600MW火電機組一次調頻功能設計及性能試驗

余 明

（四川瀘州川南發電有限責任公司，四川 瀘州 646000）

0 引言

根據《并網電源一次調頻技術規定及試驗導則》（GB/T 40595—2021），一次調頻（Primary Frequency Control，PFC）是指當電力系統頻率偏離目標頻率時，電源通過控制系統的自動反應調整有功出力，減少頻率偏差的控制功能[1]。

電網頻率的變化主要是由負載端（電力用戶）與發電端（并網發電機組）負荷失衡引起。當電網頻率變化時，并網發電機組一次調頻功能通過調速系統的自動反應快速增減負荷來改變汽輪機轉速，以此實現調整電網頻率的功能。

電網最重要的質量指標是頻率和電壓。電網頻率波動過大會嚴重影響供電質量，危及整個電網和并網發電機組的安全穩定運行。隨著電網容量增大，對電網頻率的穩定性要求也相應提高，并網發電機組或電網的事故解列會對電網頻率產生很大沖擊，通過一次調頻功能的快速響應可以有效抑制電網頻率的波動。

根據電網要求，并網發電機組必須要設置一次調頻功能。實踐證明，在電網發生發電機甩負荷、跳閘、電網故障等異常事故時，電網中各臺機組一次調頻功能可迅速消除電網中因快變隨機負荷分量引起的電網頻率變化，為整個電網的安全穩定運行提供保障。

1 一次調頻主要技術參數和考核指標

1.1 主要技術參數

1.1.1 一次調頻死區

一次調頻功能不動作的轉速或頻率偏離額定值的范圍。一次調頻死區設置應不大于土2r/m或者±0.033Hz（一般為額定轉速的±2r/m），其設置的目的是為了防止電網頻率小范圍變化時汽輪機DEH調門不必要的動作引起的電網功率的波動。

1.1.2 轉速不等率δ（即速度變動率）

機組調速控制系統一次調頻的靜態特性曲線斜率，即汽輪機由額定功率降至零功率的轉速變化量與額定轉速之比。根據規范要求，轉速不等率δ為4%～5%。轉速不等率如公式（1）所示。

式中：n為汽輪機額定轉速，單位為r/m；n1為汽輪機額定功率時的轉速，單位為r/m；n2為汽輪機零功率時的轉速，單位為r/m。

轉速不等率δ表征并網發電機組一次調頻功率變化的幅度。δ越小，一次調頻時功率變化幅值越大，機組負荷波動也越大；反之，δ越大，一次調頻時功率變化幅值越小，會影響整個電網的自平衡能力。

當電網中所有機組的調速系統都參與一次調頻時，電網將負荷擾動按各機組的不等率分配到各臺機組上，不等率小的機組將承擔較多的負荷分配[2]。

以額定功率600MW機組為例，設置轉速不等率5%、一次調頻死區±2r/m、限幅6%Pe的功率-轉速關系如圖1所示。

圖1 功率-轉速曲線

1.1.3 一次調頻限幅

一次調頻限幅即調頻負荷范圍。根據每臺發電機組額定負荷不同，一次調頻功率變化幅度應不小于±6%～±10%額定有功功率。

1.1.4 一次調頻動態性能

頻率/轉速階躍擾動試驗中，一次調頻動態性能應滿足下列規定：1）一次調頻有功功率的滯后時間應≤2s。2）一次調頻有功功率達到75%目標功率的時間應≤15s，上升時間≤30s，有功功率的調節時間應≤45s。3）一次調頻有功功率超調量應≤30%，振蕩次數≤2次。

1.2 主要考核指標

根據《華中區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》和《華中區域發電廠并網運行管理實施細則》的通知（華中監能市場[2020]153）要求，一次調頻的主要考核指標包括動作方向、響應滯后時間和貢獻率等方面[3]。

2 影響一次調頻的因素

并網發電機組汽輪機轉速是隨電網頻率而變化的，根據汽輪機功率/轉速靜態特性可知，并網發電機組汽輪機轉速可以通過一次調頻功能改變機組功率來實現調節。對火電機組來說，影響一次調頻功能的因素除了一次調頻控制邏輯設計是否完善、參數設置是否合理外，主要還包括汽輪機調門開度、主蒸汽壓力和鍋爐燃料量等。

3 一次調頻功能設計與性能試驗

3.1 機組概況

四川瀘州川南發電有限責任公司2×600MW機組汽輪機為東方汽輪機廠生產，型號為N600-16.7/538/538-1，DCS和DEH控制系統均為艾默生控制過程有限公司的OVATION控制系統。

汽輪機DEH控制方式有手動和自動兩種模式。在自動模式下共有5種獨立的控制方式可實現對汽輪機轉速、負荷以及主汽壓力的控制，即轉速控制方式、閥位控制方式、功率控制方式、主汽壓力控制方式和CCS控制方公式（遠控方式）。通常情況采用功率控制方式或CCS控制方式。

3.2 控制策略

根據機組常用的幾種運行方式，設計一次調頻功能時應充分考慮電網一次調頻要求及機組安全。

3.2.1 一次調頻與CCS的協調配合

在CCS功控回路中，當一次調頻動作時屏蔽主汽壓力偏差修正功率指令的功能（使其保持一次調頻動作前的值）。一次調頻動作且轉速≥3006r/m，閉鎖CCS負荷指令增；一次調頻動作且轉速≤2994r/m，閉鎖CCS負荷指令減。上述策略的目的是確保一次調頻動作優先級最高以及動作的完整性，即一次調頻與CCS負荷控制同向則CCS有效，反向則CCS閉鎖，適應電網控制要求。

3.2.2 機組調頻裕量設置

設置機組的調頻范圍：上限為106%Pe，下限為不投油穩燃負荷46%Pe。根據記憶的一次調頻動作前的機組負荷，與調頻上、下限比較，確定裕量，并通過調頻裕量限制調頻動作幅度。上述策略的目的是確保一次調頻動作始終處于機組的有效調節范圍及安全運行區間。

3.2.3 克服調節系統的遲緩率（預設遲緩率為±0.3r/m）

設置一次調頻不等率函數的死區為±1.7r/m。設置一次調頻動作啟動條件為≥±2r/m，通過±0.3r/m產生的階躍量克服系統遲緩率。上述策略的目的是確保一次調頻動作的有效性，使實際調頻負荷指令滿足指標要求，并克服系統遲緩率造成的實際一次調頻動作積分貢獻電量的不足。

3.2.4 適應機組各運行方式的調頻策略

根據單/順閥方式，分開設定DEH流量前饋曲線和前饋的主汽壓力補償曲線。根據功率調節方式和開環方式，分開設定修正系數。上述策略的目的是確保一次調頻動作的準確性和持續性。

3.3 功能設計

一次調頻功能設計包括汽輪機DEH控制和機組CCS控制兩部分，這兩部分相互配合共同完成機組一次調頻控制功能。根據電網要求，一次調頻死區設置為±2r/m，轉速不等率δ設置為5%，調頻負荷范圍為±36MW（±6%額定負荷）[3]。

3.3.1 汽輪機DEH一次調頻控制

汽輪機在本地控制模式下，汽輪機DEH一次調頻控制主要通過一次調頻指令回路、調門總閥位指令回路、功率調節回路來完成。表征電網頻率的轉差信號經轉差-功率函數轉換和主汽壓力修正后生成一次調頻指令，該指令分別加在DEH功率設定和汽機DEH調門總閥位輸出指令回路（如圖2所示）。

圖2 汽輪機DEH一次調頻控制

作用在汽機DEH調門總閥位輸出指令回路上的一次調頻指令為調門開度前饋指令，直接疊加在DEH調門總閥位輸出指令回路，并利用鍋爐蓄能快速增減負荷，確保機組功率對一次調頻的快速響應。加在DEH功率調節回路上的一次調頻指令作為功率PID調節器設定修正指令（直接與功率設定疊加），該指令根據轉差-功率函數曲線實時修正PID調節器的設定，抑制反向調節，實現一次調頻對功率調節輸出指令的修正，保證一次調頻功率的準確性。

當DEH非功控方式時，功率設定值跟蹤實際負荷-調頻目標負荷，同時功率PID調節器輸出跟蹤流量指令-調頻流量值。

在一次調頻動作期間，屏蔽主汽壓力對一次調頻指令的修正功能（保持一次調頻動作前的值），以保證一次調頻的完整作用，維持電網系統頻率要求。

同時，DEH要采取以下措施：1）防止頻率擾動引起的CCS汽機主控指令與閥位參考偏差大，切除遙控。2）防止頻率擾動引起的功率調節偏差大，切除DEH功控。3）防止頻率擾動引起的CCS汽機主控指令變化率過快，切除遙控。

3.3.2 機組CCS一次調頻控制

汽輪機在CCS控制模式下，機組一次調頻通過DEH加CCS方式共同完成。CCS協調控制系統的調頻主要是穩定DEH調頻的結果，同時對DEH調頻的準確性予以修正。作用原理是把頻率的變化按一定的不等率轉化為對應的功率，加在系統設定值上，通過功率調節器作用于汽機調門，同時把部分分量作用于鍋爐能量調節器，達到穩定機組功率的目的。表征電網頻率的轉差信號經轉差-功率函數轉換和主汽壓力修正后生成一次調頻指令，該指令分別作用在CCS汽機主控功率設定和DEH調門總閥位輸出指令回路（如圖3所示）。

圖3 機組CCS一次調頻控制

加在汽機DEH調門總閥位指令回路上的一次調頻指令為調門開度前饋指令，直接疊加在DEH調門總閥位輸出指令回路，并利用鍋爐蓄能快速增減機組負荷，實現電網頻率的快速調整。作用在CCS汽機主控回路上的一次調頻指令為功率設定校正指令（直接與功率設定疊加），通過功率和主汽壓力調節回路穩定一次調頻所需的負荷變量，進而實現機組能量平衡。

在一次調頻動作期間，屏蔽主汽壓力修正汽機主控功率設定值的功能（保持一次調頻動作前的值），以保證一次調頻的完整作用，維持電網系統頻率要求。

同時，CCS要采取以下措施：1）防止頻率擾動引起的CCS汽機主控指令與閥位參考偏差大，切除汽機自動。2）防止頻率擾動引起的功率調節偏差大，切除汽機自動。

3.4 性能試驗

3.4.1 試驗條件

按照一次調頻功能設計要求，機組CCS和汽輪機DEH系統的邏輯組態（含參數設置）修改完畢并靜態試驗合格。確認機組CCS協調控制、汽輪機DEH控制等功能正常，各項保護已投入運行。機組退出AGC控制方式，機組負荷在最低穩燃負荷至額定負荷的范圍內。

3.4.2 試驗內容及方法

機組在360MW、450MW、540MW、600MW四種工況下分別進行一次調頻性能試驗。試驗內容包括死區測試、方向性及遲緩率測試、階躍試驗。

3.4.2.1 死區測試

汽輪機DEH控制置閥位控制方式，在DEH一次調頻試驗回路分兩次手動輸入3002r/min、2998r/min轉速信號，每次輸入轉速等待1min，記錄參數與曲線。

3.4.2.2 方向性及遲緩率測試

方向性測試：分別在機組CCS和汽輪機DEH控制方式下，分兩次手動輸入3002.2r/min、2997.8r/min轉速信號，檢查調門及功率增減方向是否正確。遲緩率測試：使轉速穩定在3003r/min，以0.1r/min的速率手動緩慢減少試驗轉速（3002.9r/min、3002.8r/min…），一直到閥位剛變化為止。再以同樣的速率恢復到原來轉速，記錄下升降轉速過程中閥位剛變化時的轉速，即可計算出遲緩率。

3.4.2.3 階躍試驗

汽輪機DEH調門有順序閥和單閥兩種進汽方式。針對每種進汽方式，分別在汽輪機DEH控制方式及機組CCS控制方式下進行不同工況的階躍擾動試驗。

每個試驗負荷工況點應至少分別進行±0.067Hz（4r/min）、0.1Hz（6r/min）頻差的階躍擾動試驗。應至少選擇一個工況點進行機組頻率上限試驗和同調頻上限具有同等調頻負荷絕對值的降負荷調頻試驗（在450MW工況點做最大頻差試驗），檢驗機組的安全性能。

每個工況試驗時，每次頻差的階躍擾動變化至少維持1min以上，待系統穩定后，記錄一次調頻的動作情況，包括擾動量、試驗前負荷、15s/30s負荷變化量△P、試驗穩定負荷、穩定后負荷變化量△P、實際轉速不等率、響應時間、穩定時間等。同時記錄機組主要參數，包括汽輪機DEH調門開度以及主汽壓力、主汽溫度、汽包水位、爐膛壓力等。

4 結語

機組一次調頻性能試驗結果表明，四川瀘州川南發電有限責任公司2×600MW機組一次調頻功能設計合理、邏輯嚴謹、性能良好，能夠適應電網負荷和頻率的變化，滿足電網對并網發電機組一次調頻功能有關規定的要求。