600 MW火電機(jī)組一次調(diào)頻控制系統(tǒng)改造研究

賴建明，王冠博

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 哈爾濱 150030；2.美國康涅狄格大學(xué) 工程學(xué)院，斯托斯 06269)

0 引 言

用電負(fù)荷和發(fā)電功率的不平衡是造成電網(wǎng)頻率波動(dòng)的主要原因，電網(wǎng)頻率波動(dòng)過大不但會對用戶設(shè)備造成危害，也會對在網(wǎng)機(jī)組造成重大危險(xiǎn)，所以當(dāng)電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，在網(wǎng)機(jī)組應(yīng)及時(shí)改變功率以平衡用電負(fù)荷，而能快速做出反應(yīng),依靠并網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻功能。由于單臺機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力有限，因此要求在網(wǎng)機(jī)組必須全部投入一次調(diào)頻功能，共同調(diào)節(jié)功率穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，而并入電網(wǎng)的所有發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有良好的一次調(diào)頻性能。這是提高電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性，也是電網(wǎng)及機(jī)組安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

根據(jù)火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能驗(yàn)收導(dǎo)則(GB/T 30370—2013)，及東北區(qū)域電網(wǎng)發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則(東北監(jiān)能市場(2019)115號)。電網(wǎng)調(diào)度中心通過廣域動(dòng)態(tài)信息監(jiān)視分析保護(hù)控制系統(tǒng)(wide area monitoring analysis protection-contrtol, WAMAP)對所在轄區(qū)的并網(wǎng)發(fā)電廠一次調(diào)頻自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)督管理。發(fā)電廠的電網(wǎng)同步相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)，將發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)功率及頻率信息送給WAMAP系統(tǒng)。因此，發(fā)電廠一次調(diào)頻控制系統(tǒng)的穩(wěn)定投入和較高的合格率，可以使其在電網(wǎng)調(diào)度方面爭取更多的上網(wǎng)電量和更高的經(jīng)濟(jì)利益。隨著電網(wǎng)用電結(jié)構(gòu)變化引起的負(fù)荷峰谷差逐步加大,電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的問題越來越被重視。黑龍江省內(nèi)100 MW以上機(jī)組商業(yè)運(yùn)行時(shí)間平均超過10年，設(shè)備穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力下降，一次調(diào)頻性能合格率較低，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，亟需進(jìn)行升級改造。

1 一次調(diào)頻系統(tǒng)原有功能設(shè)計(jì)

1.1 一次調(diào)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)要求

電網(wǎng)負(fù)荷變動(dòng)過大，會所導(dǎo)致其頻率隨之發(fā)生波動(dòng), 不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)和機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可以通過改變汽輪機(jī)調(diào)門開度的方式來改變發(fā)電機(jī)的功率，來回應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化，使其頻率盡快恢復(fù)到正常水平，即一次調(diào)頻[1]。

根據(jù)《火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能驗(yàn)收導(dǎo)則：GB/T 30370—2013》，一次調(diào)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)要求如下：

1)一次調(diào)頻功能需要分別在汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

2)一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置應(yīng)不大于±0.033 Hz(即±2 r/min)。

3)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的速度變動(dòng)率，即δ應(yīng)在4%～5%之間。

4)一次調(diào)頻最大調(diào)整負(fù)荷限幅應(yīng)不小于6%的額定功率。

5)機(jī)組參與一次調(diào)頻的滯后時(shí)間應(yīng)不大于3 s。

6)機(jī)制參與一次調(diào)頻的穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)不大于1 min。

7) 機(jī)組一次調(diào)頻的負(fù)荷響應(yīng)速度應(yīng)滿足：

機(jī)組達(dá)到 75%額定功率的時(shí)間應(yīng)不超過15 s ，達(dá)到90%額定功率的時(shí)間應(yīng)不超過30 s。

8) 一次調(diào)頻設(shè)定曲線如圖1所示。

圖1 一次調(diào)頻設(shè)定曲線

1.2 一次調(diào)頻系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)存在不足

當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致頻率偏離正常范圍時(shí)，并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組會通過汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)有功功率增加(當(dāng)電網(wǎng)頻率向下波動(dòng)時(shí))或減少(當(dāng)電網(wǎng)頻率向上波動(dòng)時(shí))，當(dāng)并入電網(wǎng)的多臺發(fā)電機(jī)組同時(shí)參與調(diào)節(jié)時(shí)，電網(wǎng)頻率會迅速回到正常范圍。該發(fā)電廠的600 MW火電機(jī)組一次調(diào)頻功能控制由汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(digital electric hydraulic control system, DEH)，及機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(unit coordinated control system，CCS)共同完成，當(dāng)機(jī)組采用DEH控制方式時(shí)，DEH采集汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號與額定轉(zhuǎn)速的偏差信號，經(jīng)轉(zhuǎn)速不等率設(shè)定函數(shù)計(jì)算后，將直接疊加在汽輪機(jī)調(diào)速汽門總閥位指令處，同時(shí)功率回路的功率指令亦根據(jù)轉(zhuǎn)速不等率設(shè)定函數(shù)計(jì)算后，提供一個(gè)適合的指標(biāo)進(jìn)行調(diào)頻功率定值補(bǔ)償，且補(bǔ)償?shù)恼{(diào)頻功率定值取消速率限制功能，使其快速相應(yīng)負(fù)荷變化。當(dāng)機(jī)組采用CCS控制方式時(shí)，機(jī)組自動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)(automatic generation control,AGC)或CCS側(cè)的負(fù)荷控制中心的負(fù)荷指令亦根據(jù)轉(zhuǎn)速不等率設(shè)計(jì)函數(shù)計(jì)算后，提供設(shè)定指標(biāo)進(jìn)行調(diào)頻功率定值補(bǔ)償，且補(bǔ)償?shù)恼{(diào)頻功率定值也不經(jīng)過速率限制，保證負(fù)荷響應(yīng)的快速性。

當(dāng)機(jī)組處在CCS控制方式時(shí)，系統(tǒng)提供的一次調(diào)頻指令信號與AGC負(fù)荷指令疊加前乘以1個(gè)系數(shù)，用于擴(kuò)大一次調(diào)頻動(dòng)作幅度；同樣，當(dāng)機(jī)組處在DEH控制方式時(shí)，系統(tǒng)提供的一次調(diào)頻指令信號在與調(diào)門開度指令疊加前也需要設(shè)計(jì)乘以1個(gè)系數(shù)，用于將調(diào)門開度適當(dāng)?shù)卦黾印ｋm然提高一次調(diào)頻動(dòng)作幅度所取得的效果還是比較明顯，但是在不同負(fù)荷段以及主汽壓波動(dòng)劇烈會影響一次調(diào)頻動(dòng)作效果[2]。

一次調(diào)頻系統(tǒng)控制邏輯如圖2所示。

圖2 一次調(diào)頻系統(tǒng)控制邏輯圖

發(fā)電機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻控制的信號基準(zhǔn)是汽輪機(jī)實(shí)測的轉(zhuǎn)速信號，而電網(wǎng)調(diào)度對一次調(diào)頻進(jìn)行考核的依據(jù)是電網(wǎng)頻率信號。理論上轉(zhuǎn)速信號和頻率信號存在著固定換算關(guān)系，但實(shí)際上在機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，電網(wǎng)頻率信號相對穩(wěn)定性較差及轉(zhuǎn)速變化速度與頻率變化速度存在非同步性[3]，會導(dǎo)致機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作不及時(shí)或者過度動(dòng)作，影響一次調(diào)頻性能指標(biāo)的效果，長期運(yùn)行對機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成隱患；汽輪機(jī)閥門流量特性曲線與實(shí)際閥門特性不符，造成一次調(diào)頻控制精度不高，從而使得指標(biāo)不達(dá)標(biāo)；機(jī)組開環(huán)控制或協(xié)調(diào)控制方式下一次調(diào)頻控制方案設(shè)計(jì)不合理，同樣影響一次調(diào)頻的各項(xiàng)指標(biāo)。

基于現(xiàn)狀，考慮開發(fā)一種與機(jī)組分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)相適應(yīng)的一次調(diào)頻控制智能系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)對機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速頻率信號的高精度采集，又可以基于頻率變化做出相應(yīng)調(diào)整的控制策略[4]。

2 改造方案

2.1 一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)組成

一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)由一次調(diào)頻智能控制裝置及附屬硬件設(shè)備組成，控制裝置采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過高精度的頻率傳感器實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)頻率信號的實(shí)時(shí)采集；同時(shí)采用基于電網(wǎng)功率變化動(dòng)態(tài)調(diào)整的先進(jìn)控制策略，可將信號采集和邏輯控制完美結(jié)合，直接輸出控制指令。該裝置控制精度高、響應(yīng)迅速，控制方案合理，滿足電網(wǎng)調(diào)度對并網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻各參數(shù)指標(biāo)的考核，也能有效地減少發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻誤動(dòng)，促進(jìn)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)水平提高。

一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng),從PMU中，即電廠電氣進(jìn)行同步相量的測量、輸出及動(dòng)態(tài)記錄，采集機(jī)組頻率和功率信號與需要智能控制的信號進(jìn)行邏輯功能計(jì)算，通過硬接線將調(diào)頻量、采集數(shù)據(jù)分別送至DEH和DCS系統(tǒng)直接控制機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)門。其一次調(diào)頻改造系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 一次調(diào)頻改造系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2.2 硬件系統(tǒng)改造

機(jī)組電子間內(nèi)增設(shè)1套一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)機(jī)柜，內(nèi)置有一調(diào)頻智能控制裝置、服務(wù)器及顯示裝置等，用于汽輪機(jī)側(cè)頻率采集、功能運(yùn)算和一次調(diào)頻控制。

CCS、DEH系統(tǒng)根據(jù)需要選取原控制模件的備用通道或增加相應(yīng)模件，用于一次調(diào)頻控制、系統(tǒng)報(bào)警及數(shù)據(jù)采集等數(shù)據(jù)的傳輸。

直接從發(fā)電機(jī)電壓互感器上采集電壓信號，通過一次調(diào)頻高精度頻率變送裝置進(jìn)行信號處理，測量出發(fā)電機(jī)頻率后轉(zhuǎn)換為模擬量控制信號傳至一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)。該變送器對頻率信號的測量精度大于轉(zhuǎn)速信號的測量精度，可以達(dá)到0.001 Hz。

一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)采用A、B兩套相互冗余的采集和運(yùn)算系統(tǒng)，對運(yùn)算后信號自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化判斷后輸出到CCS和DEH系統(tǒng)進(jìn)行一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 軟件系統(tǒng)改造

邏輯修改的控制策略為：在不改變原有一次調(diào)頻控制策略的前提下，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻控制的無擾切換。當(dāng)“一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)投切”按鈕投入后，一次調(diào)頻指令由一次調(diào)頻智能控制裝置發(fā)出，并取代原設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制功能，直接疊加至DEH閥位總指令，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能。如一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)斷電、裝置故障等不正常工況時(shí)，無擾切回原一次調(diào)頻控制回路。

為了調(diào)高控制精度，彌補(bǔ)汽輪機(jī)閥門流量特性的偏移，在一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)中增加依據(jù)不同負(fù)荷段設(shè)定各自轉(zhuǎn)速不等率設(shè)定值的補(bǔ)償系數(shù)折線函數(shù)。

DCS、DEH一次調(diào)頻控制邏輯，F(xiàn)(x)后增加T切換功能塊，切換條件設(shè)置：手動(dòng)切除、一次調(diào)頻智能控制裝置指令都故障(品質(zhì)壞)切除、一次調(diào)頻智能控制裝置都異常切除(裝置異常信號)[5]。當(dāng)一次調(diào)頻智能控制裝置指令發(fā)揮作用時(shí)，原一次調(diào)頻負(fù)荷指令并屏蔽，通過T切換功能塊的N管腳(即條件不滿足“NO”)輸入；如上切換條件滿足時(shí)，原一次調(diào)頻負(fù)荷指令將發(fā)揮作用，同時(shí)屏蔽一次調(diào)頻智能控制裝置指令，通過T切換功能塊的Y管腳(即條件滿足“YES”)輸入。CCS、DEH一次調(diào)頻邏輯修改如圖4所示。

圖4 CCS、DEH一次調(diào)頻邏輯修改

當(dāng)一次調(diào)頻指令與AGC指令出現(xiàn)反向調(diào)節(jié)或者機(jī)組在汽機(jī)主控控制方式時(shí)，一次調(diào)頻指令有優(yōu)先級，所以需閉鎖汽機(jī)主控反向調(diào)節(jié)指令。

當(dāng)一次調(diào)頻智能裝置工作異常，會導(dǎo)致一次調(diào)頻負(fù)荷指令出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，所以一次調(diào)頻負(fù)荷指令接入負(fù)荷控制回路前需要增加限幅功能塊(DCS、DEH)，機(jī)組限值幅值設(shè)置為±6%目標(biāo)負(fù)荷。

當(dāng)模擬量卡件輸出信號出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，會影響機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)，一次調(diào)頻智能控制裝置輸入指令需要對信號進(jìn)行判斷和修正，當(dāng)輸入指令<0.1 MW時(shí)，邏輯上增加小信號切除功能，輸出信號置0。汽機(jī)主控一次調(diào)頻邏輯修改如圖5所示。

圖5 汽機(jī)主控一次調(diào)頻邏輯修改

一次調(diào)頻智能控制裝置輸入指令變壞點(diǎn)時(shí)，邏輯上設(shè)計(jì)異常判斷報(bào)警功能，輸入指令≥+6%(36 MW)或≤-6%負(fù)荷時(shí)報(bào)警。

邏輯修改完成后，需要統(tǒng)一按邏輯執(zhí)行次序?qū)壿媺K順序排列的合理性進(jìn)行檢測，確保完成該邏輯頁中的所有邏輯運(yùn)算在1個(gè)掃描周期內(nèi)完成，否則需要修改排列順序。

3 一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)改造效果

一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)改造完成后，重新對該600 MW機(jī)組進(jìn)行了一次調(diào)頻試驗(yàn)，在機(jī)組75%負(fù)荷，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min下，實(shí)際發(fā)出頻率擾動(dòng)信號，轉(zhuǎn)速偏差分為4種情況，-4 r/min、+4 r/min、-6 r/min、+6 r/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1～4。

表1 轉(zhuǎn)速偏差-4 r/min時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 轉(zhuǎn)速偏差+4 r/min時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 轉(zhuǎn)速偏差-6 r/min時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 轉(zhuǎn)速偏差+6 r/min時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，控制系統(tǒng)能夠滿足一次調(diào)頻各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，改造效果良好。

4 結(jié) 語

面對現(xiàn)代工業(yè)及社會生活對供電品質(zhì)不斷提高的要求，對并入電網(wǎng)的大型火電機(jī)組而言，一次調(diào)頻控制系統(tǒng)的投運(yùn)及具備良好的調(diào)節(jié)功能是確保電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通過對該機(jī)組一次調(diào)頻系統(tǒng)的改造升級，發(fā)生電網(wǎng)頻率變化時(shí)，機(jī)組可以迅速改變負(fù)荷，滿足電網(wǎng)頻率穩(wěn)定供電的需求，同時(shí)參與一次調(diào)頻的機(jī)組穩(wěn)定性也未受到影響，此次一次調(diào)頻功能改造取得良好效果。