大容量火電機組一次調頻功能試驗研究

季俊偉

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

專論

大容量火電機組一次調頻功能試驗研究

季俊偉

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

電網大容量火電機組一次調頻功能的優劣直接影響到供電質量和電網安全，因此，完善大容量火電機組的一次調頻性能、提高響應速度是一項非常重要的任務。經過現場試驗研究，確認大容量火電機組投入機爐協調方式運行后，采用CCS與DEH協同作用的一次調頻方式，能夠實現快速、持久的一次調頻。

火電機組；協調控制；一次調頻；試驗研究

近年來，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［1］。

由于并網大容量機組性能與調節特性各不相同，使一次調頻功能投入后的實際能力參差不齊，機組間調頻動作時對電網的貢獻不同，為保證對機組考核的公正性，必須對不同機組的調節能力與特性進行試驗分析，并在機組條件許可的前提下盡可能發掘機組的最大調頻能力。

通過對一次調頻實現方式分析，得出采用CCS與DEH協同作用的一次調頻方式為最佳方式。對某電廠1號300 MW機組進行一次調頻試驗，盡可能發掘機組最大調頻能力，為提高電網運行的穩定性，降低電網頻率波動，增強電網抗事故能力做出貢獻。

1 機組一次調頻原理與特性參數

1.1 一次調頻原理

由于系統內機組跳閘或大用戶發生跳閘時，電網頻率發生瞬間變化，一般變化幅度較大，要求網上機組負荷能夠在允許范圍內快速調整，以彌補網上負荷缺口，保證電網頻率穩定的過程，稱為一次調頻。傳統的電網一次調頻功能就是機組調速系統自動控制機組負荷的增減，以適應外界負荷需要，保證電網頻率穩定。廣義的電網一次調頻功能，需考慮汽輪機、鍋爐、發電機及電網間的相互配合與制約關系，應以整臺機組作為控制對象［2］。功能上既要有傳統電網一次調頻的快速性，又要有現代控制的整體協調性，從而實現汽輪機快速響應外界負荷、頻率的變化，鍋爐跟隨汽輪機的快速響應，滿足汽輪機的要求。

1.2 特性參數

1.2.1 轉速不等率

當機組在單機運行時，對應不同的功率，機組

式中 δ——轉速不等率；

Δn——轉速變化量，Δn＝n－n0；

n——實際轉速；

n0——額定轉速；

ΔP——功率變化量，ΔP＝P0－P；

P0——功率額定值；

P——實際功率值。

轉速不等率的不同數值代表了機組參與電網一次調頻的能力。轉速不等率低，參與一次調頻的能力強，但控制系統的穩定性下降；轉速不等率高，參與一次調頻的能力弱。

1.2.2 遲緩率

在實際的汽輪機調節系統中，由于結構上存在摩擦、鉸接間隙、滑閥重疊度，機組靜態特性曲線表現為上升曲線與下降曲線不重合的帶狀區域，系統遲緩率就表明了這種關系，具體表述為機組在某一功率下對應最大轉速之差除以額定轉速的百分比，即：的轉速是不同的，而轉速不等率即為這種差異的量度，具體表述為在機組調節系統給定值不變的情況下，汽輪機由滿負荷到空負荷的轉速變化與額定轉速之比。

當機組并列于電網運行時，其轉速是由電網頻率決定的，因此轉速不等率實際上就是機組一次調頻的調差率。通常用下式計算并網機組的轉速不等率，以百分數形式表示：

式中 ε——遲緩率；

Δn——轉速變化量；

n0——額定轉速。

1.2.3 負荷變化幅度

機組參與一次調頻的負荷變化幅度，是考慮當頻率變化過大時，機組負荷不再隨頻率變化，以保證機組運行的穩定。負荷限制的范圍越小，一次調頻能力越弱。

1.2.4 機組一次調頻死區

機組一次調頻死區是指機組轉速在死區范圍內變化，機組的一次調頻不動作，即ΔP＝0。超出該范圍區域稱為一次調頻動作區域。一般要求一次調頻死區不大于±2 r／min。

1.3 機組一次調頻特性參數設置

機組一次調頻特性參數設置主要有4種方式，以1臺300 MW機組為例進行說明。

1.3.1 帶死區、不帶限幅的一次調頻參數設置

若要求頻差死區為±2 r／min，δ為4%，則其函數關系如圖1所示。

圖1 帶死區、不帶限幅的一次調頻參數設置

1.3.2 不帶死區、不帶限幅的一次調頻參數設置

一次調頻參數的設置除了沒有頻差死區外，其他與1.3.1相同，其函數關系如圖2所示。

圖2 不帶死區、不帶限幅的一次調頻參數設置

這種設置方法只要汽輪機轉速與給定值有偏差，汽輪機調門就會動作，一般用于電網容量和電網穩定性均較好的歐美等發達國家。

1.3.3 帶死區但不改變δ、不帶限幅的一次調頻參數設置

若要求頻差死區為±2 r／min，δ為4%，則其函數關系如圖3所示。

這種設置方法雖然考慮了頻差死區，但當頻差在超過和回落到死區的過程中，一次調頻功率的變化是一個階躍過程，整體的調節效果會導致汽機調門的突然開大或者關小，造成自動調節系統不穩定。

圖3 帶死區但不改變δ、不帶限幅的一次調頻參數設置

1.3.4 帶死區、帶限幅的一次調頻參數設置

為防止一次調頻動作時機組出現過負荷情況，對一次調頻功率進行幅值限制，其函數關系如圖4所示。

圖4 帶死區、帶限幅的一次調頻參數設置

2 機組一次調頻實現方式

2.1 DEH系統調頻方式

2.1.1 功率回路自動

DEH功率回路自動方式時，一次調頻作為功率指令的校正信號加到調節器設定值端，通過調節器控制汽輪機調門開度，保證機組實際負荷等于經校正后的功率指令［3］。其優點是頻率偏差與機組負荷變化成一定關系，在機組運行的任何工況下，一定的頻率偏差理論上產生同樣幅度、速率的負荷變化，有利于二次調頻功能的運行。其缺點是該方式必須在系統功率回路投入的情況下才能起作用，當DEH側功率回路退出運行時，這種方式的一次調頻功能就不起作用了，同時一次調頻功能的響應時間受調節器的參數控制。

2.1.2 手動或閥位控制

DEH系統手動或閥位控制方式時，一次調頻作為功率調節器輸出指令的校正信號，經校正后的指令直接輸出到閥門管理程序，相當于以前同步器液調機組的一次調頻功能。其優點是負荷響應速度快，一次調頻功能可以在功率回路解除的情況下正常投運；但由于閥門流量的非線性及不同參數運行工況，靜態不能準確達到對參數指標幅度要求，不利于二次調頻功能對控制對象的性能把握。

2.1.3 兩種方案結合方式

結合以上兩種方案的優點，功率回路投入時同2.1.1，功率回路解除時同2.1.2，在任何運行方式下均能投運一次調頻功能。

2.2 CCS系統調頻方式分析

2.2.1 頻率校正信號加在經速率限制后的功率指令上

該方式下頻率校正信號作為設定值輸入到調節器的設定值端。其優點與2.1.1方式相同。其缺點是該種方式必須在CCS系統功率回路投入的情況下才能起作用，同時一次調頻功能的響應時間受調節器參數控制。

2.2.2 頻率校正信號直接加在功率指令上后再經速率限制

該方式下速率限制在校正運算的后面，當機組穩定運行，AGC或CCS指令沒有變化時，在速率限制范圍內一次調頻功能可以起作用。但當機組正處于變負荷階段（機組投運AGC后經常會出現），同方向（加負荷過程中頻率偏低或減負荷過程中頻率偏高）的一次調頻功能就被禁止了［4］。

2.3 DEH與CCS共同調頻方式

機組一次調頻控制方式為DEH＋CCS，即DEH內額定轉速與汽輪機轉速差通過一定函數計算后直接動作調門，CCS進行補償，保證機組負荷滿足電網要求［5］。DEH側的一次調頻功能是機組快速響應頻率變化的主要手段，隨著電廠自動化水平的提高，并網機組正常工況下均處于AGC或協調方式下運行，因此為實現快速有效的一次調頻功能，必須將DEH與DCS的調頻回路進行協同考慮與研究。DEH側2.1.2方式與CCS側2.2.1方式協同進行調頻動作，既提高調頻的響應速度，同時又保證參數指標的幅度要求。當頻差出現時，一次調頻信號直接疊加在DEH側閥門指令上，通過調節DEH調門使機組有功功率快速響應，滿足一次調頻需求；同時一次調頻功率信號疊加在CCS負荷設定值上，鍋爐主控增加給煤量指令，汽機主控增加負荷指令，維持主汽壓力和負荷的穩定。這樣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同的汽輪機調門指令，從而既快速又穩定地實現一次調頻功能。

3 試驗過程與結果分析

某電廠1號300 MW機組為國產亞臨界參數、滑壓運行、燃煤汽包爐火力發電機組。鍋爐為平衡通風、四角切圓燃燒方式，亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環汽包爐。汽機為亞臨界參數、中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機。DCS與DEH均采用OVATION控制系統。

3.1 試驗過程

將原設計邏輯優化為2.3方式，特性參數設置為1.3.4方式。測試項目如下。

a.測試機組是否在各種方式下都可投入一次調頻功能。

b.測試DEH中是否設計一次調頻功能。

c.測試DCS中是否設計機組協調或AGC方式下的頻率校正回路。

d.測試機組一次調頻的人工死區。

e.測試機組調速系統的轉速不等率。

f.測試一次調頻最大調整負荷限幅。g.測試機組調速系統的遲緩率。

h.測試機組一次調頻的響應行為，包括一次調頻負荷調整滯后時間和一次調頻最大負荷調整幅度。

測試方法為機組穩定運行在270 MW，在機組協調控制方式下，分別施加2 r／min、－2 r／min、4 r／min、－4 r／min、6 r／min、－6 r／min、8 r／min、－8 r／min、10 r／min、－10 r／min、12 r／min、－12 r／min的轉速偏差擾動，記錄擾動后轉速偏差、調門開度、負荷需求、有功功率、主汽壓力等參數的變化曲線和數據，最后通過數據分析得出有關機組一次調頻功能的技術指標。

3.2 試驗結果

圖5 轉速偏差＝＋6 r／min一次調頻試驗曲線

圖6 轉速偏差＝－6 r／min一次調頻試驗曲線

圖7 轉速偏差＝－8 r／min一次調頻試驗曲線

測試項目a、b、c均滿足要求，機組典型一次調頻動作曲線如圖5～圖7所示。圖中1為高壓1～3號調門開度曲線，%；2為實發功率曲線，MW；3為含頻差信號的負荷指令曲線，MW；4為高壓4號調門開度曲線，%；5為轉速偏差曲線，r／min；6為一次調頻動作曲線。由試驗數據可知，機組一次調頻的人工死區為±2 r／min（±0.033 Hz），設計轉速不等率為4%，實際測試在－8～12 r／min轉速偏差擾動下，機組速度不等率在4%～5%，低于－8 r／min的轉速偏差擾動，機組速度不等率將超過5%，轉速不等率數值如表1所示。設計最大調整負荷限幅±30 MW，遲緩率最大值為0.037%，調整滯后時間最大值為2 s。在－8～12 r／min轉速偏差擾動下，機組15 s內一次調頻最大負荷調整幅度＞90%；在－12～－10 r／min轉速偏差擾動下，機組15 s內一次調頻最大負荷調整幅度分別為58.125%和45.09%，一次調頻功頻曲線如圖8所示。

表1 轉速不等率測試結果

圖8 一次調頻設計功頻曲線1——設計功頻曲線；2——實際功頻曲線

通過試驗數據分析可知，機組轉速偏差在2～12 r／min時的曲線走向與圖5所示基本一致，均可以按照相應的指令進行動作；轉速偏差在－6～－2 r／min時的曲線走向與圖6所示基本一致，均可以按照相應的指令進行動作；轉速偏差在－12～－8 r／min時的曲線走向與圖7所示基本一致，在0～15 s內可以按照相應的指令進行動作，超過15 s負荷變化出現一段平緩時期，之后負荷緩慢上升接近目標值，這是由于汽機高壓缸4個調門因一次調頻動作在很短時間內就開完，一次調頻動作15 s時鍋爐蓄熱已經用盡，雖然一次調頻動作通過前饋作用快速增加了鍋爐燃料量，但這部分燃料量轉化為熱量的時間遠遠超過15 s，建議降低該工況下考核標準。

4 結束語

試驗研究表明，該機組能滿足一次調頻技術要求（轉速偏差低于－8 r／min時15 s內的負荷調整幅度除外），具備參與電網一次調頻能力。在一次調頻動作前期主要依靠DEH側調頻功能來完成負荷的快速響應，在一次調頻動作后期由于機組蓄熱已經用完，CCS側一次調頻回路通過負荷指令和煤量變化將維持較大的積分電量為系統做出貢獻。該次試驗采用的外加頻差階躍擾動方式，這和機組正常運行中頻差脈沖擾動相比，對控制系統及就地設備的要求更加苛刻，對鍋爐蓄熱量要求更大。

［1］ 金 豐，陳建國.火電機組一次調頻和AGC性能優化分析［J］.東北電力技術，2014.35（5）：7－10.

［2］ 郝 欣，張 志，王 喆.滑壓運行汽包爐機組AGC控制策略研究［J］.東北電力技術，2012，33（8）：10－12.

［3］ 姚 遠，管慶相，吳 松.直吹式鍋爐機組協調控制系統優化［J］.東北電力技術，2007，28（8）：1－4.

［4］ 朱北恒.火電廠熱工自動化系統實驗［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］ 林文孚.單元機組自動控制技術［M］.北京：中國電力出版社，2006.

Test Research for Primary Frequency Regulation Function of Large Capacity Thermal Power Units

JI Jun?wei
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The quality function of primary frequency regulation of the large capacity thermal power unit in grid directly affects the pow?er quality and grid security，so it is a very important task to improve its performance and response speed.Through field experimental study，it has been confirmed that rapid and lasting primary frequency regulation can be achieved by the manner of coordinated with CCS and DEH，when the large capacity thermal power unit is put into the running mode of boiler?turbine coordinated control.

Thermal power unit；Coordinated control；Primary frequency regulation；Experimental study

TM621；TM76

A

1004－7913（2015）02－0001－05

季俊偉（1971—），男，本科，高級工程師，從事火電廠熱工自動化的設計、組態及調試工作。

2014－12－10）