大頻差下優(yōu)化機組調(diào)速器參數(shù)提高一次調(diào)頻能力

黃暢想，王 凱，邊宏宇，張 田，張 敏

（1.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211000；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077；3.國家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077；4.中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；5.北方聯(lián)合電力有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

0 引言

高壓直流輸電可有效提高受端電網(wǎng)供電能力，但若替代受端常規(guī)電源，將引起受端電網(wǎng)的“空心化”趨勢，帶來受端電網(wǎng)機組頻率調(diào)制能力降低及系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性降低的問題，逐漸成為國內(nèi)外電力工業(yè)界和學術(shù)界關(guān)注的熱點[1-7]。文獻[8]提出了電網(wǎng)一次調(diào)頻均方差能力指標，闡述了一次調(diào)頻的模型及其靜態(tài)和動態(tài)表達式，仿真對比了不同死區(qū)的評價指標及其曲線，同時兼顧了機組一次調(diào)頻的動態(tài)穩(wěn)定和死區(qū)的影響，可達到一次調(diào)頻的全面評估。文獻[9]基于一次調(diào)頻基本原理和考核方式，分析了網(wǎng)頻信號影響一次調(diào)頻的主要因素，討論了數(shù)字電液控制系統(tǒng)的前饋修正及調(diào)節(jié)死區(qū)優(yōu)化等一次調(diào)頻控制優(yōu)化方法。文獻[10]主要評價了機組在機組頻率恢復過程中的正確動作率等指標。

由于目前投運、在建及規(guī)劃特高壓跨區(qū)直流額定容量均在8 000 MW及以上，且很多跨區(qū)直流送受端為同一區(qū)域電網(wǎng)。隨著直流受端電網(wǎng)逐步加強，交流故障引發(fā)直流換相失敗范圍增大，甚至引起一回以上直流同時換相失敗或閉鎖。和傳統(tǒng)區(qū)域電網(wǎng)方式相比，直流閉鎖后送端高頻差及受端低頻差更大，可能引起高頻切機及低頻減載動作等后果，因此研究大頻差方式下系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)能力對電網(wǎng)運行、規(guī)劃等具有較強的現(xiàn)實意義。

文中主要進行了一次調(diào)頻能力重要指標分析，分析了較大頻差方式下優(yōu)化機組調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)、調(diào)頻死區(qū)、限幅環(huán)節(jié)及前饋系數(shù)等主要調(diào)速器參數(shù)對機組一次調(diào)頻能力的影響，實際優(yōu)化時需考慮上述參數(shù)的協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)特性。

1 系統(tǒng)一次調(diào)頻介紹

1.1 頻率調(diào)節(jié)現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)主要與負荷、發(fā)電機、直流等綜合因素相關(guān)，反映了系統(tǒng)頻率隨有功功率盈虧情況的變化特點。一次調(diào)頻是系統(tǒng)頻率偏離指定范圍后，調(diào)速系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)節(jié)發(fā)電機出力以恢復頻率。一次調(diào)頻反應快，但不能達到無差調(diào)節(jié)。

1.2 發(fā)電機的頻率靜態(tài)特性

系統(tǒng)頻率變化時，頻差反饋至調(diào)速系統(tǒng)后調(diào)節(jié)進汽量或進水量，以增減發(fā)電機出力。這種表示頻率增減而引起機組出力調(diào)節(jié)的關(guān)系為調(diào)速器頻率靜態(tài)特性，其變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 典型火電機組調(diào)速系統(tǒng)頻率靜態(tài)特性

圖1中，若電網(wǎng)頻率為fB，則發(fā)電機出力為PFB；若頻率變化至f1時，發(fā)電機出力增加至PF1，可得調(diào)速器頻率靜態(tài)特性曲線的斜率如式（1）所示。

式中KF的值其取決于調(diào)節(jié)發(fā)電機出力變化過程張紅機組轉(zhuǎn)數(shù)變化對額定轉(zhuǎn)數(shù)的比值，KF取倒數(shù)即為調(diào)差系數(shù)SF。

對于汽輪機，KF通常為16.6～25，對應調(diào)差系數(shù)為0.06～0.04；對于水輪機，KF通常為25～50，對應調(diào)差系數(shù)為0.04～0.02。

電力系統(tǒng)所有機組的原動機調(diào)速系統(tǒng)頻率靜態(tài)特性斜率與一臺機組表達方程類似，如式（2）。

同時，網(wǎng)絡政治參與的娛樂化，客觀上化解了政治參與同政治制度化之間的張力，為我們展現(xiàn)了不同于“亨廷頓式”的政治發(fā)展景觀。由此說明，在政治制度化水平無法滿足政治參與需求的狀態(tài)下，國家政治的走向并非總是呈現(xiàn)動亂和暴力等不穩(wěn)定樣態(tài)，而是有著“第三種趨勢”，即在國家權(quán)力和政策調(diào)試下，在一定限度內(nèi)，就算國家政治制度化水平難以滿足政治參與的需求，國家政治秩序也能夠維持總體的穩(wěn)定。因此，娛樂化的政治參與方式，可以被視為是化解政治參與同政治制度化矛盾的有效手段，是國家政治穩(wěn)定的“安全閥”。

需要注意，無出力調(diào)節(jié)能力發(fā)電機的KF需置零。實際系統(tǒng)中多臺機組并列運行，每臺機組的速率、斜率特性決定該機組的分擔比例，每臺機組均可改變它的頻率調(diào)節(jié)特性，實際上是把圖1中的速率-斜率曲線上下移動。

2 特高壓直流聯(lián)網(wǎng)后頻差增大分析

頻率調(diào)節(jié)主要與直流、發(fā)電機、負荷等綜合因素相關(guān)。隨著特高壓直流快速發(fā)展，新建直流額定送電能力至少為8 000 MW；目前單機最大容量為1 000 MW，一般通過單元接線或開關(guān)站后通過多回線路并網(wǎng)，即使考慮同桿線路同跳最多損失2 000～3 000 MW；負荷通常呈現(xiàn)分散且連續(xù)變化特性，一般不會出現(xiàn)功率突變而引起頻率劇烈變化。因此區(qū)域電網(wǎng)頻率主要是由于直流閉鎖引起，直流閉鎖后送端系統(tǒng)頻率大幅升高，受端頻率大幅降低。

以受端電網(wǎng)負荷90 GW方式的8 000 MW直流閉鎖安控拒動為例，仿真其閉鎖后區(qū)域電網(wǎng)頻率降低過程，如圖2所示。系統(tǒng)頻率由50 Hz最大降低至49.3 Hz，頻差達到0.7 Hz，若考慮區(qū)域電網(wǎng)負荷低谷70 GW方式，則可能造成低頻減載動作，機組跳閘或負荷變化造成的頻率變化均小于直流故障。

圖2 直流閉鎖后頻率響應曲線

3 關(guān)鍵參數(shù)對機組頻率調(diào)節(jié)能力影響

近年來，國內(nèi)發(fā)電機組雖然廣泛采用數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但某些機組一次調(diào)頻效果并未達到理想效果[11-13]。針對國內(nèi)某大型電廠機組全停事故發(fā)生后，網(wǎng)內(nèi)可發(fā)揮一次調(diào)頻功能的機組不到理論動作值的30%，較多機組的一次調(diào)頻未有效調(diào)節(jié)。

3.1 調(diào)差系數(shù)影響機組一次調(diào)頻分析

轉(zhuǎn)速偏差放大倍數(shù)反應機組一次調(diào)頻能力，其倒數(shù)即為調(diào)差系數(shù)，是調(diào)速器調(diào)節(jié)系統(tǒng)最重要的指標。調(diào)差系數(shù)與機組調(diào)頻能力呈現(xiàn)反調(diào)節(jié)關(guān)系。一般來講，小調(diào)差系數(shù)適合于調(diào)峰機組，可發(fā)揮系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈敏的優(yōu)勢，大調(diào)差系數(shù)則適合于帶基本負荷且穩(wěn)定性較高的機組。

以國內(nèi)某火電機組為例，比較不同調(diào)差系數(shù)時，機組在高頻下的出力響應如圖3所示。減小調(diào)差系數(shù)可提高機組出力調(diào)整量，進而減小系統(tǒng)頻率偏差最大值并改善系統(tǒng)高頻特性。

圖3 不同調(diào)差系數(shù)時機組在高頻下的出力響應

3.2 調(diào)頻死區(qū)影響機組一次調(diào)頻分析

圖4 不同調(diào)頻死區(qū)時機組在高頻下的出力響應

3.3 限幅環(huán)節(jié)影響機組一次調(diào)頻分析

典型調(diào)速器限幅環(huán)節(jié)示意圖如圖5所示，其一次調(diào)頻限幅由兩個環(huán)節(jié)共同決定。

圖5 限幅環(huán)節(jié)的示意圖

控制方式選擇為負荷反饋控制時，限幅近似為一次調(diào)頻負荷下限與轉(zhuǎn)速偏差放大倍數(shù)（即調(diào)差系數(shù)的倒數(shù)）乘積的1.3倍，不同功率擾動下略有差別，表1為600 MW火電機組的典型調(diào)速器參數(shù)。

表1 典型火電機組限幅參數(shù)

以下將詳細分析機組在不同功率擾動量下，各機組有功出力響應。系統(tǒng)送出直流閉鎖后功率盈余3 GW和6 GW時，電網(wǎng)頻率曲線和機組出力響應曲線如圖6、圖7所示。

圖6 不同盈余功率下的系統(tǒng)頻率曲線

圖7 機組在不同功率盈余后的出力

由圖6、圖7可見，不同功率擾動下由于負荷反饋值不同，最大調(diào)節(jié)能力有所差別，功率擾動量越大，機組出力調(diào)節(jié)量越大。

改變調(diào)速器負荷上下限，機組出力如圖8所示，增大負荷調(diào)節(jié)上下限相當于增大了機組調(diào)節(jié)幅度，更有利于功率擾動事故后系統(tǒng)頻率恢復。

圖8 改變負荷上下限時機組出力響應圖

3.4 前饋系數(shù)影響機組一次調(diào)頻分析

采用負荷控制模式時，優(yōu)化前饋系數(shù)可以提高機組的響應速度和調(diào)節(jié)性能，前饋控制相對于PID控制器可更快地對系統(tǒng)變化進行響應。相對于傳統(tǒng)PID控制，前饋控制與PID結(jié)合共同作用可加快機組頻率調(diào)節(jié)響應速度并減小誤差。

仍以上述機組為例，比較不同負荷控制前饋系數(shù)時，系統(tǒng)功率盈余后機組出力響應如圖9所示。前饋系數(shù)越大，前饋作用越強，機組出力響應越快，調(diào)節(jié)幅度越大，對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性越好。

圖9 不同前饋系數(shù)下機組的出力調(diào)節(jié)

4 結(jié)語

文中主要分析了特高壓直流故障可能造成系統(tǒng)頻差變大的問題，介紹了一次調(diào)頻原理，通過仿真分析說明了優(yōu)化機組調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)、調(diào)頻死區(qū)、限幅環(huán)節(jié)及前饋系數(shù)等主要參數(shù)可有效提高機組一次調(diào)頻能力，同時建議區(qū)域電網(wǎng)針對主力水、火電機組調(diào)速器參數(shù)逐步優(yōu)化的建議，主要結(jié)論如下。

1）調(diào)差系數(shù)越小，機組調(diào)頻能力越強，但不利于機組運行穩(wěn)定性；調(diào)差系數(shù)越大，則機組調(diào)頻能力越弱，但機組穩(wěn)定性越好。

2）合理設(shè)置機組調(diào)頻死區(qū)，既可防止頻率小范圍擾動時機組出力頻繁調(diào)節(jié)，又可保障機組在大頻差范圍的一次調(diào)頻能力。

3）電液伺服機構(gòu)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)均有限幅特性，機組實際出力限幅將由以上兩個環(huán)節(jié)中限幅最小值決定。優(yōu)化調(diào)節(jié)上下限幅值可在允許范圍內(nèi)增大機組調(diào)節(jié)幅度，有利于系統(tǒng)頻率恢復。

4）前饋控制與PID結(jié)合可加快系統(tǒng)動態(tài)響應并降低系統(tǒng)誤差，合理優(yōu)化前饋系數(shù)可引起機組出力響應加快，調(diào)節(jié)量增大，有利于系統(tǒng)頻率加速恢復。