火電機組一次調頻功能實現與優化

朱邦那

（中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華北電力試驗研究院，北京 100040）

0.引言

由于電能是無法儲存的一種能源，發電廠發的電送到電網側，需要被用戶瞬時消耗掉，但是用戶的用電需求是很難預測的，所以就存在電網的電能過多或過少的情況。當電網電能過多時，電網就會表現出頻率過高，相反的，電網的電能過少時，電網就會表現出頻率過低。當發出的電和使用的電平衡時電網的頻率才能穩定在50Hz，所以電廠通過一次調頻的功能，自動增減發電量平衡需求關系，保證電網的頻率穩定。

1.設備概況

機組額定功率600MW，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠的HG-2023/17.6-YM4型亞臨界壓力、一次中間再熱、固態排渣、單爐膛、Π形布置、全鋼構架懸吊結構、半露天布置、控制循環汽包爐。

汽輪機為哈爾濱汽輪機廠制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸、四排汽、反動式凝汽汽輪機，型號為N600-16.7/537/537。

2.一次調頻邏輯設計實現方法

當機組不在CCS（協調控制系統，Coordination Control System）方式下運行時，并且DEH（汽輪機數字電液控制系統，Digital Electro-hydraulic Control System）側投入功率自動控制方式，機組的負荷由DEH系統控制，一次調頻的功能完全由DEH側完成；當機組投入CCS方式時，一次調頻的功能由CCS側和DEH側共同完成，DEH側為開環控制，通過快速動作汽輪機主蒸汽調門以達到快速響應一次調頻的目的，CCS則為閉環控制，通過修正目標負荷的方法以達到穩定最終負荷的目的并能防止DEH的調節作用被拉回。修正的負荷指令不受負荷速率限制，直接疊加到機主控的總負荷指令上，參與負荷的調節[1]。無論是DEH側還是CCS側一次調頻動作量都是按照預先設定好的轉速不等率進行調節。

2.1 DEH運行方式下的一次調頻功能：

2.1.1 一次調頻允許條件

（1）汽輪機未跳閘；（2）機組已并網；（3）轉速無故障。

2.1.2 實現方法

（1）在DEH方式下，發電機組并網后，一次調頻功能自動投入，不能手動退出，只有允許條件不滿足時，一次調頻功能才會自動退出。

（2）發電機組并網運行后，一次調頻控制中，通過采集的發電機組的轉速或頻率計算出實時的頻率偏差，根據頻差的大小和預先設定的機組轉速不等率δ，按照一次調頻功率補償計算方法，得出一次調頻功率補償指令，將該指令疊加到機組負荷目標值上。疊加的一次調頻負荷指令，不受機組負荷變化率的限制，直接參與機組的負荷調節。一次調頻功率補償量的計算公式為：

其中：n0為發電機組的額定轉速，Pn為發電機組的額定功率，Δn為機組運行時的實際轉速與設計的額定轉速的差值，ΔP為一次調頻動作時需要補償的功率量，δ為機組預先設定實際轉速不等率，大小為4%～5%。

（3）發電機組并網以后，當DEH處于功率控制方式時，控制系統會將計算出的頻率偏差和機組轉速不等率δ，按照一次調頻功率補償量計算公式，計算出一次調頻補償功率值，該值與機組DEH功率控制回路的負荷指令相疊加，做為最終的機組目標負荷，參與機組的負荷調節。

（4）DEH控制系統在閥控方式下，通過頻率偏差和機組轉速不等率δ運算后的一次調頻綜合閥位補償信號，經主汽壓力函數修正后作為綜合閥位的修正值。

2.2 機組協調運行方式下的一次調頻功能

2.2.1 一次調頻允許條件

（1）協調方式；（2）機組已并網；（3）轉速無故障。

2.2.2 實現方法

發電機組并網后，當一次調頻動作時，協調控制系統接收到DEH系統的頻率偏差或轉速偏差信號，一次調頻功率補償量計算公式依據預先設定好的機組轉速不等率δ計算出需要補償的一次調頻負荷值，該值與原有的機組負荷給定值相加，作為機組總的負荷指令，送到汽輪機主控調節，同時DEH側按照閥控方式下的控制方案，參與機組的一次調頻功能。

3.一次調頻功能參數設置

3.1 轉速不等率

當汽輪機單機運行時，空負荷轉速與滿負荷轉速之差與額定轉速比值的百分數稱為調節系統的轉速不等率（或稱不均勻度，速度變動率等），以符號δ表示，即一般δ的范圍為3%～5%，電網一般要求火電機組的轉速不等率設置為5%，同樣的轉速偏差下，轉速不等率越小要求機組補償電網的負荷越多，轉速不等率越大要求機組補償電網的負荷越少，機組轉速不等率設置越小，一次調頻動作時，機組貢獻的負荷量越大，更有利于整個電網的調節，但是過低的轉速不等率會加劇機組的調節強度，使主汽調門動作幅度增加，影響其他參數的穩定，嚴重時會產生負荷的低頻震蕩，所以轉速不等率不能設置過小，一般取4.5%為宜。

3.2 轉速死區

轉速死區是指當轉速偏差超過某一值時，一次調頻功能才生效并按照預先設定的轉速不等率進行負荷的調節，電網要求轉速死區為±2r/min，其目的是為了消除轉速頻繁小范圍波動（由于測量系統的精度不夠引起的測量誤差）引起機組一次調頻頻繁調節帶來的負荷高頻波動。轉速偏差超出死區后調頻的負荷量從零開始增減，不設置為階躍式增減。

3.3 調頻限幅

因為采取一次調頻動作時需疊加的負荷指令是不經過速率限制的，這種階躍式的負荷指令變化會對機組安全運行產生一定影響，所以機組的調頻負荷上下限值需要增加一定的限制，但限制幅度不宜過小，不同容量的機組要求也是不同的。其要求如下（Pn為機組額定負荷）：

（1）250MW＞Pn的火電機組，限制幅度≥10%Pn；

（2）350MW≥Pn≥250MW的火電機組，限制幅度≥8%Pn；

（3）500MW≥Pn＞350MW的火電機組，限制幅度≥7%Pn；

（4）Pn＞500MW的火電機組，限制幅度≥6%Pn；

（5）額定負荷運行的機組參與一次調頻時，增負荷方向最大調頻負荷增量幅度不小于5%Pn。

4.考核方法

并網發電廠機組必須具備一次調頻功能且機組必須參與電網的一次調頻，當電網頻率超過一次調頻死區時應自動參與一次調頻，并網發電機組不得擅自退出機組的一次調頻功能。機組一次調頻性能考核包括15s出力響應指數考核、30s出力響應指數考核以及電量貢獻指數考核。對于煤電機組15s出力響應指數應達到75%理論值；30s出力響應指數應達到90%理論值；電量貢獻指數應達到理論值的75%。在深度調峰期間各響應指數指標減半。如果一次調頻動作持續時間超過60s則調頻時間按照60s計算，所以就要求一次調頻動作時，在60s內應達到穩定即能達到理論值。

5.一次調頻試驗

新建機組、機組大修或DCS（分散控制系統，Distributed Control System）系統發生變化后都應進行一次調頻試驗。

試驗條件：（1）選擇功率在60%Pn、75%Pn、90%Pn負荷且機組穩定運行期間，分別進行試驗。（2）檢查計算DEH軟件中死區的設置應為±2r/min，不等率的設置為4.5%，一次調頻限制幅值6%Pn，無一次調頻速率限制，一次調頻疊加指令位置正確。（3）通過強制頻率的方法進行一次調頻試驗，60%Pn和90%Pn負荷時分別做頻差±0.067Hz、±0.1Hz試驗，75%Pn時做頻差±0.067Hz、±0.1Hz及最大頻差±0.1667Hz試驗，某600MW機組試驗數據及指標如表1所示。

表1 某廠一次調頻試驗數據

試驗結論：通過表1數據可以得出：該機組不同工況、不同擾動量下全部能在3s內響應，1min內穩定，15s負荷變化幅度為＞75%，30s負荷變化幅度為＞90%，轉速不等率均小于為5%。其性能指標滿足“華北區域發電廠并網運行管理實施細則”要求。

6.優化提升方法

6.1 使用同源的一次調頻信號

電網和電廠在計算一次調頻性能指標時所選取的數據有所不同，電網使用PMU（Phasor Measurement Unit相量測量裝置）中的頻率信號，而大部分電廠是將汽機轉速信號經過計算后轉化為頻率信號，這些信號可能與電網考核用的頻率存在偏差。實踐證明，這種信號不同源而產生的偏差，會導致火電機組一次調頻動作正確率下降。為了解決這一問題，需要對機組PMU（相量測量裝置，Phasor Measurement Unit）裝置進行同源改造，有針對性地安裝頻率同源裝置[2]。將PMU裝置上的頻率和功率信號引入DEH，用頻率信號計算一次調頻的理論值，用功率信號反應實際負荷的變化量，提高了機組一次調頻動作的正確率，滿足電網的一次調頻的要求。

6.2 一次調頻邏輯優化

一般機組的協調控制邏輯中都設置了壓力拉回回路，當壓力設定值和實際值存在偏差時，機組負荷設定值指令會根據壓力偏差的大小，自動改變機組的負荷指令，當存在的壓力偏差要求減小負荷而一次調頻卻要求增加負荷時，這時一次調頻的調節性能會大打折扣，所以就需要對壓力拉回回路進行優化，可增加壓力拉回回路動作限制條件，當主汽壓力達到額定值后作用，這樣就能保證一次調頻的調節性能也能確保機組不長時間超壓運行，影響機組安全[3]。

在協調控制方式下，DEH側一次調頻為開環控制，當一次調頻動作時會根據轉速不等率，直接動作汽輪機調門以達到快速響應一次調頻的目的，但是由于每個工況下主汽壓力會存在調節偏差的現象，當主汽壓力偏低時，想要動作同樣量的負荷，動作同樣的閥位指令就不能滿足要求，所以一般都設置主汽壓力函數，作為閥位指令的修正系數，以滿足不同主汽壓力下的一次調頻性能。除此之外，為滿足電網對一次調頻電量貢獻的要求，可以在一次調頻動作期間增強機主控的PID參數，使調門能夠快速開關，避免一次調頻后期實際負荷持續下降，但是調門不能快速開啟，使電量貢獻指數不達標造成考核。

7.結語

隨著越來越多的新能源納入到電網，電網的對火電機組的一次調頻的能力提出了更高的要求，火電機組也應該在新的形勢下不斷完善自身的一次調頻的能力，對于傳統的一次調頻邏輯能否滿足電網更高的要求做一次全面的評估，在保證機組安全運行的前提下，加大一次調頻的調頻能力，通過摸底試驗等方法使每臺機組一次調頻能力最大化，這樣既能保證電網安全穩定運行，也能保證電廠的一次調頻性能指標滿足電網的要求，使電網側和電廠側雙贏。