火電機(jī)組一次調(diào)頻性能分析及優(yōu)化

張永軍，陳 波

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

為保證電能質(zhì)量，維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，2009年華東電網(wǎng)頒布了《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細(xì)則》和《華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細(xì)則》，同時規(guī)定這兩個細(xì)則從2009年9月開始試行，并于2010年1月正式實施，對并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組提供的輔助服務(wù)提出了明確的指標(biāo)要求和考核方法。針對火電機(jī)組一次調(diào)頻功能的實現(xiàn)過程，結(jié)合這兩個細(xì)則規(guī)定的指標(biāo)及考核方式，深入分析了影響一次調(diào)頻性能的主要因素，并提出了相應(yīng)的改善與優(yōu)化方法。

1 機(jī)組一次調(diào)頻性能考核

根據(jù)這兩個細(xì)則，在電網(wǎng)頻率越過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)及發(fā)生大擾動期間對涉網(wǎng)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻性能考核，考核依據(jù)為機(jī)組一次調(diào)頻效果，考核標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)組在電網(wǎng)高頻或低頻期間的一次調(diào)頻響應(yīng)行為，即一次調(diào)頻電量。

一次調(diào)頻效果是指當(dāng)電網(wǎng)頻率超出50±△fsq（機(jī)組頻率控制死區(qū)，±0.033 Hz）且持續(xù)時間超過20 s時，機(jī)組在該時段內(nèi)一次調(diào)頻動作響應(yīng)積分電量（±△QsY）占相應(yīng)時間內(nèi)理論計算積分電量（±△QjY） 的比例， 即 DX＝△QsY/△QjY（當(dāng) DX＜0或DX＞200%時，則DX＝0）。

當(dāng)一次調(diào)頻效果DX＞0，則機(jī)組一次調(diào)頻正確動作1次；否則為不正確動作1次。每月的正確動作率為：

式中：λ為每月的正確動作率；fc為每月正確動作次數(shù)；fw為每月不正確動作次數(shù)。

對于λ＜80%的機(jī)組，每月考核電量為：

式中：Q為一次調(diào)頻考核電量；α為一次調(diào)頻考核系數(shù)，其數(shù)值為3；t為1 h；PN為機(jī)組額定容量。

當(dāng)機(jī)組一次調(diào)頻效果DX＜60%時，分以下兩種情況進(jìn)行電量考核：

當(dāng) DXi＞0 且│60%△QjYi│-│△QsYi│＞0 時，

當(dāng)DXi=0時，

式中：Q1為一次調(diào)頻效果大于0時的考核電量；Q2為一次調(diào)頻效果等于0時的考核電量；n為每月電網(wǎng)頻率超出50±△fsq并持續(xù)時間超過20 s的次數(shù)；DXi為第i次一次調(diào)頻效果；△QjYi為第i次一次調(diào)頻理論計算積分電量；△QsYi為第i次一次調(diào)頻實際計算積分電量；α為一次調(diào)頻考核系數(shù)，其數(shù)值為3。

從上述計算方法可看出，一次調(diào)頻性能考核主要分兩部分：

（1）一次調(diào)頻正確動作率考核。根據(jù)統(tǒng)計情況，當(dāng)每月一次調(diào)頻正確動作率小于80%時，進(jìn)行考核電量計算。

（2）一次調(diào)頻效果考核。對效果小于60%的一次調(diào)頻正確動作進(jìn)行電量偏差計算的累計；同時對一次調(diào)頻不正確的動作，追加理論計算積分電量和實際計算積分電量之和的考核，并累加得到最終考核電量。

由此可見，要改善一次調(diào)頻性能考核，關(guān)鍵是改善一次調(diào)頻效果，使一次調(diào)頻動作更為精確。而結(jié)合考核計算分析，對于一次調(diào)頻效果達(dá)到60%以上同時＜200%，將不予考核計算。這對一次調(diào)頻效果的優(yōu)化工作提出了明確的目標(biāo)。

2 火電機(jī)組一次調(diào)頻功能實現(xiàn)方式

根據(jù)目前火電機(jī)組的運行狀況，一次調(diào)頻功能主要通過兩部分實現(xiàn)：電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）側(cè)功能回路和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）側(cè)功能回路。

DEH側(cè)的一次調(diào)頻功能回路通常由DEH系統(tǒng)配套設(shè)計，其基本實現(xiàn)過程為：將機(jī)組運行中實際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，計算轉(zhuǎn)速偏差；通過轉(zhuǎn)速死區(qū)和不等率參數(shù)的設(shè)置，輸出對應(yīng)一次調(diào)頻動作的目標(biāo)負(fù)荷或目標(biāo)主汽流量調(diào)節(jié)值；經(jīng)閥門流量管理計算后至汽機(jī)調(diào)門動作輸出。例如機(jī)組容量為600 MW，調(diào)頻死區(qū)為2 r/min（0.033 Hz），按不等率為5%進(jìn)行調(diào)頻參數(shù)的計算：在新華DEH系統(tǒng)中，直接由轉(zhuǎn)速偏差2～11 r/min，對應(yīng)負(fù)荷調(diào)節(jié)量0～36 MW；而日立DEH系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速最大偏差11 r/min時，對應(yīng)調(diào)節(jié)的負(fù)荷為額定負(fù)荷的6%，即36 MW，在扣除汽機(jī)空負(fù)荷流量后其額定流量輸出為0～64.7%，對應(yīng)0～600 MW，因而36 MW負(fù)荷調(diào)節(jié)量對應(yīng)流量指令為64.7%×6%=3.87%，DEH側(cè)最終設(shè)置該參數(shù)進(jìn)行一次調(diào)頻的閥門響應(yīng)動作。

由于DEH側(cè)一次調(diào)頻回路為開環(huán)控制過程，閥門指令在輸出后不再進(jìn)行精度調(diào)節(jié)，因此在CCS側(cè)增加了一次調(diào)頻的閉環(huán)控制邏輯。DEH側(cè)的一次調(diào)頻動作目標(biāo)負(fù)荷送至CCS，通過協(xié)調(diào)PID運算實現(xiàn)對負(fù)荷調(diào)節(jié)量的閉環(huán)控制。通常DEH側(cè)的目標(biāo)調(diào)節(jié)量信號送至CCS側(cè)后分兩路處理：一路通過函數(shù)曲線擬合后加一定的慣性環(huán)節(jié)進(jìn)入鍋爐前饋回路，用于燃料的控制；另一路則疊加在負(fù)荷指令中進(jìn)入汽機(jī)主控PID回路，并適當(dāng)設(shè)置汽機(jī)調(diào)門控制的前饋量，也有機(jī)組不設(shè)置前饋而僅僅將目標(biāo)量疊加在汽機(jī)主控PID的負(fù)荷反饋中，通過PID計算實現(xiàn)汽機(jī)主控的負(fù)荷調(diào)節(jié)。

3 影響一次調(diào)頻性能的因素分析及改善

火電機(jī)組經(jīng)過長時間的運行和不同的運行工況，機(jī)組特性會發(fā)生改變，由此也影響到機(jī)組一次調(diào)頻性能。結(jié)合多臺火電機(jī)組一次調(diào)頻運行狀況的分析及多種改進(jìn)方法的嘗試效果，總結(jié)出影響一次調(diào)頻效果及性能的下列主要因素。

3.1 AGC指令與一次調(diào)頻動作反向

機(jī)組AGC工況下常出現(xiàn)AGC指令和一次調(diào)頻動作目標(biāo)兩者之間調(diào)節(jié)作用反向的情況。圖1為某電廠AGC和一次調(diào)頻曲線，所示虛線位置為AGC指令加負(fù)荷過程中一次調(diào)頻出現(xiàn)減負(fù)荷的調(diào)節(jié)目標(biāo)。分析機(jī)組工況：AGC設(shè)定速率12 MW/min，負(fù)荷實際響應(yīng)速率9 MW/min，頻差動作時轉(zhuǎn)速偏差2.7 r/min，一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)節(jié)目標(biāo)值約3 MW。由汽機(jī)調(diào)門動作可看出，在一次調(diào)頻觸發(fā)時DEH調(diào)頻回路迅速動作，汽機(jī)調(diào)門明顯關(guān)小；但AGC指令造成機(jī)組升負(fù)荷量遠(yuǎn)大于一次調(diào)頻減負(fù)荷量，使得一次調(diào)頻動作實際積分電量與目標(biāo)電量反向，本次調(diào)頻效果為0。

圖1 AGC與一次調(diào)頻分析曲線

通過分析統(tǒng)計機(jī)組一次調(diào)頻正確動作率，發(fā)現(xiàn)這種反向動作情況時有發(fā)生，嚴(yán)重影響一次調(diào)頻效果。由此可考慮對CCS控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)出現(xiàn)一次調(diào)頻動作時閉鎖AGC指令以保證一次調(diào)頻效果。同時為了不使AGC受太大影響，結(jié)合一次調(diào)頻考核時間，將閉鎖設(shè)定為：當(dāng)一次調(diào)頻動作持續(xù)時間＜60 s時，閉鎖時間與一次調(diào)頻響應(yīng)時間同步；當(dāng)持續(xù)時間≥60 s時，閉鎖時間為60 s。

3.2 機(jī)組轉(zhuǎn)速測量

一次調(diào)頻動作目的是電網(wǎng)出現(xiàn)頻差時通過機(jī)組的快速響應(yīng)穩(wěn)定電網(wǎng)頻率在50 Hz。對機(jī)組側(cè)來說相應(yīng)的頻差控制對象為機(jī)組轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏離額定轉(zhuǎn)速較大時進(jìn)行一次調(diào)頻響應(yīng)調(diào)節(jié)。因此轉(zhuǎn)速測量的精確性，直接影響到每次調(diào)節(jié)動作的電量值和最終效果。如某發(fā)電廠由于機(jī)組測量的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率不一致，使得一次調(diào)頻功能難以正常投用。

此外，不少機(jī)組轉(zhuǎn)速測量精度無小數(shù)位，也會帶來較大影響。通常電網(wǎng)運行時頻差較小，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速偏差也很小，大多數(shù)一次調(diào)頻動作在2～3 r/min之間。沒有小數(shù)位精度的轉(zhuǎn)速測量，會給一次調(diào)頻動作的目標(biāo)精度帶來較大偏差，例如電網(wǎng)頻差對應(yīng)的轉(zhuǎn)速偏差在2.49 r/min和2.51 r/min時，若精度無小數(shù)位，則測量的轉(zhuǎn)速偏差分別為2 r/min和3 r/min，其最終響應(yīng)的積分電量和調(diào)頻效果將差距甚大。

3.3 調(diào)頻死區(qū)和不等率的設(shè)置

在一次調(diào)頻回路中，調(diào)頻死區(qū)的設(shè)置決定了電網(wǎng)頻差出現(xiàn)后，機(jī)組何時參與一次調(diào)頻動作，而調(diào)頻不等率的設(shè)置則決定了參與一次調(diào)頻動作的幅度大小，因而調(diào)頻死區(qū)和不等率參數(shù)的設(shè)置直接影響著一次調(diào)頻動作的調(diào)節(jié)電量和效果。

按機(jī)組一次調(diào)頻功能的基本技術(shù)要求，頻率死區(qū)±0.033 Hz （±2 r/min），轉(zhuǎn)速不等率 5%，負(fù)荷限幅為機(jī)組額定有功出力的±6%。如圖2所示為調(diào)頻死區(qū)和不等率參數(shù)的設(shè)定方式：曲線1為標(biāo)準(zhǔn)考核曲線設(shè)置，其死區(qū)設(shè)置2 r/min，不等率5%；曲線2設(shè)置為調(diào)頻死區(qū)適當(dāng)放小而不等率基本不變；曲線3不僅將死區(qū)適當(dāng)放小，還采用變不等率設(shè)置，在小頻差范圍內(nèi)降低不等率，大頻差范圍基本維持標(biāo)準(zhǔn)不等率不變。

圖2 調(diào)頻死區(qū)和不等率參數(shù)

根據(jù)一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)過程和特性，當(dāng)頻差信號超出死區(qū)設(shè)置的時刻調(diào)頻動作生效，此時將汽機(jī)調(diào)門的動作近似認(rèn)為隨頻差大小而對應(yīng)的階躍動作，假定調(diào)門動作準(zhǔn)確且負(fù)荷控制精度完全滿足要求，考慮到頻差觸發(fā)至主汽流量和負(fù)荷變化存在一定時間的響應(yīng)，模擬出如圖3所示的一次調(diào)頻動作效果圖。

如圖3所示，在小頻差動作過程中，由于負(fù)荷的實際響應(yīng)過程落后于頻差的動作，因此按標(biāo)準(zhǔn)考核曲線1的參數(shù)設(shè)置，負(fù)荷實際響應(yīng)量總比理論目標(biāo)電量小。而對于小死區(qū)曲線2的參數(shù)設(shè)置，將調(diào)頻死區(qū)適當(dāng)放小意味著將負(fù)荷響應(yīng)過程提前，當(dāng)頻差信號進(jìn)入考核區(qū)域時，負(fù)荷已有一定的響應(yīng)而使得最終響應(yīng)電量有一定程度的改善。采用小死區(qū)變不等率曲線3的參數(shù)設(shè)置，不僅通過死區(qū)放小使負(fù)荷響應(yīng)提前，還通過不等率的變小增加了小頻差區(qū)域調(diào)頻響應(yīng)的幅度，從而使響應(yīng)電量更為接近理論目標(biāo)電量。由此可見，死區(qū)和不等率參數(shù)的設(shè)置對小頻差范圍的一次調(diào)頻效果影響明顯，而大頻差動作時由于調(diào)頻目標(biāo)負(fù)荷較大，影響相對較小。通常電網(wǎng)頻率比較穩(wěn)定，調(diào)頻動作均以小頻差動作為主，因此采用合理的調(diào)頻死區(qū)和不等率參數(shù)對改善一次調(diào)頻效果非常重要。

圖3 一次調(diào)頻動作效果圖

上述參數(shù)設(shè)置的優(yōu)化方式在某火電機(jī)組進(jìn)行嘗試，一次調(diào)頻平均效果由原來標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置下的40%上升到70%，顯著提升了機(jī)組的一次調(diào)頻能力。需指出，調(diào)頻死區(qū)過小可能導(dǎo)致機(jī)組調(diào)門動作頻繁，給相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備及CCS的穩(wěn)定性帶來不利影響，因此需結(jié)合機(jī)組實際情況設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)并搭配合理的調(diào)頻不等率，以達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

3.4 汽機(jī)調(diào)門特性

在機(jī)組實際運行過程中，汽機(jī)調(diào)門的靈敏度及流量特性等隨工況的變動而變化，例如機(jī)組運行時間較長后，主機(jī)調(diào)門的線性和靈敏度等均可能發(fā)生改變，使機(jī)組在不同工況下調(diào)門響應(yīng)不同，從而造成一次調(diào)頻動作效果的差異。某機(jī)組曾出現(xiàn)一次調(diào)頻效果由60%大幅下降至30%的情況，其原因為機(jī)組在滑壓工況下汽機(jī)調(diào)門位置處于不靈敏區(qū)且線性度較差，嚴(yán)重影響一次調(diào)頻動作時調(diào)門的響應(yīng)，后及時進(jìn)行流量特性試驗及配閥參數(shù)調(diào)整，使機(jī)組的調(diào)頻效果恢復(fù)至原有水平。

因此，當(dāng)一次調(diào)頻觸發(fā)調(diào)門動作但主汽流量及負(fù)荷響應(yīng)不明顯時，改善調(diào)門特性尤為重要。

3.5 一次調(diào)頻邏輯的實現(xiàn)過程

通常DEH系統(tǒng)中一次調(diào)頻回路的目標(biāo)調(diào)節(jié)值以汽機(jī)額定參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行流量計算，當(dāng)機(jī)組運行在低負(fù)荷段時，由于主汽參數(shù)偏離額定參數(shù)較大，作功能力明顯偏小，因而同樣流量指令的改變對應(yīng)調(diào)節(jié)的負(fù)荷也偏小，致使一次調(diào)頻動作效果不足。對此，可考慮在一次調(diào)頻輸出的流量指令中增加主汽參數(shù)（如主汽壓力）的修正，使得動作響應(yīng)的負(fù)荷更加準(zhǔn)確。

而CCS側(cè)是否設(shè)置一次調(diào)頻至汽機(jī)調(diào)門的前饋量，其動作的響應(yīng)也不盡相同。如圖4所示，正常負(fù)荷變動過程中，DEH側(cè)接收CCS指令（多數(shù)機(jī)組以調(diào)門指令和反饋比較進(jìn)行增減脈沖輸出）控制調(diào)門閥位。在一次調(diào)頻動作過程中，DEH側(cè)按不等率設(shè)置參數(shù)，計算調(diào)門動作的幅度并直接疊加在閥位輸出中，此時CCS側(cè)汽機(jī)主控PID回路的計算輸出存在一定滯后，因而形成對汽機(jī)調(diào)門動作的反拉，汽機(jī)主控計算越慢則反拉作用越明顯。對比分析圖4中調(diào)門動作曲線，汽機(jī)主控側(cè)設(shè)置前饋調(diào)節(jié)量并提升一次調(diào)頻動作時汽機(jī)主控的響應(yīng)速度，可有效避免該反拉過程，使得調(diào)門響應(yīng)和負(fù)荷響應(yīng)更精確地滿足要求。

3.6 調(diào)度通信數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響

發(fā)電廠機(jī)組與調(diào)度數(shù)據(jù)通信質(zhì)量（如通信數(shù)據(jù)精度及滯后時間）的好壞，直接影響到調(diào)度考核計算與機(jī)組運行的數(shù)據(jù)一致性。某300 MW機(jī)組在與調(diào)度的通信數(shù)據(jù)上傳過程中存在近10 s的滯后和較大的功率上傳死區(qū)（0.8 MW）。對于一次調(diào)頻動作來說，0.8 MW負(fù)荷調(diào)節(jié)量對應(yīng)0.4 r/min的轉(zhuǎn)速偏差，因而在功率信號階梯形地上傳數(shù)據(jù)過程中，調(diào)度側(cè)一次調(diào)頻電量計算所受的影響不言而喻；同時由于通信的滯后，當(dāng)頻差出現(xiàn)時機(jī)組雖迅速響應(yīng)，但響應(yīng)的電量卻未能及時納入考核計算，尤其在短時間小頻差動作時理論目標(biāo)電量較小，影響更為明顯。

圖4 一次調(diào)頻動作的汽機(jī)調(diào)門指令效果圖

4 結(jié)語

電網(wǎng)頻率作為最重要的電能質(zhì)量指標(biāo)之一，是電網(wǎng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。而涉網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻性能的好壞對電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定有著重要意義，因此對機(jī)組一次調(diào)頻性能的考核必須嚴(yán)格執(zhí)行。確保火電機(jī)組一次調(diào)頻功能的正常投入，提高一次調(diào)頻投運時機(jī)組的安全性，優(yōu)化一次調(diào)頻功能的設(shè)計，增強機(jī)組的一次調(diào)頻能力，是保證電能質(zhì)量、維護(hù)電網(wǎng)安全的努力方向。結(jié)合機(jī)組的實際運行情況，通過切實有效的方法改善其一次調(diào)頻性能將是一項長期持續(xù)的工作任務(wù)。

[1]朱北恒.火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗[M].北京:中國電力出版社，2006.