火電機組一次調(diào)頻的仿真研究

梅柏杉，張德蘭，陳 瑢

(上海電力學院 電氣工程學院，上海 200090)

0 引言

隨著電網(wǎng)容量不斷擴大、發(fā)電機組容量提高，機組在電網(wǎng)中發(fā)揮的作用也越來越大;且隨著風力發(fā)電投入量的增加，電網(wǎng)對一次調(diào)頻備用容量的要求也隨之提高。雖然新能源發(fā)展迅速，但是我國各大電網(wǎng)以火電為主的現(xiàn)狀在近幾十年改變相對困難，而火電機組的一次調(diào)頻特性對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定、防止因突發(fā)的負荷變動及發(fā)電機跳閘造成頻率大范圍波動而引發(fā)連鎖反應至關重要，所以投入運行的火電機組都要求具有一次調(diào)頻能力[1]。當電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，在保證機組安全的前提下，各發(fā)電機組通過快速改變汽門開度，調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率，自動平衡電力系統(tǒng)的第一種擾動負荷分量 (快速的、幅值較小隨機波動的負荷)，從而抑制頻率快速變化。但是，很多火電廠一次調(diào)頻考核合格率較低[2～4]，機組不能有效參與一次調(diào)頻的主要原因有一次調(diào)頻死區(qū)和限幅設置不合理[5]。頻率死區(qū)、限幅和不等率等參數(shù)[6]的合理設置很重要。文獻[7]在仿真的基礎上定性指出在適當?shù)姆秶鷥?nèi)改變調(diào)差系數(shù)、調(diào)頻限幅和調(diào)頻死區(qū)對頻率穩(wěn)定的影響。文獻[8]分析了發(fā)電機組并網(wǎng)運行一次調(diào)頻的數(shù)學模型，基于文獻[1]用數(shù)學原理定性指出調(diào)差系數(shù)偏大時，機組調(diào)頻能力不足;調(diào)差系數(shù)小時，電網(wǎng)穩(wěn)定性變差。文獻[9]和文獻[10]指出通過前饋環(huán)節(jié)能加快汽機的響應速度，更好地適應快速的負荷變化。發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展快速，且全數(shù)字式調(diào)速器和分布式機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應用也日益廣泛。多數(shù)火電廠沒有認清機組一次調(diào)頻的重要性，進而忽略了機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中參數(shù)及結(jié)構對一次調(diào)頻特性的影響，這使各火電機組不能充分發(fā)揮一次調(diào)頻的作用，結(jié)果影響電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性[2～7]。本文利用 Matlab/Simulink 對火電廠原動機、調(diào)速系統(tǒng)建模和仿真，研究分析負荷突變對電網(wǎng)火電機組的影響，及汽輪機汽門開度的變化情況。通過對火電機組一次調(diào)頻模型中不同參數(shù)進行分析，對比了調(diào)頻特性。

1 火電機組一次調(diào)頻主要參數(shù)

衡量機組一次調(diào)頻性能時，通常要求電廠應保證機組滿足以下技術要求[11]:

(1)轉(zhuǎn)速不等率δ。反映機組一次調(diào)頻能力的強弱及穩(wěn)定性的好壞。火電機組轉(zhuǎn)速不等率一般為4% ～5%[12]，其計算公式為 δ=(n1-n2)/n×100%。式中:n1為汽輪機空載轉(zhuǎn)速;n2為汽輪機滿負荷時的轉(zhuǎn)速;n為汽輪機額定轉(zhuǎn)速。

(2)調(diào)速系統(tǒng)遲緩率 (電液調(diào)節(jié)型)

單機容量≤100 MW時，遲緩率小于0.15%。

單機容量100 MW～200 MW(包括200 MW)，遲緩率小于0.1%。

單機容量＞200 MW，遲緩率小于0.07%。

(3)機組一次調(diào)頻死區(qū)。火電機組該參數(shù)不大于±0.034 Hz(±2 r/min)。

(4)一次調(diào)頻的響應滯后時間和穩(wěn)定時間。

一次調(diào)頻的響應滯后時間應小于或等于3 s;一次調(diào)頻穩(wěn)定時間應小于60 s;當電網(wǎng)頻率差值在調(diào)頻死區(qū)外時，一次調(diào)頻動作45 s前，機組發(fā)出有功與響應目標偏差的平均值應在額定有功出力的±3%內(nèi)。

(5)負荷變化幅度。快速大幅度的負荷變化對機組的安全運行有影響，可限制機組參與一次調(diào)頻的負荷變化。限制幅度應滿足以下規(guī)定:

額定負荷200 MW及以下的火電機組，限制幅度不小于機組額定負荷的±10%;額定負荷200 MW以上的火電機組，限制幅度不小于機組額定負荷的±6%。機組參與一次調(diào)頻的負荷變化幅度，是考慮當頻率變化過大時，機組負荷不再隨頻率變化，以保證機組穩(wěn)定運行;但是，變化幅度限制得越小，一次調(diào)頻能力越弱。

2 火電機組一次調(diào)頻原理

發(fā)電機輸入和輸出功率之間的不平衡導致電力系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定，數(shù)學公式為

式中:Pm為機械功率，與發(fā)電機的原動機和調(diào)速器的特性有關;Pe為電磁功率，與發(fā)電機的電磁特性有關，還取決于電力系統(tǒng)的負荷特性，難以控制，是引起系統(tǒng)頻率波動的主要原因;Hs為發(fā)電機的慣性常數(shù);Δω為發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差。

圖1是火力發(fā)電機組一次調(diào)頻模型原理圖[13]，主要由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) (CCS)、調(diào)速器、汽輪機及鍋爐組成。

由于在汽輪機跟隨鍋爐的方式下，根據(jù)主蒸汽壓力的變化調(diào)節(jié)汽輪機調(diào)門開度，機組負荷變化率較慢，不具備一次調(diào)頻的功能;所以，建立的模型采用以鍋爐跟隨汽輪機方式下的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

圖1 火電機組一次調(diào)頻原理圖Fig.1 Principle diagram of primary frequency control in thermal power plant

圖1中，Pe為電網(wǎng)功率，ω為發(fā)電機轉(zhuǎn)速，Pmec為汽輪機輸出機械功率，pt為鍋爐主蒸汽壓力，TD為汽輪機的主控制器輸出，BD表示鍋爐的主控制器輸出，CV表示汽輪機調(diào)門開度，SF表示蒸汽流量。

2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) (CCS)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型主要由機組負荷指令處理器、汽輪機主控制器和鍋爐主控制器3部分組成，如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of coordinative control system

CCS側(cè)一次調(diào)頻特點是機組運行相對穩(wěn)定，但是對頻率響應較慢。機組轉(zhuǎn)速變化和AGC指令共同構成了負荷指令，作為機組的功率目標。功率控制系統(tǒng)通過汽輪機主控制器改變汽輪機調(diào)門開度的指令 (CV)，通過鍋爐主控制器修正主蒸汽壓力，最終使機組發(fā)電功率達到電網(wǎng)要求。為了克服由于鍋爐的動態(tài)遲延和慣性給負荷響應速度帶來的影響，在鍋爐主控制器中加入負荷前饋，采用壓力差實現(xiàn)修正[14]。

2.2 數(shù)字電液控制系統(tǒng)模型 (DEH)

汽輪機調(diào)速系統(tǒng)模型可分為以下3個部分:速度/負載控制環(huán)節(jié)、過速保護環(huán)節(jié) (負荷限制)和執(zhí)行機構。仿真模型圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字電液控制系仿真模型Fig.3 Simulation model of digital electro-hydraulic system

DEH側(cè)一次調(diào)頻特點是對頻率響應快，但是調(diào)節(jié)效果較差，對機組穩(wěn)定運行影響較大。

(1)速度/負載控制環(huán)節(jié)

速度/負載控制用來產(chǎn)生閥門位置指令，包括一次調(diào)頻、功率控制和調(diào)節(jié)級壓力控制，其中負載控制回路包括功率控制和調(diào)節(jié)級壓力控制。

選擇功率和調(diào)節(jié)級壓力控制時，PID起作用，且不能接受CCS系統(tǒng)控制指令;當只有轉(zhuǎn)速控制時，PID環(huán)節(jié)不起作用，且可以選擇是否接受CCS系統(tǒng)的指令信號。

含有功率和速度輸入的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng) (功頻電調(diào))因其具有抗內(nèi)部干擾能力強、運行方便等優(yōu)點，在實際系統(tǒng)中應用非常普遍[15]。

(2)接受CCS的遠方控制

汽輪機調(diào)速器接受CCS閥門控制時，調(diào)速系統(tǒng)中沒有功率控制和調(diào)節(jié)級壓力控制，功率和壓力控制功能都在CCS中實現(xiàn)[16];轉(zhuǎn)速控制可有可無，此時DEH是為一個執(zhí)行機構，且PID不起作用。

由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)都能接收功率和壓力控制，所以在建模中，使調(diào)速器中的PID不起作用，僅將DEH看作對CCS指令的一個執(zhí)行機構，如情況 (2)所示[14]。

2.3 汽輪機模型

汽輪機模型已較成熟。文獻[17]對再熱凝汽式汽輪機熱力過程進行了原理分析，并結(jié)合現(xiàn)場試驗驗證，改進了傳統(tǒng)的汽輪機模型[18]，較準確地模擬了汽輪機的動態(tài)特性，數(shù)學模型為

式中:Trh為再熱蒸汽容積時間常數(shù);Tcs為高壓汽室蒸汽容積時間常數(shù);Tco為低壓連通管蒸汽容積時間常數(shù);FHP為高壓缸功率系數(shù);FIP為中壓缸功率系數(shù);FLP為低壓缸功率系數(shù) (其中FHP+FIP+FLP=1);λ為高壓缸功率過調(diào)系數(shù)。

模型結(jié)構如圖4。改進后的模型在0.1～1 Hz的工作頻段更接近實際。

圖4 改進的再熱凝汽式汽輪機模型Fig.4 Model of reheat turbine after improving

3 仿真結(jié)果分析

以600 MW的火電機組為例仿真，額定電壓為22 kV，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。根據(jù)圖1～4及發(fā)電機搭建Simulink仿真模型，一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)死區(qū)設置為±2 r/min;轉(zhuǎn)速不等率δ為5%。仿真中采用標幺制。

在45 s初始狀態(tài)建立后，網(wǎng)側(cè)有功功率突然增加11%，機組功率變化、轉(zhuǎn)速波動、汽輪機汽門開度如圖5所示。負荷突增，發(fā)電機電磁功率Pe開始波動，影響電機轉(zhuǎn)速;在CCS控制系統(tǒng)收到轉(zhuǎn)速偏差信號后，經(jīng)過限幅、死區(qū)判斷是否進行一次調(diào)頻;當偏差超出死區(qū)時，經(jīng)PID控制調(diào)節(jié)，輸出控制汽輪機功率的信號，再經(jīng)DEH系統(tǒng)，控制機械功率Pm;當汽輪機收到CCS的控制信號動作時，調(diào)門開度開始改變。

圖5 45 s負荷突變時各輸出量的變化情況Fig.5 Outputs of the model with the step disturbance in 45 s

從波形中可以看出，負荷突變后電磁功率突然增加，導致轉(zhuǎn)速頻率下降;汽門開度及機械功率在前0.2 s出現(xiàn)了延時，滿足一次調(diào)頻的響應時間限制，之后汽門開度逐漸增大，機械功率也增加;經(jīng)過5 s后，轉(zhuǎn)速和電磁功率趨于穩(wěn)定，一次調(diào)頻結(jié)束，滿足了負荷對頻率的需求。

根據(jù)規(guī)定設置合理的頻率死區(qū)范圍、限幅和不等率等，能有效發(fā)揮一次調(diào)頻的作用;但是負荷波動一直存在，一次調(diào)頻有效意味著汽輪機的汽門需要頻繁動作來減少頻率變化。汽門頻繁動作對機組存在著很大的安全隱患，后續(xù)將研究利用飛輪儲能系統(tǒng)參與火電廠一次調(diào)頻，減小或盡量消除汽輪機調(diào)門的動作，加強機組的安全性和穩(wěn)定性。

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