李海峰，汪 蓓

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

在特高壓電網(wǎng)和大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的新形勢(shì)下，發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)特性顯著影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。特別是近些年來(lái)，風(fēng)電、光伏等新能源機(jī)組并網(wǎng)不斷擴(kuò)大，隨機(jī)性較強(qiáng)的可再生能源發(fā)電機(jī)組對(duì)頻率波動(dòng)影響極大，且目前新能源機(jī)組基本不參與一次調(diào)頻，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大威脅。2020 年華中電力監(jiān)管部門根據(jù)本區(qū)域電網(wǎng)、電廠發(fā)展實(shí)際，對(duì)《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》和《華中區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》（以下簡(jiǎn)稱“兩個(gè)細(xì)則”）進(jìn)行了相應(yīng)修編，進(jìn)一步明確了對(duì)并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻考核工作的具體要求，掌握機(jī)組一次調(diào)頻性能較弱問(wèn)題關(guān)鍵、提升機(jī)組一次調(diào)頻合格率成為電網(wǎng)和發(fā)電企業(yè)面臨的急需解決的問(wèn)題。

本文結(jié)合2020版華中地區(qū)“兩個(gè)細(xì)則”規(guī)定要求，梳理新版“兩個(gè)細(xì)則”對(duì)并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻考核辦法的變化，對(duì)當(dāng)前華中區(qū)域并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻存在的各種問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，并給出相應(yīng)處理建議，以針對(duì)性的處理問(wèn)題，有效地提升機(jī)組一次調(diào)頻性能及合格率。

1 一次調(diào)頻原理及考核辦法

1.1 一次調(diào)頻原理

電網(wǎng)的頻率是由發(fā)電功率與用電負(fù)荷大小決定的，在穩(wěn)定的電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定于額定頻率。當(dāng)系統(tǒng)的用電負(fù)荷增加時(shí)，系統(tǒng)就出現(xiàn)了功率缺額，電網(wǎng)頻率降低；反之，電網(wǎng)頻率升高。一次調(diào)頻是指電網(wǎng)的頻率一旦偏離額定值時(shí)，電網(wǎng)中機(jī)組的控制系統(tǒng)就自動(dòng)地控制機(jī)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(dòng)控制過(guò)程。當(dāng)電網(wǎng)頻率降低時(shí)，一次調(diào)頻功能要求機(jī)組利用其蓄熱快速增負(fù)荷；反之，機(jī)組快速減負(fù)荷。

1.2 一次調(diào)頻考核辦法修訂內(nèi)容

2020 年9 月，國(guó)家能源局華中監(jiān)管局發(fā)布了最新華中區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”，該細(xì)則結(jié)合華中區(qū)域根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行特性，詳細(xì)修訂了一次調(diào)頻考核辦法，修訂的主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)。

1.2.1 增加針對(duì)“大擾動(dòng)”和“模擬擾動(dòng)”的補(bǔ)償［1］

1）大擾動(dòng)補(bǔ)償：電網(wǎng)事故發(fā)生時(shí)，滿足大擾動(dòng)性能指標(biāo)要求的并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組給予補(bǔ)償，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)如下：

1.2.2 功能投入情況考核變化

200 MW 及以上的火電機(jī)組出力達(dá)額定容量46%及以上應(yīng)保證CCS 側(cè)和DEH 側(cè)同時(shí)投入一次調(diào)頻功能，允許CCS側(cè)一次調(diào)頻月累計(jì)退出時(shí)間≯35 h。一次調(diào)頻功能未投運(yùn)，則結(jié)合未投運(yùn)小時(shí)數(shù)及并網(wǎng)額定容量（MW）予以考核［1］。

1.2.3 性能考核變化

1）明確對(duì)40 MW 及以上并網(wǎng)水電機(jī)組、80 MW及以上的其它并網(wǎng)常規(guī)發(fā)電機(jī)組實(shí)施一次調(diào)頻性能考核，新能源場(chǎng)站一次調(diào)頻性能考核暫不實(shí)施。

2）明確大擾動(dòng)及小擾動(dòng)大頻差范圍，其中電網(wǎng)最大頻率偏差＜0.08 Hz 為小擾動(dòng)（川渝藏＜0.1 Hz），電網(wǎng)最大頻率偏差≥0.08 Hz 為大擾動(dòng)（川渝藏≥0.1 Hz），頻率模擬擾動(dòng)范圍0.08 Hz～0.183 Hz，且大擾動(dòng)、小擾動(dòng)及模擬擾動(dòng)采取不同的考核辦法。

3）小擾動(dòng)考核增加了合格率系數(shù)、死區(qū)系數(shù)及機(jī)組容量對(duì)考核量的修正：

式（3）中，PN為機(jī)組額定容量（MW）；A為0.046 h；N1為小擾動(dòng)下的不合格次數(shù)。

4）大擾動(dòng)考核增加了死區(qū)系數(shù)及機(jī)組容量的修正，且增大了死區(qū)≥0.04 Hz的機(jī)組的修正系數(shù)。式（4）中，PN為機(jī)組額定容量（MW）；B為0.3 h；N2為大擾動(dòng)下的不合格次數(shù)。

5）模擬擾動(dòng)考核辦法

電力調(diào)度機(jī)構(gòu)定期通過(guò)一次調(diào)頻主動(dòng)在線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)機(jī)組進(jìn)行模擬擾動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證機(jī)組的大頻差調(diào)頻性能是否滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。測(cè)試不合格機(jī)組參照大擾動(dòng)考核辦法進(jìn)行考核。測(cè)試應(yīng)采取隨機(jī)方式對(duì)電力系統(tǒng)所在控制區(qū)機(jī)組進(jìn)行抽查，測(cè)試周期內(nèi)機(jī)組選取應(yīng)不重復(fù)。模擬擾動(dòng)測(cè)試前須檢查各項(xiàng)安全允許條件，測(cè)試過(guò)程中應(yīng)保障被測(cè)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)試期間所造成機(jī)組的AGC 相關(guān)考核應(yīng)考。

1.2.4 增加了新能源機(jī)組調(diào)頻動(dòng)作正確性考核、傳送虛假信號(hào)等內(nèi)容

并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組（新能源場(chǎng)站）傳送虛假一次調(diào)頻投運(yùn)或調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)的，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，每次考核電量：

式中，PN為并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組或新能源場(chǎng)站的額定容量（MW），T考核為1小時(shí)。

1.2.5 明確了各類機(jī)組免考核情況

機(jī)組實(shí)際出力較低時(shí)（火電P＜0.46 MCR、水電P＜0.20 MCR、新能源P＜0.20 MCR、燃機(jī)P＜0.55 MCR），性能免考核。

2 華中區(qū)域并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻合格率影響因素分析

2.1 部分機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置精度不夠

火電一次調(diào)頻控制回路中，一般采用DEH系統(tǒng)采集的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)代為網(wǎng)頻信號(hào)參與一次調(diào)頻。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)一般通過(guò)磁阻發(fā)信器來(lái)測(cè)量，其測(cè)量精度基本為0.5，測(cè)量誤差較大。調(diào)度考核所用的PMU精度能達(dá)到0.001，因此，轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量精度不能滿足一次調(diào)頻考核的要求。根據(jù)華中區(qū)域電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電網(wǎng)波動(dòng)大部分處于小頻差波動(dòng)范圍內(nèi)，測(cè)頻精度較差直接導(dǎo)致網(wǎng)頻波動(dòng)時(shí)機(jī)組負(fù)荷應(yīng)調(diào)節(jié)電量計(jì)算不準(zhǔn)確，導(dǎo)致實(shí)際貢獻(xiàn)電量不滿足要求，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作不合格［2-4］。

2.2 部分機(jī)組PMU數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差、功率信號(hào)異常

根據(jù)電力調(diào)控中心數(shù)據(jù)，部分電廠雖然完成了PMU信號(hào)接入調(diào)控中心，但由于日常維護(hù)不到位等原因，造成機(jī)組PMU通訊異常頻發(fā)。特別是功率曲線存在斷點(diǎn)等問(wèn)題，反映不出機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程中實(shí)時(shí)功率信息，WAMS 系統(tǒng)測(cè)算機(jī)組貢獻(xiàn)電量為0，導(dǎo)致機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作不合格［4-5］。

圖1 機(jī)組PMU通訊異常曲線圖Fig.1 PMU communication abnormal curve

2.3 部分機(jī)組閥門流量線性度較差

汽輪機(jī)閥門流量特性曲線，理論上是其流量特性的數(shù)值表征，當(dāng)DEH設(shè)定的閥門流量特性曲線與實(shí)際流量特性相一致時(shí)，汽輪機(jī)會(huì)表現(xiàn)出良好的控制性能。由于設(shè)備改造或運(yùn)行老化等原因，DEH設(shè)定的閥門流量特性曲線常會(huì)偏離其實(shí)際流量特性，實(shí)際與理想的綜合閥位指令－閥門流量曲線存在一定差別，機(jī)組在部分閥門區(qū)段閥門動(dòng)作后，蒸汽流量變化難以滿足符合增/減需求，一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)機(jī)組出力不能很好跟蹤系統(tǒng)頻率變化。通過(guò)對(duì)部分機(jī)組閥門動(dòng)作曲線觀察中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷處于順序閥交替過(guò)程中時(shí)，汽輪機(jī)高調(diào)閥出現(xiàn)大幅度的擺動(dòng)，有時(shí)甚至即使閥門快速增減而機(jī)組負(fù)荷并未發(fā)生明顯的變化。即使在邏輯中增加了一次調(diào)頻前饋補(bǔ)償邏輯，也要求汽輪機(jī)高調(diào)閥在順序閥工作狀態(tài)時(shí)具有較好的線性度［6-10］。

圖2 某機(jī)組一次調(diào)頻性能受閥門流量特性影響動(dòng)作圖Fig.2 The primary frequency modulation performance of the unit is affected by the valve flow characteristics.action diagram

2.4 部分火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)不理想

考慮機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，目前大部分機(jī)組采用滑參數(shù)運(yùn)行，保持汽輪機(jī)調(diào)門相對(duì)較大的開度，減小調(diào)門的節(jié)流，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。機(jī)組調(diào)門開度超過(guò)一定值，其流量特性越來(lái)越差，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，增加機(jī)組增負(fù)荷指令，即使給了開調(diào)門指令，調(diào)門按指令動(dòng)作，由于流量特性限制，機(jī)組負(fù)荷補(bǔ)償也有限，進(jìn)而影響機(jī)組一次調(diào)頻能力［10-13］。

機(jī)組在汽機(jī)跟隨方式下運(yùn)行時(shí)，汽機(jī)控制對(duì)象為機(jī)前壓力，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，機(jī)組負(fù)荷根據(jù)電網(wǎng)頻率波動(dòng)做相應(yīng)補(bǔ)償調(diào)整，機(jī)前壓力也會(huì)隨之發(fā)生變化，CCS中壓力控制回路對(duì)壓力偏差進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，輸出的綜合閥位指令與一次調(diào)頻動(dòng)作指令相反，導(dǎo)致一次調(diào)頻調(diào)節(jié)緩慢［14-15］。

部分機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置偏小，導(dǎo)致一次調(diào)頻動(dòng)作雖然正確，但是調(diào)頻閥位及負(fù)荷設(shè)定值增量較小，實(shí)際調(diào)頻負(fù)荷量不足。

2.5 機(jī)組供熱對(duì)一次調(diào)頻的影響

供熱機(jī)組在供熱季節(jié)多采用“以熱定電”方式運(yùn)行，優(yōu)先保證供熱熱源的穩(wěn)定，其發(fā)電負(fù)荷調(diào)整范圍和調(diào)節(jié)速率則受到很大限制。供熱機(jī)組進(jìn)入冬季供暖季后工業(yè)抽汽及采暖抽汽量如果過(guò)大，電負(fù)荷受調(diào)度調(diào)節(jié)增長(zhǎng)超過(guò)機(jī)組范圍，即其負(fù)荷調(diào)節(jié)能力近飽和狀態(tài)下，機(jī)組負(fù)荷剩余調(diào)節(jié)量較少，對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻能力會(huì)造成很大的影響。為減少節(jié)流損失，汽輪機(jī)通常采用順序閥模式進(jìn)汽。冬季供暖期供熱機(jī)組的負(fù)荷過(guò)高，當(dāng)?shù)? 個(gè)高壓調(diào)速閥門GV4 開度也達(dá)到開度上限時(shí)，機(jī)組已無(wú)調(diào)整余量，此時(shí)即使一次調(diào)頻信號(hào)頻繁動(dòng)作，但因高壓調(diào)速閥門已無(wú)法繼續(xù)開大，導(dǎo)致機(jī)組的調(diào)頻能力因此而大大降低［15-17］。

圖3 協(xié)調(diào)控制品質(zhì)差機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作曲線圖Fig.3 Coordinated control of poor quality unit primary frequency modulation action curve

2.6 火電機(jī)組一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)關(guān)系不明確

當(dāng)前，并網(wǎng)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)多由電網(wǎng)調(diào)度側(cè)采用AGC方式調(diào)節(jié)，如若在AGC過(guò)程期間發(fā)生一次調(diào)頻動(dòng)作事件，且二者負(fù)荷動(dòng)作方向相反，由于大多數(shù)火電機(jī)組無(wú)一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)關(guān)系邏輯，導(dǎo)致一次調(diào)頻性能受到顯著影響［15］。

2.7 燃?xì)鈾C(jī)組一次調(diào)頻受溫控模式影響

燃機(jī)機(jī)組受環(huán)境溫度等因素影響明顯，在夏季運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷無(wú)法達(dá)到額定負(fù)荷運(yùn)行，且燃機(jī)進(jìn)入溫控方式（基本負(fù)荷模式）后，機(jī)組不具備一次調(diào)頻功能［18］。

3 提高并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻合格率方法分析

針對(duì)上述影響機(jī)組一次調(diào)頻合格率的因素，可以采取以下方法進(jìn)行相應(yīng)整改。

3.1 提升測(cè)頻精度，加強(qiáng)pmu裝置維護(hù)

通過(guò)更換高精度測(cè)頻裝置，或適當(dāng)修正測(cè)頻/測(cè)速裝置量程等方式提升測(cè)頻/測(cè)速精度；在電廠日常管理中，做好PMU裝置維護(hù)工作，確保PMU裝置正常運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。圖4為華中某電廠更換高精度測(cè)頻裝置后，測(cè)頻裝置所側(cè)頻率信號(hào)與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信息對(duì)比曲線，由圖可以看出二者之間差異明顯，高精度測(cè)頻裝置所測(cè)頻率與電網(wǎng)實(shí)際頻率更為接近，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間、負(fù)荷響應(yīng)調(diào)節(jié)電量準(zhǔn)確性都有效提高［3-4］。

圖4 高精度頻率信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of high-precision frequency signal and speed signal

3.2 優(yōu)化機(jī)組閥門流量線性

汽輪機(jī)閥門線性度直接決定了機(jī)組一次調(diào)頻的控制效果，因此在機(jī)組一次調(diào)頻優(yōu)化過(guò)程中在實(shí)施優(yōu)化控制方案前需對(duì)機(jī)組進(jìn)行汽輪機(jī)閥門流量特性試驗(yàn)，重新確定各個(gè)閥門的死區(qū)、飽和區(qū)以及閥門間的重疊帶，只有從根本上解決問(wèn)題，才能使得優(yōu)化控制策略效果顯著。在汽輪機(jī)閥門流量特性試驗(yàn)中，選取某一穩(wěn)定工況點(diǎn)作為基準(zhǔn)工況，依次對(duì)順序閥進(jìn)行單閥流量特性試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果重新繪制閥門流量特性曲線，修訂DEH 閥門折線函數(shù)。在閥門流量特性試驗(yàn)過(guò)程中，各個(gè)高調(diào)閥的流量特性基本一致［19-20］。

將閥門流量特性試驗(yàn)作為機(jī)組大修后的常規(guī)試驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)閥門流量特性差，及時(shí)對(duì)閥門流量特性進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化機(jī)組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)及一次調(diào)頻參數(shù)

確保機(jī)組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)良好，優(yōu)化機(jī)組滑壓運(yùn)行曲線，保持一定的節(jié)流量，在一次調(diào)頻性能與機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型中找到平衡點(diǎn)［20-21］。

在機(jī)組一次調(diào)頻邏輯中增加一次調(diào)頻前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的閥門、壓力等特性，將頻率偏差信號(hào)、壓力偏差等一次調(diào)頻關(guān)鍵影響因子折算成機(jī)組負(fù)荷增量后，進(jìn)一步將其換算成汽輪機(jī)閥位增量指令，從而有效提高一次調(diào)頻動(dòng)作負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。同時(shí)也應(yīng)注意，前饋補(bǔ)償應(yīng)適量，前饋補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)嚴(yán)格驗(yàn)證，以避免前饋補(bǔ)償過(guò)強(qiáng)，造成負(fù)荷嚴(yán)重過(guò)調(diào)，閥門頻繁大幅度調(diào)節(jié)等不利于機(jī)組安全運(yùn)行的情況發(fā)生。

3.4 增加一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)邏輯

2020 版華中區(qū)域“兩個(gè)細(xì)則”中明確了一次調(diào)頻與AGC的協(xié)聯(lián)關(guān)系：當(dāng)電網(wǎng)頻率低于調(diào)頻人工死區(qū)門檻低值時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作調(diào)增有功功率期間，應(yīng)閉鎖AGC、監(jiān)控系統(tǒng)減負(fù)荷指令；當(dāng)電網(wǎng)頻率高于調(diào)頻人工死區(qū)門檻高值時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作調(diào)減有功功率期間，應(yīng)閉鎖AGC、監(jiān)控系統(tǒng)增負(fù)荷指令［15］。

因此機(jī)組應(yīng)增加一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)邏輯，確保機(jī)組一次調(diào)頻與AGC有功功率指令相反情況下，適時(shí)閉鎖AGC增/減負(fù)荷指令。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)華中地區(qū)并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際性能和反映出的問(wèn)題，分析了并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻合格率低的主要原因，并針對(duì)性的給出整改建議，可以給予急需提升機(jī)組一次調(diào)頻性能的電廠啟發(fā)和幫助。

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