并網機組深度靈活調頻研究與優化

王文寬，石佃忠

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.華能聊城熱電有限公司，山東聊城252041）

·發電技術·

并網機組深度靈活調頻研究與優化

王文寬1，石佃忠2

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.華能聊城熱電有限公司，山東聊城252041）

根據目前并網機組一次調頻功能的實際動作情況，探討協調控制系統對一次調頻性能的影響，并給出優化方案，現場實用性強，并網機組一次調頻性能優化具有借鑒意義。

一次調頻；協調控制；性能優化

0 引言

近年來，隨著我國東部經濟的持續快速穩定發展，電力供需矛盾日益突出，而作為能源戰略基地的中西部，煤炭、水力及電力資源十分豐富，因此特高壓交、直流等長距離現代輸電模式應運而生。其中銀東直流雙極的投運，為山東電網帶來400萬kW的電力輸入，極大地保障了山東經濟的發展。但也同時帶來一些問題，比如因為設備元器件質量或線路問題，銀東直流自投運以來多次發生閉鎖現象，使山東電網瞬間損失200萬kW甚至400萬kW的電量，對電網的穩定帶來安全隱患，因此并網機組的一次調頻性能的好壞尤顯重要。

目前，并網機組多采用機跟爐方式的協調控制模式（CCS）［1］，即鍋爐控制主蒸汽壓力，汽機控制機組負荷，這種控制模式的最大優點是負荷控制快速精確，能充分利用鍋爐的蓄熱，滿足負荷的快速調整要求，有利于電網的安全與穩定運行，同時機組的主蒸汽壓力波動較小，增加了設備的可靠性和連續運行能力，有利于機組的穩定運行，是目前最普遍采用的一種控制模式。相應地，一次調頻功能實現采取DEH+CCS的方式［2］，即由汽輪機控制系統（DEH）完成一次調頻功能的粗調，通過快速開關調節閥來增減負荷，減小電網頻率的劇烈波動；由協調控制系統（CCS）完成一次調頻功能的細調，通過精確控制主蒸汽壓力和負荷，使電網發電量與客戶用電量平衡一致，使電網頻率保持在合格范圍，最終完成一次調頻功能。

通過對銀東直流閉鎖時，協調控制系統對一次調頻動作效果影響的分析，研究一次調頻性能差的根本原因，并給出針對性的解決方案，能有效防止功率回調，提高機組的一次調頻響應性能，具有一定的代表性。

1 一次調頻功能實現

一次調頻功能的實現大多采用DEH+CCS的方式，其中DEH側一次調頻控制原理如圖1所示。圖1中“額定轉速”為3 000 r／min，“實際轉速”一般取自現場汽輪機轉速測量裝置，用來代表實際網頻，額定轉速與實際轉速的偏差，經過函數F（x）處理，形成一次調頻負荷補償指令，疊加到機組的流量指令形成最終的流量指令，通過快速開關高壓調節門來增減負荷，減小電網頻率的劇烈波動，完成一次調頻功能的粗調。函數F（x）的作用包括轉速不等率設置、一次調頻轉速死區設置和補償負荷限幅設置等功能，轉速不等率一般設定為4%～5%，轉速死區一般設置為±2 r／min，補償負荷的限幅與機組的具體容量、類型等有關，比如300 MW機組一次調頻補償負荷最大為額定容量的8%，而600 MW機組為6%，循環流化床鍋爐機組為額定容量的4%等。“DEH側一次調頻投入”指機組并網或負荷大于穩燃負荷則自動投入一次調頻功能，“流量指令”指運行人員手動設定流量指令或功率控制回路產生的流量指令或直接接受CCS側來的流量指令。

圖1 DEH側一次調頻原理

CCS側一次調頻控制原理如圖2所示。圖2中“額定網頻”為50 Hz，“實際網頻”一般取自電氣系統，表示實際電網頻率，“CCS側一次調頻投入”指機組負荷大于穩燃負荷且投入協調控制系統則自動投入一次調頻功能，“負荷指令”指運行人員手動輸入的機組負荷指令或AGC指令并經過速率限制。其他名稱及一次調頻功能原理同圖1，即網頻的偏差經過函數F（x）處理，形成一次調頻補償負荷指令，疊加到機組的負荷指令形成最終的負荷指令，通過PI調節作用完成一次調頻功能的細調。

圖2 CCS側一次調頻原理

2 協調控制系統對一次調頻功能的影響

經過長期的觀察、對比和測試，發現當銀東直流線路單極發生閉鎖現象時，電網頻率劇烈波動，汽輪機轉速下降6 r／min左右。山東電網的總負荷一般為4 500萬kW左右，總額定容量大約為5 000萬kW，根據5%的轉速不等率［3］計算，當銀東直流單極閉鎖損失200萬kW時，網頻正好下降0.1 Hz（即6 r／min），這與實際網頻變化情況完全一致，也就是說合格精確的一次調頻動作應該能夠及時補償電網負荷損失，消除電網頻率的波動，保障網頻快速返回、供電質量及電網的安全穩定。

圖3 電網負荷波動引起機組一次調頻動作過程

但實際情況并非如此，圖3是某300 MW機組在一次電網負荷波動時一次調頻動作的實際過程。可以看出，當電網瞬間甩負荷200萬kW時，機組負荷立即下降12 MW，汽輪機轉速最高上升了5.8 r／min，這個結果可以從機組一次調頻特性的基本原理計算得到驗證，也就是說機組因電網負荷波動而引起功率與轉速變化的方向與幅度均正常。問題是疊加了一次調頻負荷補償的機組負荷指令下降，雖然最終幅度正確，但時間上卻足足晚了2～3 s，因此流量指令反而上升，引起機組功率回調，不僅削弱了機組的一次調頻性能，還通過增加負荷加劇了網頻的偏差，延長了網頻的調整時間，對電網的安全穩定嚴重不利。

3 一次調頻性能的研究與優化

對圖3的分析可以得出結論：協調控制系統設計不合理，將嚴重影響和削弱并網機組的一次調頻動作性能。而不合理的根本原因就是在控制系統本身的運算周期設置不合理，以及負荷指令是根據網頻變化計算得出的，而網頻與機組實際負荷的變化卻完全同步，這就使得負荷指令與實際負荷變化方向一致但存在時間差。控制系統的運算周期一般設置為200～500 ms，5個運算周期加上3個輸入輸出的硬件處理周期，即2～3 s的滯后處理大大延遲了機組負荷設定值的變化速度，引起機組功率回調，影響了一次調頻動作性能。

3.1 控制系統處理周期的合理設置

控制系統及硬件設備處理周期的合理設置，既要快速反應，增強系統的調節能力，以適應電網頻率的快速變化，保障電網安全，又要考慮CPU的運行能力和運算負荷率，根據DCS系統設計要求，CPU的運算負荷率不得大于40%，因此在符合標準要求的前提下，盡量提高CPU的處理速度，一般設置為200 ms為宜，最大不要超過500 ms。

3.2 控制邏輯優化處理

首先，對功率信號進行延時處理。具體時間可以通過實際測試確定，一般可設置為2～3 s，目的是使功率信號經過延時處理后，與一次調頻負荷補償后的負荷指令在時間上完全對應，不會因負荷指令的延時產生功率回調。然后通過DEH系統粗調，使機組負荷快速適應網頻的變化，將網頻快速拉回到正常范圍，然后通過CCS系統的細調，使機組負荷的增量精確達到網頻變化的要求，即供電量與用戶負荷一致，電網平穩運行，完成一次調頻的動作過程。

第二，對汽機主控系統流量指令的閉鎖處理。即在一次調頻動作的最初2～3 s時間內，閉鎖協調控制系統中汽機主控流量指令的增減變化，完全靠DEH系統根據網頻的變化快速開關調節門，通過增減負荷來適應網頻的變化，一般可達到動作幅值的70%左右，剩余的30%再靠協調控制系統進行精確調整。原理如圖4所示。

圖4 優化后的控制邏輯

3.3 主汽壓力對一次調頻性能的修正

從效益出發，為提高機組運行的經濟性，目前大部分機組采用滑壓運行方式，典型的運行曲線是“定-滑-定”，在低負荷和高負荷區域采用定壓運行，以保證參數的穩定和設備的安全可靠，在中間負荷區域采用滑壓運行方式，可以增大汽輪機調節門開度，減少節流損失，提高機組的經濟性。

DEH側一次調頻負荷補償的計算是開環控制，即一次調頻負荷補償對應一定的調節門開度，因此不同壓力下一次調頻功能實際補償的負荷量不同，尤其是壓力較低時，嚴重影響一次調頻動作性能指標，不利于電網的安全與穩定，所以有必要用主蒸汽壓力對一次調頻的補償負荷進行修正，用額定壓力與實際壓力的比值形成修正因子，去修正一次調頻補償負荷，可以大大提高一次調頻動作性能。

3.4 閥門管理參數對一次調頻性能的影響與處理

隨著我國經濟的快速持續穩定發展，電網的峰谷差越來越大，更多的機組承擔起調峰調頻功能，機組的負荷變化幅度也越來越大，這就要求并網機組在大范圍負荷段內的一次調頻性能都能達到標準。但機組經過安裝、調整和大修以及長時間運行后，閥門的流量特性與設計變化很大，尤其是預啟閥的開度和閥門重疊度設置與原始數據相差很遠，具體表現在負荷調整效果差，機組蒸汽流量非線性化，嚴重影響機組的負荷調節特性和一次調頻動作性能，因此建議在機組大修后進行閥門的流量特性測試，并根據測試結果重新修正閥門管理參數，保障機組的負荷調節性能和電網安全穩定。

4 結語

通過分析電網頻率波動情況下機組的一次調頻實際動作情況，可以看出機組的一次調頻動作性能與設計相差很大，尤其是最初的2～3 s中出現機組負荷反調的現象，極大地影響了一次調頻性能指標，既引起機組參數的劇烈波動，對鍋爐燃燒和設備安全帶來隱患，又加大了網頻的變化，不利于電網的安全穩定。

從控制系統邏輯的優化處理、運算掃描周期的合理設置，以及主汽壓力修正和閥門管理參數的整定等方面出發，介紹了一次調頻控制系統的優化方案與實施措施，具有很強的操作性和實效性，可以提高機組一次調頻動作性能，保障機組與電網的安全穩定運行和發供電質量。

［1］牛衛東.電廠汽輪機原理［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］谷俊杰，丁常福.汽輪機控制監視和保護［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［3］孫奎明，時海剛.熱工自動化［M］.北京：中國電力出版社，2006.

Research and Optimize of Primary Frequency Regulation for On-line Unit

WANG Wenkuan1，SHI Dianzhong2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Huaneng Liaocheng Thermal Power Co.，Ltd.，Liaocheng 252041，China）

The influence and principle of coordinated control system to the primary frequency regulation was discussed in this paper，according to operation situations of primary frequency regulation function at present.The optimization scheme and detail of tests were given，which have reference significance for the performance optimization of the primary frequency regulation.

primary frequency regulation；coordinated control；performance optimization

TK323

A

1007－9904（2016）12－0049－03

2016-09-27

王文寬（1970），男，高級工程師，從事汽輪機自動控制和保護工作。