一次調頻正確動作率低的原因分析及處理

徐小剛

（大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

1 概述

一次調頻是有差調節，當電力系統頻率偏離目標頻率時，發電機通過調速系統的自動反應，使發電機有功出力增加或降低，從而自動減小頻率偏差。一次調頻是維護電網穩定的重要手段。華北電監局2009年初頒布了《華北區域發電廠并網運行管理實施細則》和《華北區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》（簡稱“兩個細則”）。“兩個細則”中規定：“一次調頻正確動作率按機組考核。對于一次調頻月正確動作率小于80%的機組，考核相應電量”。

在“兩個細則”考核前幾個月，大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司（簡稱“馬頭發電公司”）2臺300MW機組一次調頻正確動作率較低，不能滿足華北區域并網發電廠“兩個細則”對火電機組一次調頻性能的要求。為滿足華北區域并網發電廠“兩個細則”對火電機組一次調頻性能的要求，尋找一次調頻動作正確率低的主要原因，并進行了整改。

2 一次調頻控制策略介紹

馬頭發電公司一次調頻不設投切開關，DEH系統（西屋DCS）本身設計有一次調頻功能，而投入CCS（和利時DCS）控制后，DEH側一次調頻回路退出，由CCS完成一次調頻功能。即在CCS控制閥門指令出口直接疊加一次調頻指令，同時在負荷給定值中設計有一次調頻校正回路，防止一次調頻動作后，協調控制對綜合閥位有反向的調節。為了保證調節品質，一次調頻的轉速信號做了“三取中”處理。一次調頻動作原理見圖1。

圖1 一次調頻動作原理

根據圖1可知，轉速信號通過折線函數直接轉換成對應的閥門開度（負荷），疊加到CCS指令中。由于投入CCS控制后，DEH側一次調頻回路退出，CCS指令將直接送各閥門特性曲線，保證了一次調頻動作及時性。為保證機組投入CCS控制前后，一次調頻動作的一致性，CCS和DEH中的折線函數應使用相同的參數設置。根據河北電力調度通信中心要求，實際負荷≥50%Pe，開始考核統計，因此機組一次調頻的功能幾乎全部都在CCS內實現。

3 一次調頻正確動作率低的原因分析

3.1 轉速變動率設置過高

轉速變動率是指汽輪機由滿負荷到空負荷的轉速變化與額定轉速之比。汽輪機在正常運行時，當電網發生故障或汽輪發電機出口開關跳閘，使汽輪機負荷甩到零，這時汽輪機的轉速先升到一個最高值，然后下降到一個穩定值，這種現象稱為“動態飛升”。轉速上升的最高值由轉速變動率決定，轉速變動率越大，轉速上升越高，汽輪機危險越大。《華北電網發電機組一次調頻管理規定》要求：“火電機組調速系統的轉速變動率為4%～5%，出口限幅為8%”。轉速變動率是汽輪機控制系統的重要指標，反映了轉速和負荷的平衡關系。DCS系統中轉速變動率是可調的，可通過一次調頻中的頻差折線函數來設置不同的轉速變動率。

馬頭發電公司2臺機組一次調頻頻差折線函數f（x）參數設置見表1。

表1 一次調頻頻差折線函數f（x）參數

為了計算轉速變動率，查找資料發現以下3種一次調頻頻差折線設置方法均符合“兩個細則”的要求。3種頻差折線見圖2。

圖2 一次調頻頻差折線

圖2中折線1出死區后有一個階躍，折線3是曲線1平移后得出的，動作后負荷百分比偏小，因此馬頭發電公司選取折線2作為設置計算依據。根據折線2反推計算轉速變動率：

則轉速變動率δ≈0.056 1＝5.61%；

通過以上分析計算可知：該機組轉速變動率約為5.61%，一次調頻出口限幅為7.231%，與《華北電網發電機組一次調頻管理規定》明顯不符。轉速變動率設置過高，會導致一次調頻動作幅度偏小，影響一次調頻的調節品質。通常網頻出現偏差的幅度小、時間短，同時考慮轉速測量誤差和調門特性不線性的影響，可能會造成一次調頻正確動作率降低。

3.2 轉速測量值偏差較大

一次調頻考核統計系統要求“網頻超過0.033 Hz持續3s以上，并達到0.04Hz且小于0.05Hz時，認為是一次小擾動，只要功率有0.01MW的變化就認為功率有動作。”取其動作的方向折算成轉速：

0.033Hz×60s＝1.98r/min

0.04Hz×60s＝2.4r/min

0.05Hz×60s＝3r/min

ΔS＝（2.4 －1.98）r/min～（3 －1.98）r/min＝0.42～1.02r/min

即轉速差值超過1.98r/min，并到達2.4r/min且小于3r/min時，考核系統認為是一次小擾動。但如果汽輪機轉速測量誤差超過0.42r/min，且網頻出現小擾動時，一次調頻可能不動作或提前動作，導致一次調頻正確動作率和調節品質下降。

馬頭發電公司2臺機組CCS的3路轉速信號均采自TSI專用保護模塊AO輸出，通過硬接線接入DCS（和利時），其中1路信號接入20號站（CCS），另外2路接入30號站，然后通過網間傳輸送至20號站。現場檢查時發現，3路轉速間最大偏差高達2r/min，而且2路網間傳輸的轉速值明顯存在滯后現象。而直接接入20號站的轉速與RTU送中調的網頻進行多次人工比對，發現也存在0.5～0.8r/min的誤差。三取中后轉速偏差較大，嚴重影響一次調頻的正確動作。

3.3 調門特性曲線存在死區

馬頭發電公司10號機組閥門特性曲線重疊度存在較大的死區，在升降負荷時CCS指令給出后，CCS指令在72.85%～78.02%時，調門開度增減，但負荷不發生變化，直到CCS指令超出78.02%，負荷開始響應。

同理機組負荷在250MW左右時，當頻差信號大于死區，一次調頻動作時，雖然調門動作明顯，但負荷幾乎沒有響應。導致一次調頻一定的負荷區間，幾乎失去作用。嚴重影響了一次調頻的正確動作率。

3.4 主蒸汽壓力動靜態調節品質差

馬頭發電公司推行配煤摻燒后，雖然發電成本明顯降低，但是燃煤熱值較設計值明顯偏低，且穩定性較差。同時，給粉機投入自動層數較少，一共5層給粉機，一般實際投入3層，有時甚至為2層。造成主蒸汽壓力自動動態、靜態特性較差。機前壓力不穩定，時常造成調門小幅調整時，機組負荷響應不明顯。機組投入滑壓運行后，低負荷時，由于壓力較低，與額定壓力相比，同樣的閥位指令往往不能轉換為相當的負荷。這都對一次調頻效果產生不利影響。

4 處理措施及效果

4.1 處理措施

4.1.1 修改轉速變動率

由3.1節可知，馬頭發電公司2臺機組的轉速變動率設置為5.61%，出口限幅為7.213%，不符合“火電機組調速系統的轉速變動率為4%～5%，出口限幅為8%”的規定。經過討論分析，認為應將出口限幅應根據規定修改為8%。考慮到轉速變動率越小，網頻變化時，負荷動作值越大，可能造成一次調頻誤動作。轉速變動率的取值暫時確定為5%，如果仍然不能滿足“兩個細則”要求，則考慮將其逐步降低。死區仍設置為±2r/min。

根據圖2反推計算頻差幅值：

反推頻差幅值x＝13.84r/min。

根據此頻差幅值設置折線函數f（x）參數，見表2。

表2 一次調頻頻差折線函數f（x）參數表

4.1.2 修正汽輪機轉速

一次調頻考核系統統計數據主要以RTU中送出的網頻和實際負荷信號為準，因此可以采用人工比對的方法，根據考核系統采集的網頻信號對3路轉速信號進行修正。

考慮到有2路轉速信號為網絡傳輸點，存在滯后現象，因此將其作為備選信號。直接接入20號站的轉速信號單獨作為常用信號，接入到一次調頻頻差折線函數f（x）中，計算一次調頻動作的流量指令信號。將轉速1設為常用信號，當轉速1質量壞時，切換至轉速2，依此類推，汽輪機轉速三選原理見圖5。

修正后，轉速1與網頻變化趨勢基本吻合，作為一次調頻頻差的主要判斷信號。當其出現故障時，則臨時切換至另外2路網絡傳輸點。

4.1.3 整定汽輪機調門特性曲線

圖3 汽輪機轉速三選原理

調門特性曲線不合適的問題可以通過重新整定閥門特性曲線來解決，但重新整定需要有汽輪機廠家專業人員參與，并通過現場試驗確定，同時還需要考慮汽輪機熱效率等因素，因此閥門特性曲線的重新整定是比較復雜且較難確定的。因此可以就3.3節中死區這部分的特性曲線進行小幅整定，以達到盡可能減少調門特性曲線對一次調頻不利影響的目的。查詢組態，機組調門流量特性曲線見圖4。

圖4 機組調門流量特性曲線

從特性曲線來看，流量指令在73.07%～78.02%，剛好處于CV1、CV2越過拐點進入小流量區，而CV3調門預啟閥開度設定小造成流量線性度差。因此考慮將CV3、CV4的特性曲線整體平移，跨過不好的線性區域，即CCS協調指令73.07%對應CV3的開度為13.441%（通過大量的歷史曲線佐證，CV3實際預啟開度約為13.441%），且CV4的特性曲線隨CV3的特性曲線做出相應的調整。重新計算后調門流量特性曲線見圖5。

圖5 機組調門流量特性曲線

在機組運行期間，切換“單閥控制”后，對機組調門流量特性曲線進行了上述優化。

4.1.4 整定主蒸汽壓力自動調節參數

主蒸汽壓力動靜態調節品質差的問題，可以通過優化控制策略，整定自動調節參數來解決。首先要求運行人員投入主壓力控制后，必須長期保持4層給粉機投入自動，讓更多的給粉機參與到主蒸汽壓力控制。在此基礎上，對每層給粉機設定了不同的轉速上下限，并依照“寶塔”型燃燒火焰，自動給4層給粉機分配燃燒指令。緩解燃煤熱值降低后，灰量增大對過熱器、再熱器受熱面磨損加劇的問題。另外還采用小幅縮減滑壓曲線范圍的方法，提高了低負荷時，主蒸汽壓力的設定值，減小了機組滑壓運行對一次調頻的影響。控制邏輯修改后，連續在線整定主蒸汽壓力自動調節參數，確保機組主蒸汽壓力的調節品質。

4.2 效果

馬頭發電公司2臺機組一次調頻優化后，一次調頻正確動作率均達到95%以上，滿足了“兩個細則”的要求。

5 結束語

轉速不等率、汽輪機轉速測量值偏差、汽輪機調門特性曲線和主蒸汽壓力動靜態特性都會對一次調頻動作正確率產生影響，當機組一次調頻正確動作率偏低，不符合電網“兩個細則”的要求時，可通過修改轉速變動率、修正汽輪機轉速信號和整定調門特性曲線等優化措施，提高機組的一次調頻的正確動作率。影響一次調頻動作的因素很多，對一次調頻的優化是一個長期動態的過程，要不斷的跟蹤分析，并逐步掌握和運用各種不同優化策略，才能達到理想的效果，提高公司的經濟效益，維護電網穩定。

［1］ 華北電監市場［2008］16號，華北區域并網發電廠輔助服務管理實施細則（試行）［S］.

［2］ 華北電監市場［2008］16號，華北區域發電廠并網運行管理實施細則（試行）［S］.

［3］ 華北電集調［2003］14號，華北電網發電機組一次調頻管理規定［S］.