皖電東送機組響應電網大頻差控制策略分析與應用

王 華

（安徽華電宿州發電有限公司，安徽 宿州 234101）

0 引言

安徽華電宿州發電有限公司一期安裝兩臺600 MW超臨界燃煤汽輪發電機組，生產的電能通過500 kV輸電線路送入華東電網。機組采用艾默生公司Ovation-UNIX分散控制系統（DCS），其DEH系統集成于DCS中。

在原DCS中設計有CCS和DEH一次調頻功能，實際使用過程中基本滿足電網調頻要求，在正常較小頻差范圍機組的汽機調速閥門控制、閥門運行方式以及壓力控制上都沒有較大問題[1-2]，可以滿足小頻差時的一次調頻功能，但在出現長時段的較大頻率偏差時，系統調整裕度較小，后期調整乏力，響應緩慢。對此種工況，在原有一次調頻基礎上對其研究探討，通過利用更好的前饋調節模式來提高機組對電網出現大頻率偏差長時段波動時的持續響應能力以改善一次調頻效果。

1 系統一次調頻分析

在原有控制系統中，DEH側一次調頻回路和CCS側一次調頻回路在兩臺機組控制邏輯中如圖1和圖2所示。DEH側的一次調頻功能是機組快速響應頻率變化的主要方式，通過一次調頻前饋指令快速改變汽輪機調門開度來瞬間響應電網頻率偏差，其延時小的動作特性決定了負荷能夠更快速地完成響應。CCS側一次調頻的閉環調節彌補了DEH側純比例有差調節的不足，對系統負荷進行修正。

圖1 DEH側一次調頻原理

圖2 CCS側一次調頻原理

在設計的一次調頻回路中，電網頻差變化不大情況下可以滿足一次調頻性能，但在電網出現大頻差（超過±0.1 Hz）時，系統調節能力有限，而且當頻差持續時間較長時，由于鍋爐蓄熱能力不足，持續作用能力下降，一次調頻只能瞬時抑制電網頻率變化，后續失去調節作用。

2 控制策略改進

一次調頻初期和過程中，呈現開環前饋控制特點；在調頻結束轉速接近穩定時，呈現閉環控制特點，由于在該調節情況下，閉環增益遠小于開環增益[3]。從前饋著手，提高機組在大頻差情況下的開環控制，可以起到較好的效果。

在出現大頻差情況下，機組蓄熱及可調裕度有限，僅靠現有的調門動作和負荷指令動作無法滿足持續大頻差情況下的一次調頻性能要求，主要問題集中在出現大的頻率變化時后續調節作用不足。鑒于此，對原有一次調頻做簡單優化，側重點放在出現大頻差時提高整個系統的快速協調聯動，對大頻差情況下的機組的風、煤、水3個主要參數進行提前調節，確保出現持續大頻差的情況下有足夠的能量和持續的能力去參與頻率調整。

在機組滑壓運行狀態下，調門全開后機組一次調頻調整負荷的能力有所下降，很難滿足電網在大頻差情況下需要快速調整負荷的要求，提高過熱度及主汽壓力必然影響機組的經濟性[4]，在出現大頻差情況下進行快速前饋來促使鍋爐側快速響應能更好地提高機組對長時間較大頻差的調整能力。

針對提出的策略，對一次調頻修正邏輯進行了優化，DEH側調整由于蓄熱的能力沒有很大的調整空間，優化著重于CCS側的快動來完成一次調頻大頻差情況下的功率貢獻，保證機組安全的情況下最大化的使電網頻率保持在合格范圍，提高大頻差情況下的一次調頻性能[5]。在出現大頻差時對負荷處于上下限附近時系統一次調頻做出限制，防止系統參數超出機組正常運行范圍影響機組正常運行。將經過計算及上下限限制后的一次調頻指令信號進行大頻差信號動作條件判斷，設定該信號大于10 MW時大頻差信號觸發風煤水前饋信號，對應的風煤水前饋信號根據系統一次調頻指令信號或負荷指令信號函數后送入風煤水系統的指令回路。同時該大頻差設置投切功能，并增加觸發大頻差軟光字和硬光字報警。前饋信號的修正邏輯如圖3、圖4所示。

圖3和圖4給出了整體的前饋回路，整個前饋輸出信號取自DEH一次調頻指令和負荷指令，根據現場實際經驗及試驗得到負荷指令與風煤水的對應關系函數，作為前饋的基準，同時根據DEH送出的一次調頻指令做經驗函數對負荷指令與風煤水的對應關系函數進行進一步修正，最終在電網實際出現大頻差，經由DCS系統判斷后將計算出的前饋信號送至機組風、煤、水調節回路。同時在正常的較小頻差情況下，由于修正邏輯判斷后將輸出置0，在正常小頻差范圍內該前饋信號無輸出，不會引起系統的超調和振蕩。

圖3 前饋信號形成邏輯

圖4 前饋信號接入機組風煤水控制邏輯

圖5～7分別給出了DEH一次調頻指令前饋函數、大頻差煤量前饋修正函數、大頻差總風量前饋修正函數，主給水流量未通過負荷修正函數，直接通過DEH一次調頻指令前饋函數進行修正輸出，避免系統負荷較快變化時引起給水系統的振蕩。

圖4為前饋信號送入風煤水系統回路的接口邏輯。燃料量指令進入燃料量偏差回路，經過此調節回路進入燃料主控回路，直接加入總燃料量指令，增加給煤量；給水指令通過濾波后直接加入主給水流量設定值，增加給水量；計算后的風量前饋信號直接進入風量指令回路。在邏輯上將機組風煤水三大主要參數的調節回路均加入大頻差時的前饋邏輯，當電網發生大頻差情況時，增加機組持續調節能力，避免出現之前在大頻差情況下調整乏力、大頻差信號消失后系統出現過調導致參數振蕩的問題。

圖5 DEH一次調頻指令前饋函數

圖6 負荷指令—煤量前饋修正函數

圖7 負荷指令—風量前饋修正函數

整體優化于2016年7月完成，同時優化后進行了相關試驗與微調，取得了較好的調整效果。

3 系統應用

圖8和圖9分別是1號機組2015年11月機組負荷530 MW時未進行優化之前的一次調頻試驗曲線，模擬電網大頻差所設置的機組一次調頻轉速偏差分別為-11 r／min 和+11 r／min。

圖8 優化前一次調頻試驗曲線（轉速+11 r／min）

圖9 優化前一次調頻試驗曲線（轉速-11 r／min）

分析圖8和圖9曲線，系統接收到一次調頻指令后，負荷第一時間反應，在20 s左右的時間調整到最大幅度，可以迅速響應電網頻率波動，第一時間維持電網頻率穩定，但是同樣可以看到在經過最高點后雖然大頻差指令持續存在但是機組負荷處于持續反向變化無法繼續有效抑制頻率變化的狀態，在系統第一波快速調節后，從主汽壓的變化趨勢可以看出機組的蓄熱消耗較大，后續調節乏力，在整個調整過程中，通過對機組總風量、總煤量、主給水流量三大參數的變化趨勢進行分析，在機組接收到模擬的大頻差信號后，三大參數均沒有明顯變化，而是隨著調節的持續進行，進行緩慢的跟蹤，系統調節遲延較大，無法為后續較大的頻率偏差提供充足的動力。

圖10和圖11分別是2016年7月進行大頻差邏輯優化后對機組在負荷560 MW時模擬電網出現大頻差情況時的一次調頻試驗曲線，對應轉速偏差分別為-11 r／min 和+11 r／min。

圖10 優化后一次調頻試驗曲線（轉速+11 r／min）

圖11 優化后一次調頻試驗曲線（轉速-11 r／min）

圖中趨勢可以看出調整后的負荷響應情況較為理想，因機組蓄熱的能力所限，在初期20 s左右機組負荷響應情況與優化前沒有明顯不同，從1 min之后可以看出負荷變化明顯不同于邏輯優化前的達到最大調節幅度后調節能力持續減弱而是逐步趨于穩定，在2 min后明顯出現負荷改變變化方向，朝著抑制電網頻率方向變化，系統的持續響應能力得到了較大的提升。從總風量和總煤量的趨勢可以很明顯看出當系統出現大頻差的瞬間即進行了階躍式的調整，前饋輸出直接做出了調整動作，極大地減小了機組之前對大頻差情況下的調整遲延，提高了機組對于大頻差情況下的調節能力。

從調節作用看，優化后系統調節作用明顯，達到了預期目標。

4 結語

機組進行優化之前對應小頻差的調節能力滿足電網要求，但一次調頻動作持續時間短同時動作幅度較小，難以全面反映機組的性能，在對機組進行優化后系統對大頻差持續響應能力增強，提高了機組對頻率的正向貢獻，一定程度上提升了機組的一次調頻性能[6-7]。

機組進行一次調頻大頻差優化前，在接收到大頻差信號時，機組的瞬時響應很及時，鍋爐總燃料量和主給水流量在CCS模式下做出調整，以保證機組負荷的要求，同時機組負荷在達到最高值后趨勢呈持續下降趨勢，后續調節能力逐漸減弱。在對機組一次調頻大頻差優化后，機組瞬時響應同樣及時，而由于優化后在機組風煤水3個主要信號上加入了前饋反應，造成總燃料量瞬時會有較大動作，在鍋爐調節時提前進行調控，減少鍋爐參數滯后引起的調節滯后，同時可以看到負荷在瞬態先上升繼而下降后，趨勢變得平緩并有回升趨勢。整體調節優化效果明顯提升，提高了電網頻率大幅長時變化時機組的調節能力，提升了電網和機組的穩定運行水平。