火力發電機組一次調頻問題分析及解決方案

龐向坤，郎澄宇，韓英昆，梁英哲

（1.山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；2.華北電力大學，北京 102206）

0 引言

隨著新能源并網、負荷增長和電網規模的不斷增大，在特高壓電網和大區電網互聯的新形勢下，各級電網聯系日漸緊密，電網和機組之間協調配合的要求也越來越高［1］，網廠協調功能中的一次調頻成為穩定電網的有效手段之一。

發電機組一次調頻功能是汽輪發電機組固有的功能，主要是通過調節DEH系統的進汽調節門，利用鍋爐蓄熱，快速響應電網的要求，穩定電網頻率，以彌補電網負荷差距，維持電網的安全。

1 單元機組負荷控制的組成

單元機組的負荷組成由上而下分4層：負荷管理中心、協調控制系統、鍋爐和汽機子控制系統、控制對象。如圖1，負荷管理中心主要是用來產生負荷指令，接受電網調度中心給出的指令或操作員要求給出的指令，然后根據實際的頻率、功率、汽壓、機組的運行工況、及其輔機的狀態等加以計算，把機組能承擔的實際負荷信號送給鍋爐和汽輪機子系統，各個子系統發出指令去作用控制對象［2-3］。當電網頻率發生變化，機組一次調頻立即動作，指令直接疊加到調節機構上，傳動機構帶動發電機做功，完成熱能到電能的轉化。

圖1 單元機組的系統結構

2 火電機組一次調頻問題分析

機組一次調頻的控制功能框架基本上是一種簡單的有差線性調節，即按照并網相關文件的技術要求在負荷控制邏輯中設置對應的調頻量靜態函數，但火電機組在運行過程中的動態特性的不一致及運行參數的變化，現有的一次調頻控制策略不能滿足機組不同參數下一次調頻的響應能力，致使一次調頻響應幅度不夠或調節過大，主要原因是一次調頻的變化幅度是在機組的額定參數下的一個響應，但在實際運行過程中，受機組運行參數、運行方式及鍋爐運行狀態的影響，導致機前壓力達不到相應的要求［4］；另外DEH調門流量非線性特性對機組一次調頻性能的影響往往使人忽視［5］，網內許多機組由于未能規范、定期整定閥門流量補償曲線致使汽輪機調門在不同開度，發電機組調頻性能呈現出較強的非線性，局部不等率就會相應的改變，使一次調頻的實際動作幅度調節不夠或者產生超調，難以兼顧負荷全程范圍的一次調頻能力。

3 基于DEH側的一次調頻修正

經過理論研究與大量的試驗，提出一個函數對一次調頻進行負荷補償修正。所采用的邏輯方案如圖2。一次調頻功率補償量采用與修正函數相乘進行修正，修正函數是一個由機前壓力、額定壓力及閥門流量特性修正系數組成的函數，一次調頻不動作時，修正函數根據機組的狀態進行實時計算，當一次調頻動作后，后面的切換塊5產生一個自保持回路，維持機組一次調頻動作時的狀態參數，保持修正函數不變，避免負荷產生一定的擺動，維持一次調頻動作的穩定性。

圖2 DEH側一次調頻的負荷修正

圖2中所用的修正過程采用修正函數f（x1，x2），它是由閥門流量特性修正系數ρ、機前壓力x1及機組額定壓力x2組成。

式中：δi為負荷i段的轉速不等率；δN為額定轉速不等率。

圖3為一次調頻動作時的負荷補償曲線。

圖3 一次調頻負荷特性曲線

當有頻差出現（越過死區）時，補償負荷經過修正直接疊加到調門指令上，實現負荷的快速響應。補償負荷的計算公式

式中：ΔP為功率補償量；PN為機組的額定功率；n0為額定轉速；Δn為轉速偏差；δN為額定轉速不等率。

由式修正函數和（2）式經處理后得到補償負荷的修正指令ΔP′為：

經過修正后的一次調頻功率補償量，經過限幅器、切換塊送到加法器處理后送至各個閥門特性曲線，控制調節閥的動作。

4 CCS+DEH方式下工程試驗

一次調頻試驗的工況很多，而且是每個工況對應的試驗點有3個，選取目前機組的普遍運行方式——協調方式，試驗點選在75%的負荷點處，所以試驗是在CCS+DEH方式下進行的，并且采用了優化方案。試驗對象亞臨界機組，額定出力330 MW，高中壓合缸，中間再熱雙缸雙排汽凝汽式汽輪機，高中壓缸采用合缸反流結構，低壓缸采用雙層分流結構，汽輪機具有八級非調整回熱抽汽，汽輪機的額定轉速為3 000 r/min。

機組設定的轉速不等率為5%，轉差為12 r/min（頻差為0.2 Hz）時，不計調頻死區，則根據公式（1）計算出功率補償量ΔP=26.4 MW。

選擇75%的負荷點進行試驗，減負荷過程曲線如圖4（光標在動作3 s處）。

圖4 一次調頻減負荷過程中各個參數的實時曲線

一次調頻主要技術指標要求計算如表1。

表1 一次調頻減負荷過程中性能指標計算結果（轉差包括死區）

從圖4和表1可以看出，一次調頻在減負荷過程動作過程中，無論是靜態指標、動態指標還是負荷變化幅度都滿足性能指標的要求。

升負荷過程曲線如圖5（光標在動作30 s處）。

圖5 一次調頻升負荷過程中各個參數的實時曲線

一次調頻主要技術指標要求計算如表2。

表2 一次調頻動作升負荷過程計算結果（轉差包括死區）

從圖5和表2可以看出，一次調頻在升負荷過程動作過程中，無論是靜態指標、動態指標還是負荷變化幅度都滿足性能指標的要求。

5 結語

并網機組的一次調頻性能的好壞直接影響電網頻率的穩定，影響發電有功功率和負荷之間的平衡關系，引起電網的有功失去平衡，產生系統頻率波動。 因此深入機組的一次調頻功能技術研究，改善機組的一次調頻的性能顯得格外重要。從通過機組的調頻原理和機組運行動態特性出發，提出了改善機組的一次調頻的性能的修正公式，對智能電網下火力發電機組的一次調頻的改進和提高具有借鑒意義。