對應的轉(zhuǎn)速偏差在2.49 r/min和2.51 r/min時，若精度無小數(shù)位，則測量的轉(zhuǎn)速偏差分別為2 r/min和3 r/min，其最終響應的積分電量和調(diào)頻效果將差距甚大。

3.3 調(diào)頻死區(qū)和不等率的設置

在一次調(diào)頻回路中，調(diào)頻死區(qū)的設置決定了電網(wǎng)頻差出現(xiàn)后，機組何時參與一次調(diào)頻動作，而調(diào)頻不等率的設置則決定了參與一次調(diào)頻動作的幅度大小，因而調(diào)頻死區(qū)和不等率參數(shù)的設置直接影響著一次調(diào)頻動作的調(diào)節(jié)電量和效果。

按機組一次調(diào)頻功能的基本技術要求，頻率死區(qū)±0.033 Hz （±2 r/min），轉(zhuǎn)速不等率 5%，負荷限幅為機組額定有功出力的±6%。如圖2所示為調(diào)頻死區(qū)和不等率參數(shù)的設定方式：曲線1為標準考核曲線設置，其死區(qū)設置2 r/min，不等率5%；曲線2設置為調(diào)頻死區(qū)適當放小而不等率基本不變；曲線3不僅將死區(qū)適當放小，還采用變不等率設置，在小頻差范圍內(nèi)降低不等率，大頻差范圍基本維持標準不等率不變。

圖2 調(diào)頻死區(qū)和不等率參數(shù)

根據(jù)一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)過程和特性，當頻差信號超出死區(qū)設置的時刻調(diào)頻動作生效，此時將汽機調(diào)門的動作近似認為隨頻差大小而對應的階躍動作，假定調(diào)門動作準確且負荷控制精度完全滿足要求，考慮到頻差觸發(fā)至主汽流量和負荷變化存在一定時間的響應，模擬出如圖3所示的一次調(diào)頻動作效果圖。

如圖3所示，在小頻差動作過程中，由于負荷的實際響應過程落后于頻差的動作，因此按標準考核曲線1的參數(shù)設置，負荷實際響應量總比理論目標電量小。而對于小死區(qū)曲線2的參數(shù)設置，將調(diào)頻死區(qū)適當放小意味著將負荷響應過程提前，當頻差信號進入考核區(qū)域時，負荷已有一定的響應而使得最終響應電量有一定程度的改善。采用小死區(qū)變不等率曲線3的參數(shù)設置，不僅通過死區(qū)放小使負荷響應提前，還通過不等率的變小增加了小頻差區(qū)域調(diào)頻響應的幅度，從而使響應電量更為接近理論目標電量。由此可見，死區(qū)和不等率參數(shù)的設置對小頻差范圍的一次調(diào)頻效果影響明顯，而大頻差動作時由于調(diào)頻目標負荷較大，影響相對較小。通常電網(wǎng)頻率比較穩(wěn)定，調(diào)頻動作均以小頻差動作為主，因此采用合理的調(diào)頻死區(qū)和不等率參數(shù)對改善一次調(diào)頻效果非常重要。

圖3 一次調(diào)頻動作效果圖

上述參數(shù)設置的優(yōu)化方式在某火電機組進行嘗試，一次調(diào)頻平均效果由原來標準參數(shù)設置下的40%上升到70%，顯著提升了機組的一次調(diào)頻能力。需指出，調(diào)頻死區(qū)過小可能導致機組調(diào)門動作頻繁，給相關系統(tǒng)設備及CCS的穩(wěn)定性帶來不利影響，因此需結(jié)合機組實際情況設置適當?shù)乃绤^(qū)并搭配合理的調(diào)頻不等率，以達到優(yōu)化目標。

3.4 汽機調(diào)門特性

在機組實際運行過程中，汽機調(diào)門的靈敏度及流量特性等隨工況的變動而變化，例如機組運行時間較長后，主機調(diào)門的線性和靈敏度等均可能發(fā)生改變，使機組在不同工況下調(diào)門響應不同，從而造成一次調(diào)頻動作效果的差異。某機組曾出現(xiàn)一次調(diào)頻效果由60%大幅下降至30%的情況，其原因為機組在滑壓工況下汽機調(diào)門位置處于不靈敏區(qū)且線性度較差，嚴重影響一次調(diào)頻動作時調(diào)門的響應，后及時進行流量特性試驗及配閥參數(shù)調(diào)整，使機組的調(diào)頻效果恢復至原有水平。

因此，當一次調(diào)頻觸發(fā)調(diào)門動作但主汽流量及負荷響應不明顯時，改善調(diào)門特性尤為重要。

3.5 一次調(diào)頻邏輯的實現(xiàn)過程

通常DEH系統(tǒng)中一次調(diào)頻回路的目標調(diào)節(jié)值以汽機額定參數(shù)為標準進行流量計算，當機組運行在低負荷段時，由于主汽參數(shù)偏離額定參數(shù)較大，作功能力明顯偏小，因而同樣流量指令的改變對應調(diào)節(jié)的負荷也偏小，致使一次調(diào)頻動作效果不足。對此，可考慮在一次調(diào)頻輸出的流量指令中增加主汽參數(shù)（如主汽壓力）的修正，使得動作響應的負荷更加準確。

而CCS側(cè)是否設置一次調(diào)頻至汽機調(diào)門的前饋量，其動作的響應也不盡相同。如圖4所示，正常負荷變動過程中，DEH側(cè)接收CCS指令（多數(shù)機組以調(diào)門指令和反饋比較進行增減脈沖輸出）控制調(diào)門閥位。在一次調(diào)頻動作過程中，DEH側(cè)按不等率設置參數(shù)，計算調(diào)門動作的幅度并直接疊加在閥位輸出中，此時CCS側(cè)汽機主控PID回路的計算輸出存在一定滯后，因而形成對汽機調(diào)門動作的反拉，汽機主控計算越慢則反拉作用越明顯。對比分析圖4中調(diào)門動作曲線，汽機主控側(cè)設置前饋調(diào)節(jié)量并提升一次調(diào)頻動作時汽機主控的響應速度，可有效避免該反拉過程，使得調(diào)門響應和負荷響應更精確地滿足要求。

3.6 調(diào)度通信數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響

發(fā)電廠機組與調(diào)度數(shù)據(jù)通信質(zhì)量（如通信數(shù)據(jù)精度及滯后時間）的好壞，直接影響到調(diào)度考核計算與機組運行的數(shù)據(jù)一致性。某300 MW機組在與調(diào)度的通信數(shù)據(jù)上傳過程中存在近10 s的滯后和較大的功率上傳死區(qū)（0.8 MW）。對于一次調(diào)頻動作來說，0.8 MW負荷調(diào)節(jié)量對應0.4 r/min的轉(zhuǎn)速偏差，因而在功率信號階梯形地上傳數(shù)據(jù)過程中，調(diào)度側(cè)一次調(diào)頻電量計算所受的影響不言而喻；同時由于通信的滯后，當頻差出現(xiàn)時機組雖迅速響應，但響應的電量卻未能及時納入考核計算，尤其在短時間小頻差動作時理論目標電量較小，影響更為明顯。

圖4 一次調(diào)頻動作的汽機調(diào)門指令效果圖

4 結(jié)語

電網(wǎng)頻率作為最重要的電能質(zhì)量指標之一，是電網(wǎng)穩(wěn)定的基礎。而涉網(wǎng)機組一次調(diào)頻性能的好壞對電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定有著重要意義，因此對機組一次調(diào)頻性能的考核必須嚴格執(zhí)行。確保火電機組一次調(diào)頻功能的正常投入，提高一次調(diào)頻投運時機組的安全性，優(yōu)化一次調(diào)頻功能的設計，增強機組的一次調(diào)頻能力，是保證電能質(zhì)量、維護電網(wǎng)安全的努力方向。結(jié)合機組的實際運行情況，通過切實有效的方法改善其一次調(diào)頻性能將是一項長期持續(xù)的工作任務。

[1]朱北恒.火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗[M].北京:中國電力出版社，2006.