提高燃煤機組一次調頻性能研究

倪新宇，施政，方立

(中國華電集團望亭發電廠，江蘇 蘇州 215155)

提高燃煤機組一次調頻性能研究

倪新宇，施政，方立

(中國華電集團望亭發電廠，江蘇 蘇州 215155)

在特高壓受電電網中，一次調頻的作用愈加重要。大型燃煤機組擔負著主要的一次調頻作用，還有較多機組沒有達到理想的性能指標，性能試驗又較難發現問題。通過對考核機組的分析，提出了禁止與調頻功率反向動作邏輯，提高調頻能力的修正滑壓曲線、修正前饋系數兩類優化方案，供不同性能的機組選用。

一次調頻性能；控制邏輯優化；去除調頻反邏輯；修正滑壓曲線；前饋系數修正

圖1 一次調頻控制原理

1 火電機組一次調頻形勢

隨著我國電網全國互聯戰略的實施，具有長距離、大容量和低損耗特點的特高壓輸電線路將得到高速發展，未來幾年，特高壓電網將逐步取代500 kV超高壓電網，成為全國互聯電網及區域電網的骨干網架[1]。2013年，錦蘇特高壓直流輸電工程已經投運，輸送容量最高達720萬kW。特高壓輸電系統的自身故障會導致江蘇電網突然失去大功率電源，對電網頻率產生巨大沖擊，甚至威脅電網安全。實際運行經驗證明，當電網突發大功率電源故障時，電網頻率在10 s左右就能降至最低點。近年來已經整改到位的機組都采用了如圖1所示的協調、調速雙側一次調頻控制功能，理論上，在電網頻率發生突變時，具備一次調頻功能的發電機組應能在3 s內作出反應，有效抑制電網頻率的波動幅度，縮短波動的過渡時間，迅速穩定動態過程中電網頻率[2]。而在故障后的10 s級時間段內，從電源側來看，唯一能夠對電網頻率進行有效干預的只有發電機組的一次調頻功能。

GB/T 30370—2013《火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收導則》以及DL/T 657—2015《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》，分別就一次調頻的試驗方法、試驗準備、試驗條件[3]、試驗品質指標進行了詳細的規定，地方電網統調發電機組運行考核辦法中又具體定義了下列參數的設置值，一次調頻投用負荷范圍、轉速不等率、頻差死區、一次調頻功率限幅值、人工測試的頻差值、一次調頻響應指數考核值。

電網考核辦法規定：100 MW及以上機組出力達到50%額定容量(Pe)以上直至100%Pe為考核區，一次調頻中機組功率以103%Pe為考核上限;燃煤機組要求達到0～15 s,0～30 s,0～45 s 3個時段的一次調頻性能響應指數分別為0.4,0.6,0.7以上。

如圖1所示，火電機組在2016年完成滿足協調側與調速側的雙側一次調頻控制要求。功率閉環控制回路的功率設定是調頻功率與來自機組自動發電功率控制(AGC)指令的汽機主控相疊加，功率控制器與調頻閥位增量相加后作用在機組上，最終使管理控制器達到平衡狀態。在一次調頻動作期間產生的負荷變化量作為一次調頻裝置的做功，即電網調度考核的依據。機組在一次調頻期間負荷指令的變化量是一次調頻功率與AGC指令變化量的和。

表1 歷次考核記錄

2 機組一次調頻屢遭考核原因

2×660 MW超超臨界機組#3與#4，于2015年9月19日華東電網著名的一次大頻差動作中表現優異，全年僅考核2.5萬元，到了2016年，猛增至63.0萬元，2017年3月考核32.0萬元。為了迅速扼制這股勢頭，分析發現一次調頻的人工測試合格率非常高，需要進一步分析一次調頻不合格原因，進而找到解決辦法。歷次月度考核時一次調頻性能見表1。

一次調頻遭遇考核期間，表中沒有列出的機組各運行參數如主汽壓力、溫度、中間點溫度、主汽調門等，均在安全范圍中。從表中的5次考核可以看出，除了有1次人工測試不合格，其余全是系統實測被考核。事例1作為實際動作的特例，與其他4次考核相比頻差較大。其他規律還需下文仔細分析。

2.1同向同幅頻差下不同結果的分析

對表1中的事例2，3相同機組相同工況下、不同一次調頻性能進行分析。事例2如圖2所示，3個時段電量指數分別是：0.72，0.82，0.82。汽機主控功率指令與調頻功率同方向，汽機主控功率幅度達到4 MW/45 s，使機組做功大于僅一次調頻功率下的量，所以本次考核指標全部達標。

圖2 功率指令與調頻功率同方向

事例3如圖3所示，3時段電量指數分別是：0.56，0.65，0.57。汽機主控與調頻功率反方向，汽機主控功率變化幅度在45 s時達到了2.4 MW，使機組做功變化小于僅一次調頻功率指令下的量，所以本次考核的第3時段指標不合格。

圖3 功率指令與調頻功率反方向

主要區別在汽機主控指令方向不同，削弱了一次調頻功率指令的作用，隨著AGC指令的反方向的不同幅度變化，就有了不同的性能指數，反向的幅度越大，性能指數就越差。

2.2人工測試一次調頻時不同性能的分析

事例5如圖4、圖5所示，2臺同型號機組的人工測試一次調頻性能比較見表2，區別在于AGC指令變化大小以及方向，造成實際功率指令的變化量減小，是造成第3時段做功變化小的直接原因。

圖4 調頻功率減測試

圖5 調頻功率增測試

這點同上一節分析的原因相同，結果均為汽機主控與一次調頻反向的第3時段指數不合格。

2.3調頻功率增減的區別

(1)如圖5所示，機組在90%以上的高負荷區，主汽調門開度達到41%以上，主汽調門開度增加到動作前開度值的1倍多，主汽壓力下降0.4 MPa，相比圖4的調頻功率減工況，主汽調門動作幅度小，調門開度僅減小6.5%，說明調頻功率增比減要困難得多，在優化時，可以區別對待。

表2 人工測試中不同結果的比較

(2)以圖5中機組表現的一次調頻性能為例，如果機組在高負荷區發生一次調頻功率增6%Pe時，主汽調門全開也不能滿足要求，像這種工況需要增加主汽調門的節流，增加機組蓄熱，或采用其他手段增加汽輪機做功，如配置補汽調門的機組，可以瞬間提高實際功率。

(3)一次調頻測試前10 s，機組增加調頻功率的做功能力偏小，不如減功率，可以適當修正前饋系數。

2.4AGC指令的運行

AGC指令由電網調度機構通過遠動裝置傳給機組的分散控制系統(DCS)，DCS中協調控制器(CCS)經過速率模塊、限幅、保護禁增減等模塊，再將功率主控指令發送給鍋爐和汽機的功率控制器。

由于電力調度交易機構發出的AGC指令是非常靈活地頻繁跳變著的，經過變負荷速率作用后的汽機主控指令大概率為AGC設定速率的斜線。在一次調頻產生時，遇到上升、下降的機會是均等的(少數情況下才有不升降的機會)，所以接近一半是與一次調頻功率同方向，還有近一半機會是與一次調頻功率反方向的。

2.5人工測試與系統實測的區別

為什么研究機組在系統實測一次調頻的性能指數的總體表現要更差，可歸結為2點，第1是頻差大小不同，第2是頻差的變化不同，見表3。

表3 人工測試與系統實測的比較

一次調頻動作時的頻差越小，越容易被反向變化的AGC指令削弱。AGC指令速率一般設定2%Pe/min，當與AGC指令變化反向的一次調頻功率越小，則越容易被AGC指令的變化削弱，一次調頻性能指數就越低。一次調頻動作時的頻差越小，越容易被反向變化的AGC指令削弱。

3 控制優化的前提條件

對于靠調節主汽流量進行一次調頻的汽輪發電機組，汽輪機調門開度需保持一定的節流，便于快速增加負荷時，利用機組的蓄熱量轉化成發電量。主汽調門在一次調頻動作期間，注意調門的開度變化，避免頻繁來回動作造成閥門磨損、機組振動等。

一次調頻各試驗動作時，機組參數波動范圍應不危及機組安全運行，更不能引起機組保護動作跳閘。特別是機組薄弱環節尤其要注意，如直流鍋爐需注意爐管金屬溫度超限，主汽壓力偏差超限等。

一次調頻不等率函數及其控制邏輯應符合當地電網調度的統一要求。

4 控制邏輯優化1：去除調頻反邏輯

如果AGC指令變化方向與一次調頻功率指令方向相反，這違背了一次調頻與AGC二次調頻的一致性原則，就要設法消除。

4.1功率設定的禁止反向動作

如圖6中CCS回路的禁增或禁減，轉差大于正向設的有死區的門檻值，控制AGC速率模塊輸出信號禁止增。同理轉差小于負向門檻值，控制AGC速率模塊輸出禁止減。同時也禁止了鍋爐主控指令的反向動作，保證了鍋爐、汽機主控與一次調頻功率指令不發生反向動作，協同應對電網周波的變化。驅動禁增或禁減的轉差也可以用發電機轉速值或者電網頻率值代替，也可以是一次調頻功率。

4.2綜合閥位指令的禁止反向動作

一次調頻系統實測中，調頻功率一般10 s左右達到最大值，然后回調。利用此規律，由轉差控制綜合閥位指令禁止增或減，如圖6所示，直到頻差恢復正常。這樣汽輪發電機組相比此優化前能夠多做功，同時主汽調門由于動作次數減少，有利于減少閥桿等機械設備的磨損。

以上2種優化各有優點，不管是人工測試還是系統實際測試，都對一次調頻動作具有積極的意義。

5 控制邏輯優化2：增強調頻能力

5.1增加鍋爐主控燃料量(標煤量)指令的前饋控制

在一次調頻增功率中，增加標煤量指令的前饋控制，可以盡快補充鍋爐蓄熱，減少主汽壓力擾動。此優化邏輯需注意水、煤、風的協調控制。

圖6 控制邏輯優化

5.2修正滑壓曲線

有的機組經過改造增加了供熱抽汽，原來的熱力平衡可能影響到了主汽門節流量，如本文中圖5的情況，一次調頻增負荷能力不夠，需要修正AGC控制邏輯中的滑壓曲線；反之，一次調頻增負荷能力有多余，可以向下修正滑壓曲線。由于抽汽量的變化，為了精確修正滑壓曲線，可以增加總供熱抽汽流量的主汽壓力設定修正量，如圖7所示。

圖7 主汽壓力修正量與供熱抽汽流量的關系

5.3前饋系數修正

從圖4、圖5一次調頻增負荷測試的前10 s相比較，對機組增加做功能力而言，增負荷測試不如減負荷測試能力強，可以區別對待2個方向的優化，適當修正前饋系數。如圖8所示，一次調頻動作頻差比較小，已經達到了電網調度考核的條件，經過考核計算，3個時段的性能指數均不合格，且考核金額較大。為了滿足電網調度考核計算辦法，僅對小頻差增加一次調頻前饋系數，方法如圖9所示。在調速側的一次調頻邏輯中增加前饋修正系數曲線，來修正不同一次調頻功率下的主汽調門動作變化強度(僅對一次調頻做功欠缺的情況進行修正)。

圖8 小頻差動作性能

圖9 前饋修正系數曲線

6 結束語

每臺機組根據自己的特性，以及控制系統的特點，制定適合自己的優化方案，使機組不僅在不同的負荷下、不同的頻差下，還要在不同的供熱量、不同的AGC運行方式下，都能發揮出機組一次調頻的功能，且性能達標，使電網運行更加安全。

[1]江蘇電力調度控制中心. 江蘇電網機組一次調頻性能提升分析報告[R].江蘇省電力技術監督會議，2017.

[2]火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收導則:GB/T 30370—2013[S].

[3]火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程:DL/T 657—2015[S].

(本文責編：齊琳)

2017-07-03；

:2017-08-20

TM 621

：A

：1674-1951(2017)09-0016-04

倪新宇(1970—)，男，江蘇蘇州人，工程師，從事火電廠熱工控制方面的工作(E-mail:chdwdnxy@163.com)。