315MW機組一次調頻動作準確率低的原因分析及功能優化

三河發電有限責任公司維護部 曹 旭 胡佳佳 趙大偉

2018年1月華北電網發布了新的《華北電網并網電廠一次調頻性能考核辦法（華北能監局征求意見稿）》，并同時更新了電網的一次調頻考核系統，引入并網電廠一次調頻動作15秒響應指數、30秒響應指數、60秒積分電量的考核指標及計算辦法，進一步提高了電網對于并網電廠的一次調頻考核標準。

具體規定如下：對于煤電機組15秒出力響應指數小于75%為不合格；對于燃氣機組和水電機組15秒出力響應指數小于90%為不合格；對于煤電機組30秒出力響應指數小于90%為不合格；對于燃氣機組和水電機組30秒出力響應指數小于100%為不合格；對于所有煤電機組、燃氣機組和水電機組電量貢獻指數小于75%為不合格。

1 目前存在的問題及分析

華北電網一次調頻考核系統上線運行，具體到三河電廠的一次調頻響應次數及動作率而言，根據華北電網通報的一次調頻考核新規下的考評結果為：電量考核144MW，15秒、30秒響應出力指數及電量貢獻指數的采集次數、合格次數、合格率（%）分別為33/6/18.8,33/4/12.2/33,33/9/27.2，一次調頻采集總次數99、合格總次數19、總合格率19.1%，其存在以下問題：

大部分不合格的15秒出力響應指數都只到了20%左右，遠低于新標準所要求的75%；基本上15秒出力響應評價不合格的情況下30秒出力響應也不合格，且大部分不合格的30秒出力響應指數都只到了30%左右，同樣遠低于新標準所要求的90%；電量貢獻指數評價難以合格，且發現部分15秒、30秒出力響應評價合格甚至優秀的情況，最終因機組調頻出力的持續性不夠而導致電量貢獻指數不達標被考核。

華北電網一次調頻考核系統中存在部分機組的功率信號不同源現象，同時電網一次調頻考核系統中采用指定的電網線路頻率（即網頻）作為一次調頻的考核觸發信號，而機組中一次調頻觸發邏輯所用信號絕大多數采用的是機組轉速信號，少部分采用的是技術改造后的發電機端高精度頻率信號。目前電網正常運行時（沒有線路事故），絕大多數的網頻小擾動范圍在0.04～0.05Hz/2.4～3rpm 以內，即實際轉差在超出2rpm 死區后僅0.4～1rpm。從精度上要求一次調頻的轉速或頻率偏差應該小于0.4rpm或0.0067Hz，否則一次調頻動作無法準確觸發進而被考核。同時從時間指標上也要求轉速和頻率信號基本同步。

綜合以上分析，機組對于一次調頻響應的快速性、持續性都不夠；另一方面，出現了在一次調頻動作期間AGC指令方向與一次調頻動作方向相反而引起反調作用的情況，需增加一次調頻動作優先即一次調頻動作期間AGC反向閉鎖的功能；為保證組一次調頻性能指標提升，也要解決好一次調頻中核心的機組轉速、機組頻率、有功信號的同源性和精度問題（建議使用機組轉速信號作為一次調頻觸發條件的改用高精度頻率信號）。因此須針對本次考核指標的結果進行調整，對機組的一次調頻功能進行完善，減少一次調頻考核。

2 控制策略優化方案

通過對比實施細則中的有關技術標準，針對當前#3號機組存在的問題，將控制優化方案分為CCS和DEH 系統單獨進行[1]：

針對CCS 系統采用精確的一次調頻閉環控制策略，采用一次調頻與AGC動態解耦技術，主要解決一次調頻的響應持續性低的問題[2]。機組一次調頻與AGC變負荷方向相反時，發電機組優先執行一次調頻的變負荷任務；當電網頻率低于額定頻率0.05Hz 或轉速小于2997rpm 時，應閉鎖AGC或CCS 減負荷的指令；當電網頻率高于額定頻率0.05Hz 或轉速大于3003rpm 時，應閉鎖AGC 或CCS 加負荷的指令；閉鎖指令出口為脈沖指令，脈沖時長為輸入為1的持續時間，不超過60秒。

DEH 側則通過建模試驗獲取不同負荷段機組調速系統的多模型（針對90%Pe、80%Pe、70%Pe、60%Pe 分段調整動作幅度），并借助快動緩回、分段不等率設置、壓力修正、時間修正等多種方法，綜合解決機組一次調頻過程中15s、30s 響應指數不達標（快速性欠缺）以及積分電量不達標（持續性欠缺）的問題。

圖1 基于調速系統多模型預測的一次調頻優化控制策略

負荷修正：用于削弱流量特性曲線非線性給調頻效果帶來的干擾；分段不等率：轉速不等率采用分段設置，增強機組在低頻差段的調頻效果，將轉速偏差在(-2.4,-2.1)、(2.1,2.4)時，不等率設為3%(3.89MW/rpm)；轉速偏差在(-3.6,-2.4)、(2.4,3.6)時，不等率設為3.3%(3.54MW/rpm)；快動緩回：此策略保證了一次調頻的“快動”性能，并且在頻率的恢復過程中，通過速率限制使調頻作用緩慢地隨頻率偏差恢復，從而提供更多的調頻電量；壓力修正：基于壓力變化進行調頻量補償，修正綜合閥位指令與主汽流量之間的非線性干擾，其中設定壓力Ps 與實際壓力Pt 的比值用于減少主汽壓力偏差對調頻效果造成的影響；時間修正：從時間角度對補償增益進行變參數設置。

圖1中的修正函數如下：F(x)對應的函數，機組實際負荷MW（0，200，300，350，400），對應輸負荷MW（350，150，50，0，0）；F1(x)對應的函數，轉差rpm（-15，-11.9，-3.6，3.6，11.9，15），對應負荷修正量MW（-21.59，-21.59，0，0，21.59，21.59）；F2(x)對應的函數，轉差rpm（-15，2.09，2.1，2.4，3.6，15），對應負荷修正量MW（0，0，1，2.17，6.41，6.41）；F3(x)對應的函數，轉差rpm（-15，-3.6，-2.4，-2.1，-2.09，15）負 荷修正量MW（-6.41，-6.4，-2.17，-1，0，0）。

F11(x)～F15(x)通過一次調頻系統模型試驗后獲得，試驗負荷點的選取根據確定的一次調頻試驗負荷范圍50～100%Pe，按照一定的負荷區間選取試驗點（按照現場實際閥門流量特性合理調整試驗負荷點），在特性變化大的區間增大取點密度。#3機組選取175MW-210MW-260MW-315MW，手動模擬實際轉差或手動提高額定轉速的方式，分別進行包含死區轉差±2.5rpm、±3rpm、±4rpm、±6rpm 的試驗，根據調頻試驗測試結果進行該負荷段下的機組建模，并進行一次調頻控制相應各項參數以及壓力設定值（滑壓曲線）的優化；在每個負荷點都得到一組負荷-壓力-綜合閥位對應關系，整個負荷段下來，得到一簇負荷-壓力-綜合閥位對應關系曲線。

3 實施效果

三河#3機組實施一次調頻優化后，一次調頻的響應次數以及動作率都大幅增強，分別調取電網對三河電廠2020年8月份#1、#2、#3號機組一次調頻動作合格率，結果顯示#3機組一次調頻合格率為76.87%，未優化的#1、#2機組的一次調頻合格率分別為18.14%和28.15%，#3機組一次調頻動作合格率遠高于未優化機組。對優化后的#3機組一次調頻考核合格率根據時間軸進行分析，從2019年3月至12月份，可看到隨著優化方案的實施#3機組的合格率從最初的19%提升至76.8%。此次控制策略的優化大幅提升一次調頻性能，并取得#3機組一次調頻合格率大幅提升的顯著效果。

目前該套優化方案在三河電廠#3、4機組上均已實裝且效果顯著。#3、4機組未優化時的一次調頻的合格率分別為19.19%和7.07%，優化后達76.87%和58.71%，遠高于未優化時期，后期將繼續把該套優化方案推廣應用在#1、2機組上。

隨著綠色清潔電源在電網中的占比不斷增長，擠占了常規火電機組的發電空間，導致常規機組并網數量在電網中占比減少，造成網頻系統調頻的能力下降，因此對并網機組的接入質量要求就更高，三河電廠此次進行機組一次調頻性能優化，為提高電網運行的穩定性、降低電網頻率的波動，增強電網的抗事故能力貢獻一份力量。