LM系列航改型燃氣輪機發電機組一次調頻功能探討

邱冬 黃金梅

摘要：分析了LM系列航改型燃氣輪機發電機組的特點，探討了LM系列燃氣輪機發電機組一次調頻的原理，在設備配置需求、程序配置、調節質量、人員操作等方面的優勢，實際應用表明，LM系列航改型燃氣輪機可以很好地滿足電網對一次調頻的要求。

關鍵詞：LM系列航改型燃氣輪機;一次調頻;死區;功率限制;負載響應

中圖分類號：V231.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0053-02

0? 引言

以往頻率調節一直由大容量機組來維持，而較小的燃氣或其他渦輪機僅用于補充容量。但隨著國內燃氣輪機裝機容量不斷增加，尤其是隨著各地對環保要求的不斷嚴格要求，燃氣輪機及其聯合循環機組的項目正在逐步增加，從而使得燃氣輪機機組的裝機總量在電網中的占比越來越高，這直接導致燃氣輪機機組一次調頻的能力變得越來越重要。[1]LM系列航改型燃氣輪機發電機組配置有一次調頻PFC和容量儲備控制RMC功能，可以在電網出現頻率變化超過預定范圍時自動調節機組的有功功率輸出，實現電網頻率的穩定調節，本文主要介紹LM系列航改型燃氣輪機發電機組一次調頻的功能原理，以及在電廠項目應用中各參數的設置原則。

1? LM航改型燃氣輪機發電機組的構成

LM航改型燃氣輪機發電機組由航空發動機改進而來，機組自身的一次調頻響應能力非常強。

LM6000燃氣輪機發電機組一般作為聯合循環應用，機組采取一拖一的燃氣-蒸汽聯合循環布置方式，即一臺燃氣輪機的高溫煙氣通過余熱鍋爐產生相應的蒸汽驅動汽輪機組。聯合循環機組的一次調頻控制包括燃機和汽輪機的負荷控制，燃機的負荷控制回路主要針對轉速-功率的控制，通過調節進入燃機的燃料量使燃機的出力和轉速達到控制要求。本文重點討論燃氣輪機的一次調頻控制能力。[2]

2? 電網對一次調頻能力的要求

電廠的一次調頻功能一般是電網基本輔助服務的一部分， 以西北電網為例，各電廠一次調頻服務補償按照動作積分電量月度平均合格率進行補償。月度一次調頻平均合格率在滿足規定條件情況下進行補償，按照每高出1%補償5積分。一次調頻月度平均合格率：發電機組一次調頻月度總實際積分電量與理論月度積分電量之比的百分數。故一次調頻能力無論是電網的基本要求還是有償服務，機組配置此功能都是必須的且有益的。

3? 一次調頻的功能介紹

電網一次調頻的目的是通過發電機組自身的調速系統的頻率控制特性，適應電網側用電功率的變化，使兩者達到平衡從而使電網頻率穩定在50Hz附近的一個允許值范圍內。以LM6000燃氣輪機發電機組為例，其一次調頻和燃氣輪機的負荷控制密不可分，一次調頻的功能設置在機組負荷控制回路中，不可切除，主要包括PFC和RMC調節。

3.1 LM機組PFC和RMC控制邏輯

LM6000燃氣輪機發電機組的一次調頻功能包括PFC和RMC，其邏輯框圖見圖1。當電網頻率升高時，一次調頻PFC功能要求機組快速減負荷，反之，機組快速增加負荷;容量儲備控制RMC功能是指允許機組運行在接近最大出力之下，LM6000機組可以設定為低于最大出力0～12.5%，使得機組在頻率上升或下降時有適當的調節空間。圖1中顯示的燃氣輪機機組全天24小時的運行狀況，圖中可以看出由于全天氣溫的變化，燃氣輪機機組的額定基礎負荷也是不斷變化的。RMC是按照額定基礎負荷的百分比設置的，所以RMC的曲線也是隨時變化的。具體的邏輯框圖說明如下：①PFC功能啟用，燃氣輪機機組的出力被鎖定在預設的負荷控制設定點。②PFC功能啟用，燃氣輪機機組的出力根據電網頻率的下降而增加。③PFC功能和RMC功能同時啟用，RMC設定點為3%。此時控制燃氣輪機機組出力至RMC控制點，即機組運行在97%額定基礎負荷。④PFC功能和RMC功能同時啟用，RMC設定點為3%。此時電網頻率出現下降偏差，燃氣輪機機組按照PFC功能控制機組出力上升直至額定基礎負荷。⑤PFC功能啟用，燃氣輪機機組的出力被鎖定在預設的負荷控制設定點，此負荷控制設定點將小于RMC的設定點。

3.2 LM機組一次調頻參數設置

LM6000燃氣輪機發電機組的一次調頻功能內置于控制器程序中，機組常規的參數設置及說明如下：

調速器轉速下垂：轉速下垂是調速器的功能，當負荷下降時降低燃氣輪機的轉速，調速器轉速下垂功能可以在機組連接到電網時提供穩定的運行工況。

遲滯死區（不靈敏度）：調速器系統的死區或不靈敏度即為在此頻率設定范圍內的頻率變化，不會觸發燃氣輪機出力的調節。如果頻率變化超出了此遲滯死區的設定范圍，控制系統將自動的調節燃氣輪機的出力，出力的變化與頻率變化差成比例。

RMC容量儲備控制：RMC控制的目的是使燃氣輪機能夠帶有一定的儲備負荷運行，允許燃氣輪機機組在接近其最大輸出功率的情況下運行，而不需要驅動機組隨著環境溫度的變化全天基本負荷隨時在變化。

PFC一次調頻控制將控制燃氣輪機機組運行在預設的負荷點，如果機組的頻率超過PFC調節遲滯死區范圍將通過調節機組出力來響應頻率的變化以便幫助維持電網的頻率穩定。PFC可以增加機組的出力至最大控制極限，但是不允許使燃氣輪機超溫或過載。同樣的PFC控制也不能將機組負荷降至小于0，以防止逆功率。[4]

3.3 LM機組一次調頻調速器調節能力

機組的一次調頻能力與其自身的性能有關，如圖2為LM6000機組一次調頻動作示意圖，描述了頻率變化對應的機組出力的調節。

圖2中的符號說明如表1所示。

如圖2所示，機組常規運行在功率設定點Pset，此時系統發生頻率偏差，有以下幾種可能：①頻率偏差在±f0范圍內，此時的頻率偏差在遲滯死區范圍內，機組控制系統不會發出調整指令，機組還是按照預設的功率運行。②頻率偏差在-？駐fG范圍內，此時的頻率偏差超過遲滯死區范圍，機組的一次調頻將控制燃氣輪機增加出力以維持頻率的穩定，機組的出力變化與頻率偏差為線性調整關系。③頻率偏差在+？駐fG范圍內，此時的頻率偏差超過遲滯死區范圍，機組的一次調頻將控制燃氣輪機減小出力以維持頻率的穩定，機組的出力變化與頻率偏差為線性調整關系。[3]

當系統發生頻率偏差并超過燃氣輪機機組設定的遲滯死區范圍后，機組的一次調頻將增加或減小機組的出力來維持頻率的穩定，而機組出力達到具體調節量，是根據頻率的偏差值、燃氣輪機調速器的調節速率設置（即調速器轉速下垂設置）、機組額定頻率、以及機組的額定容量有關。具體的計算公式如公式1所示。

×100%（1）

公式（1）中的符號說明如表2所示。

以50Hz機組，額定功率為50MW為例，當系統頻率下跌-0.2Hz，調速器調節速率設定為5%，燃機的功率調節響應為增加出力4MW。通過以上計算可以看出，調速器調節速率越高，在相同的頻率偏差下機組所需調節的出力越小，即機組的響應速度越快其所需的負荷調節量就越小。

當系統發生頻率偏差時，一次調頻功能啟動，同樣的其響應時間也需要考核。一般機組的功率變化響應時間規定的在系統頻率降低100mHz時機組增加50%的功率輸出，調節時間為15秒，在系統頻率降低200mHz時機組增加100%的功率輸出，調節時間為30秒。

4? 結束語

與其他類型的發電機組相比，LM系列航改型燃氣輪機機組在設計之初就內置了一次調頻功能，充分考慮了燃機機組自身的特性及客戶的需求。同時通過以上經驗，希望能對同類型電廠的運行調試有參考價值。

參考文獻：

[1]曹泉.燃機一次調頻控制策略及其實踐 [J].華中電力， 2009（3）：40-43.

[2]宋敏強，祝建飛，邱佳敏.燃氣輪機聯合循環機組AGC及一次調頻研究[J].華東電力，2009（5）.

[3]項謹，顧正皓，尹峰.GE燃機一次調頻原理分析與仿真[J].浙江電力，2007（3）：37-39.

[4]戴初成.6B燃氣輪機負荷控制與一次調頻功能的實現[J]. 燃氣輪機技術，2011（4）：70-72.