提高火電機(jī)組一次調(diào)頻精度的研究

孫建平，邢志斌

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 引言

一次調(diào)頻是當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化，改變所帶機(jī)組負(fù)荷與外界相平衡，還盡力減少電網(wǎng)頻率的變化過程[2]。整個(gè)過程是調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。目前一次調(diào)頻策略，都僅僅依據(jù)汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，經(jīng)過轉(zhuǎn)速-調(diào)頻量這一靜態(tài)函數(shù)運(yùn)算得出的當(dāng)前調(diào)頻量來修正汽輪機(jī)調(diào)門控制指令或者機(jī)組指令[1]。雖然汽機(jī)轉(zhuǎn)速能夠比較準(zhǔn)確的反應(yīng)電網(wǎng)實(shí)際頻率，但與電網(wǎng)實(shí)際頻率存在偏差，采用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行一次調(diào)頻會(huì)降低一次調(diào)頻的質(zhì)量。而且，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速受轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的限制還會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量不準(zhǔn)確，這也會(huì)對(duì)一次調(diào)頻產(chǎn)生不利影響。所以，直接采用電網(wǎng)實(shí)際頻率作為功率指令進(jìn)行一次調(diào)頻，將會(huì)在很大程度上改善傳統(tǒng)做法的不足，迎合國(guó)家政策的需要，提高一次調(diào)頻的品質(zhì)。

1 一次調(diào)頻控制原理

該原理是將頻率校正信號(hào)作為功率指令輸入到PID控制器的設(shè)定值端，去控制汽輪機(jī)的高壓調(diào)節(jié)閥，保證機(jī)組實(shí)際負(fù)荷與校正后指令相等[4]。這樣做能夠保證電網(wǎng)頻率或者機(jī)組轉(zhuǎn)速的偏差與負(fù)荷變化成一定關(guān)系[5]。在機(jī)組正常運(yùn)行的情況下，保證頻率或轉(zhuǎn)速的偏差產(chǎn)生同樣幅度和速率的負(fù)荷變化[4]。該方案也存在缺點(diǎn)，必須在系統(tǒng)功率回路投入的情況下一次調(diào)頻才能發(fā)揮作用；而當(dāng)系統(tǒng)功率回路切除時(shí)，則一次調(diào)頻功能也被禁止投運(yùn)。因?yàn)榻?jīng)過PID控制器，而導(dǎo)致一次調(diào)頻功能的響應(yīng)遲延[5]。該控制原理圖雖然把頻率設(shè)定值和頻率實(shí)際值作為功率指令進(jìn)行一次調(diào)頻，而該頻率并不是電網(wǎng)實(shí)際頻率而是汽機(jī)轉(zhuǎn)速。本文提出直接采用電網(wǎng)實(shí)際頻率作為一次調(diào)頻功率指令。該控制原理圖，如圖1。

圖1 一次調(diào)頻原理圖Fig.1 Schematic diagram of 1 FM

2 提高一次調(diào)頻精度原理

火電機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速一般是通過安裝在汽輪機(jī)軸上的磁阻式傳感器進(jìn)行測(cè)量，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁阻式傳感器會(huì)產(chǎn)生幅度和頻率都隨轉(zhuǎn)速在變化的交變正弦波，然后通過模擬電路將交變正弦波整形成方波，再利用單片機(jī)等器件測(cè)量該方波的頻率就可以得到轉(zhuǎn)速[2]。目前， 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)儀器類儀器的精確度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有: 0.005、0.02、0.05、0.1、0.2級(jí)[3]。火電機(jī)組轉(zhuǎn)速變送器精確度等級(jí)普遍為0.2級(jí)，在3000r/min的轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速的絕對(duì)誤差為±6 r/min[2]。也就是說±6 r/min以下的轉(zhuǎn)速是不可信的，相當(dāng)于0.1Hz，而一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)死區(qū)為2r/min，相當(dāng)于0.033Hz，由此可見采用電網(wǎng)實(shí)際頻率進(jìn)行一次調(diào)頻比汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行一次調(diào)頻精度至少能提高3倍。其次，儀表的精確度等級(jí)只有在規(guī)定的技術(shù)條件下才能達(dá)到，它受到測(cè)量?jī)x表本身的性能、測(cè)量方法、測(cè)量環(huán)境、諸方面的影響[5]，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置工作在高溫高壓的環(huán)境中，必然會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不利的影響，而進(jìn)一步降低一次調(diào)頻的質(zhì)量。

3 仿真驗(yàn)證

本文取某電網(wǎng)一小時(shí)的實(shí)際頻率和某并網(wǎng)電廠一小時(shí)汽機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB仿真，比較出傳統(tǒng)方法存在的不足和新方法的優(yōu)勢(shì)。首先仿真某并網(wǎng)電廠汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，如圖2。

圖2 DCS系統(tǒng)9:00-10:00轉(zhuǎn)速趨勢(shì)Fig.2 9:00-10:00 speed trend of DCS system

鑒于目前國(guó)內(nèi)一般火電機(jī)組都采用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速作為一次調(diào)頻功率指令的現(xiàn)狀，為比較汽機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)實(shí)際頻率的偏差，我利用MATLAB進(jìn)行仿真比較，仿真結(jié)果如圖3。

由圖3可以看出采用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算頻率和電網(wǎng)實(shí)際頻率總體趨勢(shì)很相近，但是存在偏差，所以，汽機(jī)轉(zhuǎn)速不能準(zhǔn)確地代表電網(wǎng)側(cè)頻率的變化。為更加清楚的看出二者存在的偏差量，利用MATLAB軟件將二者做差，進(jìn)一步觀察偏差量。如圖4。

圖3 9:00-10:00轉(zhuǎn)速計(jì)算頻率與電網(wǎng)實(shí)際頻率比較Fig.3 9:00-10:00 speed frequency compared with the frequency of power systems

圖4 9:00-10:00轉(zhuǎn)速計(jì)算頻率與電網(wǎng)實(shí)際頻率偏差Fig.4 9:00-10:00 speed calculation of frequency and power systems frequency deviation

圖5 9:00-9:30轉(zhuǎn)速計(jì)算一次調(diào)頻功率貢獻(xiàn)量與頻率計(jì)算一次調(diào)頻功率貢獻(xiàn)量Fig.5 9:00-9:30 speed calculation contribution amount and frequency power frequency modulation FM power contribution

圖6 9:30-10:00轉(zhuǎn)速計(jì)算一次調(diào)頻功率貢獻(xiàn)量與頻率計(jì)算一次調(diào)頻功率貢獻(xiàn)量Fig.6 9:30-10:00 speed calculation contribution amount and frequency power frequency modulation FM power contribution

圖7 9:00-10:00轉(zhuǎn)速計(jì)算一次調(diào)頻負(fù)荷量與頻率計(jì)算一次調(diào)頻負(fù)荷量偏差Fig.7 9:00-10:00 speed calculation of primary frequency regulation of primary frequency control load load and frequency calculation errors

由圖4能看出汽機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算頻率與電網(wǎng)實(shí)際頻率偏差最高可達(dá)0.07Hz以上，也就是傳統(tǒng)方法目標(biāo)值與真實(shí)目標(biāo)值偏差達(dá)0.07Hz。該偏差會(huì)對(duì)一次調(diào)頻功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。計(jì)算出兩種功率指令存在的偏差后，通過MATLAB仿真程序進(jìn)行仿真。比較采用電網(wǎng)頻率進(jìn)行一次調(diào)頻的優(yōu)勢(shì)。本文隨機(jī)選取了電網(wǎng)中調(diào)1小時(shí)的數(shù)據(jù)，為了能清楚的看出兩種調(diào)節(jié)方法在調(diào)節(jié)上存在的差異，將9點(diǎn)到10點(diǎn)1h時(shí)間分成9:00-9:30和9:30-10:00 2個(gè)時(shí)間跨度分別仿真，圖5中最后一幅圖代表開關(guān)量， 1代表一次調(diào)頻應(yīng)動(dòng)作，0代表一次調(diào)頻不應(yīng)動(dòng)作。仿真結(jié)果如圖5。

由圖5看到9:00-9:30半小時(shí)內(nèi)，傳統(tǒng)方法明顯誤動(dòng)作2次，明顯提前動(dòng)作5次，明顯滯后動(dòng)作2次，一共動(dòng)作16次，誤動(dòng)作率達(dá)12.5%，動(dòng)作不合格率達(dá)56.25%。圖6是另外半小時(shí)一次調(diào)頻效果比較。

由圖6看到9:30-10:00半小時(shí)內(nèi)，傳統(tǒng)方法一次調(diào)頻明顯誤動(dòng)作3次，明顯提前動(dòng)作1次，沒有明顯滯后動(dòng)作。一共動(dòng)作11次，誤動(dòng)作率達(dá)27.3%，動(dòng)作不合格率達(dá)36.4%。1h平均誤動(dòng)作率達(dá)18.5%，動(dòng)作不合格率達(dá)48.1%。所以，采用電網(wǎng)頻率作為功率指令進(jìn)行一次調(diào)頻提高了一次調(diào)頻的動(dòng)作的正確率和精度。下面將兩種方法對(duì)功率貢獻(xiàn)量進(jìn)行做差比較,見圖7。

從圖7可以看到轉(zhuǎn)速計(jì)算一次調(diào)頻負(fù)荷量偏差能夠達(dá)4MW。該數(shù)據(jù)取自額定功率為200MW的機(jī)組，可以看出傳統(tǒng)方法對(duì)功率貢獻(xiàn)量偏差率可達(dá)2%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)一次調(diào)頻方法進(jìn)行了分析和總結(jié)，概述了傳統(tǒng)方法存在的不足以及新方法的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合以上仿真結(jié)果，可以得出，采用電網(wǎng)實(shí)際頻率進(jìn)行一次調(diào)頻提高了一次調(diào)頻動(dòng)作的正確率和精度，改善了一次調(diào)頻質(zhì)量。

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