提高火力發電廠一次調頻性能指標合格率的研究

鄭怡慧 李登峰

（晉能控股山西電力股份有限公司侯馬熱電分公司，山西 臨汾 043000）

0 引言

電網對并網機組一次調頻考核指標的計算和判定是基于電廠PMU裝置上傳的頻率信號和功率信號進行的，但發生一次調頻時，電網頻率會優先于調節指令的變化，此時要求汽機調門快速動作，及時響應電網需求，所以信號源的準確性和汽輪機閥門動作的快速性是關鍵。而汽輪機轉速差作為一次調頻的源信號，存在精度低、測量滯后等問題，嚴重影響一次調頻的快速和準確動作，并且會增加一次調頻不必要的動作次數，無法保證一次調頻性能指標滿足要求。基于此，本文對一次調頻性能指標展開深入研究并提出解決方案，具有很高的應用價值。

1 火力發電機組一次調頻原理

1.1 一次調頻函數

一次調頻采用開環控制，一次調頻函數發生器作為基礎控制器，其原理圖如圖1所示。

圖1 一次調頻函數發生器

在圖1中，±Δf1之間為死區，范圍[-0.033Hz，0.033Hz]，在死區內，一次調頻不動作。

當頻率偏差超出死區后，一次調頻根據一次調頻函數發生器指令動作，當調節功率達到最大值±ΔPmax時，一次調頻不再繼續動作[1]。其中，±ΔPmax與火力發電機組容量有關。

1.2 一次調頻重要參數

（1）一次調頻死區范圍為[-0.033 Hz，0.033 Hz]或[-2 r/min，2 r/min]。

（2）一次調頻轉速不等率為4.5～5，其越小調節性能越好。

（3）一次調頻功率最大值±ΔPmax與機組容量有關，具體如表1所示。

表1 一次調頻最大值數據

（4）每轉轉差對應功率=PN/150。最大轉速偏差=±（ΔPmax/每轉轉差對應功率+2），具體如表2所示。

表2 最大轉速偏差和功率/轉差數據

1.3 一次調頻機組動作邏輯

（1）為快速響應電網頻率的變化，一次調頻需要快速準確動作。在汽輪機側DEH中，檢測到頻率差或轉速差超出死區后，一次調頻函數發生器發出功率指令，經過限幅后直接疊加在閥門流量指令上，直接驅動高壓調節門，減少運算時間，進而實現快速動作[2]。具體邏輯如圖2所示。

圖2 一次調頻DEH側邏輯

（2）為防止汽輪機側DEH動作之后，CCS側功率指令和實際功率出現偏差進行反向調節，影響一次調頻性能指標，在CCS投入的情況下，將一次調頻動作功率限幅后疊加到CCS負荷指令。一是防止CCS反向調節功率；二是通過鍋爐主控調節主汽壓力，使鍋爐側能夠響應汽機側由于一次調頻帶來的主汽壓力變化，達到快速穩定的效果[2]。具體邏輯如圖3所示。

圖3 一次調頻CCS側邏輯

2 一次調頻優化方法

2.1 信號源測量裝置

對PMU裝置、電網一次調頻考核數據和發電廠一次調頻動作數據進行比較，具體數據如表3所示。

表3 一次調頻動作時間數據

通過對數據的比較，發現PMU測量的頻率出死區與電網考核數據的起始時間一致，而轉速偏差出死區平均有6.25 s延遲，必然會影響一次調頻前15 s出力響應指數。為保證信號源的準確性，將轉速偏差更換為頻 率偏差。頻率測量裝置與PMU裝置的取源點必須相同，測量精度＜±0.002 Hz，要求輸出三路模擬量頻率信號和一路數字量頻率超限信號，分別送至DEH和CCS側，用于一次調頻動作的信號源。

2.2 一次調頻邏輯優化

（1）增加一次調頻動作前饋，提高一次調頻前15 s和前30 s出力響應指數。在小頻率差擾動下，一次調頻函數轉換出的功率指令幅度小、不穩定，由于功率指令和閥門指令的運算、高壓調節門伺服動作以及油動機和閥門的機械特性，機組實發功率變化小，無法滿足一次調頻前15 s和前30 s的出力響應指數。通過分析頻率測量裝置越限信號，發現對其進行信號處理后，能夠準確判斷出一次調頻是否應該動作。在一次調頻動作時，增加前饋分量疊加到閥門流量指令中，能夠快速響應一次調頻動作，提高一次調頻前15 s和前30 s的出力響應指數。具體邏輯如圖4所示。

圖4 一次調頻動作前饋邏輯

（2）增加快動緩回功能，提高一次調頻電量貢獻率指數。由于頻率信號不穩定，頻率差變化幅度大，無法維持最大頻率差對應負荷功率。通過限制頻率差變化的速度，增加最大頻率差的維持時間[3]。具體為：頻率差為正偏差且大于0.033 Hz時，限制其下降速率；頻率差為負偏差且小于-0.033 Hz時，限制其上升速率。具體邏輯（以新華DEH為例）如圖5所示。

圖5 一次調頻快動緩回邏輯

3 應用效果

以山西某電廠300 MW亞臨界機組一次調頻為例，未采用本文方法進行優化前，電網8月性能考核數據如表4所示。

表4 優化前一次調頻性能指標數據

通過更換頻率測量裝置、增加一次調頻前饋和快動緩回功能，機組一次調頻性能指標有了質的提升，電網9月考核數據如表5所示。

表5 優化后一次調頻性能指標數據

通過對優化前后數據的對比發現，一次調頻性能指標合格率，前15 s和前30 s響應指數合格率達到90%，較優化前提升70%；電量貢獻指標合格率達到70%，較優化前提升60%，能夠很好地滿足華北電網一次調頻性能要求。

4 結語

針對火力發電機組存在一次調頻性能指標合格率低的問題，采取了更換頻率測量裝置、增加一次調頻前饋和快動緩回邏輯等措施。優化后，一次調頻三個性能指標均有明顯提升，達到了電網的要求，并且大幅減少了一次調頻性能考核，實現了火力發電機組一次調頻優化的效果。