600 MW火電機組一次調頻控制系統改造研究

賴建明，王冠博

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院， 哈爾濱 150030；2.美國康涅狄格大學 工程學院，斯托斯 06269)

0 引 言

用電負荷和發電功率的不平衡是造成電網頻率波動的主要原因，電網頻率波動過大不但會對用戶設備造成危害，也會對在網機組造成重大危險，所以當電網頻率出現波動時，在網機組應及時改變功率以平衡用電負荷，而能快速做出反應,依靠并網機組的一次調頻功能。由于單臺機組的負荷調節能力有限，因此要求在網機組必須全部投入一次調頻功能，共同調節功率穩定電網頻率，而并入電網的所有發電機組應具有良好的一次調頻性能。這是提高電網頻率穩定性，也是電網及機組安全可靠運行的基礎。

根據火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收導則(GB/T 30370—2013)，及東北區域電網發電廠并網運行管理實施細則(東北監能市場(2019)115號)。電網調度中心通過廣域動態信息監視分析保護控制系統(wide area monitoring analysis protection-contrtol, WAMAP)對所在轄區的并網發電廠一次調頻自動進行監督管理。發電廠的電網同步相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)，將發電機實時功率及頻率信息送給WAMAP系統。因此，發電廠一次調頻控制系統的穩定投入和較高的合格率，可以使其在電網調度方面爭取更多的上網電量和更高的經濟利益。隨著電網用電結構變化引起的負荷峰谷差逐步加大,電網頻率穩定性的問題越來越被重視。黑龍江省內100 MW以上機組商業運行時間平均超過10年，設備穩定性和控制系統調節能力下降，一次調頻性能合格率較低，對電網安全穩定運行產生不利影響，亟需進行升級改造。

1 一次調頻系統原有功能設計

1.1 一次調頻系統設計及技術要求

電網負荷變動過大，會所導致其頻率隨之發生波動, 不利于電網安全穩定運行。機組設計的汽輪機電液調節系統和機組協調控制系統，可以通過改變汽輪機調門開度的方式來改變發電機的功率，來回應電網負荷變化，使其頻率盡快恢復到正常水平，即一次調頻[1]。

根據《火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收導則：GB/T 30370—2013》，一次調頻系統設計及技術要求如下：

1)一次調頻功能需要分別在汽輪機數字電液調節系統、機組協調控制系統中實現。

2)一次調頻死區設置應不大于±0.033 Hz(即±2 r/min)。

3)機組調速系統的速度變動率，即δ應在4%～5%之間。

4)一次調頻最大調整負荷限幅應不小于6%的額定功率。

5)機組參與一次調頻的滯后時間應不大于3 s。

6)機制參與一次調頻的穩定時間應不大于1 min。

7) 機組一次調頻的負荷響應速度應滿足：

機組達到 75%額定功率的時間應不超過15 s ，達到90%額定功率的時間應不超過30 s。

8) 一次調頻設定曲線如圖1所示。

圖1 一次調頻設定曲線

1.2 一次調頻系統原有設計存在不足

當電網負荷波動導致頻率偏離正常范圍時，并入電網的發電機組會通過汽輪機調節控制系統自動控制發電機有功功率增加(當電網頻率向下波動時)或減少(當電網頻率向上波動時)，當并入電網的多臺發電機組同時參與調節時，電網頻率會迅速回到正常范圍。該發電廠的600 MW火電機組一次調頻功能控制由汽輪機數字電液調節系統(digital electric hydraulic control system, DEH)，及機組協調控制系統(unit coordinated control system，CCS)共同完成，當機組采用DEH控制方式時，DEH采集汽輪機狀態監測系統提供的實際轉速信號與額定轉速的偏差信號，經轉速不等率設定函數計算后，將直接疊加在汽輪機調速汽門總閥位指令處，同時功率回路的功率指令亦根據轉速不等率設定函數計算后，提供一個適合的指標進行調頻功率定值補償，且補償的調頻功率定值取消速率限制功能，使其快速相應負荷變化。當機組采用CCS控制方式時，機組自動發電系統(automatic generation control,AGC)或CCS側的負荷控制中心的負荷指令亦根據轉速不等率設計函數計算后，提供設定指標進行調頻功率定值補償，且補償的調頻功率定值也不經過速率限制，保證負荷響應的快速性。

當機組處在CCS控制方式時，系統提供的一次調頻指令信號與AGC負荷指令疊加前乘以1個系數，用于擴大一次調頻動作幅度；同樣，當機組處在DEH控制方式時，系統提供的一次調頻指令信號在與調門開度指令疊加前也需要設計乘以1個系數，用于將調門開度適當地增加。雖然提高一次調頻動作幅度所取得的效果還是比較明顯，但是在不同負荷段以及主汽壓波動劇烈會影響一次調頻動作效果[2]。

一次調頻系統控制邏輯如圖2所示。

圖2 一次調頻系統控制邏輯圖

發電機組進行一次調頻控制的信號基準是汽輪機實測的轉速信號，而電網調度對一次調頻進行考核的依據是電網頻率信號。理論上轉速信號和頻率信號存在著固定換算關系，但實際上在機組動態運行過程中，電網頻率信號相對穩定性較差及轉速變化速度與頻率變化速度存在非同步性[3]，會導致機組一次調頻動作不及時或者過度動作，影響一次調頻性能指標的效果，長期運行對機組的安全穩定運行造成隱患；汽輪機閥門流量特性曲線與實際閥門特性不符，造成一次調頻控制精度不高，從而使得指標不達標；機組開環控制或協調控制方式下一次調頻控制方案設計不合理，同樣影響一次調頻的各項指標。

基于現狀，考慮開發一種與機組分散控制系統(distributed control system，DCS)相適應的一次調頻控制智能系統，既能實現DCS系統對機側轉速頻率信號的高精度采集，又可以基于頻率變化做出相應調整的控制策略[4]。

2 改造方案

2.1 一次調頻智能控制系統組成

一次調頻智能控制系統由一次調頻智能控制裝置及附屬硬件設備組成，控制裝置采用嵌入式系統設計，通過高精度的頻率傳感器實現對電網頻率信號的實時采集；同時采用基于電網功率變化動態調整的先進控制策略，可將信號采集和邏輯控制完美結合，直接輸出控制指令。該裝置控制精度高、響應迅速，控制方案合理，滿足電網調度對并網機組的一次調頻各參數指標的考核，也能有效地減少發電機組的一次調頻誤動，促進電網和發電機組的經濟水平提高。

一次調頻智能控制系統,從PMU中，即電廠電氣進行同步相量的測量、輸出及動態記錄，采集機組頻率和功率信號與需要智能控制的信號進行邏輯功能計算，通過硬接線將調頻量、采集數據分別送至DEH和DCS系統直接控制機組汽輪機調門。其一次調頻改造系統如圖3所示。

圖3 一次調頻改造系統拓撲

2.2 硬件系統改造

機組電子間內增設1套一次調頻智能控制系統機柜，內置有一調頻智能控制裝置、服務器及顯示裝置等，用于汽輪機側頻率采集、功能運算和一次調頻控制。

CCS、DEH系統根據需要選取原控制模件的備用通道或增加相應模件，用于一次調頻控制、系統報警及數據采集等數據的傳輸。

直接從發電機電壓互感器上采集電壓信號，通過一次調頻高精度頻率變送裝置進行信號處理，測量出發電機頻率后轉換為模擬量控制信號傳至一次調頻智能控制系統。該變送器對頻率信號的測量精度大于轉速信號的測量精度，可以達到0.001 Hz。

一次調頻智能控制系統采用A、B兩套相互冗余的采集和運算系統，對運算后信號自動進行優化判斷后輸出到CCS和DEH系統進行一次調頻的調節，提高了系統的安全性和穩定性。

2.3 軟件系統改造

邏輯修改的控制策略為：在不改變原有一次調頻控制策略的前提下，實現一次調頻控制的無擾切換。當“一次調頻智能控制系統投切”按鈕投入后，一次調頻指令由一次調頻智能控制裝置發出，并取代原設計系統的控制功能，直接疊加至DEH閥位總指令，實現一次調頻功能。如一次調頻智能控制系統出現斷電、裝置故障等不正常工況時，無擾切回原一次調頻控制回路。

為了調高控制精度，彌補汽輪機閥門流量特性的偏移，在一次調頻智能控制系統中增加依據不同負荷段設定各自轉速不等率設定值的補償系數折線函數。

DCS、DEH一次調頻控制邏輯，F(x)后增加T切換功能塊，切換條件設置：手動切除、一次調頻智能控制裝置指令都故障(品質壞)切除、一次調頻智能控制裝置都異常切除(裝置異常信號)[5]。當一次調頻智能控制裝置指令發揮作用時，原一次調頻負荷指令并屏蔽，通過T切換功能塊的N管腳(即條件不滿足“NO”)輸入；如上切換條件滿足時，原一次調頻負荷指令將發揮作用，同時屏蔽一次調頻智能控制裝置指令，通過T切換功能塊的Y管腳(即條件滿足“YES”)輸入。CCS、DEH一次調頻邏輯修改如圖4所示。

圖4 CCS、DEH一次調頻邏輯修改

當一次調頻指令與AGC指令出現反向調節或者機組在汽機主控控制方式時，一次調頻指令有優先級，所以需閉鎖汽機主控反向調節指令。

當一次調頻智能裝置工作異常，會導致一次調頻負荷指令出現大幅度波動，所以一次調頻負荷指令接入負荷控制回路前需要增加限幅功能塊(DCS、DEH)，機組限值幅值設置為±6%目標負荷。

當模擬量卡件輸出信號出現漂移現象，會影響機組負荷調節品質，一次調頻智能控制裝置輸入指令需要對信號進行判斷和修正，當輸入指令<0.1 MW時，邏輯上增加小信號切除功能，輸出信號置0。汽機主控一次調頻邏輯修改如圖5所示。

圖5 汽機主控一次調頻邏輯修改

一次調頻智能控制裝置輸入指令變壞點時，邏輯上設計異常判斷報警功能，輸入指令≥+6%(36 MW)或≤-6%負荷時報警。

邏輯修改完成后，需要統一按邏輯執行次序對邏輯塊順序排列的合理性進行檢測，確保完成該邏輯頁中的所有邏輯運算在1個掃描周期內完成，否則需要修改排列順序。

3 一次調頻智能控制系統改造效果

一次調頻智能控制系統改造完成后，重新對該600 MW機組進行了一次調頻試驗，在機組75%負荷，額定轉速3 000 r/min下，實際發出頻率擾動信號，轉速偏差分為4種情況，-4 r/min、+4 r/min、-6 r/min、+6 r/min，試驗數據見表1～4。

表1 轉速偏差-4 r/min時試驗數據

表2 轉速偏差+4 r/min時試驗數據

表3 轉速偏差-6 r/min時試驗數據

表4 轉速偏差+6 r/min時試驗數據

試驗數據表明，控制系統能夠滿足一次調頻各項性能指標要求，改造效果良好。

4 結 語

面對現代工業及社會生活對供電品質不斷提高的要求，對并入電網的大型火電機組而言，一次調頻控制系統的投運及具備良好的調節功能是確保電網頻率的穩定性的關鍵。通過對該機組一次調頻系統的改造升級，發生電網頻率變化時，機組可以迅速改變負荷，滿足電網頻率穩定供電的需求，同時參與一次調頻的機組穩定性也未受到影響，此次一次調頻功能改造取得良好效果。