柯榮宗 吳 吉

神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司 福建泉州 362700

1 分析背景

電力系統(tǒng)電網(wǎng)頻率和電壓是電能的兩大重要質(zhì)量指標(biāo)。電力系統(tǒng)電網(wǎng)頻率偏離額定值過多,對電能用戶和電力系統(tǒng)設(shè)備運行都會造成危害。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大,以往靠調(diào)度員指令和人工操作來維持電網(wǎng)負荷、頻率的方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代化電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的要求。

機組的調(diào)頻功能指電網(wǎng)發(fā)電有功功率與負荷產(chǎn)生不平衡后,機組調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率發(fā)生的變化進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。以某發(fā)電機組為例,具體過程為頻率偏差變化量轉(zhuǎn)化為汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差量,轉(zhuǎn)速偏差量超過死區(qū)時,通過轉(zhuǎn)速偏差與頻率修正指令計算輸出,分別傳送至機組負荷指令和主蒸汽壓力指令等前饋修正回路,進而快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化,以盡快消除電網(wǎng)頻率變化的影響,使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于頻率修正指令傳送至回路是否合理,并且取決于負荷變化速率和對應(yīng)的給水加速、燃料加速回路等函數(shù)曲線是否合適,以及轉(zhuǎn)速、頻率死區(qū)。調(diào)頻響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)品質(zhì)可以反映機組一次調(diào)頻能力,頻率死區(qū)則反映系統(tǒng)一次調(diào)頻作用的起始點。筆者對發(fā)電機組一次調(diào)頻功能進行分析。

2 電網(wǎng)調(diào)頻概念

電網(wǎng)頻率控制時,根據(jù)電網(wǎng)頻率偏離50 Hz的方向和數(shù)值進行調(diào)節(jié),實時在線通過機組調(diào)速系統(tǒng)和自動發(fā)電控制系統(tǒng)進行控制,調(diào)節(jié)能源側(cè)的供電功率,以適應(yīng)負荷側(cè)用電功率的變化,達到電網(wǎng)發(fā)、用電功率的平衡,從而使電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在50 Hz附近允許范圍內(nèi)。

電網(wǎng)的動態(tài)調(diào)頻指利用電網(wǎng)中旋轉(zhuǎn)慣量的蓄能,承擔(dān)電網(wǎng)負荷的變化。在這一過程中,電網(wǎng)頻差隨時間逐漸增大,調(diào)頻過程是自動完成的,不需要任何調(diào)整手段,響應(yīng)時間約為零點幾秒。雖然龐大的旋轉(zhuǎn)慣量具有穩(wěn)頻作用,但是在調(diào)頻過程中不能完全代替一次調(diào)頻,由一次調(diào)頻決定的電網(wǎng)靜態(tài)調(diào)頻特性才是電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

一次調(diào)頻指各機組并網(wǎng)運行,受外界負荷變動影響,電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時,各機組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)作用,改變各機組所帶的負荷,使之與外界負荷相平衡。一次調(diào)頻是盡力減小電網(wǎng)頻率變化的過程,通過機組調(diào)速系統(tǒng)的自身頻率特性對電網(wǎng)進行控制。一次調(diào)頻主要是由機組調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性來實現(xiàn)的,特點是基于電網(wǎng)中各機組調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性,利用機組的蓄熱承擔(dān)電網(wǎng)負荷變化,依靠原動機調(diào)速系統(tǒng)自動完成,不需要電網(wǎng)調(diào)度干預(yù),最終使電網(wǎng)頻率形成一個穩(wěn)定頻率偏差。

二次調(diào)頻指利用同步器增、減速某些機組的負荷,以恢復(fù)電網(wǎng)頻率的過程。電網(wǎng)頻率的準(zhǔn)確性主要依靠電網(wǎng)二次頻率來保證,一般允許誤差為±0.2 Hz。二次調(diào)頻是電網(wǎng)調(diào)度通過自動或手動方式對電網(wǎng)頻率進行干預(yù)的過程,將電網(wǎng)的負荷變化轉(zhuǎn)移至預(yù)先指定的調(diào)頻機組來承擔(dān),消除電網(wǎng)一次調(diào)頻過程留下的頻率偏差,使電網(wǎng)頻率回到額定值。二次調(diào)頻響應(yīng)時間為幾十秒到1 min。

自動發(fā)電控制系統(tǒng)用于完成電網(wǎng)側(cè)與電源側(cè)的自動控制,屬于大協(xié)調(diào)控制。單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)屬于小協(xié)調(diào)控制,用于完成機組側(cè)的自動控制。單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要通過改變汽輪發(fā)電機調(diào)門開度和鍋爐燃燒率來調(diào)節(jié)機組輸出功率,并保持機前壓力的穩(wěn)定。

簡而言之,一次調(diào)頻是汽輪發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化,自發(fā)地調(diào)整機組負荷,以恢復(fù)電網(wǎng)頻率,二次調(diào)頻是人為根據(jù)電網(wǎng)頻率高低來調(diào)整機組負荷。

3 一次調(diào)頻參數(shù)

3.1 要求

電網(wǎng)頻率通過一次調(diào)頻和二次調(diào)頻共同調(diào)節(jié)來保證,機組參與一次調(diào)頻的程度,必須與電網(wǎng)的發(fā)展和運行水平相一致。機組一次調(diào)頻在機組并網(wǎng)后具有調(diào)速的作用。如果電網(wǎng)中的機組不投入一次調(diào)頻功能,或一次調(diào)頻指標(biāo)不滿足要求,那么這些機組將會影響電網(wǎng)整體調(diào)頻,同時會影響機組自身的安全。當(dāng)發(fā)生大電網(wǎng)解列或某種電網(wǎng)故障時,可能出現(xiàn)電網(wǎng)頻率大幅度偏離、電網(wǎng)振蕩、汽輪發(fā)電機超速等事故。

汽輪發(fā)電機數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的廣泛使用,為機組退出一次調(diào)頻提供了方便的條件,同時可以限制數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)隨意退出一次調(diào)頻。某區(qū)域電網(wǎng)對并網(wǎng)機組數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻基本參數(shù)的要求見表1。

表1 一次調(diào)頻基本參數(shù)要求

3.2 系統(tǒng)頻率標(biāo)準(zhǔn)

某省的電力系統(tǒng)調(diào)度規(guī)程規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)頻率為50 Hz,頻率偏差不得超過±0.2 Hz,頻率超出50±0.2 Hz為事故頻率。事故頻率超出50±0.2 Hz,持續(xù)時間不得超過30 min。事故頻率超出50±0.5 Hz,持續(xù)時間不得超過15 min。在正常情況下,機組自動發(fā)電控制系統(tǒng)投入時,系統(tǒng)頻率應(yīng)保持在50±0.1 Hz范圍內(nèi)。

3.3 轉(zhuǎn)速不等率

轉(zhuǎn)速不等率也稱速度變動率,指汽輪發(fā)電機空負荷時所對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速和額定負荷時所對應(yīng)最小轉(zhuǎn)速的差,與汽輪發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速之比。

當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時,引起的負荷變化與機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不等率成反比。當(dāng)外界負荷變化時,轉(zhuǎn)速不等率越大,分給機組的負荷變化量越小,反之則越大。由此可見,帶基本負荷的機組,轉(zhuǎn)速不等率應(yīng)該選擇大一些,使電網(wǎng)頻率改變時,負荷變化較小,一般轉(zhuǎn)速不等率取4%～6%。帶尖峰負荷的調(diào)頻機組,轉(zhuǎn)速不等率應(yīng)該選擇小一些,一般取3%～4%。目前由于電網(wǎng)容量日益增大,為使機組能參加一次調(diào)頻,轉(zhuǎn)速不等率不宜選擇過大,因為轉(zhuǎn)速不等率過大可能導(dǎo)致汽輪發(fā)電機偏離額定轉(zhuǎn)速過大,不利于機組安全穩(wěn)定運行。某百萬千瓦機組轉(zhuǎn)速不等率采用4%,目前一次調(diào)頻效果良好。

汽輪發(fā)電機正常運行時,若電網(wǎng)發(fā)生故障或汽輪發(fā)電機出口斷路器跳閘使汽輪發(fā)電機負荷甩至零,則汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)速先上升到一個最高值,然后再下降到一個穩(wěn)定值,這種現(xiàn)象稱為動態(tài)飛升。轉(zhuǎn)速上升的最高值由轉(zhuǎn)速不等率決定,一般為4%～5%。若汽輪發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,則動態(tài)飛升轉(zhuǎn)速偏離在120～150 r/min之間。轉(zhuǎn)速不等率越大,轉(zhuǎn)速上升越高,危險也越大。因此,對于新建機組,一定要進行機組快速甩負荷調(diào)頻試驗。

為了更好地滿足相關(guān)要求,可以將機組的轉(zhuǎn)速不等率按機組負荷分段設(shè)置,各段轉(zhuǎn)速不等率稱為局部轉(zhuǎn)速不等率。在空負荷區(qū)域,局部轉(zhuǎn)速不等率應(yīng)設(shè)置較大值,有利于機組并網(wǎng)。在額定負荷區(qū)域,局部轉(zhuǎn)速不等率也應(yīng)設(shè)置較大值,有利于機組帶基本負荷穩(wěn)定運行。在低于額定負荷區(qū)域,局部轉(zhuǎn)速不等率應(yīng)設(shè)置較小值,以滿足機組甩負荷時超速保護不動作的要求。同樣,為了避免在電網(wǎng)頻率波動時機組出現(xiàn)動態(tài)不穩(wěn)定,要求局部轉(zhuǎn)速不等率不得過小,具體數(shù)值可以根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及機組實際情況確定。

3.4 轉(zhuǎn)速、頻率死區(qū)

為了在電網(wǎng)頻率變化較小的情況下提高機組運行的穩(wěn)定性,一般在電調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置頻率死區(qū)。機組一次調(diào)頻頻率死區(qū)指系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速附近對轉(zhuǎn)速的不靈敏區(qū)。設(shè)置轉(zhuǎn)速不靈敏區(qū)的目的是消除因轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)精度不夠引起的測量誤差,避免導(dǎo)致機組負荷波動及調(diào)節(jié)系統(tǒng)波動。一般轉(zhuǎn)速死區(qū)設(shè)置為±2 r/min,對應(yīng)頻率死區(qū)為±33.33 mHz。

當(dāng)頻率偏差或轉(zhuǎn)速偏差超過死區(qū)值時,一次調(diào)頻開始動作,機組一次調(diào)頻能力以轉(zhuǎn)速不等率來確定,并且需要結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)要求和機組自身實際情況。如果轉(zhuǎn)速不等率過大,那么在機組快速甩負荷時風(fēng)險較大。轉(zhuǎn)速不等率過小,轉(zhuǎn)速偏差調(diào)節(jié)空間會受到限制。

4 一次調(diào)頻控制邏輯組態(tài)

一次調(diào)頻可以根據(jù)區(qū)域調(diào)峰要求設(shè)置手動方式和自動方式。對于要求比較嚴(yán)格的,必須自動投入并且快速響應(yīng)的場合,需要判斷一次調(diào)頻自動投入條件是否合適,頻率指令修正是否合理等。以下結(jié)合某百萬千瓦機組對一次調(diào)頻控制邏輯組態(tài)進行介紹。

4.1 一次調(diào)頻自動投入條件

當(dāng)機組實際負荷小于400 MW且無快速減負荷條件時,一次調(diào)頻功能自動投入。一次調(diào)頻自動投入邏輯如圖1所示。具備手動投入一次調(diào)頻功能的,可以增設(shè)響應(yīng)按鈕。當(dāng)機組解列、停機,或系統(tǒng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速故障時,一次調(diào)頻功能自動退出。

圖1 一次調(diào)頻自動投入邏輯

4.2 一次調(diào)頻指令輸出回路修正

當(dāng)一次調(diào)頻動作時,相應(yīng)折現(xiàn)函數(shù)輸出指令傳送至相應(yīng)前饋回路進行修正,目的是快速響應(yīng)負荷變化。在單元機組協(xié)調(diào)控制方式下,當(dāng)一次調(diào)頻負荷修正指令大于30 MW時,協(xié)調(diào)比例積分微分調(diào)節(jié)器壓力拉回回路修正值輸出為零,此時壓力拉回回路快速調(diào)節(jié)作用由協(xié)調(diào)比例積分微分調(diào)節(jié)器頻率修正實現(xiàn)。這一功能的目的是避免一次調(diào)頻值過大,與壓力拉回回路調(diào)節(jié)作用疊加,可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)過調(diào)或超調(diào)。

一次調(diào)頻動作,給水指令前饋回路修正時,對應(yīng)調(diào)頻指令修正因數(shù)在基建調(diào)試期一般根據(jù)同類型機組經(jīng)驗值進行確定,投產(chǎn)后可根據(jù)機組不同工況進行反復(fù)試驗最終確定最佳修正因數(shù)。數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻前饋回路修正時,分為順序閥方式和混合閥方式,無論采用哪種方式,最終都通過相應(yīng)功率曲線轉(zhuǎn)換函數(shù)進行變換輸出。

某百萬千瓦機組調(diào)頻邏輯如圖2所示。圖2中,K為修正因數(shù)。給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)過不等率處理后,生成一次調(diào)頻給定。一次調(diào)頻給定可以修正閥位總指令及功率給定值,使實際功率隨頻率高低變化,以維持供電頻率穩(wěn)定?？紤]直流鍋爐蓄能較小,在一次調(diào)頻加負荷方向設(shè)置20%限幅。為保證汽輪發(fā)電機安全,在一次調(diào)頻減負荷方向不設(shè)置限幅,實際轉(zhuǎn)速過高,一次調(diào)頻功能即可將調(diào)門全關(guān)。旁路系統(tǒng)及鍋爐安全門可以實時打開,以保證鍋爐的安全。

圖2 百萬千瓦機組調(diào)頻邏輯

汽輪發(fā)電機調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有功率控制、壓力控制、單元機組協(xié)調(diào)控制、閥位控制四種控制方式。功率控制又可分為負荷開環(huán)控制、負荷閉環(huán)控制。負荷開環(huán)控制方式下,由操作員給出目標(biāo)負荷及負荷變化率,確定相應(yīng)的調(diào)門開度,不對負荷進行比例積分微分閉環(huán)調(diào)節(jié)。在負荷閉環(huán)控制方式下,操作員給出目標(biāo)負荷及負荷變化率,由數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)完成對負荷的自動調(diào)節(jié)。四種控制方式下,機組都參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。

5 一次調(diào)頻修正指令

結(jié)合前述調(diào)頻指令修正回路可知,為了提高一次調(diào)頻的響應(yīng)速率,一次調(diào)頻功能一般由數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)和單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)共同完成,一次調(diào)頻回路在數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中實現(xiàn),在單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中進行補償。根據(jù)一次調(diào)頻的控制原理,并網(wǎng)機組以開環(huán)控制方式參與電網(wǎng)一次調(diào)頻,只要頻差信號不為零,一次調(diào)頻回路將始終影響負荷控制回路的輸出,最終使機組的實發(fā)功率與負荷指令不相等。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有功率閉環(huán)校正回路,其輸出一般都作用于汽輪發(fā)電機控制回路。如果不對數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一次調(diào)頻作用在單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中進行補償,那么單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功率閉環(huán)校正回路將把這一過程視為內(nèi)擾,由于比例和積分的作用,又會將負荷控制回路的輸出拉回。

某百萬千瓦機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一次調(diào)頻修正指令如圖4所示。圖4中,Δ表示偏差。一次調(diào)頻控制回路疊加在負荷指令回路中,在對頻差信號進行開環(huán)控制的同時,對機組功率進行閉環(huán)校正,最終作用于汽輪發(fā)電機調(diào)門開度變化。

圖3 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一次調(diào)頻修正指令

6 存在的問題

6.1 一次調(diào)頻能力不足

機組的一次調(diào)頻功能主要依靠一次調(diào)頻回路產(chǎn)生一次調(diào)頻負荷調(diào)整分量,直接通過開環(huán)控制,基于汽輪發(fā)電機的配汽特性曲線和調(diào)門特性曲線作用于汽輪發(fā)電機的高壓調(diào)門。一般認(rèn)為,一定的頻差對應(yīng)一定的負荷變化,比如對于額定負荷為1 000 MW的汽輪發(fā)電機,在4%轉(zhuǎn)速不等率、±2 r/min轉(zhuǎn)速死區(qū)下,120 r/min的轉(zhuǎn)速偏差對應(yīng)1 000 MW理論負荷變化量。當(dāng)然,這一對應(yīng)關(guān)系是有前提的,這個前提是汽輪發(fā)電機處于額定參數(shù)下運行,汽輪發(fā)電機的配汽特性與負荷指令線性關(guān)系良好,外界能夠提供足夠的能量。

6.2 主蒸汽壓力變化幅度過大

一次調(diào)頻動作時,主蒸汽壓力、汽包水位等重要參數(shù)波動大是多數(shù)電廠一次調(diào)頻功能投運能力受限制的主要原因。個別機組在試驗過程中,高壓調(diào)門開度減小時,主蒸汽壓力升高的幅度較大,可達到1 MPa,并且還有快速上升的趨勢。這些現(xiàn)象受機組自身固有特性的影響較大,并且由于一次調(diào)頻動作要求快速性,這些現(xiàn)象很難通過汽輪發(fā)電機側(cè)控制來減弱。目前比較可行的方法是在單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)側(cè)增加一次調(diào)頻配合回路,減小這些參數(shù)的波動,提高機組的平衡能力。

6.3 汽輪發(fā)電機軸向位移變化

汽輪發(fā)電機軸向位移對軸向推力的變化非常敏感。一次調(diào)頻試驗時,頻率偏差信號發(fā)出瞬間,高壓調(diào)門開度增大,汽輪發(fā)電機高壓缸進汽量突然增大,引起調(diào)閥端軸向推力增大,打破原來的軸向推力平衡。由于汽輪發(fā)電機中、低壓缸對一次調(diào)頻響應(yīng)存在明顯滯后性,一次調(diào)頻動作后新工況下的汽輪發(fā)電機軸向推力平衡還沒有建立,加之汽輪發(fā)電機軸向位移對軸向推力變化具有敏感性,在一次調(diào)頻動作后軸向位移隨即發(fā)生較大變化。隨著時間的推移,汽輪發(fā)電機軸向推力在新的工況下重新平衡,軸向位移也就重新恢復(fù)到原來的狀態(tài)。

6.4 汽輪發(fā)電機推力瓦溫度變化大

一次調(diào)頻動作時,汽輪發(fā)電機出現(xiàn)推力瓦溫度大幅度變化的情況,具體表現(xiàn)為高壓調(diào)門開度增大時,推力瓦工作面溫度快速上升;高壓調(diào)門開度減小時,推力瓦工作面溫度快速下降。與此同時,汽輪發(fā)電機的軸向位移也發(fā)生改變。

7 結(jié)束語

一次調(diào)頻功能通過調(diào)節(jié)汽輪發(fā)電機調(diào)門的開度,利用機組蓄熱來快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。目前,大機組普遍應(yīng)用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)來進行汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速和有功功率的控制。通過設(shè)置合理的轉(zhuǎn)速不等率,對頻率偏差信號設(shè)置不靈敏區(qū),對機組的一次頻量進行限幅處理。數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一次調(diào)頻功能可以將汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值直接換算為有功功率指令。另一方面,一次調(diào)頻回路轉(zhuǎn)速不等率只影響機組的一次調(diào)頻量,對機組甩負荷時的調(diào)節(jié)性能影響不大。

影響火力發(fā)電機組一次調(diào)頻性能的因素較多,包括機組燃料狀況、運行參數(shù)調(diào)整、頻率信號測量精度和慣性、控制系統(tǒng)性能等。筆者分析了某百萬千瓦機組一次調(diào)頻組態(tài)邏輯、控制策略、存在的問題等,為提升機組一次調(diào)頻性能提供參考。