火電機組一次調頻功能試驗與優化

黃道火， 沈 敏

（華電電力科學研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

電網頻率是評價電能質量的重要指標，頻率超過允許范圍會影響電力系統、發電機組和電能用戶的安全及經濟效益。更嚴重的頻率波動會造成對電網的嚴重沖擊甚至使電網崩潰，從而釀成像美國加州大停電類似的事故，造成巨大的經濟損失。因此，各地電網公司對并入電網運行的在役機組的一次調頻功能考核是相當嚴格的，僅江蘇省電網公司在某月對其境內火電機組的一次調頻考核罰款金額高達幾百萬元人民幣。為保證電網頻率穩定，提高對電網負荷變化的頻率響應能力，同時減少電網公司對電廠考核罰款，完善和優化一次調頻功能成為火電機組全廠優化的一項重要內容。

1 一次調頻試驗過程及參數設置

一次調頻，也稱為電力系統頻率的一次調節，是指當電網頻率偏離額定值時，發電機組調節控制系統自動控制機組有功功率的增加（頻率下降時）或減少（頻率升高時），以使電網頻率迅速回到額定值范圍的特性。一次調頻與調速器的結構、工作原理和調速系統的工作特性等有關。

1.1 一次調頻參數設置

一般火電機組采用CCS與DEH系統完成機爐負荷與壓力的控制，應該同時在DCS與DEH側實施頻差（頻差=電網額定頻率-實際電網頻率，下同）或頻率校正，即機組一次調頻功能由CCS與DEH共同完成。

300 MW火電機組一次調頻頻率-負荷修正曲線設置見表1（轉速不等率按5%，負荷最大調整幅度按±8%Pe（額定負荷）設置）。

1.2.2 遲緩率測試

（1）熱控人員在DEH畫面上建立轉速差、調頻量指令、機組負荷指令、機組負荷、DEH閥位參考、速度級后壓力、主汽壓力和DEH等效閥位開度（速度級后壓力/主汽壓力×100%）等重要參數的0.2s周期（或最小周期）的記錄曲線。

（2）穩定機組負荷在60%～90%Pe負荷段中的某值10～20min。

（3）將機組控制方式投入至鍋爐跟隨方式，汽機側切回DEH本地控制方式。

表1 300MW火電機組一次調頻頻率－負荷修正參數

表1列出了具體頻差或轉速差對應的機組調頻量，具體需要設置的曲線如圖1所示。

1.2 一次調頻試驗過程介紹

一次調頻試驗應該由熱工專業人員來完成。根據電網調度中心對電廠一次調頻考核細則可知，一次調頻試驗過程應該包含以下幾項內容：

1.2.1 一次調頻信號測試

（1）穩定機組負荷在60%～90%Pe負荷段中的某值10～20min。

（2）在DEH、CCS系統上設置調頻-負荷修正量為0MW。

（3）聯系中調，共同監視機組的一次調頻狀態。

（4）分別在DEH和CCS控制畫面進行一次調頻開關投入、切除操作，確保DEH畫面、CCS畫面及中調側一次調頻的開關狀態一致。

（5）如一次調頻開關投切位置和顯示狀態不一致，待查明原因消除故障后重新做試驗。

（4）在DEH控制畫面上將一次調頻開關置于投入狀態。

（5）在DEH的頻差計算與負荷補償邏輯中，強制轉速差為-3r/min，這時，對應的一次調頻負荷修正目標量為-0.667%Pe（-2.0MW），等待機組負荷過渡到穩定狀態。

（6）在DEH的頻差計算與負荷補償邏輯中，按步長為-0.05r/min的幅度，逐步緩慢強制降低轉速差值，注意觀察DEH等效閥位開度，直到DEH等效閥位有單方向的變化。記錄最小引起DEH等效閥位開度變化的轉速差變化量Δn0。

（7）在DEH的頻差計算與負荷補償邏輯中，按步長為0.05r/min的幅度，逐步緩慢強制增加轉速差值，注意觀察DEH等效閥位開度（如沒有DEH等效閥位開度信號，可分別觀察速度級后壓力和主汽壓力信號），直到DEH等效閥位向相反方向的變化。記錄最小引起DEH等效閥位開度變化的轉速差變化量Δn1。

（ 8）重復以上步驟一次，求出Δn2、Δn3。

（ 9）根據Δn1、Δn2、Δn3計算DEH平均遲緩率。

1.2.3 DEH、CCS聯合一次調頻特性試驗（以±3r/min為例）

（1）在DEH畫面上建立一次調頻狀態、轉速差、調頻量指令、機組負荷指令、機組負荷、DEH閥位參考、主汽壓力設定值和主汽壓力的1s記錄曲線。

（2）穩定機組負荷在60%～90%Pe負荷段中的某值10～20min。

（3）將機組控制方式投入至協調控制狀態，或確認機組控制方式在協調控制狀態。

（4）同時投入DEH及CCS控制畫面的一次調頻切換開關。

（5）在頻差計算與負荷補償邏輯中，強制轉速差-3r/min，對應的一次調頻負荷修正目標量-0.667%Pe，等待機組負荷過渡到穩定狀態。

（6）在頻差計算與負荷補償邏輯中，強制轉速差0r/min，對應的一次調頻負荷修正目標量0%Pe，等待機組負荷過渡到穩定狀態。

（7）在頻差計算與負荷補償邏輯中，強制轉速差3r/min，對應的一次調頻負荷修正目標量0.667%Pe，并等待機組負荷過渡到穩定狀態。

（8）在DEH的頻差計算與負荷補償邏輯中，強制轉速差0r/min，對應的一次調頻負荷修正目標量0%Pe，等待機組負荷過渡到穩定狀態。

（9）打印機組一次調頻負荷曲線，確定一次調頻響應的純遲延時間、調節過渡時間、實際一次調頻量和機組負荷、機前壓力的波動范圍。15s內一次調頻的實際調節量應達到最大理論調節量的60%以上，60s內一次調頻貢獻電量應達到理論貢獻電量的60%以上，否則應調整相關參數，加快一次調頻的響應過程，然后重復步驟（2）～（8）。

根據機組容量和電廠的要求，決定是否需要進行更大頻率修正量的CCS、DEH聯合一次調頻特性試驗，或者對CCS及DEH分別單獨做不同頻率修正量的試驗。

2 電網對一次調頻的考核要求

我國只有南方電網公司（包含南方五省區）和國家電網公司兩家電網運行公司，兩家電網公司下設省級電網調度中心，對各省上網發電的機組進行發電負荷調度和發電質量考核。為保證電網頻率穩定，給用戶提供高質量的電能，各省級調度中心相繼出臺了嚴格的一次調頻功能考核制度。以南方電網公司下屬某省電網調度中心的考核細則為例，對該細則的核心內容進行介紹。

南方電網公司下屬某省電網調度中心對一次調頻功能的主要考核內容具體如下：

（1）機組參與一次調頻的死區：配置DEH的火電機組為±0.034Hz（±2 r/min）。

（2）火電機組轉速不等率：4%～5%。

（3）調節系統遲緩率：DEH電液調節型、機組容量大于200MW的機組遲緩率小于0.07%。

（4）一次調頻響應行為時間要求：當電網頻率變化超過機組一次調頻死區時，電液調節型機組響應時間應不大于3s，在電網頻率變化超過機組一次調頻死區時，開始的15s內機組出力實際調節量應達到ΔP（Δf，t）理論最大值的60%以上。在電網頻率變化超過機組一次調頻死區時開始的60s內，機組實際出力與響應目標的偏差的平均值應在理論計算的調整幅度的±8%內。

（5）機組參與一次調頻的負荷最大調整幅度設定值：額定負荷在200（含）～500MW之間的火電機組：限制幅度大于等于±8%Pe（Pe為額定負荷），對于300MW機組，參與一次調頻的負荷最大調整幅度±24MW。

（6）對于投入AGC功能的機組，在電網頻率超出50±0.05Hz時，應能暫時閉鎖不利于頻率恢復的AGC指令，直到機組一次調頻作用結束或暫停時間超過45s。

（7）一次調頻統計評價指標：

一次調頻投入率考核，要求月投入率必須達到90%。

一次調頻投入率=該電廠所有機組一次調頻投入時間/機組運行總時間；

一次調頻動作貢獻電量考核，要求9E機組及循環流化床機組一次調頻質量T≥50%，其他類型機組一次調頻質量T≥60%。

式中 T—一次調頻質量，%；

ΔQsy—一次調頻機組在60s內的實際發電出力與起始發電出力之差的積分電量，MW；

ΔQjy—一次調頻理論貢獻量，MW。其中：

式中 t—積分時間，s；

Δf—積分符號；

ΔP—機組一次調頻動作期間實際發是出力與起始發電出力之差，MW。

3 一次調頻功能優化

一次調頻功能在實際投運時，會由于電網頻率的波動為無規則的上下小幅度波動及機組功率信號噪聲擾動掩蓋了調頻量等原因，使機組一次調頻動作不及時，或實際調頻量不足。同時，由于DEH閥門特性不好、功率回路PID存在反調現象等原因，特別是在頻率波動小于3r/min的情況下，機組一次調頻很難達到電網考核細則要求。因此，必須再對DEH一次調頻回路進行優化改造，才能使機組一次調頻性能達到要求[4]。

（1）對于機組負荷控制回路在CCS實現的機組，CCS側和DEH側需分別設置可獨立完成一次調頻功能的一次調頻回路；對于機組負荷控制回路在DEH實現的機組，一次調頻校正作用應同時疊加到設定值回路和汽機調門指令回路[1]。

(2)機組一次調頻動作的有效負荷范圍為機組并網后至機組額定負荷。機組并網后，DEH側一次調頻回路能自動投入；CCS投入自動后，CCS側一次調頻回路能自動投入[1]。

（3）為防止一次調頻動作影響機組的安全運行，可設置一次調頻低限和高限限制回路：機組總負荷等于或低于10%Pe時，停止一次調頻減小機組負荷的動作，機組總負荷等于或高于100%Pe時，停止一次調頻增加機組負荷的動作。

（4）機組AGC或機組本地改變機組負荷目標值進行加減負荷操作時，機組一次調頻動作方向與機組加減負荷方向相反時，暫停機組作反方向的負荷變化，直到機組一次調頻作用結束。

（5）機組應避免汽機調門全開的純滑壓運行方式；機組投入滑壓方式運行時，滑壓曲線的設置應保證機組有足夠的一次調頻裕量。

（6）原則上，要求機組長期投入CCBF協調控制方式，對于長期投入CCTF方式的機組，要求增加保證一次調頻動作速度和動作幅度的控制回路。

（7）一次調頻的負荷校正作用原則上不進行速率限制，如有必要進行延時處理，從一次調頻的負荷校正目標函數至汽機調門動作的綜合一次調頻動作速率不低于50%Pe/min。

（8）為增強機組在電網頻率小范圍波動時的一次調頻能力，可適當減少機組在頻率小范圍波動下一次調頻的不等率，即增加頻率小范圍波下的機組一次調頻量[2]。

（9）為保證機組能在不同負荷段下都能有合格的調頻能力，在機組穩定運行的情況下，可以實現一次調頻在不同負荷以不同的不等率運行。

圖3為廣東某電廠經過優化后的一次調頻試驗曲線，在一次調頻試驗過程中，機組小范圍的轉速波動對一次調頻的影響已經被大大減弱了。

4 結語

通過一次調頻優化試驗結果表明，針對多數機組一次調頻能力不足的現象，可以通過完善一次調頻邏輯，設置更加合理的參數等方法，盡量挖掘機組潛在的蓄能并加以利用，機組一次調頻功能完全能夠滿足電網對機組一次調頻的考核要求。

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[3]鐘新元.DEB協調控制策略在火電廠的應用 [J].電力科學與工程，2003，（3）：51～53.

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[6]熊澤生，曹泉.一種新型RB控制策略及其實踐[J].湖北電力，2006，30（2）：32～34.

[7]徐國彬，燕同升，王君.華能日照電廠給水泵汽輪機控制程序優化研究[J].山東電力技術，2006，152（6）：28～30.