發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化及應(yīng)用

吳 坡，張江南，賀 勇，段松濤，任鵬凌

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052；2.潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，鄭州 450052）

0 引言

電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行依賴于發(fā)電與用電間的功率平衡。發(fā)電設(shè)備突發(fā)故障和用電隨機(jī)性都會引起計(jì)劃負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷間產(chǎn)生偏差，進(jìn)而造成系統(tǒng)動能（角速度）的改變，即系統(tǒng)頻率的變化。當(dāng)用電負(fù)荷增加時(shí)，系統(tǒng)就存在功率缺額，電網(wǎng)頻率降低；反之，電網(wǎng)頻率升高。主要通過發(fā)電設(shè)備的慣性和調(diào)頻功能抑制頻率偏差：當(dāng)電網(wǎng)頻率降低時(shí)，調(diào)頻功能要求機(jī)組快速增負(fù)荷；反之，機(jī)組快速減負(fù)荷。

頻率控制按響應(yīng)的快慢和次序分為交叉進(jìn)行的3 個(gè)階段：一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。一次調(diào)頻在頻差超過一次調(diào)頻動作死區(qū)后的0～3 s 內(nèi)動作，10～45 s 內(nèi)達(dá)到一次調(diào)頻量峰值。一次調(diào)頻動作30 s 后，二次調(diào)頻（即自動發(fā)電控制AGC）將逐步發(fā)揮作用，可以持續(xù)近15 min。之后，根據(jù)電力預(yù)測進(jìn)行負(fù)荷最優(yōu)分配的三次調(diào)頻起作用。后一級調(diào)頻控制產(chǎn)生作用后，前一級系統(tǒng)的調(diào)頻能力將恢復(fù)[1]。

發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻屬于有差調(diào)節(jié)，可在系統(tǒng)頻率擾動的第一時(shí)間自動改變機(jī)組出力，維護(hù)電網(wǎng)功率的平衡和頻率的穩(wěn)定。目前，火電機(jī)組是響應(yīng)一次調(diào)頻需求的主力，其控制回路如圖1 所示。頻率偏差經(jīng)過折線函數(shù)后，一方面作為前饋直接作用到汽機(jī)調(diào)門指令中，另一方面疊加到經(jīng)過限幅限速的機(jī)組負(fù)荷指令上，作為總指令進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的功率閉環(huán)控制邏輯。

圖1 機(jī)組一次調(diào)頻控制回路

圖1 中函數(shù)f（x）包含影響機(jī)組一次調(diào)頻的關(guān)鍵參數(shù)：調(diào)頻死區(qū)、最大負(fù)荷調(diào)節(jié)量和轉(zhuǎn)速不等率，可依據(jù)圖2 進(jìn)行設(shè)定。

圖2 一次調(diào)頻主要參數(shù)示意

（1）死區(qū)方面，從電網(wǎng)的快速及時(shí)調(diào)節(jié)角度出發(fā)，一次調(diào)頻死區(qū)越小越好；但從發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行角度看，死區(qū)不應(yīng)太小，以避免調(diào)速系統(tǒng)的頻繁動作。一般火電廠調(diào)頻死區(qū)的推薦值在1.5～3.0 r/min。

（2）負(fù)荷調(diào)節(jié)量方面，出于對機(jī)組運(yùn)行安全的考慮，需要對一次調(diào)頻作用引起的負(fù)荷調(diào)節(jié)量進(jìn)行限制，限幅值根據(jù)機(jī)組類型和容量有所區(qū)別，最大不超過額定負(fù)荷的±10%。

（3）轉(zhuǎn)速不等率（又叫速度變動率、轉(zhuǎn)差系數(shù)）的定義如下：

式中：δ 為轉(zhuǎn)速不等率；Δf 為超出死區(qū)的頻率變化量；fn為電網(wǎng)額定頻率（50 Hz）；ΔP 為有功變化量；Pn為機(jī)組額定有功出力。

若轉(zhuǎn)速不等率太大，則機(jī)組對電網(wǎng)的調(diào)頻作用太小，且事故甩負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速過高；而轉(zhuǎn)速不等率太小，則功率變化太大，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行；一般建議轉(zhuǎn)速不等率設(shè)定為4%～5%。另外，當(dāng)電網(wǎng)頻率偏差超出死區(qū)后，也可在不同的頻率偏差范圍內(nèi)采用不同的轉(zhuǎn)速不等率，進(jìn)行有功可調(diào)范圍內(nèi)的一次調(diào)頻分段控制。

1 一次調(diào)頻考核

電網(wǎng)公司近幾年來開始實(shí)施“兩個(gè)細(xì)則”（《××區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》和《××區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》），制定了詳細(xì)的獎懲方法，用于對發(fā)電廠供電質(zhì)量的考核。以華中區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”為例，指出并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組應(yīng)投入并不得擅自退出一次調(diào)頻功能。對并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的考核內(nèi)容，包括：投運(yùn)率、死區(qū)、轉(zhuǎn)速不等率、遲緩率、負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度等。

按照考核原則，當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差超過規(guī)定的范圍時(shí)（水電50±0.05 Hz，火電50±0.033 Hz，直流鍋爐50±0.1 Hz），統(tǒng)計(jì)程序自動啟動。若某次一次調(diào)頻響應(yīng)過程貢獻(xiàn)率小于某一值（如50%），則計(jì)為不合格。一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率的算法如下：

式中：K 為機(jī)組一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率；Hi為機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際貢獻(xiàn)電量，高頻少發(fā)或低頻多發(fā)時(shí)電量為正，高頻多發(fā)或低頻少發(fā)時(shí)電量為負(fù)；t0為系統(tǒng)頻率超出機(jī)組一次調(diào)頻動作死區(qū)的時(shí)刻；tt為系統(tǒng)頻率進(jìn)入機(jī)組一次調(diào)頻動作死區(qū)的時(shí)刻；Pt為t 時(shí)刻機(jī)組實(shí)際發(fā)電有功功率；P0為t0時(shí)刻機(jī)組實(shí)際發(fā)電有功功率（或t0時(shí)刻前10 s 平均值）；Hg為機(jī)組理論一次調(diào)頻積分電量；ΔP（Δf，t）為瞬時(shí)理論一次調(diào)頻積分電量；Δf（t）為電網(wǎng)頻率變化超過死區(qū)的頻率差絕對值；Pn為機(jī)組額定有功出力；fn為電網(wǎng)額定頻率，即50 Hz；δ 為轉(zhuǎn)速不等率；ft為t 時(shí)刻的電網(wǎng)頻率；fd為頻率死區(qū)。

上述積分時(shí)長最長為60 s；若頻率15 s 之內(nèi)已返回到死區(qū)內(nèi)，則本次頻率波動過程不予統(tǒng)計(jì)；機(jī)組實(shí)際出力接近額定出力（P＞0.95Pn），系統(tǒng)頻率降低時(shí)不考核；機(jī)組實(shí)際出力較低（火電P＜0.55Pn，水電P＜0.20Pn），系統(tǒng)頻率升高時(shí)不考核。

為了細(xì)化一次調(diào)頻的時(shí)效性，也可采用分時(shí)段加權(quán)積分的計(jì)算方法：

式中：N 為分段個(gè)數(shù)；kj為分時(shí)段j 的積分電量權(quán)重系數(shù)；tj分段j 起始時(shí)刻；Tj分段j 的時(shí)間長度；ΔPj（Δf，t）為分段內(nèi)的瞬時(shí)理論一次調(diào)頻積分電量。

需要指出，上述考核方法只關(guān)注一次調(diào)頻引起的負(fù)荷貢獻(xiàn)，并沒有涉及到一次調(diào)頻過程可能引起的功率振蕩、可調(diào)裕度、機(jī)組穩(wěn)定等因素，也沒有體現(xiàn)機(jī)組在電網(wǎng)擾動后快速支援能力的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，建議在后續(xù)規(guī)范措施中加以考慮。另外，考核時(shí)也可以區(qū)分不同類型發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻能力，如燃機(jī)調(diào)頻能力突出（大于等于4%Pn）、汽包爐調(diào)頻能力良好（約4%Pn）、調(diào)門截流型直流爐調(diào)頻能力一般（小于等于2.5%Pn）、調(diào)門全開型1 000 MW 直流爐調(diào)頻能力較差（小于等于等[2]。

2 一次調(diào)頻影響因素

2.1 一次調(diào)頻控制品質(zhì)的影響因素

結(jié)合上述考核方法，可以從4 個(gè)方面討論對一次調(diào)頻控制品質(zhì)產(chǎn)生影響的主要因素：信號采集、控制邏輯、運(yùn)行方式、設(shè)備因素。

（1）信號采集。一次調(diào)頻的控制回路中，一般采用汽輪機(jī)DEH（數(shù)字電液控制系統(tǒng)）轉(zhuǎn)速卡采集的“汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速”信號或通過頻率變送器接入DCS（分散控制系統(tǒng)）的“發(fā)電機(jī)出口/主變出口/出口母線頻率”信號來代表網(wǎng)頻。然而，目前絕大多數(shù)的網(wǎng)頻波動幅度范圍在49.95～50.05 Hz，對應(yīng)的發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速為2 997～3 003 r/min，這說明發(fā)電機(jī)組日常主要是響應(yīng)超死區(qū)后1 r/min 以內(nèi)的一次調(diào)頻動作。相應(yīng)的，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速/網(wǎng)頻的信號測量精度最好要能夠達(dá)到0.2 r/min 或更高，量程不可設(shè)置過大。另外，CCS（協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）側(cè)和DEH 側(cè)的頻率信號來源應(yīng)該是統(tǒng)一的，避免兩側(cè)的調(diào)節(jié)過程不一致[3]。

（2）控制邏輯。在DEH 一次調(diào)頻邏輯中，電網(wǎng)頻率變化引起汽輪機(jī)調(diào)速汽門的直接動作，可以充分利用機(jī)組蓄能，以滿足電網(wǎng)響應(yīng)快速性的要求；CCS 一次調(diào)頻邏輯將頻差信號根據(jù)轉(zhuǎn)速不等率轉(zhuǎn)換為負(fù)荷指令的偏差，經(jīng)限幅后疊加在機(jī)組負(fù)荷指令上，通過CCS 使鍋爐、汽輪機(jī)同時(shí)動作。CCS+DEH 方式綜合了前2 種方式的優(yōu)點(diǎn)，是比較常見的方案。另外，為了加快一次調(diào)頻響應(yīng)，一次調(diào)頻控制回路中不宜設(shè)置限速環(huán)節(jié)。

（3）運(yùn)行方式。可能導(dǎo)致與一次調(diào)頻動作反向的運(yùn)行方式有2 種：定壓方式和AGC 方式。新建機(jī)組多數(shù)是采用滑壓（或定-滑-定）運(yùn)行方式，這種方式節(jié)流損失小，機(jī)組效率高，但蓄熱能力較差。少數(shù)機(jī)組采用定壓運(yùn)行方式，對機(jī)前壓力的偏差要求很嚴(yán)格，在壓力拉回邏輯的作用下，會對一次調(diào)頻產(chǎn)生反拉作用。另一種反拉作用來自投運(yùn)AGC 的機(jī)組，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變動方向與一次調(diào)頻相反時(shí)（如在機(jī)組降負(fù)荷過程中因網(wǎng)頻低需要一次調(diào)頻增加負(fù)荷），則一次調(diào)頻貢獻(xiàn)量會被負(fù)荷下降抵消部分或全部。就機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式而言，機(jī)跟爐方式的一次調(diào)頻響應(yīng)速度和裕量都較差[4]。

（4）設(shè)備因素。調(diào)速系統(tǒng)、通信等設(shè)備的問題也比較常見。由于調(diào)速器、傳動放大機(jī)構(gòu)和配汽機(jī)構(gòu)部件有摩擦、間隙等原因使調(diào)速系統(tǒng)遲緩率過大，造成調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定；由于測量和干擾等問題造成與調(diào)度端的通信數(shù)據(jù)有偏差；由于DEH控制系統(tǒng)信號的傳遞時(shí)間較長，影響調(diào)速汽門的響應(yīng)速度；調(diào)速汽門線性度不好，尤其是在順序閥運(yùn)行時(shí)的重疊區(qū)，閥位的微小變化會造成負(fù)荷的劇烈波動。另外，還有小部分采用低壓透平油純電調(diào)的老機(jī)組，一次調(diào)頻的響應(yīng)速度和控制精度都很難滿足要求。

2.2 一次調(diào)頻對運(yùn)行參數(shù)的影響

反之，一次調(diào)頻動作對機(jī)組運(yùn)行參數(shù)也有一定的影響。

（1）調(diào)頻動作影響主汽壓力：汽輪機(jī)調(diào)門開度隨著一次調(diào)頻動作時(shí)，主汽壓力隨著調(diào)門開度的增大而減小。主汽壓變化的幅度不僅取決于一次調(diào)頻的作用方式（DEH 及CCS），而且與機(jī)組容量及制粉系統(tǒng)特性有關(guān)：小容量及中儲式制粉系統(tǒng)的機(jī)組汽壓響應(yīng)快，機(jī)組可控性好，能快速恢復(fù)；而直吹式制粉系統(tǒng)的機(jī)組鍋爐熱慣性大，汽壓偏離和恢復(fù)速度都較慢，容易造成較大的偏差。

（2）當(dāng)CCS 一次調(diào)頻回路投入時(shí)，頻差動作導(dǎo)致負(fù)荷指令快速變化，當(dāng)動作幅度較大時(shí)，勢必對鍋爐的燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。而且，機(jī)側(cè)調(diào)門的快速動作與爐側(cè)燃燒指令的突變也會對汽包水位或中間點(diǎn)溫度（焓值）產(chǎn)生擾動。鑒于一次調(diào)頻幅度有限，對主汽溫度影響不大。

3 控制優(yōu)化

在實(shí)施一次調(diào)頻控制優(yōu)化時(shí)，可以從加快響應(yīng)速度、增加調(diào)頻容量、維持調(diào)頻連續(xù)性和電網(wǎng)穩(wěn)定性等方面進(jìn)行考慮。

（1）提高信號采集精度。采用高精度的頻率變送器，并適當(dāng)減小頻率信號的量程，多點(diǎn)測量且優(yōu)選后可以得到高精度的信號；經(jīng)交流采樣計(jì)算（或同步相量測量裝置）得到的頻率也是較高精度的頻率信號。將統(tǒng)一的高精度頻率信號同時(shí)用于CCS 側(cè)和DEH 側(cè)的一次調(diào)頻，可以提高響應(yīng)速度，促進(jìn)機(jī)爐兩側(cè)的動作協(xié)調(diào)。

（2）修正DEH 調(diào)頻前饋。EDH 側(cè)的一次調(diào)頻前饋直接將頻差信號轉(zhuǎn)化為綜合閥位指令增量控制調(diào)門的開度，取消限速或慣性環(huán)節(jié)，可以快速改變進(jìn)汽量和機(jī)組負(fù)荷。將前饋乘以某些修正因子，可以改善不同工況下的一次調(diào)頻效果。壓力修正因子隨著機(jī)前壓力的降低而增大[5]；負(fù)荷修正因子隨著機(jī)組負(fù)荷的降低而增大；轉(zhuǎn)速差修正因子可以在小頻差范圍內(nèi)變大，這與變轉(zhuǎn)速不等率的頻率/功率折線函數(shù)類似[6]；流量曲線修正因子可以在區(qū)分單閥、順序閥進(jìn)汽方式的情況下依據(jù)流量曲線進(jìn)行調(diào)整，這與通過試驗(yàn)或數(shù)據(jù)挖掘方法修改流量曲線的結(jié)果類似。

（3）加快爐側(cè)功率響應(yīng)。為了盡快彌補(bǔ)一次調(diào)頻消耗的鍋爐蓄熱和維持汽壓穩(wěn)定，可以在鍋爐側(cè)控制邏輯中減少給水指令的慣性時(shí)間，增加燃料、風(fēng)量、一次風(fēng)壓（直吹式制粉系統(tǒng)）等指令的一次調(diào)頻前饋。這一前饋類似于微分作用，需隨一次調(diào)頻過程呈現(xiàn)快速增加、平緩減小的趨勢。其次，也可以根據(jù)需要取消風(fēng)/煤交叉限制。

（4）避免壓力反調(diào)或AGC 反調(diào)[7]。有2 種方式可以避免壓力反調(diào)：一種是在壓力控制回路中設(shè)置適當(dāng)增大的壓力偏差死區(qū)，只有一次調(diào)頻動作時(shí)引起的壓力偏差超過死區(qū)時(shí)才進(jìn)行壓力控制或壓力修正；另一種是將頻率偏差信號或功率調(diào)頻因子經(jīng)折線函數(shù)疊加在壓力設(shè)定值上，使壓力設(shè)定值隨著一次調(diào)頻動作而合理變化。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在主調(diào)閥流量曲線拐點(diǎn)或順序閥切換點(diǎn)時(shí)，采用升壓或降壓方式可提高一次調(diào)頻精度。為了避免AGC 引起的一次調(diào)頻反調(diào)，可以在一次調(diào)頻動作時(shí)暫時(shí)閉鎖AGC 指令的變化。

（5）減小調(diào)頻死區(qū)[8]。由于機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)存在遲緩率，頻差越死區(qū)后往往不能及時(shí)動作。因此，適當(dāng)減小一次調(diào)頻控制死區(qū)（如火電機(jī)組設(shè)置為每分鐘1.6 r/min），可讓機(jī)組提前觸發(fā)一次調(diào)頻動作。但這種方法可能導(dǎo)致調(diào)門動作過于頻繁或誤動，且會引起機(jī)組功率在死區(qū)附近振蕩。

（6）快動緩回控制[9]。為了提高調(diào)頻能力和降低功率振蕩風(fēng)險(xiǎn)，可以在一次調(diào)頻邏輯中閉鎖或限制與頻差反向的調(diào)頻作用，典型邏輯如圖3 所示。比如，當(dāng)頻率低于額定值越過死區(qū)繼續(xù)減小過程中，進(jìn)行快速一次調(diào)頻控制；而當(dāng)頻率開始增大時(shí)，閉鎖或減緩頻差對應(yīng)的功率調(diào)節(jié)量減小，直到頻差小于恢復(fù)值。

圖3 快動緩（慢）回一次調(diào)頻邏輯

（7）減少回?zé)峄蚬岢槠?大容量（特別是1 000 MW）的常規(guī)火電機(jī)組往往在低頻時(shí)不能及時(shí)提供足夠的一次調(diào)頻負(fù)荷變化量。為緩解這一問題，減少高（低）壓加熱器或熱網(wǎng)所用的抽汽可以快速增加汽輪機(jī)通流量和機(jī)組負(fù)荷，但需避免調(diào)閥動作過于頻繁，宜作為頻差較大時(shí)的一次調(diào)頻策略。主要有3 種方法：凝結(jié)水節(jié)流、高加旁路控制、直接抽汽調(diào)節(jié)。凝結(jié)水節(jié)流通過凝結(jié)水泵出口調(diào)閥或凝結(jié)水泵變頻器來減小凝結(jié)水流量，從而減少進(jìn)入各低壓加熱器的抽汽；一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間為10～20 s，功率改變量可達(dá)20 MW，且與凝結(jié)水流量變化成比例；可與滑壓曲線協(xié)同優(yōu)化，需注意除氧器水位、凝汽器熱井水位、低加水位等相關(guān)邏輯的完善。高加旁路控制通過給水旁路調(diào)閥來分配主給水流量，以排擠高壓加熱器的抽汽，并可利用省煤器蓄熱；一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間為1～2 s，1 min 內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平均11 MW 的負(fù)荷響應(yīng)；可作為主調(diào)閥控制的輔助策略，需關(guān)注高加水位和給水系統(tǒng)擾動，注意給水溫度、高加汽側(cè)壓力過快變化對高加、給水管道、省煤器等設(shè)備造成的應(yīng)力影響。熱網(wǎng)系統(tǒng)的蓄能很大，短時(shí)減少部分抽汽對其壓力和溫度影響較小；因此，對于供熱機(jī)組，可以在熱網(wǎng)壓力波動允許范圍內(nèi)關(guān)小供熱抽汽調(diào)閥，以利用供熱系統(tǒng)的蓄能參與一次調(diào)頻，最大負(fù)荷增加量可達(dá)15 MW[10-13]。

（8）采用補(bǔ)汽閥控制。上汽百萬千瓦機(jī)組多采用補(bǔ)汽閥設(shè)計(jì)，補(bǔ)汽閥可快速將部分主蒸汽從第5 級引入汽輪機(jī)，調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間小于3 s，可避免主汽調(diào)閥12～20 kJ/kWh 的節(jié)流損失，對主蒸汽壓力影響較小，能量儲備充足，可應(yīng)對電網(wǎng)故障引起的大頻差工況。但是，多數(shù)該型機(jī)組的補(bǔ)汽閥處于關(guān)閉狀態(tài)，主要原因在于補(bǔ)汽閥開啟后引入的蒸汽會導(dǎo)致機(jī)組振動、軸瓦溫升等問題，通過補(bǔ)汽管道整流裝置、可傾式軸瓦等設(shè)備改造可緩解這些問題[14]。

（9）冷卻工質(zhì)背壓調(diào)頻。通過變頻方式增加凝汽器冷卻工質(zhì)（冷卻水或空氣）的流量，可以減小凝汽器汽側(cè)背壓，進(jìn)而挖掘汽輪機(jī)末級蒸汽熱能來提高機(jī)組出力。但是，長期或頻繁偏離最佳背壓會影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性，因此可作為后補(bǔ)調(diào)頻手段[15]。

從電網(wǎng)角度考慮，可以根據(jù)轄區(qū)內(nèi)各機(jī)組一次調(diào)頻能力進(jìn)行區(qū)分優(yōu)化[16]：對于一次調(diào)頻能力較強(qiáng)的機(jī)組，設(shè)置較小的速度不等率；對于調(diào)頻能力較弱的機(jī)組設(shè)置較大的速度不等率。也可以試點(diǎn)實(shí)施無死區(qū)一次調(diào)頻控制，即在常規(guī)調(diào)頻死區(qū)內(nèi)進(jìn)行改變調(diào)速器頻率設(shè)定值的下垂控制，在常規(guī)頻差死區(qū)值附近進(jìn)行下垂控制和常規(guī)一次調(diào)頻控制的平緩切換[17]。

一次調(diào)頻動作可能引發(fā)電網(wǎng)的功率振蕩。如圖4 所示，頻率越過死區(qū)（49.967 Hz）和功率振蕩同時(shí)發(fā)生。引起振蕩的一次調(diào)頻原因主要有死區(qū)設(shè)置過小、轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置過小、PID 比例參數(shù)設(shè)置過大[18]、調(diào)速機(jī)構(gòu)遲緩率過大、流量曲線設(shè)置不合理等。可以通過改善參數(shù)設(shè)置、采用快動緩回等策略來減小功率振蕩的風(fēng)險(xiǎn)；也可以參考如圖5 所示的非線性調(diào)速側(cè)穩(wěn)定控制[19]，通過限制與調(diào)頻反向的指令變化速率來防止功率振蕩。

圖4 一次調(diào)頻引發(fā)的功率振蕩曲線

圖5 一次調(diào)頻非線性調(diào)速側(cè)穩(wěn)定控制

為了穩(wěn)定頻率和抑制功率振蕩，文獻(xiàn)[20]提出了有差轉(zhuǎn)子角控制方法。絕對轉(zhuǎn)子角指發(fā)電機(jī)q軸在GPS（全球定位系統(tǒng)）確定的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的角度，可看成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的積分量，在PMU（同步相量測量裝置）中可以通過汽輪機(jī)鍵相脈沖和GPS 秒脈沖之間的時(shí)間差直接測得。以轉(zhuǎn)子角偏差的比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)替換常規(guī)一次調(diào)頻邏輯中的轉(zhuǎn)速（頻率）偏差的比例環(huán)節(jié)，不僅可以自動跟蹤負(fù)荷，還可實(shí)現(xiàn)頻率快速無差調(diào)節(jié)。但采用這種控制方式需要修改調(diào)度端的潮流計(jì)算和指令下達(dá)方式，也要對發(fā)電廠端的汽輪機(jī)調(diào)整頻度重點(diǎn)關(guān)注。

4 輔助調(diào)頻

隨著清潔能源的快速發(fā)展，火電機(jī)組的裝機(jī)和運(yùn)行比例逐年下調(diào)，以火電為主力的一次調(diào)頻容量將逐漸減少；另外，跨大區(qū)的特高壓建設(shè)存在影響更嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，特高壓直流閉鎖故障可能瞬間引起幾百萬千瓦的功率缺失，這給受端一次調(diào)頻響應(yīng)能力帶來很大考驗(yàn)。因此，有必要研究和應(yīng)用一次調(diào)頻的輔助措施，諸如清潔能源調(diào)頻（水電、光伏、風(fēng)電）和儲能調(diào)頻（儲能系統(tǒng)、電動汽車）等。

水電機(jī)組雖然響應(yīng)速度較慢（80 s 以上達(dá)到目標(biāo)出力），但其可調(diào)幅度大、持續(xù)時(shí)間長、調(diào)頻精度高，因此適合用于電網(wǎng)頻率變化過大（如低于49.95 Hz）時(shí)的一次調(diào)頻響應(yīng)。為了避免水電機(jī)組與火電機(jī)組在調(diào)頻過程中的抵消作用和水電機(jī)組調(diào)速器的頻繁動作，可以將水電機(jī)組的調(diào)頻死區(qū)適當(dāng)增大，且將其永態(tài)調(diào)差系數(shù)適當(dāng)減小。

為了引入新能源場站的一次調(diào)頻作用，相關(guān)技術(shù)規(guī)定明確要求[21]：當(dāng)光伏發(fā)電站可用發(fā)電功率超過裝機(jī)容量的20%時(shí)，應(yīng)具備參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的功能；系統(tǒng)頻率下降時(shí)，有功最大可增加量不低于電站裝機(jī)容量的6%；系統(tǒng)頻率上升時(shí)，有功最大可減少量不低于電站裝機(jī)容量的10%；一次調(diào)頻啟動時(shí)間應(yīng)小于3 s，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于10 s，調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)小于30 s，有功功率的調(diào)整量偏差絕對值應(yīng)小于電站裝機(jī)容量的1%；一次調(diào)頻控制模式至少包含基本控制，宜包含分段控制。為滿足這些要求，需在新能源并網(wǎng)控制器中引入VSG（虛擬同步發(fā)電機(jī)）思想，來構(gòu)建慣量支撐和一次調(diào)頻運(yùn)行特性，分別提供對系統(tǒng)頻率的微分反饋控制和比例反饋控制[22]。

大型風(fēng)電場的主力機(jī)型（雙饋型、永磁直驅(qū)型）普遍采用背靠背雙PWM（脈寬調(diào)制）變流器拓?fù)洌允噶靠刂茖?shí)現(xiàn)有功與無功解耦，以變流器和變槳系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。為響應(yīng)頻率跌落，需先通過切換功率跟蹤曲線、變槳調(diào)節(jié)、超速控制等方法來為調(diào)頻預(yù)留備用容量（20%～33%），且宜結(jié)合虛擬慣性控制。切換功率跟蹤曲線可以實(shí)現(xiàn)可控慣性響應(yīng)，以減小擾動初期頻率變化率；根據(jù)風(fēng)況、風(fēng)力機(jī)特性和合理調(diào)差系數(shù)，改變槳距角，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組可控減載水平下的一次調(diào)頻控制，減小擾動后的頻率變化；在中低風(fēng)速工況下，控制轉(zhuǎn)子超速運(yùn)行，也可以為快速響應(yīng)一次調(diào)頻保留部分有功備用，但存在控制盲區(qū)[23]。

儲能系統(tǒng)形式多樣（如能量型的電池、抽蓄、壓縮空氣；功率型的飛輪、超導(dǎo)、超級電容器等）、控制靈活、響應(yīng)快速，可以采用集中或分布配置方式輔助參與一次調(diào)頻，能有效抑制風(fēng)電功率中、高頻諧波分量，減小系統(tǒng)頻率偏差幅度及其越死區(qū)持續(xù)時(shí)間，比傳統(tǒng)調(diào)頻電源高效數(shù)倍，但成本較高。BES（儲能電池）應(yīng)用最廣，應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模已達(dá)4 MW×4 h。控制方面，在綜合虛擬慣性和可變下垂特點(diǎn)基礎(chǔ)上，還可通過虛擬負(fù)慣性控制來減輕頻率恢復(fù)過程中的阻力，同時(shí)需要使SoC（荷電狀態(tài)）運(yùn)行在合理區(qū)間以提高循環(huán)壽命[24]。充放電深度、調(diào)頻動作時(shí)機(jī)、容量配置策略、仿真模型及與其它調(diào)頻電源的協(xié)調(diào)等方面的研究是儲能調(diào)頻進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵。

大規(guī)模EV（電動汽車）既是接入電網(wǎng)的可控充電負(fù)荷，也是V2G（分布式移動儲能）裝置，可用資源充足，接入點(diǎn)靠近負(fù)荷中心，能量轉(zhuǎn)換效率高，功率響應(yīng)快速，可以輔助參與能量需求較低的頻率調(diào)節(jié)。控制方面分為維持能量和補(bǔ)給能量兩個(gè)部分：可通過橢圓函數(shù)反映充/放（或單充）電下垂系數(shù)和電池SoC 的對應(yīng)關(guān)系，來維持一次調(diào)頻下垂控制過程中電池能量的動態(tài)平衡；根據(jù)車輛限制、用戶需求和電池SoC，實(shí)時(shí)修正充電計(jì)劃，以補(bǔ)充能量缺失[25]。

5 遠(yuǎn)程在線測試和估計(jì)

發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻性能常規(guī)上是通過在發(fā)電廠控制系統(tǒng)中人為模擬頻率的階躍變化來測試的，這種現(xiàn)場試驗(yàn)不僅代價(jià)很大，而且不能真實(shí)反映機(jī)組在頻率連續(xù)變化過程中的一次調(diào)頻響應(yīng)。鑒于此，近來各大網(wǎng)省電力部門都在推進(jìn)遠(yuǎn)程一次調(diào)頻在線測試系統(tǒng)的部署，雖然信號和功能有所不同，但都包括調(diào)度主站端、電廠端和數(shù)據(jù)通道3 個(gè)基礎(chǔ)部分。 調(diào)度主站端一方面通過SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）下發(fā)測試信號，另一方面通過WAMS（廣域監(jiān)測系統(tǒng)）接收PMU 上傳信號并進(jìn)行在線分析評價(jià)和統(tǒng)計(jì)記錄。電廠端一方面接收主站端下發(fā)的指令，切換到一次調(diào)頻在線測試模式，并按測試頻率進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，另一方面通過PMU 或RTU（遠(yuǎn)動裝置）上傳實(shí)時(shí)頻率、功率等信號。主站端與電廠端通過調(diào)度數(shù)據(jù)專網(wǎng)、PMU 和RTU 進(jìn)行數(shù)據(jù)的安全傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)[26]。

主站端，在下發(fā)指令前需要確認(rèn)更充分的機(jī)組和電網(wǎng)信息，當(dāng)機(jī)組處于甩負(fù)荷、RB（快速減負(fù)荷）動作、啟/停磨煤機(jī)、接近滿負(fù)荷或穩(wěn)燃負(fù)荷等特殊工況時(shí)，應(yīng)禁止一次調(diào)頻在線測試；當(dāng)電壓/頻率波動較大、大范圍跳閘、直流閉鎖等電網(wǎng)不穩(wěn)定期，應(yīng)對一次調(diào)頻測試進(jìn)行限制。 另外，WAMS 不僅可以利用接收到的功率、 頻率等信息，在線計(jì)算和統(tǒng)計(jì)各機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)、轉(zhuǎn)速不等率、貢獻(xiàn)率、調(diào)頻裕度等信息，還可以基于更多信息（如機(jī)組主汽壓、主汽閥開度、鍋爐蓄熱、故障頻率響應(yīng)等），辨識機(jī)組調(diào)頻模型，優(yōu)化一次調(diào)頻性能評價(jià)方法，搭建一次調(diào)頻預(yù)估模塊，構(gòu)建機(jī)組一次調(diào)頻能力區(qū)域分布以優(yōu)化調(diào)度[27]。

電廠端，需要修改DCS 原有一次調(diào)頻邏輯，增加測試切換、安全校核等功能。也可以在RTU和DCS 之間增加子站裝置，不僅可以存儲或轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)際的電網(wǎng)歷史頻率曲線，進(jìn)行歷史電網(wǎng)頻率擾動條件下的一次調(diào)頻在線測試，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全校驗(yàn)、調(diào)頻過程故障診斷、調(diào)頻考核就地分析統(tǒng)計(jì)、事件反演與追憶、調(diào)頻裕度實(shí)時(shí)計(jì)算等功能。

數(shù)據(jù)通道方面，通常通過RTU 向發(fā)電廠DCS轉(zhuǎn)發(fā)測試頻率指令信號，這往往會遇到RTU 通道數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間精度的限制：一方面，在運(yùn)發(fā)電廠的RTU 備用通道有限，添加一次調(diào)頻在線測試信號時(shí)不能保證完全滿足要求；另一方面，RTU 轉(zhuǎn)發(fā)信號的時(shí)間間隔最短為秒級，而一次調(diào)頻動作的考核時(shí)間長度約為60 s，RTU 不能將連續(xù)變化的電網(wǎng)擾動測試頻率信號有效地轉(zhuǎn)發(fā)到DCS。另外，PMU 采樣率較高（4 000 Hz 以上），但一般只用于信號的采集上傳。利用PMU 作為一次調(diào)頻在線測試指令的轉(zhuǎn)發(fā)裝置是一種值得探討的新思路，涉及相關(guān)規(guī)約的修改和安全措施的完善，需要慎重考慮。