機網協調模式下一次調頻邏輯優化設計

韓英昆 ，牟 琳，韓德順

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；2.山東大學，山東 濟南 250061；3.山東電力調度控制中心，山東 濟南 250001）

0 引言

隨著特高壓、新能源、智能電網的建設及發電技術的成熟，大容量火力發電機組建設已成為技術主流，影響電網運行頻率的因素也越來越多，電網的安全可靠運行對電網調頻性能的依賴性也越來越大，機組調頻能力是機網協調發展的一個重要支撐。因此對發電機組的涉網試驗性能要求也越來越嚴格。為了提高電能質量和電網頻率的控制水平，優化機組機網協調性能，并網發電機組都要求具備相應的一次調頻能力。以生產實際過程中典型并網火電機組為例，介紹一次調頻的控制原理、實現及其相應的參數配置，結合生產過程中發現的問題，探討如何合理設置優化一次調頻的組態邏輯，避免生產過程中一次調頻動作對機組安全運行產生不利影響。

1 一次調頻概述

在電網實際運行中，由用戶消耗負荷變化影響，引起電網實際運行頻率變化較小、變動周期較短的微小分量，主要靠汽輪發電機組本身的調節系統直接自動調整汽輪機調門完成電網負荷補償，修正電網頻率的波動，這個過程即為發電機組的一次調頻［1］。

發電機組汽輪機電液控制系統即DEH系統中一次調頻功能通常是將汽輪機轉速與額定轉速的差值直接轉化為功率信號補償或流量補償，控制結構原理圖如圖 1 所示［2］。

圖1 一次調頻控制結構原理圖

在我國電網額定頻率為50 Hz，汽輪機額定轉速為3000 r／min，額定轉速與汽輪機實際轉速的差值經函數變換后生成一次調頻補償因子，一次調頻功能投入時，直接與功率或流量信號疊加，控制汽輪機的調門開度，一次調頻切除時，調頻補償因子為零，不參與系統控制。

2 一次調頻函數的設置

隨著用戶對電能質量和電網頻率要求的提高，電網對并網機組的一次調頻性能要求也越來越嚴格，因此發電機組一次調頻的參數設置也就越來越重要。

2.1 不帶死區不帶限幅方式

只要機組實際轉速與額定轉速有偏差，一次調頻就動作，汽輪機的高壓調門就動作，不利于系統的穩定運行。限于我國電網的容量與穩定性性能要求，這種調頻方式一般不適用于我國目前的發電機組。

2.2 帶死區不帶限幅方式

設置一定的轉速死區，在偏差死區范圍內，一次調頻不動作，超出偏差死區，一次調頻投入。目前我國大部分機組采用這種一次調頻方式。

2.3 帶死區但不改變不等率δ不帶限幅方式

與2.2相比，這種模式設置了調頻死區，但在頻差死區臨界點處，存在一次調頻補償因子突變過程，將使機組的調門突然開關動作，引起機組協調控制系統中燃料、給水、送風等參數的突變，造成系統運行不穩定。

2.4 帶死區帶限幅方式

與2.3相比，這種調頻方式增加了調頻限幅功能，可有效防止機組頻差信號超限時引起機組調頻超負荷現象。適當修改參數也可實現單向限幅功能。

2.5 調頻函數設置實例

以一臺超超臨界直流鍋爐運行機組為例，機組額定容量1000 MW，一次調頻控制方式采取DEH＋CCS控制，按照山東電力系統機網協調相關技術要求，不等率δ設為5%，轉速死區為±2 r／min。一次調頻最大補償要求為額定負荷的6%，采用2.4所述的帶死區帶限幅的設置方式，一次調頻指令函數設定值如表1所示，表中：轉速偏差＝額定轉速－實際轉速。其一次調頻函數設置曲線如圖2所示。

圖2 一次調頻函數設置曲線

當轉速與額定轉速偏差大于2 rpm轉時，轉速偏差經過調頻函數計算得出一調頻補償值直接加到機組調節器控制閥門開度值及機組控制指令上，控制高壓調門的開度變化，完成機組的一次調頻［3］。

表1 一次調頻指令函數刻度設定值

3 一次調頻組態存在的問題

電站機組在實際運行生產中，為了安全可靠，一般采用固定范圍投入一次調頻的設置方式，目的為了保證機組在一次調頻發生時，不出現超出機組穩定運行的負荷區間。但是，某些機組由于在范圍限制時邏輯組態使用不當，不但不能起到正確的限幅保護，反而給機組安全運行帶來不利影響。下面列舉幾種不恰當的保護組態方式。

3.1 投入條件設置不恰當

如某330 MW機組，組態設置如圖3所示，實現一次調頻在180～330 MW區間投入，調頻補償負荷額定設置為－26.4～＋26.4 MW，超出范圍自動退出一次調頻功能。

圖3一次調頻投入條件限幅不當組態邏輯

圖3所示邏輯組態，虛框內的固定投入范圍功能塊雖然保證了超出180～330 MW區間一次調頻自動退出，但是在兩個限幅點左右，如在183 MW負荷點，機組一次調頻減4 MW負荷時，機組負荷小于180 MW，調頻退出瞬間，機組負荷指令又增大，機組升負荷大于180 MW，調頻又投入，調頻指令起作用，機組又減負荷，如此反復，出現一次調頻頻繁投入退出。類似于此類組態設置的調頻投入方式，在限幅點往往會引起機組負荷震蕩，不利于機組安全運行。

3.2 調頻補償負荷限幅組態不當

如圖4所示。某600 MW機組，一次調頻組態設置目的是限幅調頻補償負荷最大為36 MW，機組調頻區間為300～600 MW，在接近限幅點左右，邏輯實現自動調整調頻負荷補償幅度，使機組運行負荷不超過高低限值。如在590 MW時，如果出現調頻補償20 MW情況，邏輯組態自動計算一次調頻指令最大為10 MW，使機組最高指令為負荷高限600 MW，而不會出現機組負荷指令將達610 MW，超出機組運行負荷高限，保證機組安全運行。

圖4 新型一次調頻控制邏輯框圖

但是圖4邏輯組態設計在自動計算調頻補償時，選取機組實際負荷做比較參數，在正常情況下不會影響一次調頻調節，在接近高低負荷限值點，則會發生調頻指令達不到額定實際，影響機組一次調頻指標。如在590 MW負荷時，疊加一次調頻前機組指令590 MW，它在調頻動作過程保持不變，機組出現調頻增負荷10 MW，調頻瞬間機組實際指令為600 MW，機組升負荷，但是升負荷過程中，邏輯計算出的機組調頻指令逐漸減小，機組實際指令也同步減小，理想狀態下，最終機組總指令與實際負荷穩定在595 MW，影響機組一次調頻性能，調頻過程曲線如圖5所示（假設機組調頻過程負荷變化率固定不變）。t1時刻前，負荷指令與實際負荷曲線重合，均為590 MW，機組穩定運行，t1時刻，機組一次調頻動作，補償升負荷10 MW，疊加機組調頻指令后，機組理想負荷指令為600 MW。t1至t2時刻，為一次調頻動作過程，機組負荷上升，同時一次調頻指令自動減小，造成機組實際負荷指令減小，最終機組穩定在t2時刻，機組實際指令和負荷均為595 MW，未達到一次調頻技術指標要求。

圖5 一次調頻動作曲線

4 影響一次調頻功能的不利因素

4.1 降參數運行

考慮機組運行的經濟性，目前大部分機組采用滑參數運行，在不同的負荷段，機組運行不同壓力參數，保持汽輪機調門一定的開度，減小調門的節流，提高機組運行經濟性。但是滑壓運行，增大機組調門開度，給機組一次調頻性能帶來了較大影響。機組調門開度超過一定值，其流量特性越來越差，一次調頻動作時，增加機組增負荷指令，即使給了開調門指令，調門按指令動作，由于流量特性限制，機組負荷補償也有限，進而影響機組一次調頻能力。

4.2 汽機跟隨運行（TF方式）

機組在汽機跟隨方式下運行時，汽機控制對象為機前壓力，一次調頻動作時，機組負荷根據電網頻率波動做相應補償調整，機前壓力也會隨之發生變化，此時TF控制回路勢必進行壓力修正調節，而這一過程與一次調頻動作是反作用的，比如電網頻率小于額定值時，機組一次調頻動作升負荷，機前壓力降低，而TF方式調整壓力，則進行下關汽機調門提高機前壓力，這樣機組又會降負荷，所以機組運行在TF方式下，不做壓力特殊修正，一次調頻性能不能滿足設計要求。

4.3 汽機調門線性度差

機組長時間運行，尤其機組調門經過解體大修等過程后，其流量曲線會發生明顯的漂移變化，如調門不對其流量特性曲線重新整定，對整個機組負荷調整控制過程均有比較大的影響，一次調頻動作的負荷補償更得不到可靠保障。

4.4 一次調頻優化設計方案

根據機組瞬時發電負荷指令P及機組一次調頻投入上、下限值 P1、P2，通過 SUB、MAX、MIN 算法模塊，自動計算出一次調頻理論補償負荷限幅值，來設定H／L限幅模塊的高低限幅值。根據電網運行頻率波動差值（或用汽輪機轉速波動代替電網頻率波動）通過設定函數F1（x）計算出機組一次調頻理論補償負荷值，通過H／L限幅模塊保證機組調頻動作不超過機組正常調節范圍內，限制機組一次調頻補償指令在（－ΔP～ΔP）之間，防止機組出現大幅擾動，保證機組安全穩定運行，具體實現控制邏輯組態如圖6所示，圖中P為機組瞬時發電負荷指令（不疊加一次調

圖6 新型一次調頻控制邏輯框圖

頻指令）；P1為機組一次調頻投入負荷上限；P2為機組一次調頻投入負荷下限；Δf或Δn為機組頻率偏差或機組轉速偏差；ΔP為機組一次調頻補償理論值，一般取 ΔP＝機組額定容量k（現行相關技術要求規定：機組額定容量小于250 MW時，k不小于10%；機組額定容量大于等于250 MW小于等于350 MW級機組，k不小于8%；機組額定容量大于350 MW小于等于500 MW級機組，k不小于7%；500 MW以上機組，k不小于6%）；SUB為減法計算模塊；MAX為兩輸入變量輸出取大計算模塊；MIN為兩輸入變量輸出取小計算模塊；MUL為乘法計算模塊；H／L為限幅模塊：限制輸出值在固定范圍內；F1（x）為計算函數，一般根據不等率設置調頻曲線。

同時根據機組運行過程中實時主蒸汽壓力，通過調頻補償修正功能塊計算出機組一次調頻指令修正系數，修正一次調頻指令輸出，保證機組一次調頻動作在各個運行工況下滿足設計要求，盡快修正電網頻率波動，保證電網供電質量。

5 結語

隨著電力系統對機網協調性能的要求提高，火電機組一次調頻性能一般采用DEH＋CCS完成，DEH中一次調頻功能響應速度快，動作迅速，系統相對獨立，易于操作，不會對機組的穩定性造成大的影響，而協調控制系統（CCS）中一次調頻以功率為調節基準，保證了一次調頻的能力。正確的設置一次調頻邏輯組態，協調利用好兩側控制系統特點，不僅能夠滿足一次調頻的性能要求，又能滿足機組穩定運行的需要，提高機組機網協調能力。

［1］肖曾弘.汽輪機數字式電液調節系統［M］.北京:中國電力出版社,2003.

［2］王付生.電廠熱工自動控制與保護［M］.北京:中國電力出版社,2005.

［3］韓英昆，孟祥榮，牟琳.1000 MW火電機組DEH一次調頻控制方式應用與探討［J］.華東電力， 2008（3）：95－97.