煤矸石電廠一次調頻系統優化及應用分析

摘 要：煤矸石電廠可以有效解決大量低熱值煤和煤矸石的綜合利用，其采用的循環流化床鍋爐滯后大，CCS協調控制投入難度大，并直接影響一次調頻響應時間。煤矸石電廠應結合地方電源結構特點，跟蹤和分析電網頻率波動情況，畢竟機組一次調頻的頻繁動作，對調速汽門的調整能力是一個很大的考驗。為防止頻繁動作導致調速汽門靈敏度降低導致的一次調頻指標降低，建議電廠加強監視一次調頻考核情況，定期對調速汽門進行校正。在無法完成校正工作時，可采取微調參數的手段來實現對一次調頻指標的滿足。該文以遼寧調兵山煤矸石電廠為例，詳細分析和解決煤矸石電廠一次調頻優化普遍性問題。

關鍵詞：煤矸石電廠 一次調頻 協調控制 響應時間

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0118-02

電網頻率是電能質量重要指標，其頻率變化直接影響電網安全運行。

一次調頻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。

一次調頻的作用主要是對小范圍內頻繁變動的負荷進行調整以及在電網出現事故的情況下，快速調整發電機組的出力，抑制電網頻率的進一步惡化。從一次調頻所承擔的任務可以看出，一次調頻要求電廠發電機組有較快的響應速度。

煤矸石電廠可以有效解決大量低熱值煤和煤矸石的綜合利用，其采用的循環流化床鍋爐滯后大，CCS投入難度大，并直接影響一次調頻響應時間。文章以遼寧調兵山煤矸石電廠為例，詳細分析和解決煤矸石電廠一次調頻優化普遍性問題。

1 電廠一次調頻存在問題及現狀

1.1 電網發電機組一次調頻要求

按照《遼寧電網發電機組一次調頻管理規定》，機組的一次調頻技術指標如下。

1.1.1 機組一次調頻的人工死區

數字電液型調速系統的火電機組一次調頻的人工死區控制在±0.033 Hz（±2 r/min）內。

1.1.2 火電機組速度變動率

一般為4%～5%。

1.1.3 一次調頻的最大調整負荷限幅

額定負荷為200～350 MW的火電機組，一次調頻的負荷調整限幅為機組額定負荷的±8%。

1.1.4 一次調頻響應的負荷范圍

對于火電機組一次調頻響應的負荷范圍，應為機組正常運行的負荷范圍，最低不低于不投油助燃的最低負荷，最高為機組滿負荷。當機組負荷高于最高負荷時，可以不參與向上的出力調節；機組負荷低于最低負荷時可以不參與向下的出力調節，除此兩種情況之外，必須參與出力調節。根據遼寧電網的實際情況，機組的最高負荷為其額定負荷；額定負荷為300 MW的火電機組最低負荷為180 MW。

1.1.5 一次調頻響應特性要求

機組一次調頻的響應行為包括一次調頻的負荷響應滯后時間、一次調頻的最大負荷調整幅度。

一次調頻的負荷響應滯后時間指運行機組從電網頻率越過該機組一次調頻的死區開始，到該機組的負荷開始變化所需的時間。

一次調頻的最大負荷調整幅度指運行機組從電網頻率越過該機組一次調頻的死區開始計時的60 s以內或者到電網頻率恢復到該機組的一次調頻的死區范圍以內為止，該機組的有功功率相應進行調整的幅度（頻率越上限時減少有功、頻率越下限時增加有功）。

當機組的一次調頻參數按照技術指標進行整定時，機組在80%的額定負荷狀態下運行，對持續60 s的一定頻率的階躍變化，其負荷調整響應的滯后時間、調整的幅度應滿足如下要求。

（1）一次調頻的負荷響應滯后時間：小于3 s。

（2）一次調頻的負荷調整幅度：在15 s內達到一次調頻的最大負荷調整幅度的90%。

（3）調整幅度的偏差：在電網頻率變化超過機組一次調頻死區時開始的45 s內，機組實際出力與響應目標偏差的平均值應在調整幅度的±25%內。

1.2 遼寧調兵山煤矸石電廠一次調頻問題及分析

以遼寧調兵山煤矸石電廠#1機組為例，汽輪機控制采用數字電液調節系統，在DEH和DCS側都設計了一次調頻功能，遼寧電網對一次調頻負荷要求最大達到±8%Pn，但是#1機組在優化前投入一次調頻后一次調頻功能作用不明顯，與電網的上述指標要求相去甚遠。

經分析，#1機組原控制系統的一次調頻回路設計單一且動作參數設置不合理，造成一次調頻基本不起作用。其主要存在如下3個問題。

（1）GV3與GV5兩個調門在控制上存在明顯滯后，這對一次調頻響應的快速性有較大的影響。

（2）協調系統壓力拉回動作會抑制一次調頻作用，致使一次調頻作用削弱，甚至不起作用。

（3）一次調頻的前饋作用不足，進一步造成一次調頻的作用太弱，甚至不起作用。

2 一次調頻優化方案設計

根據上述分析的問題，對#1機組一次調頻邏輯進行了邏輯優化。具體控制邏輯圖見圖1，主要修改部分如下。

（1）對各調門（重點GV3與GV5）進行徹查與處理，盡量提高閥門的響應速度與調節精度。

（2）調整壓力拉回參數，減小其對一次調頻的擾動。

（3）修正一次調頻的前饋作用，使其滿足快速性和調頻幅度的要求，具體邏輯如圖1所示。

3 一次調頻優化測試

依據以上思路修改完CCS以及DEH邏輯后，在機組協調優化基本完成的基礎上，重新設置參數。依據一次調頻功率函數（見表1）重新展開測試。

完成邏輯修改后，協同電廠相關人員進行了一次調頻初步測試。試驗內容如下。

（1）4 r/min頻差情況下DCS側的一次調頻特性試驗。

（2）6 r/min頻差情況下DCS側的一次調頻特性試驗。

（3）4 r/min頻差情況下DEH、DCS聯合一次調頻特性試驗。

（4）6 r/min頻差情況下DEH、DCS聯合一次調頻特性試驗。

（1）和（2）試驗結果表明，僅DCS側的一次調頻功能投入時，調頻負荷指令根據一次調頻功率函數快速響應，但CCS實際負荷響應滯后時間較長，調頻量緩慢達到峰值，負荷調整幅度指標不達標情況較多，負荷調整偏差指標也受其影響較大。這種方式下，一次調頻遲延較為明顯，不符合一次調頻快速性的要求。

（3）和（4）試驗結果表明，在DCS和DEH側均投入一次調頻功能情況下，一次調頻動作后，負荷指令根據一次調頻功率函數快速響應，同時調速汽門快速動作，實際負荷響應遲延為1～2 s，在電網頻率變化超過機組一次調頻死區后，機組實際出力能夠最大程度滿足電網對一次調頻的要求。這種方式下，一次調頻響應迅速，調頻功率穩定，是最好的一次調頻控制方式。

修改和調試完成后，電網部門調度考核系統對調兵山電廠進行了實際考核，一次調頻的各項指標大大提高。

4 電網一次調頻考核結果

經調整后的一次調頻系統在調度考核系統獲得測試數據如下。

（1）一次調頻的負荷響應滯后時間：小于3 s。

（2）一次調頻的負荷調整幅度：在15 s內達到一次調頻的最大負荷調整幅度的118%。

（3）調整幅度的偏差：在電網頻率變化超過機組一次調頻死區時開始的45 s內，機組實際出力與響應目標偏差的平均值在調整幅度的±27%內。

對比優化前月統計數據：B2：33%；B3：±63%，可知優化后一次調頻考核指標有本質的改變。

5 結語

遼寧調兵山煤矸石電廠#1機組在本次優化后，一次調頻性能指標明顯提高，能夠滿足遼寧電網的最新要求，處于整個電網的前列，可見雖然循環流化床鍋爐存在鍋爐蓄熱和滯后環節大的特點，但是只要最好優化設計，煤矸石電廠一次調頻水平依然符合電網要求。根據運行曲線觀察當電網頻率發生波動時，調節系統能快速動作使機組負荷相應快速變化，機組主要參數的波動幅度很小，不影響運行穩定。

參考文獻

[1]黃衛劍.提高火電機組一次調頻響應速度[J].中國電力，2011（1）：73-77.

[2]戴義平，趙婷，高林.發電機組參與電網一次調頻的特性研究[J].中國電力，2006（11）：37-41.

[3]曾慶達.電力系統頻率動態特性與一次調頻控制[D].廣州：廣東工業大學，2014.