高 劍,蘭立剛,王鴻礫,李 甘

(1.國網(wǎng)四川省電力公司, 四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川綜合能源服務有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

2019年6月，渝鄂背靠背柔性直流聯(lián)網(wǎng)工程正式投運以來，由川、渝、藏三省電網(wǎng)組成的西南電網(wǎng)與華中—華北電網(wǎng)組成的兩華電網(wǎng)交流解耦，正式進入異步聯(lián)網(wǎng)運行。西南電網(wǎng)在異步聯(lián)網(wǎng)后，交流同步電網(wǎng)規(guī)模僅為原兩華電網(wǎng)的1/6，電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量顯著減小，頻率調(diào)節(jié)能力弱，頻率穩(wěn)定問題突出，“小電網(wǎng)大外送”的特征使得西南電網(wǎng)頻率越限的風險較異步聯(lián)網(wǎng)前劇增。異步聯(lián)網(wǎng)后，在發(fā)生多直流同時換相失敗或者閉鎖、損失大型電源或大容量送電通道等嚴重故障時，維持西南電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定將更為困難[1-3]。

另一方面，西南電網(wǎng)水電裝機容量占到全網(wǎng)總裝機容量的70%左右。在國家“碳達峰、碳中和”總體目標下，火電機組裝機容量增長空間和裝機容量比例在“十四五”期間將進一步壓縮。由于水電機組在0.1 Hz以下頻段表現(xiàn)為負阻尼特性，西南電網(wǎng)的超低頻振蕩風險突出。為此，西南電網(wǎng)調(diào)整了網(wǎng)內(nèi)主力水電機組調(diào)速系統(tǒng)PID參數(shù)，大幅放慢了水電機組出力調(diào)節(jié)速度，從而抑制全網(wǎng)超低頻振蕩風險，但同時這也導致水電機組的一次調(diào)頻性能嚴重削弱[4-6]。因此，充分發(fā)揮火電機組的一次調(diào)頻能力，對于西南電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定就具有更重要的意義。

隨著生物質(zhì)發(fā)電的不斷發(fā)展壯大，生物質(zhì)發(fā)電機組總裝機容量僅在四川就已突破1000 MW，其對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的作用應予以重視。由于四川電網(wǎng)內(nèi)生物質(zhì)機組單機容量小、臺數(shù)眾多、管理粗放，較長時間以來對發(fā)電機組涉網(wǎng)功能和性能缺乏重視，存在較高的涉網(wǎng)安全風險。因此，針對西南電網(wǎng)的網(wǎng)源協(xié)調(diào)工作特殊性，亟需開展生物質(zhì)機組調(diào)速系統(tǒng)涉網(wǎng)安全功能改造完善。

1 汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)

汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(digital electro-hydraulic control system，DEH)主要分為低壓透平油純電調(diào)DEH和高壓抗燃油純電調(diào)DEH。為節(jié)省投資，生物質(zhì)發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)大都采用低壓透平油DEH。DEH發(fā)出的閥位指令信號，經(jīng)伺服放大器后，直接驅(qū)動式伺服閥(direct drive valve， DDV)將電信號轉(zhuǎn)換成脈動控制油壓信號控制動態(tài)進油，直接控制油動機帶動調(diào)節(jié)汽閥以改變機組的轉(zhuǎn)速或功率，如圖1所示。低壓透平油DEH有著系統(tǒng)簡潔、制造成本低、運行維護費用低和抗污染能力強等特點。

圖1 低壓透平油電液伺服系統(tǒng)原理

西南電網(wǎng)異步運行以來，頻率穩(wěn)定問題成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的主要問題之一，這對并網(wǎng)機組一次調(diào)頻響應特性和動態(tài)性能提出了更高要求。低壓透平油DEH在實際運行中存在閥門調(diào)節(jié)遲緩率大和非線性問題，影響機組一次調(diào)頻性能；另一方面，低壓透平油DEH閥門開關(guān)動作特性不一致，在機組保護動作快關(guān)調(diào)節(jié)汽門(以下簡稱調(diào)門)時關(guān)閉緩慢，易造成機組超速，影響機組和電網(wǎng)安全運行。

隨著電力工業(yè)的發(fā)展進步，高壓抗燃油DEH在大中型火電機組中已有廣泛、成熟的應用。高壓抗燃油DEH具有控制精度高、系統(tǒng)遲緩率小、汽機保護動作閥門關(guān)閉快速安全，能有效防止機組超速等優(yōu)點，因此特別適用于當前電網(wǎng)快速發(fā)展，以及對機組一次調(diào)頻性能要求高的場景[7-9]。

目前，四川新投運的采用高壓抗燃油DEH的生物質(zhì)機組均無一次調(diào)頻性能不合格的情況，而部分采用低壓透平油DEH的生物質(zhì)機組則因調(diào)速系統(tǒng)性能不佳造成一次調(diào)頻性能指標不滿足試驗導則要求。因此，建議新投運生物質(zhì)機組應采用技術(shù)成熟、優(yōu)點突出、使用廣泛的高壓抗燃油DEH。

2 涉網(wǎng)保護功能

按照四川電網(wǎng)高周切機要求，汽輪機超速保護控制(over-speed protection control，OPC)功能應與頻率相關(guān)的涉網(wǎng)保護定值相匹配，并網(wǎng)火電機組在頻率上升至51.5 Hz時，機組正常運行時間應不低于3 s，并確保OPC動作后機組保持并網(wǎng)運行，避免機組在電網(wǎng)頻率異常時頻繁、無序動作[10-13]。據(jù)此對生物質(zhì)機組OPC功能做了完善和改進，如圖2所示。

圖2 OPC動作邏輯原理

1)為滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運行要求，設計有并網(wǎng)機組頻率高于51.5 Hz(汽輪機轉(zhuǎn)速3090 r/min)延時3 s OPC動作邏輯，而在機組未并網(wǎng)時，仍沿用原邏輯即頻率高于51.5 Hz立即動作邏輯；

2)為防止OPC動作后，汽輪機總閥位指令清零，機組所有調(diào)門關(guān)閉，導致發(fā)電機逆功率保護動作，設計邏輯保證：機組并網(wǎng)運行，OPC動作復位后，汽輪機控制方式均切換為閥控方式，并將總閥位指令保持在OPC動作之前的值，以便電網(wǎng)高頻故障消失機組能夠快速接帶負荷。

3)為避免電網(wǎng)頻率異常時機組OPC保護頻繁動作，引起電網(wǎng)頻率大幅波動，設計邏輯如下：機組并網(wǎng)運行時，OPC保護在動作后至轉(zhuǎn)速恢復正常1 min內(nèi)閉鎖再次動作，同時在此期間開放一次調(diào)頻幅度下限(但不突破機組最小技術(shù)出力)。這一設計確保OPC保護在網(wǎng)頻異常時不會反復動作，且如電網(wǎng)因線路故障網(wǎng)頻持續(xù)偏高時，利用開放下限的一次調(diào)頻指令，直接疊加到總閥位指令，使調(diào)門開度維持在合理范圍，防止網(wǎng)頻持續(xù)升高。

4)為滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運行要求，機組并網(wǎng)運行時，如OPC保護包含汽輪機轉(zhuǎn)速加速度保護，屏蔽加速度保護，以防止汽輪機轉(zhuǎn)速加速度保護誤動引起OPC保護動作。

5)為防止機組并網(wǎng)時對側(cè)變電站故障造成機組帶部分地區(qū)負荷孤網(wǎng)運行而出現(xiàn)頻率飛升，在并網(wǎng)機組頻率51.5 Hz延時3 s OPC動作基礎上，增加頻率52 Hz(汽輪機轉(zhuǎn)速3120 r/min)第二道OPC保護，防止機組在孤網(wǎng)運行時汽輪機轉(zhuǎn)速在3 s內(nèi)飛升過快[14]。

3 一次調(diào)頻控制策略優(yōu)化

按照火電機組一次調(diào)頻試驗導則要求，設計一次調(diào)頻邏輯如下[15]：

1)設置機組一次調(diào)頻正常范圍為機組最小技術(shù)出力至106%Pe(Pe為機組額定功率)；根據(jù)記憶的一次調(diào)頻動作前的機組負荷，與調(diào)頻上、下限比較確定裕量，通過調(diào)頻裕量限制調(diào)頻動作幅度。一方面，當機組負荷小于最小技術(shù)出力時，開放增負荷方向調(diào)頻、閉鎖減負荷方向調(diào)頻；負荷大于106%Pe時開放減負荷方向調(diào)頻、閉鎖增負荷方向調(diào)頻，以確保一次調(diào)頻動作始終處于機組的有效調(diào)節(jié)范圍及安全運行區(qū)間。另一方面，當OPC超速限制動作時，開放一次調(diào)頻下限至-100%Pe，但仍受機組最小技術(shù)出力限制，確保OPC動作復位后，機組負荷不低于最小技術(shù)出力，在系統(tǒng)頻率恢復正常后，能夠快速接待負荷。如圖3所示。

圖3 一次調(diào)頻負荷目標設備

2)為克服調(diào)速系統(tǒng)遲緩率對小頻差一次調(diào)頻影響，在一次調(diào)頻不等率函數(shù)中，設置考慮調(diào)節(jié)系統(tǒng)遲緩率的一次調(diào)頻不等率函數(shù)。通過階躍量克服系統(tǒng)遲緩率以響應小頻差擾動，確保一次調(diào)頻動作的有效性，使實際調(diào)頻負荷指令滿足“兩個細則”考核指標要求，并能克服系統(tǒng)遲緩率造成實際一次調(diào)頻動作積分貢獻電量的不足[16]。

3)DEH一次調(diào)頻采用增量前饋與功控閉環(huán)相結(jié)合的方式，一次調(diào)頻流量前饋根據(jù)不等率函數(shù)轉(zhuǎn)換為汽機流量前饋，并采用主汽壓力函數(shù)修正，以確保一次調(diào)頻在不同壓力下動作的持續(xù)性和準確性，如圖4所示。

圖4 一次調(diào)頻功能典型原理

4 應用效果

2020年年末，西南電網(wǎng)某火電機組正常運行時，電網(wǎng)發(fā)生瞬時故障，汽輪機加速度限制保護誤動作，觸發(fā)OPC超速保護動作，全關(guān)閉所有汽輪機調(diào)門，總閥位指令歸0。隨后電網(wǎng)故障消除，OPC動作復位，總閥位指令仍保持0，最終觸發(fā)發(fā)電機逆功率保護動作，機組非計劃停運。該火電機組采用所述涉網(wǎng)保護控制策略對調(diào)速系統(tǒng)進行改造，成功消除了異常脫網(wǎng)的風險。

某15 MW生物質(zhì)發(fā)電機組，采用機組出廠涉網(wǎng)保護控制策略，進行汽輪機轉(zhuǎn)速大于3090 r/min(即網(wǎng)頻大于51.5 Hz)OPC超速保護仿真。仿真結(jié)果如圖5所示：轉(zhuǎn)速大于3090 r/min后，立即觸發(fā)OPC超速保護動作，總閥位指令和調(diào)門快關(guān)置0，實際功率為0，其后轉(zhuǎn)速雖恢復正常轉(zhuǎn)速3000 r/min，總閥位指令仍保持0，在無運行人員手動干預的情況下，汽輪機出現(xiàn)逆功率后逆功率保護延時1 min動作，最終引起汽輪機ETS保護動作，機組全停。

圖5 涉網(wǎng)保護控制改造前機組OPC仿真曲線

該機組應用所述涉網(wǎng)保護控制策略后，進行轉(zhuǎn)速大于3090 r/min OPC超速保護仿真。仿真結(jié)果如圖6所示：機組功率15 MW、轉(zhuǎn)速超過3090 r/min時，首先，一次調(diào)頻作用使機組功率下降10%(最大正常調(diào)頻幅度)，3 s后OPC超速保護動作觸發(fā)，調(diào)門快關(guān)(閥位反饋置0)，總閥位指令仍保持不變，OPC動作2 s后自動復位，調(diào)門恢復開啟；在OPC動作開放一次調(diào)頻下限及大于機組最小技術(shù)出力限制下，調(diào)門恢復開啟至機組功率大于最小技術(shù)出力，避免發(fā)電機逆功率保護動作。

圖6 涉網(wǎng)保護控制改造后OPC與一次調(diào)頻仿真曲線

隨著轉(zhuǎn)速恢復至3000 r/min(即網(wǎng)頻恢復50 Hz)，調(diào)門在一次調(diào)頻作用下恢復開啟至達到總閥位指令，滿足電網(wǎng)故障消除后機組接帶負荷要求；隨后若電網(wǎng)再次發(fā)生故障，轉(zhuǎn)速再次升高到3090 r/min(1 min內(nèi))，此時OPC保護不動作，依靠一次調(diào)頻開放下限功能關(guān)小調(diào)門，降低機組出力，避免網(wǎng)頻短時大幅度波動時，OPC保護反復動作/復位，調(diào)門反復開啟/快關(guān)，滿足汽輪機安全運行要求。

5 結(jié) 論

隨著西南電網(wǎng)生物質(zhì)機組總裝機容量不斷增長，生物質(zhì)發(fā)電對城市供電安全和垃圾廢物處理都發(fā)揮著不可替代的作用，對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的支撐作用也愈發(fā)重要。針對生物質(zhì)機組調(diào)速系統(tǒng)的涉網(wǎng)功能和性能存在的缺陷，從汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)改造、涉網(wǎng)保護整定和一次調(diào)頻策略優(yōu)化三方面提出了一套完整改造方案，對加強生物質(zhì)機組的涉網(wǎng)安全管理工作有著重要的借鑒價值和推廣意義。