火電機(jī)組一次調(diào)頻特性分析

徐優(yōu)

摘要：火電機(jī)組一次調(diào)頻的目的在于調(diào)節(jié)電流頻率，保持電流輸送的穩(wěn)定性。一次調(diào)頻可以有效防止電路負(fù)荷變動或者電路斷路帶來的頻率突變問題，對于保持電力系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。通過介紹三種典型的調(diào)速控制方式，分析一次調(diào)頻主要控制參數(shù)，借助仿真實(shí)驗(yàn)分別研究改變調(diào)速器的時間常數(shù)和限幅對一次調(diào)頻的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為實(shí)際工作提供參考性建議。

關(guān)鍵詞：一次調(diào)頻;調(diào)速控制方式;控制參數(shù);時間常數(shù);限幅

1引言

隨著中國城市化進(jìn)程的不斷加深，普通居民對于家庭用電的要求也越來越高，根據(jù)國內(nèi)外城市大型停電事故帶來的問題可知，現(xiàn)代科技還無法很好地解決負(fù)荷突變帶來的停電問題，為了使電力系統(tǒng)可以持續(xù)穩(wěn)定的輸送電能，可以在電力系統(tǒng)中加入一次調(diào)頻，它可以有效控制負(fù)荷突變帶來的頻率波動問題，在一定程度上優(yōu)化了電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2典型控制方式

2.1DEH側(cè)一次調(diào)頻

數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）的工作原理是直接控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)各部件閥門的間接控制，由于采用了液壓控制機(jī)構(gòu)所以控制響應(yīng)時間短并且精度高，具有優(yōu)良的線性控制能力和極短的閥門遲緩率。DEH通過輸出閥門開度控制信號主要實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速偏差、調(diào)節(jié)級壓力以及功率的控制，DEH可以作為獨(dú)立的控制單元完成一次調(diào)頻的工作，也可以和其他控制系統(tǒng)聯(lián)合成為執(zhí)行單元，例如和發(fā)電機(jī)組的分散控制系統(tǒng)（DCS）[4]配合不僅實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻控制，還有鍋爐協(xié)調(diào)控制，熱狀態(tài)啟動控制等工作。

DEH單獨(dú)使用的最大缺陷在于閥門控制曲線和重合度之間的沖突，DEH對于每個閥門都具有獨(dú)立的控制曲線，實(shí)現(xiàn)對不同閥門開度的自動化控制，所以對閥門控制曲線的設(shè)計(jì)是評價一次調(diào)頻是否合格的重要指標(biāo)，但是太過復(fù)雜的控制曲線需要設(shè)置許多額外的傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備，不僅加大了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)成本，而且間接降低了系統(tǒng)的自動化程度。所以一般的發(fā)電機(jī)組為了提高汽輪機(jī)的熱效率，采用的是最簡單的順序閥門控制曲線，并盡可能減少閥門之間的重合度。但是在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，在閥門切換的時刻，經(jīng)常會出現(xiàn)用于一次調(diào)頻發(fā)生的閥門增量被用于閥門切換的預(yù)啟動量，這樣就導(dǎo)致某些負(fù)荷點(diǎn)的調(diào)頻效果沒有達(dá)到理想值，而且這樣也間接影響了發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

2.2CCS側(cè)一次調(diào)頻

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）通常和DEH共同使用，DEH既可以作為控制機(jī)構(gòu)和CCS協(xié)同工作，也可以只作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)受CCS的控制，當(dāng)只作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，DEH只需要對轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行控制，而CCS對調(diào)節(jié)級壓力以及功率進(jìn)行控制。當(dāng)DEH作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)時可以減少汽輪機(jī)主汽壓力對一次調(diào)頻的影響，控制效果肯定優(yōu)于DEH獨(dú)立控制，這也是一種比較主流的電網(wǎng)調(diào)頻方式。

但是CCS也存在有諸多缺點(diǎn)，由于兩套控制系統(tǒng)是協(xié)同工作的，所以較容易出現(xiàn)控制沖突的問題，具體表現(xiàn)為DEH側(cè)一次調(diào)頻出現(xiàn)響應(yīng)緩慢或者反調(diào)現(xiàn)象，使得一次調(diào)頻工作無法正常進(jìn)行。其原因在于當(dāng)需要進(jìn)行一次調(diào)頻時，DEH會立即響應(yīng)改變相應(yīng)閥門的開度，相應(yīng)的調(diào)節(jié)級壓力或者機(jī)前壓力出現(xiàn)變化，CCS的壓力調(diào)節(jié)回路對壓力變化進(jìn)行補(bǔ)償，輸出調(diào)頻發(fā)生的閥門增量，該閥門增量與引起DEH動作的一次調(diào)頻指令方向相反，這樣就導(dǎo)致DEH出現(xiàn)響應(yīng)緩慢或者反調(diào)等現(xiàn)象，除此之外CCS還存在有一次調(diào)頻死區(qū)的問題，CCS是基于電網(wǎng)頻率信號設(shè)計(jì)死區(qū)的，從理論上來講不存在有調(diào)頻死區(qū)的缺陷，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中由于設(shè)計(jì)測量誤差等問題會導(dǎo)致兩套控制系統(tǒng)的協(xié)同工作不能完美同步，偶爾會出現(xiàn)一側(cè)已經(jīng)完成一次調(diào)頻另一側(cè)無動作的現(xiàn)象，這雖然對一次調(diào)頻的總體效果影響不是很大，但是在長時間運(yùn)行過后也會成為一個不可忽視的問題。

2.3聯(lián)合一次調(diào)頻

聯(lián)合一次調(diào)頻即采用兩種或者兩種以上的控制系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)行一次調(diào)頻，除了上一節(jié)介紹最常見的DEH和CCS的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，還有DEH和EH組成的電液控制系統(tǒng)，將DEH作為控制單元，EH作為執(zhí)行單元實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)主汽門和調(diào)節(jié)閥門的開度控制，還有對發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、壓力、負(fù)荷等參數(shù)的控制。這些聯(lián)合控制系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際工作需要進(jìn)行安裝，但是并不是控制系統(tǒng)的復(fù)雜度越高越好，太過復(fù)雜的控制系統(tǒng)極容易出現(xiàn)控制沖突等問題。

3特性分析

3.1一次調(diào)頻主要參數(shù)

一次調(diào)頻的效果不僅依靠控制系統(tǒng)的工作性能，發(fā)電機(jī)組的各種參數(shù)對一次調(diào)頻的效果也具有較大的影響，這里主要介紹三種影響最大的參數(shù)：調(diào)頻死區(qū)、調(diào)差系數(shù)、負(fù)荷變化幅度。下面具體分析各個參數(shù)對于一次調(diào)頻效果的具體影響。

調(diào)頻死區(qū)，在不影響電網(wǎng)穩(wěn)定性的前提下，電網(wǎng)頻率小范圍的頻繁波動是可以不進(jìn)行調(diào)頻處理的，但是由于DEH的響應(yīng)時間極短，這會引起閥門高頻率動作，這在一定程度上會減少發(fā)電機(jī)組的使用壽命，所以為了解決這個問題需要設(shè)置適宜的調(diào)頻死區(qū)，在電網(wǎng)處于該頻率范圍內(nèi)時，控制系統(tǒng)可以不發(fā)生動作，但是調(diào)頻死區(qū)范圍不能設(shè)置得過大，這樣會使得控制系統(tǒng)完全不工作，在通常情況下火力發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻死區(qū)設(shè)置在±0.034Hz。

調(diào)差系數(shù)，也被稱為速度變動率，它是汽輪機(jī)無負(fù)荷和全負(fù)荷的轉(zhuǎn)速差值與汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速的比值，這個參數(shù)反映了汽輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，也間接反映了一次調(diào)頻的優(yōu)劣性，調(diào)差系數(shù)越小汽輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性越差，但是機(jī)組對一次調(diào)頻的能力越強(qiáng)，但是過大的調(diào)差系數(shù)會使汽輪機(jī)靈敏度變差，系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，所以一般汽輪機(jī)的調(diào)差系數(shù)在4%-5%之間。

負(fù)荷變化幅度，從理論上來講，負(fù)荷變化幅度為零是最理想的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，但是負(fù)荷的時刻波動也間接反映了發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，如果機(jī)組出現(xiàn)故障也可以及時發(fā)現(xiàn)并處理， 通常情況下，機(jī)組負(fù)荷變化幅度越大電網(wǎng)頻率變化也越大，對一次調(diào)頻的要求也越高。所以在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下會設(shè)置頻率變化限值，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化幅度過大時，處于頻率變化最大限值之內(nèi)的機(jī)組負(fù)荷將不會隨著頻率的變化而變化，這樣也就保證了發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。

3.2影響一次調(diào)頻參數(shù)分析

DEH可以近似看做電-液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以對一次調(diào)頻的影響較為直觀，本文主要分析CCS的時間常數(shù)和限幅對一次調(diào)頻的影響，在仿真實(shí)驗(yàn)中，只有CCS側(cè)一次調(diào)頻，DEH側(cè)一次調(diào)頻忽略不計(jì)。

時間常數(shù)，控制器的時間常數(shù)范圍較廣大致在0.2-2s之間，為了便于分析，這里取1s、1.5s、2s三個時間常數(shù)，對比調(diào)節(jié)閥門開度指令發(fā)起時間和響應(yīng)時間曲線得出結(jié)論，從結(jié)果中可以得出時間常數(shù)越大，調(diào)節(jié)閥門開度的響應(yīng)時間越短，并且開度變化曲線斜率越大。

限幅，控制系統(tǒng)從控制指令發(fā)出到閥門開始動作，控制指令需要進(jìn)行限幅處理以達(dá)到優(yōu)化控制的目的，在仿真實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)置限幅最大上限為1.05pu和1.1pu，比較機(jī)械功率隨時間變化規(guī)律，結(jié)果表明，對于機(jī)械功率變化曲線，從0-20s，1.1pu的限幅最大值曲線變化速率高于1.05pu，在20s之后1.1pu的曲線突然下降和1.05pu存在一定重合，之后1.1pu基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，而1.05pu逐漸下降，這說明了較大的限幅值對一次調(diào)頻響應(yīng)速度抑制作用較弱。

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