高精度轉速卡在某廠機組一次調頻中的應用

趙秀峰

（大唐國際發電股份有限公司張家口發電廠，河北 張家口 075133）

引言

某發電廠共八臺320 MW 汽輪發電機組，其中1、2 號機組為東方電氣集團生產的高、中、低壓缸三缸汽輪發電機組，3～8 號機組為東方電氣集團生產的高、中壓缸合缸汽輪發電機組。分散控制系統（DCS）和汽輪機數字電液調節系統（DEH）除7 號機組為和利時控制系統外，其他機組均為北京日立控制系統，由于北京日立控制系統DEH 轉速設計精度低，無法滿足一次調頻要求。

1 一次調頻參數指標

1.1 轉速不等率δ

式中：Nmax為汽輪機空負荷時對應的最大轉速；Nmin為額定負荷時對應的最小轉速；ne為汽輪機額定轉速。

轉速不等率越大，一次調頻動作時，機組動作的負荷越少，機組穩定性越好，一般不大于6%；轉速不等率越小，一次調頻動作時，機組動作的負荷越多，機組穩定性越差，一般不低于3%。

我廠一次調頻的轉速不等率設置為4.5%，機組參與一次調頻的負荷調整系數為：

式中：K 為一次調頻調整系數，MW/（r·min-1）；Ne為機組額定負荷，取320 MW；δ 為機組轉速不等率，取45%；ne為機組額定轉速，取3 000 r/min。將數值代入公式計算得K=-2.4MW/（r·min-1）

相當于轉速超出死區每分鐘變化一轉對應機組負荷變化2.4 MW。

1.2 轉速死區

一次調頻在額定轉速附近對轉速變化的不靈敏區。

張家口發電廠頻率死區設置為±2r/min（±0.033Hz）。

1.3 遲緩率ε

式中：Δn 為同一功率下轉速上升最大值與下降最小值之差；ne為汽輪機額定轉速。

汽輪機調速系統各部套存在間隙和摩擦使調速系統動作存在遲緩現象，電網頻率偏離死區至閥門動作也存遲緩現象。遲緩率越大，說明汽輪機轉速變化一次調頻動作到調節閥動作時間越大，嚴重時造成轉速震蕩，甚至發生頻率震蕩。

2 華北電網對一次調頻的要求

華北電網發電機組參與一次調頻管理規定中要求網內機組全程參與一次調頻，調頻上限為額定負荷的10%，且應滿足以下各項要求。

1）15 s 響應指數不小于75%，15 s 響應指數=15 s 內機組實際最大出力調整量/理論最大出力調整量×100%，即一次調頻動作至達到75%理論目標負荷的時間應不大于15 s。

2）30 s 響應指數不小于90%，30 s 響應指數=30 s 內機組實際最大出力調整量/理論最大出力調整量×100%，即一次調頻動作至達到90%理論目標負荷的時間應不大于30 s。

3）機組持續調頻時間內電量貢獻指數不小于75%,電量貢獻指數=機組一次調頻實際貢獻電量/理論貢獻電量，即在一個調頻周期內的積分電量達到理論積分電量的75%。

3 張家口發電廠一次調頻現狀

張家口發電廠機組一次調頻均采用電液控制加協調控制，即DEH+CCS方式實現。DEH 系統內額定轉速與汽輪機的實際轉速偏差超過設定死區后，通過一次調頻函數計算后的閥門指令直接疊加至綜合閥位指令動作調門；CCS 通過轉差與不等率函數計算后的調頻指令疊加至機組實際負荷指令進行補償，保障一次調頻動作時鍋爐增加出力，以保證發電機輸出功率。

2020 年上半年經電網統計的一次調頻動作次數為5 183 次，因每次動作考核三個指標（積分電量、15 s指數、30 s 指數），故參與考核次數為15 549 次，其中不合格次數為6 840 次，正確率為56%，考核電量為13 132.8 MW，考核金額493 萬余元。

為了查找一次調頻不正確動作原因，分別在機組負荷達到192 MW、240 MW、288 MW 進行了手動設定±4 r/min（±0.067 Hz）和±6 r/min（±0.1 Hz）的一次調頻擾動試驗，試驗結果都比較理想，各個指標的負荷貢獻均能夠滿足一次調頻考核要求，由此推斷一次調頻不合格跟機組本身關系不大。

通過對2020 年大量考核數據的分析，結合機組動作時的各參數，以及一次調頻擾動試驗結果，我們發現一次調頻存在以下問題：

1）一次調頻電網考核時刻與機組動作時刻不同步，是導致一次調頻不合格的主要原因。機組一次調頻動作時，電網未記為考核，電網記錄考核時刻機組一次調頻未動作，由此也產生了大量無效動作，據統計一臺機組一個月的無效動作次數達到1 萬余次，給機組安全運行也帶來嚴重威脅。

2）絕大部分一次調頻動作時，系統轉速與額定轉速差為2.5 轉左右，剛剛越過死區，由于轉速在死區邊緣，轉速離調頻函數零點太近，函數零點邊緣一次調頻動作量不足，導致負荷響應不足或無響應，一次調頻負荷貢獻量不夠。

3）為了節能需求，運行中主汽壓力低于額定值，調門開度相對偏大，導致調門節流小，鍋爐蓄熱能力不足，一次調頻動作時，調門開啟對進入汽輪機的主汽流量影響小，負荷響應不足，一次調頻負荷貢獻量不夠。

4）一次調頻動作時，有時存在AGC 指令與一次調頻動作指令相反，導致一次調頻貢獻負荷被AGC實際負荷抵消。

5）一次調頻動作時調門頻繁波動，導致抗燃油泵電流波動大，調門抗燃油進油管路振動大，極端情況下造成抗燃油管理接頭及焊口斷裂，甚至泄露，給系統安全穩定運行帶來隱患。

4 高精度轉速卡的應用

經過多次分析，我們認為北京日立控制系統有限公司設計的DEH 系統轉速精度低，系統轉速測量誤差較大，存在電網考核時刻，轉速未超過死區的情況。通過市場調研每臺機組增加了一塊高精度轉速卡，以提高轉速測量精度，同時在高精度轉速卡中設定轉速死區，當轉速超過死區時，直接輸出開關量給DEH 系統，減小DEH 系統模擬量判斷的系統延時，縮短了一次調頻響應時間，有效地解決了一次調頻動作與電網考核不一致問題。

認真研究電網一次調頻考核規則，逐步掌握了電網的考核規則，針對考核規則，我們對一次調頻邏輯進行了優化，增加了一次調頻越限動作延時，同時為了保證負荷響應，增加了一次調頻動作保持邏輯，通過配套邏輯優化提高了一次調頻的正確動作率。同時也大大減少了一次調頻的無效動作次數，初步統計2021 年上半年一次調頻無效動作次數減少原來的1/3。

轉速在超過死區邊緣時，由于轉速離調頻函數零點非常近，一次調頻動作量接近于“0”，我們將一次調頻函數設置為分段函數，增加小頻差時調頻動作量，在大頻差時保持原有函數，既保證一次調頻在轉速死區邊緣時的一次調頻貢獻量，又保證在大頻差下一次調頻動作幅度過大，造成機組運行不穩定。

針對運行中主汽壓力低于額定值，增加一次調頻壓力修正函數，當主汽壓力低于額定值時，增加正向修正，加大一次調頻動作量，當主汽壓力接近額定值時，保持原一次調頻動作量，保證壓力低于額定值時一次調頻的貢獻量。同時優化閥門曲線，適當增加閥門重疊度以保證閥門動作對流量和負荷的響應速度。

增加一次調頻動作時閉鎖AGC 指令回路，當電網頻率降低越限時，閉鎖減負荷指令回路，當電網頻率升高越限時，閉鎖漲負荷指令回路，保證一次調頻貢獻量不被AGC 指令抵消。

摸索電網頻率越線時電網統計時刻與機組動作時刻時間差，盡可能使用跟電網統計時刻相符的參數作為一次調頻動作條件，必要時增加時間修正和保持回路，保證機組動作與電網統計同步，提高一次調頻合格率。

表征頻差越線的轉速測量值采用多重信號攝取，采用智能邏輯把變化最小的測量值作為參與一次調頻的動作條件，避免轉速波動造成一次調頻頻繁動作調門擺動，從而減少抗燃油系統管道的振動。

增加一次調頻快動緩回回路，當一次調頻動作時，調門快速開啟，動作結束后緩慢關閉至實時閥位，既保證了一次調頻負荷貢獻量，又避免一次調頻頻繁動作導致負荷波動造成的低頻振蕩。同時避免一次調頻頻繁動作導致汽輪機調門頻繁開關造成的抗燃油系統管道振動。

5 結語

2021 年上半年一次調頻動作6 042 次，參與考核次數為18 126 次，不合格次數3 660 次，正確率79.8%，考核電量7 027.2 MW，考核金額263 萬元。

通過增加高精度轉速卡和優化邏輯一次調頻正確動作率由原來的56%提高到了80%，大大減少了一次調頻的考核，同時也減少了一次調頻動作次數，保障了汽輪機調速系統的安全，為電網提供了高品質的電力。