一次調頻對系統穩定性的影響分析

【摘 要】本文簡要介紹了一次調頻的基本原理以及參數的設置方法及對協調控制系統穩定性的影響，并對一次調頻對協調控制系統穩定性的影響進行了分析，提出了將DEH一次調頻因子引入協調控制系統的方法，DEH和協調控制系統就能夠共同完成一次調頻功能，不會對控制系統的穩定性造成影響。

【關鍵詞】一次調頻；協調控制系統；穩定性

0 引言

隨著大容量機組在電網中的比例不斷增加，電網用電結構變化引起的負荷峰谷差逐步加大，而用戶對電能質量的要求卻在不斷提高，電網頻率穩定性的問題越來越被重視。大容量火電機組需要根據中調的AGC指令和電網的頻率偏差參與電網的調峰、調頻。為提高電網運行的穩定性，降低電網頻率的波動，增強電網抗事故能力。電能質量越高，電網也越安全。

對于電網中快速的負荷變動所引起的周波變動，汽輪機調節系統、機組協調控制系統根據電網頻率的變化情況利用鍋爐的蓄能，自動改變調門的開度，即改變發電機的功率，使之適應電網負荷的隨機變動，來滿足電網負荷變化的過程這就是一次調頻。

系統中運行的同步發電機組，按照其調速系統的靜態特性增加調門開度，彌補系統中功率的不足。機組一次調頻功能是指當電網頻率超出規定的正常范圍后，電網頻率的變化將使電網中參與一次調頻的各機組調速系統根據電網頻率的變化自動地增加或減小機組的功率，從而達到新的平衡，并且將電網頻率的變化限制在一定的范圍內。一次調頻功能是維護電網穩定的重要手段。為了保證電網的安全經濟運行，提高電能質量和電網頻率的控制水平，迅速消除由于電網負荷變化而引起的頻率波動，電網對機組的一次調頻要求越來越高。

1 一次調頻的基本原理

電網的頻率是由發電功率與用電負荷大小決定的，當發電功率與用電負荷大小相等時，電網頻率穩定；發電功率大于用電負荷時，電網頻率升高；發電功率小于用電負荷時，電網頻率降低。電網的頻率（周波）一旦偏離額定值時，電網中機組的控制系統就自動地控制機組有功功率的增減，限制電網頻率變化，使電網頻率維持穩定的個自動控制過程。當電網頻率升高時，一次調頻功能要求機組利用其蓄熱快速減負荷，反之，機組快速減負荷。一次調頻的主要技術指標有：轉速不等率、調頻死區、調頻負荷范圍。

一次調頻轉速不等率定義為：δ=（nmax-nmin）╱n0×100%

式中：nmax、nmin——機組空負荷、滿負荷對應的速度，（r/min）；n0——機組額定轉速，（r/min）。

轉速不等率δ是反映機組調頻能力的重要指標，既反映了機組一次調頻能力的強弱，又表明了穩定性的好壞。轉速不等率δ越大，機組對電網的調頻能力越小，機組運行越穩定；轉速不等率δ越小，機組對電網的調頻能力越強，但機組運行的穩定性差。調頻死區的設置主要是為了防止電網頻率在小范圍內波動時汽機調門的不必要的頻繁動作，調頻過于靈敏，不利于設備的安全運行。另外，為了保持一次調頻時機組的穩定和機組的實際調頻能力及設備的安全，還需要對調頻負荷進行限幅，防止一次調頻動作時機組出現過負荷的情況。

1.1 一次調頻的參數設置

機組一次調頻性能，是指電網頻率發生偏離額定值的變化時，機組出力與電網頻率的相關性，傳統上用汽機調速系統的速度變動率（調差系數）及遲緩率（死區）表示。當頻差或轉速差超過死區值時一次調頻開始動作，速度變動率（調差系數）是指令一次調頻動作的比例，其值越大，一次調頻的負荷變化越小，反之就越大。

一次調頻要求機組在保證機組安全的前提下，適當利用機組的蓄熱快速變化機組的負荷，使電網頻率穩定。一次調頻對機組會有一些負面作用，所以一次調頻的動作不易過大和過頻，一次調頻的參數應根據電網的模型特性、頻率指標、并結合機組的情況綜合制訂。

由于DEH的生產廠家不同，參數的設置方法也有差異。如果一次調頻參數設置不合理，會對機組的安全性與穩定性帶來一定的影響。以下針對河北南網大型火電機組中一次調頻參數的設置及其對協調控制系統穩定性的影響進行分析，并探討如何合理設置DEH和DCS一次調頻的參數，使其既能滿足電網頻率快速響應的需求，又能滿足機組安全穩定性的要求。

1.2 一次調頻功能的控制策略和邏輯

1.2.1 DEH側的一次調頻功能

早期汽機的一次調功能由汽機液調系統完成，這些液調系統控制汽機由于其一次調頻的死區大于電網的正常頻率波動，所以目前正常情況下一次調頻已經不起作用，只有電網有大的頻率偏差才會動作。一次調頻功能分別設置在DEH和CCS側，DEH側的一次調頻代替原液調系統的功能，但其控制的性能有了很大的提高，而且一次調頻的參數可能方便精確地設置。機組并網后，汽機轉速與電網頻率是一致，DEH中普遍使用汽機轉速信號代表電網頻率。DEH一次調頻是換算成電負荷當量的調門指令=F2（△轉速），但由于此換算存在著一定的偏差，而且是開環控制，所以DEH實際一次調頻的負荷響應和一次調頻的負荷要求是有偏差的，而且由于機組的蓄熱只能維護一段時間，所以后期負荷又回到原值。

1.2.2 CCS側的一次調頻功能

對于CCBF方式，如沒有一次調頻功能，由DEH一次調頻動作所變化的負荷很快會被CCBF的負荷調節系統拉回。投一次調頻后CCBF的負荷指令與DEH側同步變化，使二側調節系統對調門的變化一致。如沒有一次調頻功能，由于DEH的一次調頻動作時會引起主蒸汽壓力變化，CCTF的主蒸汽壓力調節系統很快會把調門恢復到原位，也使負荷很快回到原值。CCTF方式下即使投入一次調頻功能，主蒸汽壓力調節回路也會對一次調頻有較大抑制作用，為此要對CCTF下的一次調頻邏輯進行一些修改，使一次調頻動作時，主蒸汽壓力在允許的范圍內，閉鎖與一次調頻反向汽機指令變化，使機組能釋放出一部分蓄熱來滿足一次調頻的變負荷要求。

以上兩種CCS方式都是把一次調頻的負荷要求疊加在原負荷指令上，一方面使調門的動作與DEH側的一次調頻保持一致，另外改變鍋爐指令，使鍋爐與汽機能量上保持平衡。一次調頻的作用應該時短時間內保持用電與供電的平衡，使電網頻繁穩定，基本上用電與供電的平衡應由AGC完成。一次調頻功能是通過調節汽輪機調門的開度，利用機組的蓄熱來快速響應電網頻率的變化。目前大機組普遍應用DEH來進行汽輪機轉速和有功功率的控制。

DEH中一次調頻功能是將汽輪機轉速與額定轉速的差值直接換算成有功功率指令，以新華控制工程公司的DEH為例。汽輪機額定轉速（一般為3000r/min）與實際轉速的差值經函數f（x）轉換后生成一次調頻因子，直接疊加到DEH的有功功率給定值上，以控制汽輪機的調門開度。一次調頻因子的設置包括頻差死區和轉速不等率兩個因素。頻差死區的設置是為了防止在電網頻差小范圍變化時汽機調門不必要的動作。

一次調頻不等率δ定義為：δ=Δn/n0

式中Δn——機組空負荷時和滿負荷時的轉速差值，r/min；n0——機組額定負荷值，MW。

δ的數值一般設置在3%～6%。δ值越小，在相同的頻差下汽機調門的變化幅值越大，反之則越小。一次調頻因子的設置與機組的穩定性密切相關，頻差死區越大，δ越大，機組越穩定，但是對電網一次調頻的貢獻也越小。一次調頻因子的設置應兼顧機組穩定性和一次調頻快速響應的指標。

2 一次調頻參數的設置及其對協調控制系統穩定性的影響

δ的數值確定之后，頻差的變化和一次調頻因子的數值的關系就是線性的，可以有多種方法來完成一次調頻參數的設置。應用較廣泛的是利用函數發生器f（x）進行一次調頻參數的設置方法。

調頻參數的設置并不適用于國內機組的運行情況。只要汽輪機轉速與給定值有偏差，汽輪機調門就會動作，使協調控制系統疊加的擾動過于頻繁，從而影響了系統的穩定性。

頻差設置了死區以后，實際上小幅度地改變了δ，而且越接近死區，改變越大。這種一次調頻參數的設置方法雖然既考慮了頻差死區，又對因為頻差死區設置而造成的δ的變化做了修正，但是對協調控制系統的穩定性卻造成了很大影響。首先，一次調頻因子沒有經過任何速率限制直接加到DEH的有功功率給定值上，當頻差在超過和回落到死區的過程中，一次調頻因子的變化是一個階躍過程，整體的調節后果會導致汽機調門的突然開大或者關小，在協調控制系統投入的情況下，會導致燃料量的大幅度波動，從而引起汽包水位、爐膛壓力、主汽壓力和主汽溫度自動調節的不穩定，而這種對δ的修正量對電網一次調頻的貢獻量是非常小的，因此這種設置方法總體上是弊大于利，應該擯棄。

如果DEH功率回路沒有投入，則一次調頻作用為純比例調節，有功功率變化的數值與一次調頻因子不可避免地存在偏差，偏差量與當時機組的運行工況有關。為了防止一次調頻動作時機組出現過負荷的情況，最好對一次調頻因子進行幅值的限制。

除了上述雙向幅值限制以外，還可以進行單向的幅值限制，在一次調頻因子增的方向進行限幅，減的方向不進行限制。

3 DEH與協調控制系統對一次調頻功能的聯合調整

在DEH一次調頻功能投入后，如果有頻差出現時，一次調頻因子直接疊加在DEH的有功功率的給定值上，通過調節DEH的調門使機組有功功率快速響應一次調頻的需求。但是如果此時協調控制系統投入，協調控制系統的負荷給定值沒有改變而機組有功功率發生了變化，協調控制系統的功率控制回路就會發出和一次調頻作用方向相反的汽輪機調門指令，不僅從一定程度上抵消了一次調頻的效果，而且對于協調控制系統相當于增加了外部擾動量。對于協調控制系統和DEH遙控指令是開關量脈沖傳輸形式的系統來講，由于DEH遙控指令有一定的速率限制，這種抵消作用還弱一些，如果協調控制系統和DEH遙控指令是通過模擬量傳輸的，由于DEH的調門變化速率不受限制，不僅將一次調頻效果馬上抵消，而且容易引起協調控制系統振蕩，從而降低協調控制系統的穩定性。為使一次調頻達到最佳的調節效果，需要將一次調頻因子引入協調控制系統的負荷給定值回路。

4 結論

隨著市場經濟的發展，電力市場對電能質量的要求越來越高，最終是要求各上網電廠機組對電網頻率的支持要快，同時又要保證機組的安全、穩定運行。這就要求機組的一次調頻程序在機組安全的前提下，能快速適應各種工況。一次參數的設置既要充分考慮對電網周波變化的快速響應，又不能對機組的安全、穩定運行造成影響。只要能夠根據機組的實際情況正確合理地設置一次調頻參數，DEH和協調控制系統就能夠共同完成一次調頻功能，而不會對控制系統的穩定性造成影響。

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[責任編輯：曹明明]