大頻差下優化機組調速器參數提高一次調頻能力

黃暢想，王 凱，邊宏宇，張 田，張 敏

（1.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211000；2.國網江西省電力有限公司，江西 南昌 330077；3.國家電網公司華中分部，湖北 武漢 430077；4.中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；5.北方聯合電力有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 014300）

0 引言

高壓直流輸電可有效提高受端電網供電能力，但若替代受端常規電源，將引起受端電網的“空心化”趨勢，帶來受端電網機組頻率調制能力降低及系統頻率穩定性降低的問題，逐漸成為國內外電力工業界和學術界關注的熱點[1-7]。文獻[8]提出了電網一次調頻均方差能力指標，闡述了一次調頻的模型及其靜態和動態表達式，仿真對比了不同死區的評價指標及其曲線，同時兼顧了機組一次調頻的動態穩定和死區的影響，可達到一次調頻的全面評估。文獻[9]基于一次調頻基本原理和考核方式，分析了網頻信號影響一次調頻的主要因素，討論了數字電液控制系統的前饋修正及調節死區優化等一次調頻控制優化方法。文獻[10]主要評價了機組在機組頻率恢復過程中的正確動作率等指標。

由于目前投運、在建及規劃特高壓跨區直流額定容量均在8 000 MW及以上，且很多跨區直流送受端為同一區域電網。隨著直流受端電網逐步加強，交流故障引發直流換相失敗范圍增大，甚至引起一回以上直流同時換相失敗或閉鎖。和傳統區域電網方式相比，直流閉鎖后送端高頻差及受端低頻差更大，可能引起高頻切機及低頻減載動作等后果，因此研究大頻差方式下系統的頻率調節能力對電網運行、規劃等具有較強的現實意義。

文中主要進行了一次調頻能力重要指標分析，分析了較大頻差方式下優化機組調速器的調差系數、調頻死區、限幅環節及前饋系數等主要調速器參數對機組一次調頻能力的影響，實際優化時需考慮上述參數的協調關聯特性。

1 系統一次調頻介紹

1.1 頻率調節現狀

電力系統的頻率調節主要與負荷、發電機、直流等綜合因素相關，反映了系統頻率隨有功功率盈虧情況的變化特點。一次調頻是系統頻率偏離指定范圍后，調速系統自動調節節發電機出力以恢復頻率。一次調頻反應快，但不能達到無差調節。

1.2 發電機的頻率靜態特性

系統頻率變化時，頻差反饋至調速系統后調節進汽量或進水量，以增減發電機出力。這種表示頻率增減而引起機組出力調節的關系為調速器頻率靜態特性，其變化關系如圖1所示。

圖1 典型火電機組調速系統頻率靜態特性

圖1中，若電網頻率為fB，則發電機出力為PFB；若頻率變化至f1時，發電機出力增加至PF1，可得調速器頻率靜態特性曲線的斜率如式（1）所示。

式中KF的值其取決于調節發電機出力變化過程張紅機組轉數變化對額定轉數的比值，KF取倒數即為調差系數SF。

對于汽輪機，KF通常為16.6～25，對應調差系數為0.06～0.04；對于水輪機，KF通常為25～50，對應調差系數為0.04～0.02。

電力系統所有機組的原動機調速系統頻率靜態特性斜率與一臺機組表達方程類似，如式（2）。

同時，網絡政治參與的娛樂化，客觀上化解了政治參與同政治制度化之間的張力，為我們展現了不同于“亨廷頓式”的政治發展景觀。由此說明，在政治制度化水平無法滿足政治參與需求的狀態下，國家政治的走向并非總是呈現動亂和暴力等不穩定樣態，而是有著“第三種趨勢”，即在國家權力和政策調試下，在一定限度內，就算國家政治制度化水平難以滿足政治參與的需求，國家政治秩序也能夠維持總體的穩定。因此，娛樂化的政治參與方式，可以被視為是化解政治參與同政治制度化矛盾的有效手段，是國家政治穩定的“安全閥”。

需要注意，無出力調節能力發電機的KF需置零。實際系統中多臺機組并列運行，每臺機組的速率、斜率特性決定該機組的分擔比例，每臺機組均可改變它的頻率調節特性，實際上是把圖1中的速率-斜率曲線上下移動。

2 特高壓直流聯網后頻差增大分析

頻率調節主要與直流、發電機、負荷等綜合因素相關。隨著特高壓直流快速發展，新建直流額定送電能力至少為8 000 MW；目前單機最大容量為1 000 MW，一般通過單元接線或開關站后通過多回線路并網，即使考慮同桿線路同跳最多損失2 000～3 000 MW；負荷通常呈現分散且連續變化特性，一般不會出現功率突變而引起頻率劇烈變化。因此區域電網頻率主要是由于直流閉鎖引起，直流閉鎖后送端系統頻率大幅升高，受端頻率大幅降低。

以受端電網負荷90 GW方式的8 000 MW直流閉鎖安控拒動為例，仿真其閉鎖后區域電網頻率降低過程，如圖2所示。系統頻率由50 Hz最大降低至49.3 Hz，頻差達到0.7 Hz，若考慮區域電網負荷低谷70 GW方式，則可能造成低頻減載動作，機組跳閘或負荷變化造成的頻率變化均小于直流故障。

圖2 直流閉鎖后頻率響應曲線

3 關鍵參數對機組頻率調節能力影響

近年來，國內發電機組雖然廣泛采用數字式電液調節系統，但某些機組一次調頻效果并未達到理想效果[11-13]。針對國內某大型電廠機組全停事故發生后，網內可發揮一次調頻功能的機組不到理論動作值的30%，較多機組的一次調頻未有效調節。

3.1 調差系數影響機組一次調頻分析

轉速偏差放大倍數反應機組一次調頻能力，其倒數即為調差系數，是調速器調節系統最重要的指標。調差系數與機組調頻能力呈現反調節關系。一般來講，小調差系數適合于調峰機組，可發揮系統調節靈敏的優勢，大調差系數則適合于帶基本負荷且穩定性較高的機組。

以國內某火電機組為例，比較不同調差系數時，機組在高頻下的出力響應如圖3所示。減小調差系數可提高機組出力調整量，進而減小系統頻率偏差最大值并改善系統高頻特性。

圖3 不同調差系數時機組在高頻下的出力響應

3.2 調頻死區影響機組一次調頻分析

圖4 不同調頻死區時機組在高頻下的出力響應

3.3 限幅環節影響機組一次調頻分析

典型調速器限幅環節示意圖如圖5所示，其一次調頻限幅由兩個環節共同決定。

圖5 限幅環節的示意圖

控制方式選擇為負荷反饋控制時，限幅近似為一次調頻負荷下限與轉速偏差放大倍數（即調差系數的倒數）乘積的1.3倍，不同功率擾動下略有差別，表1為600 MW火電機組的典型調速器參數。

表1 典型火電機組限幅參數

以下將詳細分析機組在不同功率擾動量下，各機組有功出力響應。系統送出直流閉鎖后功率盈余3 GW和6 GW時，電網頻率曲線和機組出力響應曲線如圖6、圖7所示。

圖6 不同盈余功率下的系統頻率曲線

圖7 機組在不同功率盈余后的出力

由圖6、圖7可見，不同功率擾動下由于負荷反饋值不同，最大調節能力有所差別，功率擾動量越大，機組出力調節量越大。

改變調速器負荷上下限，機組出力如圖8所示，增大負荷調節上下限相當于增大了機組調節幅度，更有利于功率擾動事故后系統頻率恢復。

圖8 改變負荷上下限時機組出力響應圖

3.4 前饋系數影響機組一次調頻分析

采用負荷控制模式時，優化前饋系數可以提高機組的響應速度和調節性能，前饋控制相對于PID控制器可更快地對系統變化進行響應。相對于傳統PID控制，前饋控制與PID結合共同作用可加快機組頻率調節響應速度并減小誤差。

仍以上述機組為例，比較不同負荷控制前饋系數時，系統功率盈余后機組出力響應如圖9所示。前饋系數越大，前饋作用越強，機組出力響應越快，調節幅度越大，對系統頻率穩定性越好。

圖9 不同前饋系數下機組的出力調節

4 結語

文中主要分析了特高壓直流故障可能造成系統頻差變大的問題，介紹了一次調頻原理，通過仿真分析說明了優化機組調速器的調差系數、調頻死區、限幅環節及前饋系數等主要參數可有效提高機組一次調頻能力，同時建議區域電網針對主力水、火電機組調速器參數逐步優化的建議，主要結論如下。

1）調差系數越小，機組調頻能力越強，但不利于機組運行穩定性；調差系數越大，則機組調頻能力越弱，但機組穩定性越好。

2）合理設置機組調頻死區，既可防止頻率小范圍擾動時機組出力頻繁調節，又可保障機組在大頻差范圍的一次調頻能力。

3）電液伺服機構和調節系統的執行機構均有限幅特性，機組實際出力限幅將由以上兩個環節中限幅最小值決定。優化調節上下限幅值可在允許范圍內增大機組調節幅度，有利于系統頻率恢復。

4）前饋控制與PID結合可加快系統動態響應并降低系統誤差，合理優化前饋系數可引起機組出力響應加快，調節量增大，有利于系統頻率加速恢復。