基于網源協調火電機組一次調頻的閉環控制系統設計

李寧綱 董建朋

摘 要：電力系統頻率不僅是電力系統運行的重要質量指標，也是影響電力系統安全穩定運行的重要因素。目前，在網源協調范疇內，一次調頻是與電網聯系的重要控制要素，但經過多年的一次調頻優化工作，仍然有很多機組調頻效果并不理想。因此，本文提出一種一次調頻閉環控制系統設計，并通過多臺機組技術實施，充分驗證了其控制策略的優越性，希望對各發電企業的一次調頻工作有所促進。

關鍵詞：一次調頻;火電機組;閉環控制

中圖分類號：TM732;TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0052-03

Abstract： Power system frequency is not only an important quality index for power system operation， but also an important factor affecting the safe and stable operation of power system. At present， in the category of network source coordination， primary frequency modulation is an important control factor in connection with the power grid. After many years of primary frequency modulation optimization， there are still many units whose frequency modulation effect is not satisfactory. Therefore， this paper proposed a primary frequency closed-loop control system design， and through the technology of multi units， fully proved the superiority of the control strategy， hoping for a work on FM all power enterprises to promote.

Keywords： primary frequency modulation;thermal power unit;closed-loop control

隨著大容量機組在電網中的比例不斷增加、特高壓電網的大力建設以及水電、風電、光伏、核電等新能源的接入，區域電網的傳統電源結構隨之改變，增加了電網運行的不確定性，電網頻率穩定性問題逐漸被重視。大容量機組的故障跳閘和直流聯絡線的故障閉鎖，會對電網頻率產生較大的沖擊，而機組一次調頻的作用就尤為重要。發電機組一次調頻的響應速度、調頻電量等，對維持電網頻率穩定具有重要意義，頻率的穩定性對電網運行安全至關重要。

目前，發電機組一次調頻邏輯的基本原理是轉速不等率，其為有差調節系統。又由于汽輪機的一次調頻特性是一個多環節、多因素的系統，汽輪機閥門的流量特性、主蒸汽壓力、機組負荷等因素均會影響最終調節效果。

在對眾多發電機組進行一次調頻測評試驗后，發現目前這種有差調節的一次調頻邏輯，并不能滿足所有機組的調頻要求，從而導致很多機組一次調頻貢獻率偏低。本文針對此問題，提出一種一次調頻閉環控制系統，希望能達到精準控制機組一次調頻貢獻率的目的。

1 一次調頻的必要性

“十三五”期間，將建成以特高壓交流為骨干網架，覆蓋華北、華中、華東的受端電網，山西、蒙西、陜北、寧夏和錫盟等大型煤電、風電以此沿海核電通過特高壓交流通道就近直接接入“三華”特高壓電網，西北、東北大型煤電、風電和兩南大型水電通過特高壓直流通道送入“三華”負荷中心，形成“強交強直”的格局[1-3]。規劃到2020年將建成15回特高壓直流。目前，中國已投運7條特高壓線路，形成大電網格局。

大電網面臨的主要安全穩定問題有5項：電磁環網問題、動態穩定問題、潮流轉移問題、多直流集中落點問題和頻率穩定問題。其中，潮流轉移問題和頻率穩定問題均與機組一次調頻有著直接關系。

2 一次調頻傳統控制理論

機組的一次調頻是指電網頻率偏離額定值時，機組調速系統根據電網頻率的變化，自動增加或減少機組的功率，從而達到新的平衡，維持電網頻率在額定值。一次調頻是汽輪機調速系統根據電網頻率的變化，自發地調整機組負荷以恢復電網頻率。

一次調頻傳統邏輯核心是轉速與負荷的函數（見圖1），在DEH側一次調頻作為前饋，在CCS側一次調頻疊加在設定值上。

傳統一次調頻特性定義為靜態時，汽輪機功率與其轉速之間的曲線，又稱汽輪機調節系統的靜特性（見圖2），對應表征一次調頻特性的基本參數是汽輪機調節系統的不等率。

速度不等率：汽輪機空負荷時所對應的最大轉速[nmax]和額定負荷時所對應的最小轉速[nmin]之差，與額定轉速[n0]之比稱為調速系統的速度不等率，用[δ]表示。

（1）

3 影響一次調頻的主要因素

根據電網對一次調頻的考核情況，以及多年來一次調頻試驗和優化過程中積累的經驗，筆者將造成一次調頻不合格的原因劃分為三類：動作不正確、動作不合格、通信不正常（見表1）。

通過對河南省機組1年多的一次調頻數據進行監控和分析可知，85%的機組均能滿足一次調頻的正確動作。但是，由于機組的運行方式、閥門流量特性、機組工況等多因素影響，很多時候造成一次調頻動作時貢獻量達不到考核要求，甚至出現調頻作用因工況變化而抵消的情況。

4 一次調頻閉環控制策略

本控制策略的目的是提供一種一次調頻閉環控制系統，克服機組由于閥門流量特性不好、主蒸汽壓力參數影響、不同負荷段的影響、升降負荷的影響等造成的問題，解決目前諸多機組存在的一次調頻貢獻率偏低的問題，提高一次調頻合格率，確保電網運行安全。

其主要思路是，以理論貢獻負荷為設定值，以實際貢獻負荷為被調量，構成一次調頻功率閉環回路，通過閉環回路輸出修正一次調頻作用量，達到快速、有效、準確的調節效果，保證一次調頻貢獻率。一次調頻閉環控制策略如圖3所示。

5 硬件設計

本控制策略的硬件設計采用外掛式控制系統實現，其與DEH、CCS之間通過硬接線或通信方式實現數據傳輸，優點是易于維護、安全性高。

控制系統硬件包含中央處理器、數據采集模塊、數據輸出模塊、數據通信模塊和數據存儲模塊（見圖4）。

6 軟件設計

一次調頻閉環控制系統軟件設計主要包括兩部分：本地考核系統和閉環控制策略。本地考核系統軟件設計，實現了中調一次調頻考核算法的本地實施，不僅為一次調頻閉環控制策略提供數據支持，還為機組提供更多的數據分析服務。閉環控制策略將為機組一次調頻控制回路提供閉環控制輸出，進一步提高一次調頻的合格率，最終達到根據機組特性，精準控制調頻負荷貢獻量的目的，優化機組運行方式。

6.1 本地考核系統設計

依據中調一次調頻考核細則，在一次調頻外掛控制系統設計了一套完整的本地考核系統。

機組的一次調頻理論積分電量[He]表示為：

（2）

機組的一次調頻貢獻電量[Hi]表示為：

（3）

一次調頻貢獻率[K]為：

（4）

6.2 閉環控制策略設計

一次調頻閉環控制策略核心數據是動態的調頻貢獻量。此數據由本地考核程序提供，通過對調頻貢獻量差值的PID運算，得到動態的修正數據，調節機組一次調頻主回路，控制調頻貢獻量在理論數據范圍內。一次調頻閉環控制簡易方框圖如圖5所示。

一次調頻貢獻量偏差值為：

（5）

其中，[He]為理論積分電量;[Hi]為實際積分電量。

對一次調頻貢獻量偏差進行PID運算

（6）

其中，[KP]為比例系數;[Ti]為積分系數;[Td]為微分系數。

傳遞函數為：

（7）

7 發展分析

基于網源協調模式下，簡單地要求機組對電網提供快速、安全的調頻服務，或單方面為了確保機組的穩定運行，犧牲調頻作用，都不利于電網和機組的安全。

傳統一次調頻控制策略已無法滿足所有機組的調頻特性，一次調頻閉環控制策略的實施，從另一種技術層面，尋找電網與機組特性的平衡點，即能確保機組調頻的合理率，穩定電網頻率參數，能根據機組自身特點調整參數，穩定機組運行，確保機組安全。

參考文獻：

[1]徐衍會，王珍珍，翁洪杰.一次調頻試驗引發低頻振蕩實例及機理分析[J].電力系統自動化，2013（23）：119-124.

[2]王遠平，吳忠勝，黃華煜，等.河源電廠超超臨界2×600MW機組一次調頻控制策略及其優化[J].熱力發電，2012（8）：79-82.

[3]張生相，賈強邦，劉俊.陽西電廠超臨界600MW機組一次調頻控制功能優化[J].熱力發電，2012（1）：77-79.