超超臨界機(jī)組一次調(diào)頻控制策略優(yōu)化及應(yīng)用

劉 靜

(古交西山發(fā)電有限公司，山西 古交 030206)

電網(wǎng)頻率是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)，在電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行中，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定于額定頻率。當(dāng)電網(wǎng)用電負(fù)荷增加時(shí)，電網(wǎng)就出現(xiàn)了功率的缺額，電網(wǎng)頻率就會(huì)降低。反之，電網(wǎng)頻率升高。當(dāng)頻率波動(dòng)超出額定值時(shí)，并網(wǎng)機(jī)組會(huì)自動(dòng)調(diào)整有功功率的增減，使電網(wǎng)頻率維持在額定頻率，這個(gè)過程就是一次調(diào)頻[1].

近年，隨著華北網(wǎng)谷峰差日益加大以及新能源發(fā)電占比增大，電網(wǎng)頻率波動(dòng)更加頻繁，因此，華北網(wǎng)越來越重視電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。2019年華北網(wǎng)對(duì)《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》中一次調(diào)頻考核內(nèi)容進(jìn)行了修改，進(jìn)一步強(qiáng)化了一次調(diào)頻的考核要求。因此，華北網(wǎng)各直調(diào)電廠都面臨較大的一次調(diào)頻考核電量，亟需優(yōu)化改善一次調(diào)頻合格率。

1 華北網(wǎng)一次調(diào)頻考核細(xì)則

根據(jù)國家能源局華北監(jiān)能市場(2019)254號(hào)文《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠“兩個(gè)細(xì)則”(2019年修訂版)》，華北網(wǎng)對(duì)機(jī)組每次響應(yīng)一次調(diào)頻動(dòng)作情況考核有3個(gè)指標(biāo)：

1)15 s出力響應(yīng)指數(shù)ΔP15%.從電網(wǎng)頻率超出動(dòng)作死區(qū)開始計(jì)算，15 s內(nèi)并網(wǎng)機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻的實(shí)際最大負(fù)荷調(diào)整量與并網(wǎng)機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻的理論最大負(fù)荷調(diào)整量的比值。ΔP15%>75%為合格。

2)30 s出力響應(yīng)指數(shù)ΔP30%.從電網(wǎng)頻率超出動(dòng)作死區(qū)開始計(jì)算，30 s內(nèi)并網(wǎng)機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻的實(shí)際最大調(diào)整量與并網(wǎng)機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻的理論最大調(diào)整量的比值。ΔP30%>90%為合格。

3)電量貢獻(xiàn)指數(shù)Q%.機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作期間(A0～B0)，機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際貢獻(xiàn)電量占理論貢獻(xiàn)電量的百分比。Q%>75%為合格。

當(dāng)電網(wǎng)頻率超出一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)(±0.033 Hz)時(shí)，華北網(wǎng)根據(jù)上述3個(gè)指標(biāo)對(duì)并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作情況進(jìn)行考核。單個(gè)指標(biāo)不合格,考核并網(wǎng)機(jī)組電量3.96 kWh，折合人民幣約1 200元；3個(gè)指標(biāo)都不合格,考核并網(wǎng)機(jī)組電量11.88 kWh，折合人民幣約3 600元。

2 機(jī)組一次調(diào)頻存在問題

2.1 機(jī)組主要參數(shù)

古交西山發(fā)電有限公司2×660 MW超超臨界汽輪機(jī)型號(hào)為CZK660/570-26.25/0.4/600/600，單軸、一次中間再熱、三缸兩排汽,該機(jī)型采用調(diào)節(jié)全周進(jìn)汽的汽輪機(jī)組，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由兩個(gè)相互獨(dú)立的高壓閥組構(gòu)成，每個(gè)閥組由1個(gè)主汽閥+1個(gè)調(diào)節(jié)閥+1個(gè)補(bǔ)汽閥和兩個(gè)中壓聯(lián)合汽閥組成，其中補(bǔ)汽閥在運(yùn)行中最大可開至37%.

該機(jī)型采用全周進(jìn)汽，汽輪機(jī)主汽閥節(jié)流小可以提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，但是機(jī)組的蓄能較差，給一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)帶來了不利因素。2019年，華北網(wǎng)實(shí)施新考核細(xì)則后，機(jī)組一次調(diào)頻3個(gè)指標(biāo)平均合格率只能達(dá)到40%左右，單臺(tái)機(jī)組每月考核電量達(dá)600 MWh，折合人民幣約20萬元。增加了機(jī)組的運(yùn)營成本。

該公司利用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻的判斷和計(jì)算，一次調(diào)頻死區(qū)為±2 r/min(±0.033 Hz)，由協(xié)調(diào)控制(CCS)和數(shù)字電調(diào)系統(tǒng)(DEH)共同完成。DEH作為前饋直接作用在汽機(jī)閥門指令中，主要作用為快速響應(yīng)一次調(diào)頻動(dòng)作；CCS負(fù)荷指令分別作用于汽機(jī)主控與鍋爐主控中，主要作用為保證機(jī)組能持續(xù)響應(yīng)一次調(diào)頻動(dòng)作，其原理見圖1.

圖1 原一次調(diào)頻控制原理圖

2.2 一次調(diào)頻存在的問題

2.2.1轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)于頻率信號(hào)的失真

并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻采用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)來判斷和計(jì)算，這種處理方式在機(jī)組處于穩(wěn)態(tài)時(shí)是沒有問題的，因?yàn)榇藭r(shí)并網(wǎng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(hào)與電網(wǎng)頻率一致。但當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)，并網(wǎng)機(jī)組處于暫態(tài)時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)電網(wǎng)頻率會(huì)失真，這是由于測量方式的誤差和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于電網(wǎng)頻率有一定的滯后導(dǎo)致的。因此，造成了并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作與電網(wǎng)一次調(diào)頻考核不同步。

該公司機(jī)組采用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻動(dòng)作判斷，每天一次調(diào)頻動(dòng)作約一千次，然而華北網(wǎng)采用電網(wǎng)頻率信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻動(dòng)作判斷，每天實(shí)際計(jì)入考核次數(shù)只有4～7次，節(jié)假日20次左右。由此可知，該公司90%以上的一次調(diào)頻動(dòng)作為無效動(dòng)作，且一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)呈脈沖式，導(dǎo)致機(jī)組頻繁往復(fù)地響應(yīng)一次調(diào)頻動(dòng)作。因此，轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)頻率信號(hào)的失真是一次調(diào)頻合格率低的主要原因。

2.2.2一次調(diào)頻指令與AGC指令相反

該公司兩臺(tái)機(jī)組正常處于協(xié)調(diào)控制方式，機(jī)組負(fù)荷同時(shí)受電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電量控制(AGC)負(fù)荷指令與一次調(diào)頻影響。當(dāng)機(jī)組降負(fù)荷過程中因電網(wǎng)頻率低需要一次調(diào)頻加負(fù)荷，此時(shí)機(jī)組雖然閉鎖反向AGC負(fù)荷指令，優(yōu)先響應(yīng)一次調(diào)頻邏輯，但是汽輪機(jī)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)的過程中，機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷和負(fù)荷指令始終存在一定偏差，即使負(fù)荷指令不再變化，汽機(jī)主控的積分作用仍會(huì)將負(fù)荷拉回，導(dǎo)致電量貢獻(xiàn)指數(shù)低于75%甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)數(shù)，產(chǎn)生考核。

2.2.3汽輪機(jī)閥門流量特性對(duì)一次調(diào)頻的影響

由于該公司汽輪機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)全周進(jìn)汽配汽方式，主汽閥與補(bǔ)汽閥的流量特性曲線不是十分成熟，且主汽閥與補(bǔ)氣閥的重疊度設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致一次調(diào)頻DEH側(cè)的前饋調(diào)節(jié)不精確，嚴(yán)重影響一次調(diào)頻的品質(zhì)。

2.2.4主汽壓力對(duì)一次調(diào)頻的影響

機(jī)組DEH側(cè)的調(diào)頻閥位增量與頻差(轉(zhuǎn)速差)為線性函數(shù)，且該函數(shù)是根據(jù)機(jī)組處于額定壓力設(shè)定的，但是機(jī)組主汽壓力采用定-滑-定的運(yùn)行方式，因此機(jī)組在絕大部分時(shí)間內(nèi)主汽壓力是低于機(jī)組額定壓力的，導(dǎo)致DEH側(cè)的前饋帶來的負(fù)荷增量偏小，嚴(yán)重影響一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)效果。

2.2.5傳統(tǒng)一次調(diào)頻策略對(duì)調(diào)頻持續(xù)性的制約

傳統(tǒng)一次調(diào)頻控制系統(tǒng)是一種有差頻率比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過觀察研究，負(fù)荷對(duì)閥位變化的響應(yīng)時(shí)間需要2～3 s，在調(diào)頻動(dòng)作的過程中閥門指令變化后，負(fù)荷還未達(dá)到理論要求，而后閥門由跟隨機(jī)組轉(zhuǎn)速往復(fù)變化，影響了電量貢獻(xiàn)指標(biāo)，同時(shí)機(jī)組功率也會(huì)出現(xiàn)大幅度快速波動(dòng)，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

3 一次調(diào)頻控制策略的優(yōu)化方案及應(yīng)用

3.1 轉(zhuǎn)速信號(hào)及轉(zhuǎn)速不等率的修正

轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)頻率信號(hào)的失真問題可以由轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行濾波處理，剔除由于電網(wǎng)低頻振蕩導(dǎo)致的無效動(dòng)作，采用濾波后的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻判斷和計(jì)算。為了保證機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作及時(shí)且連續(xù)，把一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)適當(dāng)調(diào)小至±1.9 r/min，在一次調(diào)頻動(dòng)作值和復(fù)歸值之間設(shè)立0.05 r/min的死區(qū)。通過對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理后可以剔除60%的一次調(diào)頻無效動(dòng)作，同時(shí)還可以及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻考核，但是處理后的信號(hào)仍不能完全與電網(wǎng)系統(tǒng)頻率相匹配，要徹底解決信號(hào)不一致問題需增加高精度頻率儀作為一次調(diào)頻判斷和計(jì)算信號(hào)。

為了提高機(jī)組在小偏差時(shí)一次調(diào)頻15 s、30 s出力響應(yīng)考核指標(biāo)，將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不等率做非線性處理。當(dāng)機(jī)組處于一次調(diào)頻小偏差動(dòng)作時(shí)降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不等率，可以提高一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整量；當(dāng)機(jī)組處于一次調(diào)頻大偏差動(dòng)作時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不等率仍維持在5%，可以避免機(jī)組因?yàn)橐淮握{(diào)頻動(dòng)作而振蕩，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。一次調(diào)頻頻差函數(shù)設(shè)置見表1.

表1 一次調(diào)頻頻差函數(shù)設(shè)置表

3.2 調(diào)頻動(dòng)作閉鎖AGC反向調(diào)節(jié)

相對(duì)于閉鎖AGC反向指令的策略，系統(tǒng)將汽機(jī)主控的AGC指令切換為當(dāng)前負(fù)荷。其控制原理見圖2，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作觸發(fā)負(fù)荷閉鎖信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)通過兩個(gè)切換模塊(T)將負(fù)荷指令切換為機(jī)組當(dāng)前負(fù)荷，此時(shí)汽機(jī)主控PID只受一次調(diào)頻負(fù)荷增量指令影響，可以有效解決汽機(jī)主控積分作用產(chǎn)生的反向調(diào)節(jié)問題；該控制回路中負(fù)荷閉鎖時(shí)間不可超過60 s，否則會(huì)影響機(jī)組AGC性能指標(biāo)；負(fù)荷指令切換模塊(T)兩路輸入之間應(yīng)設(shè)置切換速率，防止切換過程中出現(xiàn)擾動(dòng)。

圖2 閉鎖AGC反向指令控制原理圖

3.3 機(jī)組閥門流量特性修改

該公司汽輪機(jī)高調(diào)閥門和補(bǔ)氣閥流量特性較差，尤其在調(diào)門開度達(dá)到80%以上，機(jī)組已經(jīng)沒有足夠的蓄能滿足一次調(diào)頻動(dòng)作。同時(shí)高調(diào)閥與補(bǔ)汽閥的重疊度較差。通過負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，高調(diào)門在80%開度以上基本屬于空行程，對(duì)負(fù)荷沒有調(diào)節(jié)作用，因此將高調(diào)門的最大開度由100%限制在85%，這樣可以加快汽機(jī)主控的調(diào)節(jié)速度，提高機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻的速度。高調(diào)門開度和綜合閥位指令對(duì)應(yīng)關(guān)系基本不變。優(yōu)化前補(bǔ)汽閥在綜合閥位指令達(dá)到83.25%時(shí)開始開啟，優(yōu)化后綜合閥位指令到達(dá)81.38%時(shí)提前開啟補(bǔ)氣閥，加強(qiáng)了補(bǔ)氣閥和高調(diào)閥的重疊度，這樣可以改善機(jī)組調(diào)門在較高開度下一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)性能，有效提高了一次調(diào)頻15 s、30 s出力響應(yīng)的合格率。優(yōu)化前、后的閥門特性曲線見圖3.

圖3 優(yōu)化后閥門特性曲線圖

3.4 主汽壓力偏差修正

針對(duì)主汽壓力對(duì)一次調(diào)頻的影響，可以在DEH閥位增量函數(shù)上增加壓力修正系數(shù)，當(dāng)機(jī)組主汽壓力低于機(jī)組設(shè)定壓力時(shí)，f(x)會(huì)輸出一個(gè)大于1的修正系數(shù)，反之會(huì)輸出一個(gè)小于1的修正系數(shù)，該系數(shù)與頻差函數(shù)的輸出相乘可以根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況增大或縮小一次調(diào)頻前饋，提高一次調(diào)頻前饋的調(diào)節(jié)精度，改善一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能。控制原理見圖4.

圖4 主汽壓力修正原理圖

3.5 一次調(diào)頻CCS側(cè)負(fù)荷延時(shí)復(fù)位策略

在CCS側(cè)增加一次調(diào)頻負(fù)荷延時(shí)復(fù)位策略[2]以解決傳統(tǒng)一次調(diào)頻策略對(duì)調(diào)頻持續(xù)性的制約。控制原理圖見圖5，系統(tǒng)分一次調(diào)頻加負(fù)荷和減負(fù)荷兩路控制。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)差出現(xiàn)負(fù)偏差時(shí)，頻差函數(shù)輸出為正的負(fù)荷調(diào)整量，系統(tǒng)執(zhí)行左側(cè)一次調(diào)頻加負(fù)荷控制回路，此時(shí)慣性環(huán)節(jié)(LAG)模塊輸出值小于頻差函數(shù)的輸出值，大選模塊(>)輸出為頻差函數(shù)的輸出值，使機(jī)組能快速響應(yīng)一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)；當(dāng)轉(zhuǎn)差變小時(shí)慣性環(huán)節(jié)(LAG)模塊輸出值大于頻差函數(shù)的輸出值，大選模塊輸出為慣性環(huán)節(jié)(LAG)的輸出值，使一次調(diào)頻的負(fù)荷調(diào)整量緩慢回落，可以增加一次調(diào)頻的電量貢獻(xiàn)；在一次調(diào)頻動(dòng)作過程中機(jī)組轉(zhuǎn)差出現(xiàn)正偏差時(shí)可以通過低限模塊(//L)使左側(cè)的控制回路輸出迅速切換為0，同時(shí)執(zhí)行右側(cè)一次調(diào)頻減負(fù)荷控制回路，快速響應(yīng)一次調(diào)頻動(dòng)作。該回路可以有效提高電量貢獻(xiàn)同時(shí)還可以避免油動(dòng)機(jī)往復(fù)波動(dòng)，保護(hù)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 快動(dòng)慢回控制回路圖

4 機(jī)組優(yōu)化后效果

針對(duì)上述問題進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化后，在AGC考核與一次調(diào)頻考核之間選取最優(yōu)的控制參數(shù)，新的控制策略投入使用后，古交西山發(fā)電有限公司一次調(diào)頻合格率迅速攀升，由表2可知優(yōu)化后機(jī)組一次調(diào)頻3個(gè)指標(biāo)單月平均合格率由40%提高到90%以上，預(yù)計(jì)全年節(jié)約運(yùn)營成本達(dá)200多萬元。

表2 一次調(diào)頻優(yōu)化前后考核對(duì)比表

5 結(jié) 論

華北網(wǎng)修改一次調(diào)頻考核細(xì)則后，華北網(wǎng)各直調(diào)電廠都面臨較大的一次調(diào)頻考核，對(duì)古交西山發(fā)電有限公司機(jī)組一次調(diào)頻存在的問題進(jìn)行研究分析后，針對(duì)存在的問題提出了轉(zhuǎn)速不等率非線性控制、一次調(diào)頻與AGC反向閉鎖、一次調(diào)頻CCS側(cè)延時(shí)復(fù)位等控制策略，避免了設(shè)備改造更換，涉網(wǎng)參數(shù)定值修改以及熱力試驗(yàn)，縮短了優(yōu)化周期。對(duì)具有在線下裝、修改參數(shù)功能的DCS可以隨時(shí)修改邏輯，各控制策略可隨時(shí)投退，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可行性和通用性，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整和隨時(shí)投退，有較好的兼容性和可實(shí)施性。系統(tǒng)優(yōu)化后有效提高了機(jī)組一次調(diào)頻的合格率，同時(shí)減少了機(jī)組油動(dòng)機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，在華北網(wǎng)各直調(diào)電廠有一定的推廣價(jià)值。