呂愛國，陳衛(wèi)華，黃偉軍

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

核電廠調(diào)頻實(shí)現(xiàn)方案研究

呂愛國，陳衛(wèi)華，黃偉軍

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

頻率是發(fā)電廠的一個(gè)重要運(yùn)行參數(shù)，但是在發(fā)電領(lǐng)域，對于一次調(diào)頻與二次調(diào)頻的概念卻有不同的理解。澄清了機(jī)組調(diào)頻的概念，介紹了一次調(diào)頻與二次調(diào)頻的物理意義。分析了目前世界上主流汽輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻控制方案，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了定性分析。對今后汽輪發(fā)電機(jī)廠優(yōu)化設(shè)計(jì)以及運(yùn)行人員操作機(jī)組具有借鑒意義。

一次調(diào)頻；二次調(diào)頻；核電廠；汽輪發(fā)電機(jī)組；功率控制；頻率控制

0 引 言

頻率是電網(wǎng)的重要運(yùn)行參數(shù)之一。為提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)負(fù)荷變化時(shí)的頻率響應(yīng)能力，保持系統(tǒng)的頻率在允許范圍內(nèi)，有必要對發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻功能進(jìn)行分析。由于核電機(jī)組特有的安全性，再加上系統(tǒng)復(fù)雜、建設(shè)周期長、投資大等特點(diǎn)，研究核電機(jī)組的調(diào)頻功能，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性，意義更為重大[1]。

頻率調(diào)整，又稱頻率控制，是電網(wǎng)維持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保證電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定[2-3]。按照調(diào)整范圍和調(diào)節(jié)能力的不同，頻率調(diào)整可分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。

一次調(diào)頻是指當(dāng)系統(tǒng)頻率偏離目標(biāo)頻率時(shí)，發(fā)電機(jī)組通過調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)反應(yīng)，由發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開度的調(diào)節(jié)過程，調(diào)整有功出力以維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。一次調(diào)頻的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，直接改變蒸汽需求量的大小，但是只能做到有差控制[4]。

二次調(diào)頻是指發(fā)電機(jī)組提供足夠的可調(diào)整容量及一定的調(diào)節(jié)速率，在允許的調(diào)節(jié)偏差下實(shí)時(shí)跟蹤頻率，以滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的要求。需要運(yùn)行人員手動(dòng)或者自動(dòng)操作調(diào)速器，使發(fā)電機(jī)的頻率特性平行地上下移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整負(fù)荷，使頻率保持不變。二次調(diào)頻直接改變發(fā)電機(jī)組的功率設(shè)定值，進(jìn)而引起反應(yīng)堆功率的變化。二次調(diào)頻可以做到頻率的無差調(diào)節(jié)。

三次調(diào)頻即有功功率經(jīng)濟(jì)分配，其實(shí)質(zhì)是完成在線經(jīng)濟(jì)調(diào)度，其目的是在滿足電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和系統(tǒng)安全的前提下合理利用能源和設(shè)備，以最低的發(fā)電成本或費(fèi)用獲得更多的、優(yōu)質(zhì)的電能[5]。

本文將根據(jù)核電機(jī)組的特性，分析一次調(diào)頻與二次調(diào)頻功能在核電廠的實(shí)現(xiàn)方案，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，三次調(diào)頻不作分析。

1 電網(wǎng)頻率控制特性

要確定電力系統(tǒng)的負(fù)荷變化引起的頻率變化，需要同時(shí)考慮負(fù)荷及汽輪發(fā)電機(jī)組的頻率特性[6-8]。圖1所示表示電力系統(tǒng)綜合的功率-頻率靜態(tài)特性。負(fù)荷的頻率特性是指電力系統(tǒng)全部有功負(fù)荷與頻率的關(guān)系，如曲線L1或L2所示，負(fù)荷隨頻率上升而上升。汽輪發(fā)電機(jī)組的頻率特性是電力系統(tǒng)全部發(fā)電有功功率與頻率的關(guān)系，如曲線G0、G1或G2所示，發(fā)電有功功率隨頻率下降而增加。

用電負(fù)荷與發(fā)電功率平衡時(shí)，負(fù)荷特性曲線L1與發(fā)電特性曲線G0相交于a點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)頻率為f0=50 Hz，發(fā)電功率(負(fù)荷功率)為P0。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，如電力負(fù)荷增加，負(fù)荷特性曲線從L1變化到L2，汽輪發(fā)電機(jī)組的特性曲線仍為G0，由曲線L2與G0共同作用，使電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)由a移至b，此時(shí)系統(tǒng)頻率下降Δf1。這就是電網(wǎng)自然頻率特性。

如果電網(wǎng)中的汽輪發(fā)電機(jī)組根據(jù)電網(wǎng)頻率，改變發(fā)電機(jī)出力，如圖1所示，使并網(wǎng)汽輪發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)頻率下降時(shí)，增加出力，上升時(shí)，減小出力，則汽輪發(fā)電機(jī)組的這種調(diào)節(jié)作用稱為一次調(diào)頻。在一次調(diào)頻的作用下，發(fā)電特性曲線變?yōu)镚1。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷從L1增加到L2的同樣擾動(dòng)時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組的特性曲線G1與負(fù)荷特性曲線L2共同作用，使電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)由a移至c，此時(shí)系統(tǒng)頻率下降Δf2。可見，在一次調(diào)頻作用下，電網(wǎng)頻率變化的幅度由Δf1下降到Δf2，因此，汽輪發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻作用能有效減少電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)的頻率變化幅度。

如果改變汽輪發(fā)電機(jī)組的功率，即改變汽輪發(fā)電機(jī)組的特性曲線，使G1平移到G2，這一調(diào)節(jié)作用稱為二次調(diào)頻。這時(shí)G2可以與L2相交于d點(diǎn)，電網(wǎng)的頻率可以恢復(fù)到f0=50 Hz。

圖1 電網(wǎng)頻率控制的靜態(tài)特性

在電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)的頻率會(huì)快速發(fā)生變化，此時(shí)的電網(wǎng)頻率變化過程主要取決于負(fù)荷和汽輪發(fā)電機(jī)組的頻率特性，如圖1所示，負(fù)荷從L1變化到L2時(shí)，電網(wǎng)頻率快速由a點(diǎn)向b點(diǎn)變化，在汽輪發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻作用下，電網(wǎng)頻率回到c點(diǎn)，最后在二次調(diào)頻作用下，恢復(fù)到d點(diǎn)，即f0(50 Hz)。

2 Alstom核電機(jī)組控制方案

Alstom設(shè)計(jì)的汽輪發(fā)電機(jī)組在核電廠的調(diào)頻功能是在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的進(jìn)汽量對機(jī)組實(shí)施功率控制、頻率控制、壓力控制和應(yīng)力控制等，使機(jī)組可以安全和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行于各種工況，滿足供電的質(zhì)量要求。

由于調(diào)頻功能與功率控制密不可分，因此本文僅討論調(diào)頻控制回路與功率控制回路，其原理如圖2所示。

圖2 Alstom機(jī)組調(diào)頻原理圖

從圖2可以看出，Alstom的方案分為兩個(gè)回路。一個(gè)轉(zhuǎn)速控制回路，一個(gè)負(fù)荷控制回路。轉(zhuǎn)速控制回路的設(shè)定值nset是1 500 r/min或3 000 r/min (因機(jī)組而異)，測量值nm是汽輪機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速偏差如果累加在負(fù)荷定值中，則參與二次調(diào)頻，累加在蒸汽需求中，則參與一次調(diào)頻。

負(fù)荷控制回路中，功率設(shè)定值Pset是由操縱員給定的，功率測量值Pm是發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率，該回路構(gòu)成了一個(gè)負(fù)反饋。

為防止發(fā)電機(jī)機(jī)組在電網(wǎng)頻率微小波動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作，控制回路中設(shè)置了死區(qū)，二次調(diào)頻死區(qū)在“Dead Band”中進(jìn)行設(shè)置，兩個(gè)回路通過計(jì)算，最終形成了蒸汽需求，轉(zhuǎn)化為調(diào)開閥的開度信號(hào)，從而控制調(diào)節(jié)閥的開度。

優(yōu)點(diǎn)：一次調(diào)頻、二次調(diào)頻功能比較清晰，投切方便。

缺點(diǎn)：由于一次調(diào)頻的信號(hào)值不是設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)測轉(zhuǎn)速的偏差，而是實(shí)測轉(zhuǎn)速與調(diào)節(jié)系統(tǒng)上一時(shí)刻的轉(zhuǎn)速偏差，因此對于一次調(diào)頻分量來說，控制上精度比較低。

3 Siemens核電機(jī)組控制方案

Siemens設(shè)計(jì)的汽輪發(fā)電機(jī)組在核電廠的調(diào)頻功能是在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的進(jìn)汽量對機(jī)組實(shí)施功率控制、速度控制，使機(jī)組可以安全和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行于各種工況，滿足供電的質(zhì)量要求。如圖3所示。

圖3 Siemens機(jī)組調(diào)頻原理圖

從圖3看出，Siemens與Alstom的方案基本相同，也分為一個(gè)轉(zhuǎn)速控制回路，一個(gè)負(fù)荷控制回路。相同部分不再重述。其不同點(diǎn)是，一次調(diào)頻與二次調(diào)頻可以分別設(shè)置死區(qū)，另外，一次調(diào)頻分量的信號(hào)值是設(shè)定值與轉(zhuǎn)速實(shí)測值的偏差，因此該方案在頻率控制上精度比較高。

優(yōu)點(diǎn)：一次調(diào)頻、二次調(diào)頻功能比較清晰，投切方便。一次調(diào)頻精度相對較高。負(fù)荷控制回路為了使系統(tǒng)響應(yīng)迅速，在回路中增加了一個(gè)前饋環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 Mitsubishi核電機(jī)組控制方案

Mitsubishi設(shè)計(jì)的汽輪發(fā)電機(jī)組在核電廠的調(diào)頻功能是在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的進(jìn)汽量對機(jī)組實(shí)施功率控制、速度控制，使機(jī)組可以安全和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行于各種工況，滿足供電的質(zhì)量要求。如圖4所示。

圖4 Mitsubishi機(jī)組調(diào)頻原理圖

雖然Mitsubishi與Siemens、Alstom的方案相比，也分為一個(gè)轉(zhuǎn)速控制回路，一個(gè)負(fù)荷控制回路，但由于轉(zhuǎn)速偏差(頻率偏差)并沒有直接引入的負(fù)荷控制回路中，因此Mitsubishi汽輪發(fā)電機(jī)組的控制方案有其獨(dú)特之處。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖5 G模式

圖6 P模式

Mitsubishi控制方案在設(shè)計(jì)上分為兩種工作模式，即調(diào)節(jié)器模式與負(fù)荷限制器模式。其中，調(diào)節(jié)器模式，即轉(zhuǎn)速回路控制，簡稱G模式，負(fù)荷限制器模式，即負(fù)荷回路控制，簡稱P模式。在原理圖中，以小選器為界，第一個(gè)輸入回路為G模式，第二個(gè)回路為P模式。這兩種模式可以根據(jù)網(wǎng)頻的大小互相無擾切換。為做到無擾切換，這兩種控制模式具有自動(dòng)跟蹤對方功能，即這兩種控制模式的設(shè)定值可以互相跟蹤對方的設(shè)定值和跟蹤帶寬D的和，如圖5、圖6所示。P模式控制的閥位指令和G模式控制的閥位指令始終做“小選”邏輯，通過選擇最小閥位輸出指令來完成工作模式的切換，如圖4所示。

機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，G模式與P模式同時(shí)投入，但初始狀態(tài)需由操縱員選定，兩個(gè)模式的定值相互跟蹤，以便可以實(shí)現(xiàn)無擾切換。

如圖5所示，機(jī)組運(yùn)行在G模式，此時(shí)P模式的定值P2需在G模式的定值基礎(chǔ)之上P1增加D，即P2=P1+D。從圖中可以看出，在“de”的區(qū)間段內(nèi)，頻率可調(diào)。即機(jī)組參與調(diào)頻。

如圖6所示，機(jī)組運(yùn)行在P模式，此時(shí)G模式的定值P2需在P模式定值的基礎(chǔ)之上P1增加D，即P2=P1+D。從圖中可以看出，在“Ob”的區(qū)間段內(nèi)，頻率不可調(diào)，即機(jī)組不參與調(diào)頻。

從原理圖中看出，當(dāng)采取G模式運(yùn)行時(shí)，機(jī)組參與調(diào)頻，但沒有死區(qū)限制，而采取P模式運(yùn)行時(shí)，機(jī)組不參與調(diào)頻。

但由于該設(shè)計(jì)采取了相互跟蹤的策略，并且在控制回路中設(shè)置了小選模塊，當(dāng)機(jī)組由P模式控制運(yùn)行時(shí)，一旦頻率超過b點(diǎn)，G模式的限值起作用，相當(dāng)于調(diào)頻投入，而在b點(diǎn)之前，沒有調(diào)頻，相當(dāng)于調(diào)頻死區(qū)。這樣該方案也巧妙地實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻作用。由于該方案調(diào)頻分量直接增加在蒸汽需求上，因此可以稱為一次調(diào)頻。

由于跟蹤寬度D可以調(diào)整，改變D的值，頻率死區(qū)便可以調(diào)整。

優(yōu)點(diǎn)：調(diào)頻控制通過算法與運(yùn)行模式，巧妙地運(yùn)用在一起，調(diào)頻功能簡潔明了。

缺點(diǎn)：如果僅采用負(fù)荷控制模式即P模式運(yùn)行，系統(tǒng)沒有調(diào)頻功能；由于負(fù)荷回路中沒有引入頻率偏差，導(dǎo)致缺少二次調(diào)頻，對電網(wǎng)響應(yīng)不利；如果采用G模式，負(fù)荷控制無法引入。

5 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，Siemens的調(diào)頻控制方案簡潔明了，易于設(shè)計(jì)人員與運(yùn)行人員理解，該方案在核電廠實(shí)際運(yùn)行中，控制指標(biāo)均正常。Alstom方案在核電廠運(yùn)行中，也運(yùn)行良好。而Mitsubihsi方案，由于在國內(nèi)核電機(jī)組中，還沒有運(yùn)行業(yè)績，其控制效果，還有待于運(yùn)行考驗(yàn)。

文中對Alstom，Siemens，Mitsubishi三個(gè)主流廠家調(diào)頻方案優(yōu)缺點(diǎn)的對比結(jié)果，希望對今后廠家優(yōu)化控制回路設(shè)計(jì)、指導(dǎo)運(yùn)行人員更好地操作機(jī)組起到一定的借鑒意義。

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Implementation Study on Frequency Modulation in Nuclear Power Plant

Lyu Aiguo, Chen Weihua, Huang Weijun

(China Nuclear Power Design Co., Ltd., (Shen Zhen), Shenzhen Guangdong 518172,China)

Frequency is an important operating parameter of the power plant, but in the field of power generation there is a different comprehension for primary FM and secondary FM. This paper clarifies the FM concept and gives an introduction on the physical meaning of primary FM & secondary FM. It also presents an analysis of the FM control schemes currently adopted by the world's major turbine generators with a qualitative analysis of its advantages and disadvantages in an attempt to provide a reference for future optimum design of designing of turbo generator plant and for unit operators.

primary FM ；secondary FM ；nuclear power plant ；turbogenerator set ；power control ；frequency control

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.027

TM764.2

A

1000-3886(2016)05-0086-03

呂愛國(1972-)，男，山東人，碩士生，高級(jí)工程師，主要從事核電廠儀控設(shè)計(jì)研究。

定稿日期: 2016-04-20