安薩爾多AE94.3A燃?xì)廨啓C(jī)一次調(diào)頻分析及優(yōu)化

肖新宇， 史毅越， 湯可怡， 高愛民， 張?zhí)旌?/p>

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102)

電網(wǎng)頻率變化反映了電力系統(tǒng)中發(fā)電和用電間的不平衡關(guān)系。發(fā)電設(shè)備突發(fā)故障和用電隨機(jī)性都會(huì)引起電網(wǎng)頻率波動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)，電力系統(tǒng)存在功率缺額，調(diào)頻功能要求發(fā)電機(jī)組快速增負(fù)荷；當(dāng)電網(wǎng)頻率上升時(shí)，要求發(fā)電機(jī)組快速降負(fù)荷。隨著電網(wǎng)容量的不斷增大，非線性和沖擊性載荷頻繁出現(xiàn)，降低了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電由于存在明顯的間歇性，進(jìn)一步加劇了電網(wǎng)頻率的波動(dòng)[1]。

一次調(diào)頻是電網(wǎng)頻率控制中響應(yīng)最快、次序最先的調(diào)頻，其作為一種有差調(diào)節(jié)，可在系統(tǒng)頻率受到擾動(dòng)的第一時(shí)間自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)組出力，對(duì)維護(hù)電網(wǎng)功率的平衡和頻率的穩(wěn)定有重大意義[2]。

國(guó)內(nèi)某安薩爾多AE94.3A燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組經(jīng)過一次調(diào)頻性能試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)其一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)達(dá)不到電網(wǎng)要求。筆者對(duì)該機(jī)組負(fù)荷控制回路進(jìn)行分析，優(yōu)化了其一次調(diào)頻控制策略，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化后機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)滿足電網(wǎng)要求。

1 一次調(diào)頻策略分析

該安薩爾多AE94.3A燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組為9F聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，額定負(fù)荷為440 MW。汽輪機(jī)出力依賴于燃?xì)廨啓C(jī)的排煙量，汽輪機(jī)本身不具備調(diào)節(jié)功率的能力，所以機(jī)組的一次調(diào)頻功能由燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)。

燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷控制采用傳統(tǒng)的前饋-反饋控制系統(tǒng)，一次調(diào)頻回路是負(fù)荷控制中的一部分。因此，也可以將一次調(diào)頻作用劃分為前饋部分和功率閉環(huán)補(bǔ)償部分。

燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷控制回路見圖1。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷控制回路

前饋部分采取將頻率信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)速不等率換算函數(shù)(一次調(diào)頻特性函數(shù))與負(fù)荷設(shè)定值合并，疊加在燃?xì)廨啓C(jī)流量指令處，以使負(fù)荷快速響應(yīng)；功率閉環(huán)補(bǔ)償部分是將一次調(diào)頻負(fù)荷指令疊加到燃機(jī)負(fù)荷設(shè)定值作為比例積分(PI)控制器的設(shè)定值參與閉環(huán)調(diào)節(jié)。

一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

式中：a為一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)；P為機(jī)組負(fù)荷，MW；P0為一次調(diào)頻動(dòng)作開始時(shí)的機(jī)組負(fù)荷，MW；Pe為機(jī)組額定負(fù)荷，MW；t為一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間，s；Δn為轉(zhuǎn)速偏差，r/min；n為一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速死區(qū)，n=±2 r/min。

在前饋部分和功率閉環(huán)補(bǔ)償部分中，一次調(diào)頻都是與負(fù)荷設(shè)定值疊加后作用的，所以可以將一次調(diào)頻認(rèn)為是負(fù)荷設(shè)定值的偏置。當(dāng)一次調(diào)頻作用時(shí)，燃料閥動(dòng)作速率也和變負(fù)荷速率一致。對(duì)于供熱燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，電網(wǎng)要求其變負(fù)荷速率應(yīng)≥1.5%Pe/min，由于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒慣性小，實(shí)際運(yùn)行中，變負(fù)荷速率在1.5%Pe/min～3%Pe/min。

圖2為變負(fù)荷速率為3%Pe/min，一次調(diào)頻負(fù)荷的變化情況，其中：A部分為-4 r/min轉(zhuǎn)速偏差時(shí)的一次調(diào)頻積分電量，0～15 s、0～30 s、0～45 s的一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)分別為0.28、0.55、0.70；A+B部分為-6.5 r/min轉(zhuǎn)速偏差時(shí)的一次調(diào)頻積分電量，0～15 s、0～30 s、0～45 s的一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)分別為0.125、0.250、0.375。由圖2可得：轉(zhuǎn)速偏差越大，機(jī)組對(duì)于一次調(diào)頻積分電量調(diào)節(jié)的能力越不足。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)，江蘇省電網(wǎng)對(duì)一次調(diào)頻的要求為：在0～15 s、0～30 s、0～45 s，實(shí)際積分電量分別達(dá)到理論積分電量的40%、60%、70%。該機(jī)組目前的控制策略無法實(shí)現(xiàn)對(duì)一次調(diào)頻的快速響應(yīng)，對(duì)一次調(diào)頻積分電量的調(diào)節(jié)能力達(dá)不到電網(wǎng)要求。

圖2 一次調(diào)頻負(fù)荷的變化情況

2 一次調(diào)頻策略優(yōu)化

如果保持控制策略不變，提高比例、積分、前饋系數(shù)，可以提高一次調(diào)頻作用；但是，這會(huì)對(duì)非一次調(diào)頻作用的負(fù)荷控制回路造成影響，增加了變負(fù)荷時(shí)的超調(diào)量，使系統(tǒng)振蕩風(fēng)險(xiǎn)增加、穩(wěn)定性降低。另外，由于一次調(diào)頻作用是負(fù)荷設(shè)定值的一部分，一次調(diào)頻作用應(yīng)當(dāng)無限速，如果為了提高一次調(diào)頻的響應(yīng)速率取消限速，會(huì)使機(jī)組變負(fù)荷速率也相應(yīng)提升。但是，燃?xì)廨啓C(jī)在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)變負(fù)荷速率有所限制，變負(fù)荷速率過高不利于機(jī)組安全運(yùn)行，所以需要對(duì)現(xiàn)有的控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化后的控制策略見圖3。

圖3 優(yōu)化后的控制策略

考慮到在一次調(diào)頻與變負(fù)荷過程中，機(jī)組對(duì)負(fù)荷響應(yīng)的不同要求，將一次調(diào)頻從負(fù)荷設(shè)定值前饋中獨(dú)立出來，形成專有的一次調(diào)頻控制前饋，前饋系數(shù)可根據(jù)一次調(diào)頻響應(yīng)情況進(jìn)行調(diào)整，而不會(huì)影響正常的負(fù)荷控制回路。一次調(diào)頻作用不經(jīng)限速直接疊加到流量指令，從而動(dòng)作燃料閥，有利于機(jī)組對(duì)轉(zhuǎn)速偏差的快速響應(yīng)。正常的負(fù)荷設(shè)定值前饋依舊經(jīng)過限速，以保證變負(fù)荷時(shí)，燃料閥不會(huì)出現(xiàn)階躍性響應(yīng)。此外，一次調(diào)頻作用疊加到負(fù)荷設(shè)定值上，對(duì)功率閉環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償，以彌補(bǔ)一次調(diào)頻前饋部分作為開環(huán)調(diào)節(jié)的不足，使機(jī)組的調(diào)頻出力得到準(zhǔn)確控制。

3 性能測(cè)試

優(yōu)化前、后機(jī)組的一次調(diào)頻性能測(cè)試結(jié)果分別見圖4和圖5。

圖4 優(yōu)化前機(jī)組一次調(diào)頻性能測(cè)試結(jié)果

圖5 優(yōu)化后機(jī)組一次調(diào)頻性能測(cè)試結(jié)果

由圖4和圖5可得：優(yōu)化前，在±4.0 r/min和±6.5 r/min轉(zhuǎn)速偏差下，機(jī)組的一次調(diào)頻實(shí)際積分電量均低于理論積分電量；優(yōu)化后，在±4.0 r/min和±6.5 r/min轉(zhuǎn)速偏差下，機(jī)組的一次調(diào)頻實(shí)際積分電量均高于理論積分電量。

通過對(duì)優(yōu)化前、后機(jī)組一次調(diào)頻性能測(cè)試的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出的主要結(jié)果見表1。

表1 優(yōu)化前、后機(jī)組一次調(diào)頻性能測(cè)試主要數(shù)據(jù)

將測(cè)試數(shù)據(jù)平均值作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，并與電網(wǎng)要求[3]進(jìn)行對(duì)比，具體見表2。

表2 優(yōu)化前、后機(jī)組一次調(diào)頻性能測(cè)試統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

由表1和表2可得：

(1) 優(yōu)化前，機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng)幅值和響應(yīng)指數(shù)在4次試驗(yàn)中均未達(dá)到電網(wǎng)要求，實(shí)際轉(zhuǎn)速不等率也在電網(wǎng)要求范圍內(nèi)偏高，說明在一次調(diào)頻過程中，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的貢獻(xiàn)不足。此外，在相同轉(zhuǎn)速偏差下，機(jī)組對(duì)一次調(diào)頻增負(fù)荷的響應(yīng)效果優(yōu)于一次調(diào)頻降負(fù)荷，原因是負(fù)荷設(shè)定值前饋?zhàn)饔脤?duì)升降負(fù)荷速率的限制不同，升負(fù)荷速率高于降負(fù)荷速率。通過將一次調(diào)頻作用獨(dú)立，使一次調(diào)頻增減作用都不經(jīng)過限速，可以有效解決問題。

(2) 優(yōu)化后，機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng)幅值和響應(yīng)指數(shù)在4次試驗(yàn)中均滿足電網(wǎng)要求，實(shí)際轉(zhuǎn)速不等率也低于5%，說明在一次調(diào)頻過程中，機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的貢獻(xiàn)大于電網(wǎng)的要求。此外，在相同轉(zhuǎn)速偏差下，一次調(diào)頻增負(fù)荷和一次調(diào)頻降負(fù)荷作用基本一致，機(jī)組更加穩(wěn)定。

4 結(jié)語

(1) 針對(duì)將一次調(diào)頻負(fù)荷作用簡(jiǎn)單疊加到負(fù)荷設(shè)定值上作為設(shè)定值偏置的控制策略，經(jīng)過理論分析和計(jì)算后，得出該控制策略無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組對(duì)一次調(diào)頻的快速響應(yīng)，并且由于設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，不宜采用提高比例、積分、前饋系數(shù)，以及取消限速等方式提高機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)。

(2) 對(duì)原有的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，將一次調(diào)頻作用從負(fù)荷設(shè)定值前饋中獨(dú)立出來，形成專有的一次調(diào)頻控制前饋；正常的負(fù)荷設(shè)定值前饋依舊經(jīng)過限速，以保證變負(fù)荷時(shí)，燃料閥不會(huì)出現(xiàn)階躍性響應(yīng)；將一次調(diào)頻作用疊加到負(fù)荷設(shè)定值上，對(duì)功率閉環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償，以彌補(bǔ)一次調(diào)頻前饋部分作為開環(huán)調(diào)節(jié)的不足，使機(jī)組的調(diào)頻出力得到準(zhǔn)確控制。

(3) 通過對(duì)優(yōu)化前、后機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻性能測(cè)試，得出優(yōu)化后機(jī)組對(duì)一次調(diào)頻積分電量的調(diào)節(jié)能力較優(yōu)化前有較大提升，機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足電網(wǎng)要求。