功率負荷不平衡下變頻率OPC控制①

羅 嘉，李 軍，張紅福

（1.廣東電網公司電力科學研究院，廣州 510600；2.廣州粵能電力科技開發有限公司，廣州 510600）

電力系統高頻率運行將導致設備受損甚至破壞，引起電力系統崩潰等［1］。發電機高頻自動切機保護根據電網當前頻率來判斷是否切機，當電網頻率升高到一定值時，保護裝置經過一定延時切除發電機［2］。典型的超速保護具有2項功能：

1）汽輪機103%超速保護，即當汽輪機轉速升高至額定轉速的103%（3090 r／min）時，關閉主汽調節閥和再熱調節閥，使汽輪機迅速減負荷。汽輪機103%超速保護動作時對應系統頻率為51.5 Hz，這類保護就是通常所說的OPC（over speed protection control超速保護控制）；

2）汽輪機110%超速保護，當汽輪機轉速超過110%額定轉速時，將迅速關閉主汽門、高壓調節汽門和中壓調節汽門，切除汽輪機，以防止引起重大事故。

在某些情況下，OPC對保持電力系統功角穩定起到了良好的作用［3］。但是，如果多臺大機組的OPC同時動作，可能導致系統頻率突然下降。這種情況下，當系統頻率上升到汽輪機103%超速保護門檻值時，引起系統內所有裝設OPC超速保護的火電機組快速關閉調節汽門，終止出力。于是系統頻率出現驟降，待頻率降低至50 Hz以下時，終止出力的機組又恢復出力，甚至可能使電網大規模地甩負荷，發生頻率振蕩或頻率失穩事故，最終造成整個電網崩潰［4］，而且機組在甩負荷時由于蒸汽壓力高會使汽門頻繁開關，給機組軸系和熱力系統造成頻繁沖擊，嚴重影響機組安全［5］。因此OPC策略的合理與否關系著電網和電廠兩方面的安危，從電網安全運行角度考慮，希望高頻切機保護的動作門檻值能有所不同，在電網頻率上升51.5%之前時能首批切掉1～2臺機組；從電廠安全角度考慮，希望在甩負荷時，轉速能夠得到更好的控制［6］。

根據電網頻率動態特性來整定發電機組OPC定值，進行機網協調是目前關注的熱點，多數解決方案是在局部地區內不同機組采用不同OPC動作定值，分批次切掉網內負荷［1］，本文以珠海電廠1期2×700 MW機組為例介紹一種根據功率不平衡情況來改變OPC動作定值的控制方式。可以從另外的角度提供一種穩定電網頻率保證機組運行安全的途徑。

1 設備概況

珠海發電廠一期為日本三菱2×700 MW亞臨界機組。進汽機構由2個MSV（main steam valve高壓主汽門）、4個GV（governor valve高壓調節汽門）、2個RSV（reheat stop valve中壓主汽門）和4個ICV（interceptor valve中壓調節汽門）組成。其中中壓主汽門和中壓調節氣門設在同一閥體內，組成中壓聯合汽門。系統采用高壓抗燃油，液壓機構采用一個油動機帶一個閥門的控制方式，高壓主汽閥、高壓調節閥及中壓調節閥均采用連續控制方式，由電液伺服閥進行驅動，中壓主汽閥采用電磁閥控制方式［7］。

熱控設備為日本三菱DIASYS－UP的DCS（distributed control system分散控制系統）。DEH系統（digital electro－hydraulic control數字電液調節系統）是掛在DIASYS－UP分散控制系統以太網上的獨立系統，它通過以太網可以與其它系統進行數據通信，并實現對汽輪機組從啟動、升速到帶負荷的全過程控制。DEH系統控制功能包括：轉速控制，負荷－頻率控制，轉子應力計算，閥試驗功能，超速保護及試驗，閥門切換和閥門管理。圖1所示為該廠DEH系統調速控制系統模型框圖。

圖1 調速器模型Fig.1 Speed governing device

2 OPC控制邏輯分析

2.1 OPC保護邏輯

珠海電廠700 MW機組OPC保護功能在DEH柜內依靠硬回路實現［8］。OPC功能在甩負荷或超速時快關GV、ICV以控制汽機轉速，使轉速維持3000 r／min。OPC的控制邏輯以中壓缸進汽壓力與發電機功率之差，產生“ΔMW”信號值（0%～30%負荷為0，30%～60%負荷為0～1之間的某值，大于60%負荷為1），此信號與轉速在3000～3210 r／min之間產生的信號（0～1之間的某值）疊加，若大于等于1，則OPC動作。OPC邏輯判斷通過模件MTSD11輸出至MOPC11模件，作三選二判斷，輸出驅動OPC電磁閥。

OPC動作具體值如圖2所示：

1）在0%～30%的功率負荷不平衡期間，當實際轉速≥3210 r／min時，OPC動作。

2）在30%～60%的功率負荷不平衡期間，Y＝－7／30×X＋1.14時，Y＝實際轉速／3 000r／min，X＝｜中壓缸進汽壓力（折算為額定工況下的百分比）－發電機功率（折算為額定工況下的百分比）｜，OPC動作。

3）60%以上功率負荷不平衡時，無論轉速為多少，OPC都動作。

圖2 OPC產生邏輯圖Fig.2 OPC logic diagram

2.2 FV保護邏輯

珠海電廠2號機FV保護功能在DEH柜內依靠硬回路實現。FV就是指中調門快關，由于中低壓缸的出力占總出力的70%左右，在突然甩負荷時，快關中調門可控制汽機轉速的飛升，所以在甩負荷大于40%時，FV動作。FV邏輯判斷是通過MTSD12，再經過MTCL11作三選二判斷，輸出驅動FV電磁閥。FV觸發條件存在時，中調門每隔10 s關閉一次，關閉約300 ms后打開。

3 OPC動作情況的測試

3.1 OPC動作調門關閉時間測試

選擇1、2路轉速輸入，當轉速信號加到3219 r／min時，OPC動作，所有調門迅速關閉，其行程曲線平滑、完整、沒有抖動，汽門在OPC動作下動態特性良好，關閉時間符合標準。OPC動作后調門關閉記錄曲線見圖3所示，調門關閉時間見表1。

表1 終端節點回路鏈表Tab.1 Loop－link table of the terminal nodes

圖3 OPC動作調門關閉時間動作曲線Fig.3 Curves of valve closing when OPC acting

3.2 功率負荷不平衡回路測試

為驗證其功率不平衡回路動作的正確性，這里模擬了4種不同的工況，首先假定在實際功率為零，再分別4種情況下確定其中壓缸進汽壓力，以便模擬實際中功率不平衡情況的發生，通過頻率發生器，在轉速輸入回路端子上加入3000 r／min的轉速信號，逐步增加頻率發生器的頻率值，直至OPC保護動作，動作情況見表2，動作響應正確。

表2 功率不平衡功能測試結果Tab.2 Results of power－load imbalance

3.3 FV動作回路測試

增加中壓缸入口蒸汽壓力信號至1.56 MPa時，FV繼電器開始動作。額定工況下中壓缸入口蒸汽壓力3.88 MPa，而實際功率信號為零，功率不平衡40%中壓缸入口蒸汽壓力理論值為1.55 MPa，因此認為FV動作值正確。圖4是FV動作后中FV繼電器動作5次的過程。中壓缸入口蒸汽壓力模擬信號增至1.58 MPa時，FV繼電器動作；當FV觸發條件一直存在時，FV繼電器每隔約10 s動作一次，動作約300 ms后復位。見圖2。說明FV邏輯正確，動作響應正確。

3.4 甩負荷試驗結果

通過甩負荷試驗可以實際確認該OPC控制邏輯的實際投運效果。實際分別進行了25%、50%、75%、100%等4種工況下的甩負荷試驗，其中100%甩負荷工況最為惡劣，其最大飛升轉速為3174 r／min，到達最大轉速時間2.02 s，轉速穩定時間27.62 s，可見轉速控制效果良好。

圖4 FV動作時間曲線Fig.4 Curve of valve closing when FV acting

4 結束語

本文介紹的這種思路和方法，與目前國內已經普遍采用的3090 r／min時OPC動作，及目前正在推廣的在局部區域內的不同機組采用不同的OPC定值方案不同，而是采用了當功率負荷不平衡在0%～30%區間采用定值OPC控制，在30%～60%區間采用線性OPC定值控制，在60%以上區間OPC無條件動作的變頻率控制方式，對抑制電網振蕩、迅速恢復功率、防止事故擴大和保障汽輪機設備有重要意義［9］，為我國電網安全穩定措施及機網協調方案的制定提供了有益的借鑒。

［1］ 陳興華，羅向東，吳國丙，等（Chen Xinghua，Luo Xiangdong，Wu Guobing，et al）.廣東中珠電網電磁解環運行的機網協調方案（A machine－network coordination scheme of electromagnetic ring rejection for Guangdong Zhong－zhu power gid）［J］.南方電網技術（Southern Power System Technology），2008，2（3）：57－59.

［2］ 孫華東，王雪東，馬世英，等（Sun Huadong，Wang Xuedong，Ma shiying，et al）.貴州主網及其地區電網孤網運行的安全穩定控制（Measures to improve system security and stability for isolated operation of Guizhou main power grid and its regional power networks）［J］.電網技術（Power System Technology），2008，32（17）：35－39，45.

［3］ 魯順，高立群，王珂，等（Lu Shun，Gao Liqun，Wang Ke，et al）.遼寧電網責任頻率調整策略分析（Analysis of responsibility frequency regulation strategies of Liaoning power grid）［J］.繼電器（Relay），2005，33（15）：86－89.

［4］ 陳又申，余正環（Chen Youshen，Yu Zhenghuan）.電網故障與火電廠機組控制應對（Countermeasures against power system failure for control of thermal power plants）［J］.中國電力（Electric Power），2005，38（3）：70－73.

［5］ 譚永強（Tan Yongqiang）.定能電廠電力系統穩定器的試驗與分析（Test and analysis on power system stabilizer in Dingneng power plant）［J］.廣東電力（Guangdong Electric Power），2006，19（8）：49－51.

［6］ 田豐，陳興華，羅向東（Tian Feng，Chen Xinghua，Luo Xiangdong）.完善機組涉網控制提高電網可靠性（Perfect of unit control functions with grid to improve reliability of grid）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2010，22（1）：116－119.

［7］ 林振智，文福拴（Lin Zhenzhi，Wen Fushuan）.電力工業市場化改革對電力系統恢復的影響（Impacts of power industry restructuring on power system restoration）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2008，20（1）：9－14，27.

［8］ 范振寧（Fan Zhenning）.珠海發電廠2號汽輪機汽門的靜態特性（Static characteristic of steam valves of No.2 turbine for Zhuhai power station）［J］.熱力透平（Thermal Turbine），2009，38（3）：193－196.

［9］ Rutman Jacques，Walls F L.Characterization of frequency stability in precision frequency sources［J］.Proceedings of the IEEE，1991，79（7）：952－960.