一次調(diào)頻技術(shù)及其對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響

吳瑞

摘要：為了維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，保證機(jī)組的安全，可以根據(jù)電網(wǎng)頻率控制的要求，對(duì)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的變化進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。而影響電網(wǎng)的頻率的最根本因素是發(fā)電功率和用電負(fù)荷兩者的大小關(guān)系，只有在發(fā)電功率和用電負(fù)荷的值相等情況下，才能電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。但是當(dāng)發(fā)電功率比用電負(fù)荷大時(shí)，電網(wǎng)頻率就會(huì)上升，而發(fā)電功率比用電負(fù)荷小時(shí)，電網(wǎng)頻率就會(huì)下降。那如何能夠確保電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定，這里就需要應(yīng)用到一次調(diào)頻技術(shù)。本文以主要介紹介紹直流爐一次調(diào)頻的相關(guān)參數(shù)及主要性能，分析一次調(diào)頻對(duì)發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)的影響因素，探討提高一次調(diào)頻性能的途徑和方法。

關(guān)鍵詞：直流爐；一次調(diào)頻；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

由于電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻考核越來越嚴(yán)，直接影響各個(gè)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。本文探討直流爐一次調(diào)頻技術(shù)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響。

1. 一次調(diào)頻概述及其主要性能參數(shù)

1．1一次調(diào)頻概述

一次調(diào)頻技術(shù)的具體內(nèi)容：一次調(diào)頻主要由兩個(gè)調(diào)頻回路組成并相互作用，它們分別是最終穩(wěn)定負(fù)荷的一次調(diào)頻回路和快速動(dòng)作的一次調(diào)頻回路。對(duì)于快速動(dòng)作的一次調(diào)頻回路開環(huán)控制，其最大作用是用來轉(zhuǎn)變電機(jī)機(jī)組的負(fù)荷，使得機(jī)組響應(yīng)時(shí)間達(dá)到一次調(diào)頻的技術(shù)要求，而最終穩(wěn)定負(fù)荷的一次調(diào)頻回路，是需要工作技術(shù)人員進(jìn)行手工操作進(jìn)行調(diào)節(jié)，目的是要穩(wěn)定最終的電機(jī)負(fù)荷真正達(dá)到所要求的大小。

一次調(diào)頻回路一般可分為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS一次調(diào)頻和數(shù)字電液控制系統(tǒng)DEH一次調(diào)頻，由這2部分的調(diào)頻回路共同作用，其中DEH一次調(diào)頻快速動(dòng)作(開環(huán)控制)，CCS一次調(diào)頻最終穩(wěn)定負(fù)荷(閉環(huán)控制)。一次調(diào)頻要求發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率變化的響應(yīng)要快，其響應(yīng)特性可視作一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)一般在10s左右。因機(jī)組蓄熱只能維持一段時(shí)間，故后期負(fù)荷又回到原值，但DEH側(cè)一次調(diào)頻的動(dòng)作值直接控制汽輪機(jī)調(diào)門，用于改變機(jī)組的負(fù)荷，使機(jī)組快速響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻的需要。CCS一次調(diào)頻最終穩(wěn)定負(fù)荷，CCS中的一次調(diào)頻由運(yùn)行人員手動(dòng)投入，一次調(diào)頻動(dòng)作后相當(dāng)于去調(diào)節(jié)負(fù)荷設(shè)定值MWD并確保和DEH的作用方向相同，防止DEH的調(diào)節(jié)作用被拉回，最終穩(wěn)定負(fù)荷到所需要的值。

1．2一次調(diào)頻主要性能參數(shù)

下面根據(jù)電網(wǎng)對(duì)頻率調(diào)節(jié)的基本要求，對(duì)一次調(diào)頻主要參數(shù)進(jìn)行說明。

1．2．1一次調(diào)頻死區(qū)

一次調(diào)頻死區(qū)也稱一次調(diào)頻不靈敏區(qū)，是指一次調(diào)頻功能不動(dòng)作的轉(zhuǎn)速(或頻率)偏離額定值的范圍。按照電網(wǎng)頻率控制要求，調(diào)頻控制死區(qū)采用轉(zhuǎn)速表示，△nSQ=±2 r／min，與此相對(duì)應(yīng)的頻率偏差死區(qū)為：△fSQ=±0.033 Hz。

1．2．2轉(zhuǎn)速不等率

機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率（δ）是指機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定值不變的情況下，機(jī)組功率由0至額定值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量（△n）與額定轉(zhuǎn)速(n0)的比值表示為δ=△n/n0，對(duì)承擔(dān)基本負(fù)荷的機(jī)組，其不等率一般取得大一些，以期電網(wǎng)周波的變化對(duì)其功率的影響較小，保證機(jī)組在經(jīng)濟(jì)工況下長(zhǎng)期運(yùn)行；對(duì)承擔(dān)尖峰負(fù)荷的機(jī)組，不等率要小一些，在電網(wǎng)周波變化后希望多分擔(dān)一點(diǎn)變動(dòng)負(fù)荷，一般要求在4％一6％之間。

1．2．3一次調(diào)頻投入的機(jī)組負(fù)荷范圍

理論上發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后就應(yīng)具備一次調(diào)頻能力，為了保證機(jī)組安全和穩(wěn)定運(yùn)行，提出了一次調(diào)頻投運(yùn)的負(fù)荷范圍概念。對(duì)于不同類型的發(fā)電機(jī)組，一次調(diào)頻投運(yùn)的負(fù)荷范圍不同。對(duì)于燃煤發(fā)電機(jī)組，調(diào)速器(DEH)一次調(diào)頻投運(yùn)的負(fù)荷范圍應(yīng)為機(jī)組正常運(yùn)行的負(fù)荷范圍，應(yīng)不低于不投油助燃的最低穩(wěn)燃負(fù)荷，最高為機(jī)組額定負(fù)荷。

1．2．4一次調(diào)頻機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)限制范圍

設(shè)置機(jī)組一次調(diào)頻最大幅度是因?yàn)榭焖俅蠓茸冐?fù)荷危及到機(jī)組的安全運(yùn)行。對(duì)于燃煤發(fā)電機(jī)組，機(jī)組通過調(diào)速器(DEH)快速一次調(diào)頻變負(fù)荷的最大幅度應(yīng)通過試驗(yàn)確定，主要以汽輪機(jī)調(diào)門快速變化時(shí)主蒸汽壓力、溫度等與機(jī)組安全運(yùn)行參數(shù)的允許變化幅度和速率為依據(jù)。另外，加負(fù)荷以汽輪機(jī)調(diào)門開足為限，減負(fù)荷以主蒸汽壓力上升幅度和速度到允許值(低于高旁動(dòng)作值)為限，一般為5％額定負(fù)荷。

1．2．5一次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)指標(biāo)

發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作越快，電網(wǎng)頻率恢復(fù)越快，所以，發(fā)電機(jī)組應(yīng)在保證機(jī)組安全的前提下盡量提高一次調(diào)頻的變負(fù)荷速度。發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作的動(dòng)態(tài)過程應(yīng)以機(jī)組功率對(duì)火電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)門響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性為依據(jù)，即用于一次調(diào)頻負(fù)荷的調(diào)節(jié)量階躍變化時(shí)，發(fā)電機(jī)組功率變化的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于火電發(fā)電機(jī)組來說，當(dāng)電網(wǎng)頻率偏離時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)門快速調(diào)頻，一次調(diào)頻的功率一般在30 s內(nèi)達(dá)到峰值。

2.? 一次調(diào)頻對(duì)發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響

無論是CSS調(diào)節(jié)還是DEH單側(cè)調(diào)節(jié)，其核心的關(guān)鍵都是要對(duì)調(diào)門開度的變化上進(jìn)行控制，一次調(diào)頻技術(shù)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響實(shí)質(zhì)上就是通過改變負(fù)荷的初始設(shè)定值，從而產(chǎn)生定向的擾動(dòng)現(xiàn)象來平衡電網(wǎng)頻率的變化，以某火力發(fā)電廠為例，將一次調(diào)頻技術(shù)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的具體的影響概括為以下幾點(diǎn)：第一，由于在頻率不動(dòng)作時(shí)，調(diào)門的理論上邊際壓力應(yīng)控制在0.2MPa上下，但是當(dāng)一次調(diào)頻開始工作時(shí)，會(huì)將調(diào)門邊際壓力擴(kuò)充到0援6MPa左右，因此在為了穩(wěn)定負(fù)荷的影響，是會(huì)影響到調(diào)門邊際壓力的，同時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)頻率上的尖峰波動(dòng)出現(xiàn)較多時(shí)，也會(huì)造成負(fù)荷和壓力都會(huì)波動(dòng)的影響。第二，鍋爐蓄熱的影響，為了在具體的一次調(diào)頻工作時(shí)保證調(diào)頻范圍滿足要求，需要保證充足的煤量和供水量。第三，調(diào)門晃動(dòng)的影響，主要是一次調(diào)頻頻繁工作的原因，這樣會(huì)進(jìn)一步影響油壓的變化，從而對(duì)調(diào)門指令造成誤差，最終影響控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性。第四，負(fù)荷指令的變化影響，在實(shí)際的一次調(diào)頻工作中，會(huì)有一定的負(fù)荷指令變化，這樣就會(huì)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)帶來一些額外的擾動(dòng)影響。

3.? 提高一次調(diào)頻動(dòng)作效果的控制策略

由于電網(wǎng)調(diào)度考核一次調(diào)頻選取的是電網(wǎng)頻率，而一般電廠一次調(diào)頻取源為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。在電網(wǎng)頻率變化時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化滯后于電網(wǎng)頻率的變化，再加上轉(zhuǎn)速測(cè)量本身精度等問題，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不能完全代表電網(wǎng)頻率的變化，從而影響了一次調(diào)頻的動(dòng)作效果。有些電廠改造現(xiàn)有的頻率測(cè)量設(shè)備，提高電網(wǎng)頻率測(cè)量精度，直接用電網(wǎng)頻率來作為一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)量，以提高一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)效果。為了提高一次調(diào)頻動(dòng)作效果及正確率，某電廠對(duì)一次調(diào)頻控制策略進(jìn)行了一些優(yōu)化，修改前、后的CCS如圖1、圖2所示。

圖1原CCS側(cè)一次調(diào)頻回路及汽輪機(jī)主控回路

(1)原邏輯中DCS調(diào)節(jié)回路中一次調(diào)頻動(dòng)作回路需要經(jīng)過負(fù)荷變化速率限制后，最終作用到調(diào)門開度變化，影響了一次調(diào)頻響應(yīng)速度。將一次調(diào)頻動(dòng)作值跳過速率限制模塊，直接加在調(diào)門開度控制PID前。

(2)針對(duì)在一次調(diào)頻后半段負(fù)荷不能繼續(xù)維持而導(dǎo)致一次調(diào)頻動(dòng)作不合格的問題，經(jīng)過仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，在汽輪機(jī)主控回路中的壓力拉回回路死區(qū)偏小，當(dāng)壓力

圖2修改后CCS側(cè)一次調(diào)頻回路及汽輪機(jī)主控回路

超過0．03 MPa時(shí)，壓力拉回回路就會(huì)為了穩(wěn)定壓力而犧牲負(fù)荷。因此，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)投切回路，即在正常情況下，壓力死區(qū)仍然較小，但在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，在允許范圍內(nèi)將壓力死區(qū)放大至一0．5～0．6MPa。修改后，一次調(diào)頻動(dòng)作情況有明顯改善，即在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，犧牲了部分壓力來保持負(fù)荷的穩(wěn)定。

(3)原設(shè)計(jì)一次調(diào)頻邏輯在升降負(fù)荷時(shí)未進(jìn)行負(fù)荷閉鎖限制，從而造成在升降負(fù)荷時(shí)一次調(diào)頻考核不合格。在邏輯中增加了“在升負(fù)荷時(shí)，一次調(diào)頻要求減負(fù)荷；或在減負(fù)荷時(shí)，一次調(diào)頻要求增負(fù)荷”的負(fù)荷閉鎖限制，在升降負(fù)荷時(shí)，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻動(dòng)作優(yōu)先，即“在升負(fù)荷時(shí)，進(jìn)行一次調(diào)頻減負(fù)荷閉鎖；或在減負(fù)荷時(shí)，進(jìn)行一次調(diào)頻增負(fù)荷閉鎖”。經(jīng)過這樣的修改后，一次調(diào)頻在升降負(fù)荷時(shí)的合格率大大提高。

(4)由于直流爐蓄熱少，單純利用鍋爐的蓄熱有時(shí)效果并不理想，對(duì)于一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)的工況效果更不理想，因此，在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，同步微調(diào)給水量和給煤量，以維持壓力和燃燒的穩(wěn)定。

4.? 結(jié)束語

一次調(diào)頻效果及正確率的好壞直接影響電廠的經(jīng)濟(jì)效益，一次調(diào)頻的性能提高對(duì)協(xié)調(diào)控制也會(huì)產(chǎn)生很大的擾動(dòng)，現(xiàn)在越來越多的電廠已開始重視和關(guān)注一次調(diào)頻功能。通過優(yōu)化CCS一次調(diào)頻控制策略，電廠一次調(diào)頻性能指標(biāo)有了較大提高，但還需要進(jìn)一步研究和改善，以滿足電網(wǎng)未來對(duì)一次調(diào)頻更加嚴(yán)格的考核要求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉吉臻,姚琦,柳玉,等.風(fēng)火聯(lián)合調(diào)度的風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻控制策略研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,(12).

[2]侯蘭雅.基于系統(tǒng)辨識(shí)的火電機(jī)組一次調(diào)頻能力評(píng)價(jià)與提升[D].山東大學(xué),2019.