火電機組一次調頻及試驗

張燕平 吳子豪 師 鵬 羅德柱

（國網陜西省電力公司電力科學研究院，西安 710100）

在電網中，大容量發電機組與光伏、風電等新型能源發電機組數量的增加以及用戶用電量的持續增加，使發電結構及用電結構正在發生變化。交直流外送工程運行以及電網系統中自動化水平和電力調度工作質量不斷提高，要求火電機組的運行方式隨之改變且響應速度相應加快[1-2]。根據文獻[3-6]對組合火電機組一次調頻試驗的介紹和說明，證明了機組一次調頻試驗的實際過程中還存在著一系列的問題，作者對問題也進行了一定的分析說明，改善了一次調頻的性能方法，優化了一次調頻的技術要求。在文獻[7-8]中，作者指出對機組一次調頻邏輯優化與試驗方法數據進行分析和闡述能夠使機組一次調頻的性能進一步提高，對實際的工作有一定的指導意義。根據前面作者指出的一些改進措施和實施方法，發現尚且存在一些試驗證明中存在的具體問題，還不能夠對提出的觀點和闡述的理論具有十足的支撐[9]。

為了適應這些變化，火電機組要在一定條件下以電網中所需要的負荷總量與電網頻率偏差為依據，實現電網的調峰、調頻。這就對火電機組一次調頻性能提出了更嚴格的要求。為此，國內各大電網都主動開展火電機組一次調頻試驗工作。查閱相關文獻與研究報告可知，目前CCS與DEH控制系統同時具備一次調頻功能是火電機組當前能夠滿足電網一次調頻要求的最佳模式[10]。

1 DEH與CCS系統一次調頻

若要火電機組一次調頻功能有效地發揮作用，則必須了解DEH和CCS控制系統的運行方式。雖然火電機組可采用不同類型的DEH和CCS控制系統，但是一次調頻原理基本一致[11]。

1.1 一次調頻功能概述

電力系統運行會受到來自外界的影響而引起負荷發生改變，電網頻率有時候會超出正常要求范圍，這時就需要并入電網中的發電機組一次調頻功能發揮作用，根據電網頻率實際變化幅度調整發電機組發電功率增大或者減小，以求能夠在較短時間內達到新的平衡，并將電網頻率變化幅度控制在一定可控的范圍之內[12-13]。

發電機組一次調頻具有調整速度較快、調整量隨電網頻率變化和調整量可控的特點。一次調頻涉及的技術指標較多，主要包括轉速不等率、頻率死區、調頻負荷范圍等[14]。

轉速不等率是機組空負荷對應的最大轉速和滿負荷對應的最小轉速之差，與額定轉速之比的百分數，表示為汽輪機轉速與負荷靜態控制特性曲線的斜率，如圖1所示。

圖1 轉速與功率的線性關系

轉速不等率的大小能夠體現機組參與電網調頻能力的強弱，其值越大調頻能力越弱，機組能夠更加穩定運行；反之，調頻能力越強，機組的穩定性會相應降低。

調頻死區設置可以有效地避免汽輪機調節閥因轉速不穩定或在電網頻率小范圍波動時引起機組負荷波動或調節系統擺動，能夠保證電網和設備更加穩定運行。

對調頻負荷變化量進行限制，避免在一次調頻動作時出現負荷超出的現象，防止發電機組運行參數大范圍劇烈波動，保證發電機組安全穩定運行。

1.2 DEH系統一次調頻功能

在DEH控制系統中，經過電網頻差校正的負荷需求直接與DEH系統中負荷指令進行疊加，再作用于對汽輪機調節閥的控制。這種方式的優點是，電網頻率偏差與機組負荷變化存在一定關系，無論機組運行在何種狀態，在頻率偏差理論上都會產生相應幅度的負荷變化，能夠將電網頻率偏差控制在一定范圍內，為二次調頻創造更好的運行條件。但這種方法需要保證 DEH系統功率控制回路始終處于投入狀態，否則一次調頻功能就難以有效發揮作用。當功率控制回路不投入時，DEH控制系統為閥位控制方式，一次調頻為純比例調節，調節品質與機組運行參數及調節閥的流量特性有關，一次調頻的實際負荷響應與調頻負荷目標值必然存在偏差。

DEH控制系統一次調頻反應速度快，但存在偏差，且持續性差，機組蓄熱只能持續一段時間，后期機組一次調頻負荷量無法維持，甚至又回到一次調頻動作前的原負荷值。

一次調頻函數可以作為電網頻差校正的負荷指令參考，當機組額定功率、轉速不等率、一次調頻負荷限制、死區等參數已知，一次調頻函數即可確定。一次調頻函數曲線如圖2所示。

圖2 一次調頻函數曲線圖

圖中，Δn為機組額定轉速與實際轉速之差，Px與-Px分別是機組一次調頻增、減負荷限幅，Δnx與-Δnx分別是Px與-Px對應的轉速差。

1.3 CCS系統一次調頻功能

CCS控制系統實現一次調頻功能的原理與DEH控制系統基本相同，函數關系也一致。以美國MCS公司（原teads&Northrup公司）研發的DEB400直接能量平衡系統為例，說明CCS控制系統一次調頻功能的控制原理，如圖3所示。

圖3 一次調頻函數曲線

在CCS控制系統負荷控制回路中，負荷指令由AGC指令或運行人員設定給出，該負荷指令經過幅度和速率限制后與一次調頻的負荷增減指令疊加，疊加后的功率指令經PID調節器運算形成汽輪機調節閥的開度調節指令，控制機組負荷的增減。

CCS控制系統一次調頻的優點是機組運行較穩定，持續性較好，但響應速度較慢，不能快速響應電網頻率的變化。

2 DEH與CCS系統相互協調

火電機組一次調頻功能可以選擇以下控制方式投入：①DEH控制系統單獨投入；②CCS控制系統單獨投入；③DEH控制系統（遙控方式）與 CCS控制系統同時投入，即“CCS+DEH”方式。

如前所述，無論是DEH控制系統還是CCS控制系統，單獨投入一次調頻功能效果均不十分理想。同時，若CCS控制系統不投入一次調頻功能，則由DEH控制系統一次調頻動作產生的負荷變化量會被 CCS控制系統負荷控制回路的負荷調節作用拉回，產生反調。因此，火電機組要想充分發揮一次調頻功能，采用DEH與CCS控制系統同時投入一次調頻功能是最佳選擇，即采用“CCS+DEH”方式投入一次調頻功能，這也是當前火電機組采用的常規方法。

電網頻率信號精度較低，一般由DEH控制系統將機組轉速差或轉速信號送至CCS控制系統，保證CCS控制系統一次調頻動作產生的調節閥開度指令或流量指令與 DEH控制系統一次調頻動作指令同步。同時，CCS控制系統改變鍋爐指令，使鍋爐與汽輪機能量保持平衡，維持機組運行參數基本穩定。

DEH與CCS控制系統同時投入一次調頻功能，既能夠保證電網中負荷與頻率發生變化時調頻功能的靈敏度，實現快速、有效的響應，還能夠保證調頻負荷的準確性和調頻效果的持續性。頻差出現時，DEH控制系統能夠迅速地接收到一次調頻信號發出調節閥調節指令，實現快速響應，滿足電網需求。換一個角度來說，DEH控制系統一次調頻是開環調節，發揮著前饋的作用，將電網頻率穩定在一定范圍內，屬于有差的比例調節。當調頻信號傳送到CCS控制系統負荷設定回路時，主控制面板會發出負荷增減指令，實現負荷的閉環調節，提高負荷調節精度，鞏固DEH控制系統一次調頻的調節成果，維持頻率與負荷的穩定性。因此，協調控制系統對汽輪機發出的調節閥指令與 DEH控制系統一次調頻動作保持一致，火電機組一次調頻功能才能夠完全發揮出來。

3 一次調頻試驗

3.1 試驗條件

在試驗開始之前，需要確認CCS與DEH控制系統邏輯組態及一次調頻參數設置是否正確，機組處于協調控制方式或DEH功率控制方式，其他系統運行正常，各項自動、保護系統工作正常，機組負荷在最低穩定燃燒負荷與額定負荷之間可調，CCS與DEH控制系統一次調頻功能均能正常投入狀態。

3.2 試驗內容

一次調頻試驗是衡量評價火電機組一次調頻調節品質的主要手段，正確的試驗方法對公正準確地評價火電機組一次調頻各項性能指標非常重要。

按照相關要求，火電機組一次調頻試驗應在不同的運行工況、負荷點，采用不同的頻差或轉速差進行，其選擇原則如下：

1）運行工況選擇。一次調頻試驗應包括單閥方式下和順序閥方式下的一次調頻試驗。無單、順序閥運行工況的機組進行的一次調頻試驗應能表征該機組運行工況下的實際性能。機組控制方式應為協調控制方式或DEH功率控制方式。

2）負荷工況選擇。一次調頻試驗選擇的負荷工況點不應少于 3個，一般選擇在 60%、75%、90%額定負荷點附近。亦可在穩燃負荷至50%額定負荷之間的負荷點進行一次調頻試驗。選擇的工況點應能較準確反映機組滑壓運行的一次調頻特性。

3）擾動量選擇。每個試驗負荷工況點，應至少分別進行±0.067Hz及±0.1Hz頻差階躍擾動試驗；應至少選擇一個負荷工況點進行機組最大雙向調頻負荷試驗，檢驗機組的一次調頻負荷限制功能。實際試驗中，一般采用機組額定轉速、實際轉速、轉速差作為擾動量，而優先選擇轉速差作為擾動量。±2r/min死區校驗可任選一個試驗負荷工況點進行。

一次調頻試驗應采集的參數一般包括機組轉速差、功率、總閥位指令、高壓調節閥反饋、主蒸汽壓力、速度級壓力等，參數采集周期應不大于1s。

根據一次調頻試驗采集的參數記錄、計算轉速差擾動量、試驗前負荷、試驗發生 15s負荷、15s負荷變化量、15s負荷變化幅度、試驗穩定負荷、穩定后負荷變化量、實際轉速不等率、響應時間、穩定時間等參數，并計算發電機組每個試驗負荷工況點的轉速不等率、響應時間、穩定時間、15s響應幅值、死區等參數的均值，對機組一次調頻性能做出評價。

3.3 試驗方法

本次試驗以 300MW 單元火電機組作為試驗對象。機組運行在順序閥、協調控制方式下，負荷設定為270MW，由試驗人員開始進行一次調頻試驗。在DEH工程師站改變轉速差信號，將其由0強制至試驗要求的擾動量，記錄機組一次調頻試驗相關參數，穩定至少1min后將轉速差信號恢復至0，分析各項參數的變化幅度是否滿足相關規定要求。用同樣的方法可進行機組不同控制方式、不同負荷點、不同轉速差擾動量，以及單閥或順序閥運行狀態下的一次調頻試驗。

試驗結束后，檢查火電機組與試驗相關的邏輯組態及參數是否恢復到試驗前狀態。火電機組一次調頻試驗方法可參照《火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收導則》（GB/T 30370—2013）或《火力發電機組一次調頻試驗導則》（Q/GDW 669—2011）執行，一次調頻試驗數據計算及機組一次調頻性能評價方法可參照《火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收導則》（GB/T 30370—2013）中的相關規定，機組一次調頻技術指標應滿足屬地能監局“兩個細則”及所屬電網調度控制中心頒布的一次調頻運行管理規定的相關要求。

3.4 實驗結果分析

在進行試驗進行的數據結果，把不同轉速偏差的機組一次調頻的負荷偏差和轉速不等率進行了一定的記錄，相關的數據見表1。

表1 轉速不等率測試結果

從機組一次調頻和AGC功能的投入表明，可以明顯地提高電網頻率的穩定性以及對電力系統的動態品質進行很好的改善。不同電廠的機組一次調頻在性能上也存在著一定的差異和差距，要對試驗過程中發現的不同問題和不足之處進行及時的調整優化，針對存在的問題及時查找和分析原因。

4 結論

電網是否能夠保質保量、安全穩定運行涉及到國民經濟和千家萬戶的利益，保證其能夠穩定、優質運行是電力企業必須要擔負的責任和義務。一次調頻功能的實現可以對電網安全和電能質量帶來更好的保障，必須具備相應的技術條件和物質條件使其得以實現，為電力行業更好、更快地發展保駕護航。

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