發電機組一次調頻功能的分析

柯榮宗 吳 吉

神華福能發電有限責任公司 福建泉州 362700

1 分析背景

電力系統電網頻率和電壓是電能的兩大重要質量指標。電力系統電網頻率偏離額定值過多,對電能用戶和電力系統設備運行都會造成危害。隨著電網規模的不斷擴大,以往靠調度員指令和人工操作來維持電網負荷、頻率的方式已不能適應現代化電網安全、優質、經濟運行的要求。

機組的調頻功能指電網發電有功功率與負荷產生不平衡后,機組調速系統根據電網頻率發生的變化進行轉速調節。以某發電機組為例,具體過程為頻率偏差變化量轉化為汽輪發電機轉速偏差量,轉速偏差量超過死區時,通過轉速偏差與頻率修正指令計算輸出,分別傳送至機組負荷指令和主蒸汽壓力指令等前饋修正回路,進而快速響應電網頻率變化,以盡快消除電網頻率變化的影響,使電網頻率維持穩定在允許范圍內。

機組參與電網一次調頻的響應速度和調節品質取決于頻率修正指令傳送至回路是否合理,并且取決于負荷變化速率和對應的給水加速、燃料加速回路等函數曲線是否合適,以及轉速、頻率死區。調頻響應速度和調節品質可以反映機組一次調頻能力,頻率死區則反映系統一次調頻作用的起始點。筆者對發電機組一次調頻功能進行分析。

2 電網調頻概念

電網頻率控制時,根據電網頻率偏離50 Hz的方向和數值進行調節,實時在線通過機組調速系統和自動發電控制系統進行控制,調節能源側的供電功率,以適應負荷側用電功率的變化,達到電網發、用電功率的平衡,從而使電網頻率穩定在50 Hz附近允許范圍內。

電網的動態調頻指利用電網中旋轉慣量的蓄能,承擔電網負荷的變化。在這一過程中,電網頻差隨時間逐漸增大,調頻過程是自動完成的,不需要任何調整手段,響應時間約為零點幾秒。雖然龐大的旋轉慣量具有穩頻作用,但是在調頻過程中不能完全代替一次調頻,由一次調頻決定的電網靜態調頻特性才是電網頻率穩定的基礎。

一次調頻指各機組并網運行,受外界負荷變動影響,電網頻率發生變化時,各機組的調節系統參與調節作用,改變各機組所帶的負荷,使之與外界負荷相平衡。一次調頻是盡力減小電網頻率變化的過程,通過機組調速系統的自身頻率特性對電網進行控制。一次調頻主要是由機組調速系統的靜態特性來實現的,特點是基于電網中各機組調速系統的靜態特性,利用機組的蓄熱承擔電網負荷變化,依靠原動機調速系統自動完成,不需要電網調度干預,最終使電網頻率形成一個穩定頻率偏差。

二次調頻指利用同步器增、減速某些機組的負荷,以恢復電網頻率的過程。電網頻率的準確性主要依靠電網二次頻率來保證,一般允許誤差為±0.2 Hz。二次調頻是電網調度通過自動或手動方式對電網頻率進行干預的過程,將電網的負荷變化轉移至預先指定的調頻機組來承擔,消除電網一次調頻過程留下的頻率偏差,使電網頻率回到額定值。二次調頻響應時間為幾十秒到1 min。

自動發電控制系統用于完成電網側與電源側的自動控制,屬于大協調控制。單元機組協調控制系統屬于小協調控制,用于完成機組側的自動控制。單元機組協調控制系統主要通過改變汽輪發電機調門開度和鍋爐燃燒率來調節機組輸出功率,并保持機前壓力的穩定。

簡而言之,一次調頻是汽輪發電機調速系統根據電網頻率的變化,自發地調整機組負荷,以恢復電網頻率,二次調頻是人為根據電網頻率高低來調整機組負荷。

3 一次調頻參數

3.1 要求

電網頻率通過一次調頻和二次調頻共同調節來保證,機組參與一次調頻的程度,必須與電網的發展和運行水平相一致。機組一次調頻在機組并網后具有調速的作用。如果電網中的機組不投入一次調頻功能,或一次調頻指標不滿足要求,那么這些機組將會影響電網整體調頻,同時會影響機組自身的安全。當發生大電網解列或某種電網故障時,可能出現電網頻率大幅度偏離、電網振蕩、汽輪發電機超速等事故。

汽輪發電機數字電液調節系統的廣泛使用,為機組退出一次調頻提供了方便的條件,同時可以限制數字電液調節系統隨意退出一次調頻。某區域電網對并網機組數字電液調節系統一次調頻基本參數的要求見表1。

表1 一次調頻基本參數要求

3.2 系統頻率標準

某省的電力系統調度規程規定,標準頻率為50 Hz,頻率偏差不得超過±0.2 Hz,頻率超出50±0.2 Hz為事故頻率。事故頻率超出50±0.2 Hz,持續時間不得超過30 min。事故頻率超出50±0.5 Hz,持續時間不得超過15 min。在正常情況下,機組自動發電控制系統投入時,系統頻率應保持在50±0.1 Hz范圍內。

3.3 轉速不等率

轉速不等率也稱速度變動率,指汽輪發電機空負荷時所對應最大轉速和額定負荷時所對應最小轉速的差,與汽輪發電機額定轉速之比。

當電網頻率變化時,引起的負荷變化與機組調節系統轉速不等率成反比。當外界負荷變化時,轉速不等率越大,分給機組的負荷變化量越小,反之則越大。由此可見,帶基本負荷的機組,轉速不等率應該選擇大一些,使電網頻率改變時,負荷變化較小,一般轉速不等率取4%～6%。帶尖峰負荷的調頻機組,轉速不等率應該選擇小一些,一般取3%～4%。目前由于電網容量日益增大,為使機組能參加一次調頻,轉速不等率不宜選擇過大,因為轉速不等率過大可能導致汽輪發電機偏離額定轉速過大,不利于機組安全穩定運行。某百萬千瓦機組轉速不等率采用4%,目前一次調頻效果良好。

汽輪發電機正常運行時,若電網發生故障或汽輪發電機出口斷路器跳閘使汽輪發電機負荷甩至零,則汽輪發電機的轉速先上升到一個最高值,然后再下降到一個穩定值,這種現象稱為動態飛升。轉速上升的最高值由轉速不等率決定,一般為4%～5%。若汽輪發電機的額定轉速為3 000 r/min,則動態飛升轉速偏離在120～150 r/min之間。轉速不等率越大,轉速上升越高,危險也越大。因此,對于新建機組,一定要進行機組快速甩負荷調頻試驗。

為了更好地滿足相關要求,可以將機組的轉速不等率按機組負荷分段設置,各段轉速不等率稱為局部轉速不等率。在空負荷區域,局部轉速不等率應設置較大值,有利于機組并網。在額定負荷區域,局部轉速不等率也應設置較大值,有利于機組帶基本負荷穩定運行。在低于額定負荷區域,局部轉速不等率應設置較小值,以滿足機組甩負荷時超速保護不動作的要求。同樣,為了避免在電網頻率波動時機組出現動態不穩定,要求局部轉速不等率不得過小,具體數值可以根據相關標準及機組實際情況確定。

3.4 轉速、頻率死區

為了在電網頻率變化較小的情況下提高機組運行的穩定性,一般在電調系統中設置頻率死區。機組一次調頻頻率死區指系統在額定轉速附近對轉速的不靈敏區。設置轉速不靈敏區的目的是消除因轉速測量系統精度不夠引起的測量誤差,避免導致機組負荷波動及調節系統波動。一般轉速死區設置為±2 r/min,對應頻率死區為±33.33 mHz。

當頻率偏差或轉速偏差超過死區值時,一次調頻開始動作,機組一次調頻能力以轉速不等率來確定,并且需要結合區域電網要求和機組自身實際情況。如果轉速不等率過大,那么在機組快速甩負荷時風險較大。轉速不等率過小,轉速偏差調節空間會受到限制。

4 一次調頻控制邏輯組態

一次調頻可以根據區域調峰要求設置手動方式和自動方式。對于要求比較嚴格的,必須自動投入并且快速響應的場合,需要判斷一次調頻自動投入條件是否合適,頻率指令修正是否合理等。以下結合某百萬千瓦機組對一次調頻控制邏輯組態進行介紹。

4.1 一次調頻自動投入條件

當機組實際負荷小于400 MW且無快速減負荷條件時,一次調頻功能自動投入。一次調頻自動投入邏輯如圖1所示。具備手動投入一次調頻功能的,可以增設響應按鈕。當機組解列、停機,或系統出現轉速故障時,一次調頻功能自動退出。

圖1 一次調頻自動投入邏輯

4.2 一次調頻指令輸出回路修正

當一次調頻動作時,相應折現函數輸出指令傳送至相應前饋回路進行修正,目的是快速響應負荷變化。在單元機組協調控制方式下,當一次調頻負荷修正指令大于30 MW時,協調比例積分微分調節器壓力拉回回路修正值輸出為零,此時壓力拉回回路快速調節作用由協調比例積分微分調節器頻率修正實現。這一功能的目的是避免一次調頻值過大,與壓力拉回回路調節作用疊加,可能導致調節過調或超調。

一次調頻動作,給水指令前饋回路修正時,對應調頻指令修正因數在基建調試期一般根據同類型機組經驗值進行確定,投產后可根據機組不同工況進行反復試驗最終確定最佳修正因數。數字電液調節系統一次調頻前饋回路修正時,分為順序閥方式和混合閥方式,無論采用哪種方式,最終都通過相應功率曲線轉換函數進行變換輸出。

某百萬千瓦機組調頻邏輯如圖2所示。圖2中,K為修正因數。給定轉速與實際轉速的偏差經過不等率處理后,生成一次調頻給定。一次調頻給定可以修正閥位總指令及功率給定值,使實際功率隨頻率高低變化,以維持供電頻率穩定。考慮直流鍋爐蓄能較小,在一次調頻加負荷方向設置20%限幅。為保證汽輪發電機安全,在一次調頻減負荷方向不設置限幅,實際轉速過高,一次調頻功能即可將調門全關。旁路系統及鍋爐安全門可以實時打開,以保證鍋爐的安全。

圖2 百萬千瓦機組調頻邏輯

汽輪發電機調節系統具有功率控制、壓力控制、單元機組協調控制、閥位控制四種控制方式。功率控制又可分為負荷開環控制、負荷閉環控制。負荷開環控制方式下,由操作員給出目標負荷及負荷變化率,確定相應的調門開度,不對負荷進行比例積分微分閉環調節。在負荷閉環控制方式下,操作員給出目標負荷及負荷變化率,由數字電液調節系統完成對負荷的自動調節。四種控制方式下,機組都參與電網一次調頻。

5 一次調頻修正指令

結合前述調頻指令修正回路可知,為了提高一次調頻的響應速率,一次調頻功能一般由數字電液調節系統和單元機組協調控制系統共同完成,一次調頻回路在數字電液調節系統中實現,在單元機組協調控制系統中進行補償。根據一次調頻的控制原理,并網機組以開環控制方式參與電網一次調頻,只要頻差信號不為零,一次調頻回路將始終影響負荷控制回路的輸出,最終使機組的實發功率與負荷指令不相等。協調控制系統具有功率閉環校正回路,其輸出一般都作用于汽輪發電機控制回路。如果不對數字電液調節系統的一次調頻作用在單元機組協調控制系統中進行補償,那么單元機組協調控制系統的功率閉環校正回路將把這一過程視為內擾,由于比例和積分的作用,又會將負荷控制回路的輸出拉回。

某百萬千瓦機組協調控制系統一次調頻修正指令如圖4所示。圖4中,Δ表示偏差。一次調頻控制回路疊加在負荷指令回路中,在對頻差信號進行開環控制的同時,對機組功率進行閉環校正,最終作用于汽輪發電機調門開度變化。

圖3 單元機組協調控制系統一次調頻修正指令

6 存在的問題

6.1 一次調頻能力不足

機組的一次調頻功能主要依靠一次調頻回路產生一次調頻負荷調整分量,直接通過開環控制,基于汽輪發電機的配汽特性曲線和調門特性曲線作用于汽輪發電機的高壓調門。一般認為,一定的頻差對應一定的負荷變化,比如對于額定負荷為1 000 MW的汽輪發電機,在4%轉速不等率、±2 r/min轉速死區下,120 r/min的轉速偏差對應1 000 MW理論負荷變化量。當然,這一對應關系是有前提的,這個前提是汽輪發電機處于額定參數下運行,汽輪發電機的配汽特性與負荷指令線性關系良好,外界能夠提供足夠的能量。

6.2 主蒸汽壓力變化幅度過大

一次調頻動作時,主蒸汽壓力、汽包水位等重要參數波動大是多數電廠一次調頻功能投運能力受限制的主要原因。個別機組在試驗過程中,高壓調門開度減小時,主蒸汽壓力升高的幅度較大,可達到1 MPa,并且還有快速上升的趨勢。這些現象受機組自身固有特性的影響較大,并且由于一次調頻動作要求快速性,這些現象很難通過汽輪發電機側控制來減弱。目前比較可行的方法是在單元機組協調控制系統側增加一次調頻配合回路,減小這些參數的波動,提高機組的平衡能力。

6.3 汽輪發電機軸向位移變化

汽輪發電機軸向位移對軸向推力的變化非常敏感。一次調頻試驗時,頻率偏差信號發出瞬間,高壓調門開度增大,汽輪發電機高壓缸進汽量突然增大,引起調閥端軸向推力增大,打破原來的軸向推力平衡。由于汽輪發電機中、低壓缸對一次調頻響應存在明顯滯后性,一次調頻動作后新工況下的汽輪發電機軸向推力平衡還沒有建立,加之汽輪發電機軸向位移對軸向推力變化具有敏感性,在一次調頻動作后軸向位移隨即發生較大變化。隨著時間的推移,汽輪發電機軸向推力在新的工況下重新平衡,軸向位移也就重新恢復到原來的狀態。

6.4 汽輪發電機推力瓦溫度變化大

一次調頻動作時,汽輪發電機出現推力瓦溫度大幅度變化的情況,具體表現為高壓調門開度增大時,推力瓦工作面溫度快速上升;高壓調門開度減小時,推力瓦工作面溫度快速下降。與此同時,汽輪發電機的軸向位移也發生改變。

7 結束語

一次調頻功能通過調節汽輪發電機調門的開度,利用機組蓄熱來快速響應電網頻率的變化。目前,大機組普遍應用數字電液調節系統來進行汽輪發電機轉速和有功功率的控制。通過設置合理的轉速不等率,對頻率偏差信號設置不靈敏區,對機組的一次頻量進行限幅處理。數字電液調節系統中的一次調頻功能可以將汽輪發電機轉速與額定轉速的差值直接換算為有功功率指令。另一方面,一次調頻回路轉速不等率只影響機組的一次調頻量,對機組甩負荷時的調節性能影響不大。

影響火力發電機組一次調頻性能的因素較多,包括機組燃料狀況、運行參數調整、頻率信號測量精度和慣性、控制系統性能等。筆者分析了某百萬千瓦機組一次調頻組態邏輯、控制策略、存在的問題等,為提升機組一次調頻性能提供參考。