陳節(jié)濤，曾海波，張 林，周傳杰

（國電漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川431614）

0 引言

隨著特高壓直流輸電技術(shù)的不斷推廣與風電、太陽能等新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，區(qū)域電網(wǎng)輸入電源結(jié)構(gòu)也變得越來越復雜，沖擊性、非線性負荷的不斷變化急劇增大了電網(wǎng)負荷的波動，使電網(wǎng)頻率時高時低，直接影響電能的質(zhì)量［1-2］。電網(wǎng)頻率波動，其安全風險使得電網(wǎng)公司對發(fā)電機組涉網(wǎng)性能、尤其是一次調(diào)頻性能非常重視。網(wǎng)調(diào)以“兩個細則”為基礎，對統(tǒng)調(diào)機組一次調(diào)頻功能及性能進行了嚴格的管理和考核。

本文針對國電漢川發(fā)電有限公司的DEH 和CCS中一次調(diào)頻控制策略進行分析研究，并加以優(yōu)化。使其既能滿足電網(wǎng)頻率快速響應的需求，又能滿足機組安全穩(wěn)定性的要求。

1 一次調(diào)頻基本概況

1.1 一次調(diào)頻的基本原理和考核指標

一次調(diào)頻是指電網(wǎng)的頻率一旦偏離額定值50 Hz時，電網(wǎng)中機組的控制系統(tǒng)自動地通過控制機組有功功率的增減，限制電網(wǎng)頻率變化，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定的自動控制過程［3］。

“兩個細則”通過以下參數(shù)對一次調(diào)頻功能及性能進行管理和考核。

1）轉(zhuǎn)速不等率δ

轉(zhuǎn)速不等率δ 又叫速度變動率，是指汽機空負荷時對應的最大轉(zhuǎn)速和額定負荷時對應的最小轉(zhuǎn)速的差，與汽輪機額定轉(zhuǎn)速之比。反映了一次調(diào)頻能力的強弱和穩(wěn)定性的好壞。δ 值越大，機組對電網(wǎng)調(diào)頻能力越弱，但機組運行越穩(wěn)定；反之，δ值越小，機組對電網(wǎng)的調(diào)頻能力越強，但機組運行穩(wěn)定性越差。火電機組速度變動率應為3%～6%。

2）最大負荷調(diào)節(jié)量

為保證機組運行的安全性，必須對一次調(diào)頻最大負荷調(diào)節(jié)進行限制。機組參與一次調(diào)頻的調(diào)頻負荷變化幅度上限應限制在機組額定功率的±（6%～10%）之間。

3）調(diào)頻死區(qū)

調(diào)頻死區(qū)即一次調(diào)頻函數(shù)中設置有轉(zhuǎn)速死區(qū)，也稱為“轉(zhuǎn)速不靈敏區(qū)”。調(diào)頻死區(qū)能防止電網(wǎng)頻率在小范圍內(nèi)波動時汽輪機調(diào)節(jié)閥頻繁動作。國標中規(guī)定一次調(diào)頻死區(qū)應在±2 r/min（±0.033 Hz）范圍內(nèi)。

4）動態(tài)指標

響應滯后時間反映了機組一次調(diào)頻的快速性，要求響應滯后時間小于3 s；而穩(wěn)定時間是指在機組參與一次調(diào)頻過程中，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定后，機組負荷達到設定值的時間，一次調(diào)頻穩(wěn)定時間小于60 s。機組一次調(diào)頻的負荷響應速度應滿足：達到75%目標負荷時間不大于15 s，達到90%目標負荷時間不大于30 s［4-6］。

1.2 DEH+DCS聯(lián)合調(diào)頻

DEH+DCS 聯(lián)合調(diào)頻控制方案，DEH 側(cè)利用機組轉(zhuǎn)速與定值3 000 的轉(zhuǎn)速差信號經(jīng)轉(zhuǎn)速不等率函數(shù)形成調(diào)頻功率，形成閥位增量函數(shù)前饋量疊加到綜合開度指令，調(diào)整汽輪機的進汽量，快速穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。功率回路投入時，負荷設定值同時增加一次調(diào)頻指令，在提高機組一次調(diào)頻快速動作的同時保證負荷不出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象。CCS 中設計頻率校正回路，轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過函數(shù)轉(zhuǎn)換為調(diào)頻功率疊加到主蒸汽壓力設定值，直接疊加到鍋爐控制器回路。一次調(diào)頻的快速響應由DEH側(cè)的一次調(diào)頻功能來實現(xiàn)，響應后期一次調(diào)頻的準確性由DEH 側(cè)功率回路的一次調(diào)頻功能來保證，同時DCS 側(cè)頻率校正回路實現(xiàn)同比增減燃料及給水等，實現(xiàn)機組最終能量平衡［7-11］。

2 一次調(diào)頻存在的問題

1）一次調(diào)頻信號源與調(diào)度不一致

國電漢川發(fā)電有限公司一次調(diào)頻信號源采用的是機組轉(zhuǎn)速差，而調(diào)控中心對機組一次調(diào)頻考核是由PMU 裝置上傳的電壓電流信號計算所得的頻率值。理論上轉(zhuǎn)速信號和頻率信號存在著固定的對應關(guān)系，但實際上在機組動態(tài)運行過程中，轉(zhuǎn)速信號和頻率信號存在信號精度和傳輸控制回路偏差，導致機組轉(zhuǎn)速的變化在時序和幅度與PMU 存在偏差，造成機組動作的情況與網(wǎng)調(diào)采集的信號動作時刻與幅值存在不一致，影響機組考核系統(tǒng)大小擾動的判斷，從而影響機組的正確動作率。同時也影響了理論積分電量和實際積分電量的計算，也會造成合格率下降［12-14］。

2）一次調(diào)頻投入邏輯設置不合理

按照規(guī)程要求，符合一次調(diào)頻投入條件的機組，無條件投入一次調(diào)頻，實際機組存在一次調(diào)頻投切按鈕，人為投切造成一次調(diào)頻投入率過低，不滿足調(diào)度要求。

3）一次調(diào)頻與AGC調(diào)節(jié)相互影響

負荷設定值一般由兩部分生成：一是AGC指令或操作員設定經(jīng)高低限制、速率限定給出；二是頻差經(jīng)死區(qū)及速度變動率函數(shù)轉(zhuǎn)換后給出。在網(wǎng)頻波動時，一次調(diào)頻動作，處于AGC模式或因主汽壓力不穩(wěn)等原因機組負荷正在變化，而一次調(diào)頻需要反向變化，正在執(zhí)行的AGC指令與調(diào)頻指令的動作方向相反，由于AGC指令對調(diào)頻指令有反向抑制作用，機組的一次調(diào)頻作用得不到正常發(fā)揮。如果AGC 指令升降過程中一次調(diào)頻動作，則功率變化必然會受到二者的共同影響，方向一致則表現(xiàn)出一次調(diào)頻貢獻負荷大，反之則貢獻小，此時一次調(diào)頻響應行為實質(zhì)不受影響，但是會影響到一次調(diào)頻性能的計算［15-18］。

4）主汽壓力對一次調(diào)頻的影響

機組基本都在滑壓運行方式，壓力設置較低將會導致汽機調(diào)門處于全開或接近全開的狀態(tài)，從而汽機升負荷的能力降低，一次調(diào)頻的能力降低。特別是機組處在額定出力附近，汽機調(diào)門已接近全開或鍋爐已到最大出力，機組實際沒有增方向的調(diào)頻裕量。另一方面機組滑壓運行后，低負荷運行時，由于壓力較低，與額定壓力相比，同樣的閥位指令往往不能轉(zhuǎn)換為相當?shù)呢摵?，這也對一次調(diào)頻效果產(chǎn)生不利影響［19-22］。對國電漢川發(fā)電有限公司某月的不合格現(xiàn)象進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)調(diào)閥開度在95%以上有48次，調(diào)閥開度在45%以上和95%以下有24次；合格數(shù)據(jù)分析調(diào)門開度基本上在40%以下；閥門開度在45%以下時，閥門指令與一次調(diào)頻作用相反的一次調(diào)頻故障的次數(shù)14次；主汽壓與一次調(diào)頻作用相反的一次調(diào)頻故障的次數(shù)13次；其主要原因是調(diào)門開度大，處于無調(diào)節(jié)余量的區(qū)間造成，滑壓曲線壓力定值設置偏低。

3 一次調(diào)頻優(yōu)化方案

3.1 硬件改造

電氣側(cè)新增49.8～50.2 Hz 的小量程頻率變送器接收電網(wǎng)的電網(wǎng)頻率，并將所述電網(wǎng)頻率轉(zhuǎn)換成電流信號，將所述電流信號送入控制系統(tǒng)DEH；小量程頻率變送器替代轉(zhuǎn)速信號和使用普通的千分之一精度的A/D 卡，采樣精度高于0.001 Hz，可以達到一次調(diào)頻的網(wǎng)調(diào)一致性和高精度信號，提高一次調(diào)頻動作的準確率。

3.2 邏輯優(yōu)化

DEH根據(jù)所述電流信號輸出一次調(diào)頻動作信號，并將信號發(fā)送給汽輪機組，汽輪機組根據(jù)一次調(diào)頻動作信號執(zhí)行一次調(diào)頻動作。將DCS 與DEH、DCS 與RTU之間的信號，通過設置合理的量程、增加常量A適當修正傳輸誤差的方法來減小數(shù)據(jù)傳輸精度不夠造成的誤差。DEH 側(cè)和CCS 側(cè)調(diào)頻增量生成和切換邏輯如圖1、圖2所示。

為避免人為投切造成一次調(diào)頻投入率過低，不滿足調(diào)度要求，規(guī)程要求，符合一次調(diào)頻投入條件的機組，無條件投入一次調(diào)頻。將相關(guān)邏輯進行修改：CCS側(cè)一次調(diào)頻投入條件是在機組處于協(xié)調(diào)方式時即自動投入，協(xié)調(diào)退出即自動退出一次調(diào)頻；DEH側(cè)一次調(diào)頻條件是機組并網(wǎng)即自動投入，無運行人員投切操作按鈕。

CCS 側(cè)通過完善ADS 閉鎖增和ADS 閉鎖減，來實現(xiàn)一次調(diào)頻動作時閉鎖AGC。當一次調(diào)頻動作和AGC目標指令反向時，即AGC在增負荷且一次調(diào)頻要求減負荷；AGC 在減負荷且一次調(diào)頻要求加負荷時對AGC指令進行閉鎖，且閉鎖時間限制在60 s以內(nèi)，保證一次調(diào)頻與AGC 方向相反時優(yōu)先［23-26］。CCS 側(cè)一次調(diào)頻動作時ADS閉鎖邏輯如圖3所示。

圖1 DEH側(cè)調(diào)頻增量生成邏輯Fig.1 Incremental generation logic of frequency modulation on DEH side

圖2 CCS側(cè)頻率與轉(zhuǎn)速下調(diào)頻增量切換邏輯Fig.2 Modulation incremental switching logic at CCS side under frequency and speed

3.3 增加一次調(diào)頻動作主蒸汽壓力修正

圖3 CCS側(cè)一次調(diào)頻動作時ADS閉鎖邏輯Fig.3 ADS locking logic during primary frequency adjustment action at CCS side

轉(zhuǎn)差信號經(jīng)過不等率函數(shù)轉(zhuǎn)換后得到當前調(diào)頻需要的額定壓力調(diào)頻流量，利用主蒸汽壓力與額定壓力的比值通過補償函數(shù)產(chǎn)生壓力修正系數(shù)，兩者相乘得到DEH一次調(diào)頻指令。通過壓力補償修正，主汽壓力大時，壓力修正系數(shù)相對較小，反之亦然，可以消除主汽壓力變化對一次調(diào)頻的影響［27-28］。一次調(diào)頻動作時主蒸汽壓力修正邏輯如圖4所示。

圖4 一次調(diào)頻動作時主蒸汽壓力修正邏輯Fig.4 Main steam pressure correction logic in primary frequency adjustment action

3.4 增加一次調(diào)頻動作一次風壓定值補償

利用調(diào)頻負荷增量函數(shù)及一次風壓定值補償函數(shù)生成一次風壓設定值補償量；將一次風壓設定值與生成的一次風壓定值補償量疊加，生成一次調(diào)頻補償后的一次風壓設定值，并將所述一次調(diào)頻補償后的設定值輸出給一次風壓控制系統(tǒng)。一次調(diào)頻動作時一次風壓設定值補償邏輯如圖5 所示，通過鍋爐一次風壓的一次調(diào)頻補償回路快速補充鍋爐蓄熱，實際上就是利用磨煤機內(nèi)殘存的煤粉進行快速控制，提高了機組響應一次調(diào)頻的速度和持續(xù)性。

4 優(yōu)化效果

選取900 MW負荷工況點，機組協(xié)調(diào)方式下，DEH側(cè)和CCS側(cè)一次調(diào)頻均投入，退出機組AGC，機組各項參數(shù)在正常值，先后進行±0.067 Hz、±0.1 Hz、±0.04 Hz、±0.045 Hz、±0.05 Hz的模擬頻差擾動試驗，數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計及分析如表1所示。

1）機組在頻差越過死區(qū)后一次調(diào)頻迅速動作，負荷響應時間均在2 s以內(nèi)，滿足標準要求。

圖5 一次調(diào)頻動作時一次風壓設定值補償邏輯Fig.5 Compensation logic of primary air pressure setting value in primary frequency adjustment action

2）每一次頻差擾動試驗過程中，記錄的15 s 時刻的負荷響應量均能達到理論目標響應量（按5%不等率計算）的75%以上，表明機組一次調(diào)頻過程中DEH調(diào)門動作迅速，滿足標準要求。

3）每一次頻差擾動試驗過程中，記錄的45 s 時刻的負荷響應量均接近理論目標響應量（按5%不等率計算），說明機組在一次調(diào)頻過程中負荷響應的持續(xù)性和穩(wěn)定性良好，滿足標準要求。

4）每一次頻差擾動試驗過程中，機組最大負荷響應量均接近理論目標響應量（按5%不等率計算），說明機組一次調(diào)頻死區(qū)及不等率參數(shù)設置合理，滿足標準要求。

5）試驗數(shù)據(jù)按秒積分統(tǒng)計了每次頻差擾動過程中機組的實際響應電量，并以此為基礎計算出機組實際響應不等率。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可看出，在試驗工況下一次調(diào)頻動作準確，滿足標準要求。

6）試驗結(jié)果表明機組無論在大頻差和小頻差工況下，一次調(diào)頻機組性能均能滿足調(diào)度考核要求。

選取改造后機組某段時間實際一次調(diào)頻動作曲線如圖6 所示，一次調(diào)頻負荷分量反映出機組對電網(wǎng)頻率波動能快速地響應，動作方向和幅度滿足電網(wǎng)要求，機組實際功率基本等于負荷指令與一次調(diào)頻負荷增量的疊加。

實際效果通過網(wǎng)調(diào)反饋回來的數(shù)據(jù)如表2 所示，對比分析2018 年和2019 年改造前后同段時間連續(xù)4個月的一次調(diào)頻考核電量數(shù)據(jù)，考核電量由2018年最少時的32萬kWh到2019年最多時僅為11萬kWh。表明機組通過采取相關(guān)優(yōu)化措施，改善機組的一次調(diào)頻性能效果明顯，這些優(yōu)化措施增強了1 000 MW超超臨界直流鍋爐機組一次調(diào)頻響應的快速性和可持續(xù)性，為電廠減少了考核電量，同時為提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性貢獻力量，對國內(nèi)1 000 MW超超臨界火電機組一次調(diào)頻的高效投入提供了參考和借鑒。

圖6 改造后機組的某段時間實際一次調(diào)頻動作曲線Fig.6 One actual frequency regulation operation curve of the unit after renovation

表2 改造前后一次調(diào)頻考核電量數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of power consumption data before and after renovation of Primary Frequency

5 結(jié)語

模擬頻差擾動試驗表明，使用小量程頻率變送器采集的頻率信號作為火電機組一次調(diào)頻信號源，提高信號的精度。同時進行邏輯的優(yōu)化和完善，通過新增加一次調(diào)頻動作時ADS閉鎖邏輯，主蒸汽壓力修正邏輯，一次風壓設定值補償邏輯，能夠明顯改善機組一次調(diào)頻性能。

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