華中地區并網火電機組一次調頻合格率影響因素分析

李海峰，汪 蓓

（國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

在特高壓電網和大區電網互聯的新形勢下，發電機組一次調頻動態特性顯著影響系統的安全穩定水平。特別是近些年來，風電、光伏等新能源機組并網不斷擴大，隨機性較強的可再生能源發電機組對頻率波動影響極大，且目前新能源機組基本不參與一次調頻，給電網安全穩定運行帶來極大威脅。2020 年華中電力監管部門根據本區域電網、電廠發展實際，對《華中區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》和《華中區域發電廠并網運行管理實施細則》（以下簡稱“兩個細則”）進行了相應修編，進一步明確了對并網機組一次調頻考核工作的具體要求，掌握機組一次調頻性能較弱問題關鍵、提升機組一次調頻合格率成為電網和發電企業面臨的急需解決的問題。

本文結合2020版華中地區“兩個細則”規定要求，梳理新版“兩個細則”對并網機組一次調頻考核辦法的變化，對當前華中區域并網機組一次調頻存在的各種問題進行了總結，并給出相應處理建議，以針對性的處理問題，有效地提升機組一次調頻性能及合格率。

1 一次調頻原理及考核辦法

1.1 一次調頻原理

電網的頻率是由發電功率與用電負荷大小決定的，在穩定的電力系統中，電網頻率穩定于額定頻率。當系統的用電負荷增加時，系統就出現了功率缺額，電網頻率降低；反之，電網頻率升高。一次調頻是指電網的頻率一旦偏離額定值時，電網中機組的控制系統就自動地控制機組有功功率的增減；限制電網頻率變化，使電網頻率維持穩定的自動控制過程。當電網頻率降低時，一次調頻功能要求機組利用其蓄熱快速增負荷；反之，機組快速減負荷。

1.2 一次調頻考核辦法修訂內容

2020 年9 月，國家能源局華中監管局發布了最新華中區域“兩個細則”，該細則結合華中區域根據電力系統運行特性，詳細修訂了一次調頻考核辦法，修訂的主要內容有以下幾點。

1.2.1 增加針對“大擾動”和“模擬擾動”的補償［1］

1）大擾動補償：電網事故發生時，滿足大擾動性能指標要求的并網發電機組給予補償，補償標準如下：

1.2.2 功能投入情況考核變化

200 MW 及以上的火電機組出力達額定容量46%及以上應保證CCS 側和DEH 側同時投入一次調頻功能，允許CCS側一次調頻月累計退出時間≯35 h。一次調頻功能未投運，則結合未投運小時數及并網額定容量（MW）予以考核［1］。

1.2.3 性能考核變化

1）明確對40 MW 及以上并網水電機組、80 MW及以上的其它并網常規發電機組實施一次調頻性能考核，新能源場站一次調頻性能考核暫不實施。

2）明確大擾動及小擾動大頻差范圍，其中電網最大頻率偏差＜0.08 Hz 為小擾動（川渝藏＜0.1 Hz），電網最大頻率偏差≥0.08 Hz 為大擾動（川渝藏≥0.1 Hz），頻率模擬擾動范圍0.08 Hz～0.183 Hz，且大擾動、小擾動及模擬擾動采取不同的考核辦法。

3）小擾動考核增加了合格率系數、死區系數及機組容量對考核量的修正：

式（3）中，PN為機組額定容量（MW）；A為0.046 h；N1為小擾動下的不合格次數。

4）大擾動考核增加了死區系數及機組容量的修正，且增大了死區≥0.04 Hz的機組的修正系數。式（4）中，PN為機組額定容量（MW）；B為0.3 h；N2為大擾動下的不合格次數。

5）模擬擾動考核辦法

電力調度機構定期通過一次調頻主動在線測試系統對并網機組進行模擬擾動測試，驗證機組的大頻差調頻性能是否滿足電網安全穩定運行要求。測試不合格機組參照大擾動考核辦法進行考核。測試應采取隨機方式對電力系統所在控制區機組進行抽查，測試周期內機組選取應不重復。模擬擾動測試前須檢查各項安全允許條件，測試過程中應保障被測機組安全穩定運行，測試期間所造成機組的AGC 相關考核應考。

1.2.4 增加了新能源機組調頻動作正確性考核、傳送虛假信號等內容

并網發電機組（新能源場站）傳送虛假一次調頻投運或調頻動作信號的，一經發現，每次考核電量：

式中，PN為并網發電機組或新能源場站的額定容量（MW），T考核為1小時。

1.2.5 明確了各類機組免考核情況

機組實際出力較低時（火電P＜0.46 MCR、水電P＜0.20 MCR、新能源P＜0.20 MCR、燃機P＜0.55 MCR），性能免考核。

2 華中區域并網機組一次調頻合格率影響因素分析

2.1 部分機組轉速測量裝置精度不夠

火電一次調頻控制回路中，一般采用DEH系統采集的汽輪機轉速信號代為網頻信號參與一次調頻。汽輪機轉速信號一般通過磁阻發信器來測量，其測量精度基本為0.5，測量誤差較大。調度考核所用的PMU精度能達到0.001，因此，轉速信號的測量精度不能滿足一次調頻考核的要求。根據華中區域電網統計數據，電網波動大部分處于小頻差波動范圍內，測頻精度較差直接導致網頻波動時機組負荷應調節電量計算不準確，導致實際貢獻電量不滿足要求，機組一次調頻動作不合格［2-4］。

2.2 部分機組PMU數據傳輸穩定性差、功率信號異常

根據電力調控中心數據，部分電廠雖然完成了PMU信號接入調控中心，但由于日常維護不到位等原因，造成機組PMU通訊異常頻發。特別是功率曲線存在斷點等問題，反映不出機組一次調頻過程中實時功率信息，WAMS 系統測算機組貢獻電量為0，導致機組一次調頻動作不合格［4-5］。

圖1 機組PMU通訊異常曲線圖Fig.1 PMU communication abnormal curve

2.3 部分機組閥門流量線性度較差

汽輪機閥門流量特性曲線，理論上是其流量特性的數值表征，當DEH設定的閥門流量特性曲線與實際流量特性相一致時，汽輪機會表現出良好的控制性能。由于設備改造或運行老化等原因，DEH設定的閥門流量特性曲線常會偏離其實際流量特性，實際與理想的綜合閥位指令－閥門流量曲線存在一定差別，機組在部分閥門區段閥門動作后，蒸汽流量變化難以滿足符合增/減需求，一次調頻響應時機組出力不能很好跟蹤系統頻率變化。通過對部分機組閥門動作曲線觀察中發現，當機組負荷處于順序閥交替過程中時，汽輪機高調閥出現大幅度的擺動，有時甚至即使閥門快速增減而機組負荷并未發生明顯的變化。即使在邏輯中增加了一次調頻前饋補償邏輯，也要求汽輪機高調閥在順序閥工作狀態時具有較好的線性度［6-10］。

圖2 某機組一次調頻性能受閥門流量特性影響動作圖Fig.2 The primary frequency modulation performance of the unit is affected by the valve flow characteristics.action diagram

2.4 部分火電機組協調控制品質不理想

考慮機組運行的經濟性，目前大部分機組采用滑參數運行，保持汽輪機調門相對較大的開度，減小調門的節流，提高機組運行經濟性。機組調門開度超過一定值，其流量特性越來越差，一次調頻動作時，增加機組增負荷指令，即使給了開調門指令，調門按指令動作，由于流量特性限制，機組負荷補償也有限，進而影響機組一次調頻能力［10-13］。

機組在汽機跟隨方式下運行時，汽機控制對象為機前壓力，一次調頻動作時，機組負荷根據電網頻率波動做相應補償調整，機前壓力也會隨之發生變化，CCS中壓力控制回路對壓力偏差進行快速調節，輸出的綜合閥位指令與一次調頻動作指令相反，導致一次調頻調節緩慢［14-15］。

部分機組一次調頻參數設置偏小，導致一次調頻動作雖然正確，但是調頻閥位及負荷設定值增量較小，實際調頻負荷量不足。

2.5 機組供熱對一次調頻的影響

供熱機組在供熱季節多采用“以熱定電”方式運行，優先保證供熱熱源的穩定，其發電負荷調整范圍和調節速率則受到很大限制。供熱機組進入冬季供暖季后工業抽汽及采暖抽汽量如果過大，電負荷受調度調節增長超過機組范圍，即其負荷調節能力近飽和狀態下，機組負荷剩余調節量較少，對機組一次調頻能力會造成很大的影響。為減少節流損失，汽輪機通常采用順序閥模式進汽。冬季供暖期供熱機組的負荷過高，當第4 個高壓調速閥門GV4 開度也達到開度上限時，機組已無調整余量，此時即使一次調頻信號頻繁動作，但因高壓調速閥門已無法繼續開大，導致機組的調頻能力因此而大大降低［15-17］。

圖3 協調控制品質差機組一次調頻動作曲線圖Fig.3 Coordinated control of poor quality unit primary frequency modulation action curve

2.6 火電機組一次調頻與AGC協調關系不明確

當前，并網機組負荷調節多由電網調度側采用AGC方式調節，如若在AGC過程期間發生一次調頻動作事件，且二者負荷動作方向相反，由于大多數火電機組無一次調頻與AGC協調關系邏輯，導致一次調頻性能受到顯著影響［15］。

2.7 燃氣機組一次調頻受溫控模式影響

燃機機組受環境溫度等因素影響明顯，在夏季運行過程中負荷無法達到額定負荷運行，且燃機進入溫控方式（基本負荷模式）后，機組不具備一次調頻功能［18］。

3 提高并網機組一次調頻合格率方法分析

針對上述影響機組一次調頻合格率的因素，可以采取以下方法進行相應整改。

3.1 提升測頻精度，加強pmu裝置維護

通過更換高精度測頻裝置，或適當修正測頻/測速裝置量程等方式提升測頻/測速精度；在電廠日常管理中，做好PMU裝置維護工作，確保PMU裝置正常運行，發現問題及時處理。圖4為華中某電廠更換高精度測頻裝置后，測頻裝置所側頻率信號與汽輪機轉速信息對比曲線，由圖可以看出二者之間差異明顯，高精度測頻裝置所測頻率與電網實際頻率更為接近，機組一次調頻動作響應時間、負荷響應調節電量準確性都有效提高［3-4］。

圖4 高精度頻率信號與轉速信號對比圖Fig.4 Comparison of high-precision frequency signal and speed signal

3.2 優化機組閥門流量線性

汽輪機閥門線性度直接決定了機組一次調頻的控制效果，因此在機組一次調頻優化過程中在實施優化控制方案前需對機組進行汽輪機閥門流量特性試驗，重新確定各個閥門的死區、飽和區以及閥門間的重疊帶，只有從根本上解決問題，才能使得優化控制策略效果顯著。在汽輪機閥門流量特性試驗中，選取某一穩定工況點作為基準工況，依次對順序閥進行單閥流量特性試驗，并根據試驗結果重新繪制閥門流量特性曲線，修訂DEH 閥門折線函數。在閥門流量特性試驗過程中，各個高調閥的流量特性基本一致［19-20］。

將閥門流量特性試驗作為機組大修后的常規試驗，若發現閥門流量特性差，及時對閥門流量特性進行優化。

3.3 優化機組協調控制品質及一次調頻參數

確保機組協調控制品質良好，優化機組滑壓運行曲線，保持一定的節流量，在一次調頻性能與機組運行經濟型中找到平衡點［20-21］。

在機組一次調頻邏輯中增加一次調頻前饋補償環節，根據機組運行過程中的閥門、壓力等特性，將頻率偏差信號、壓力偏差等一次調頻關鍵影響因子折算成機組負荷增量后，進一步將其換算成汽輪機閥位增量指令，從而有效提高一次調頻動作負荷調節能力。同時也應注意，前饋補償應適量，前饋補償參數的設置應經試驗嚴格驗證，以避免前饋補償過強，造成負荷嚴重過調，閥門頻繁大幅度調節等不利于機組安全運行的情況發生。

3.4 增加一次調頻與AGC協調邏輯

2020 版華中區域“兩個細則”中明確了一次調頻與AGC的協聯關系：當電網頻率低于調頻人工死區門檻低值時，機組一次調頻動作調增有功功率期間，應閉鎖AGC、監控系統減負荷指令；當電網頻率高于調頻人工死區門檻高值時，機組一次調頻動作調減有功功率期間，應閉鎖AGC、監控系統增負荷指令［15］。

因此機組應增加一次調頻與AGC協調邏輯，確保機組一次調頻與AGC有功功率指令相反情況下，適時閉鎖AGC增/減負荷指令。

4 結語

本文根據華中地區并網機組一次調頻實際性能和反映出的問題，分析了并網機組一次調頻合格率低的主要原因，并針對性的給出整改建議，可以給予急需提升機組一次調頻性能的電廠啟發和幫助。

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