并网机组深度灵活调频研究与优化

王文宽，石佃忠

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.华能聊城热电有限公司，山东聊城252041）

·发电技术·

并网机组深度灵活调频研究与优化

王文宽1，石佃忠2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.华能聊城热电有限公司，山东聊城252041）

根据目前并网机组一次调频功能的实际动作情况，探讨协调控制系统对一次调频性能的影响，并给出优化方案，现场实用性强，并网机组一次调频性能优化具有借鉴意义。

一次调频；协调控制；性能优化

0 引言

近年来，随着我国东部经济的持续快速稳定发展，电力供需矛盾日益突出，而作为能源战略基地的中西部，煤炭、水力及电力资源十分丰富，因此特高压交、直流等长距离现代输电模式应运而生。其中银东直流双极的投运，为山东电网带来400万kW的电力输入，极大地保障了山东经济的发展。但也同时带来一些问题，比如因为设备元器件质量或线路问题，银东直流自投运以来多次发生闭锁现象，使山东电网瞬间损失200万kW甚至400万kW的电量，对电网的稳定带来安全隐患，因此并网机组的一次调频性能的好坏尤显重要。

目前，并网机组多采用机跟炉方式的协调控制模式（CCS）［1］，即锅炉控制主蒸汽压力，汽机控制机组负荷，这种控制模式的最大优点是负荷控制快速精确，能充分利用锅炉的蓄热，满足负荷的快速调整要求，有利于电网的安全与稳定运行，同时机组的主蒸汽压力波动较小，增加了设备的可靠性和连续运行能力，有利于机组的稳定运行，是目前最普遍采用的一种控制模式。相应地，一次调频功能实现采取DEH+CCS的方式［2］，即由汽轮机控制系统（DEH）完成一次调频功能的粗调，通过快速开关调节阀来增减负荷，减小电网频率的剧烈波动；由协调控制系统（CCS）完成一次调频功能的细调，通过精确控制主蒸汽压力和负荷，使电网发电量与客户用电量平衡一致，使电网频率保持在合格范围，最终完成一次调频功能。

通过对银东直流闭锁时，协调控制系统对一次调频动作效果影响的分析，研究一次调频性能差的根本原因，并给出针对性的解决方案，能有效防止功率回调，提高机组的一次调频响应性能，具有一定的代表性。

1 一次调频功能实现

一次调频功能的实现大多采用DEH+CCS的方式，其中DEH侧一次调频控制原理如图1所示。图1中“额定转速”为3 000 r／min，“实际转速”一般取自现场汽轮机转速测量装置，用来代表实际网频，额定转速与实际转速的偏差，经过函数F（x）处理，形成一次调频负荷补偿指令，叠加到机组的流量指令形成最终的流量指令，通过快速开关高压调节门来增减负荷，减小电网频率的剧烈波动，完成一次调频功能的粗调。函数F（x）的作用包括转速不等率设置、一次调频转速死区设置和补偿负荷限幅设置等功能，转速不等率一般设定为4%～5%，转速死区一般设置为±2 r／min，补偿负荷的限幅与机组的具体容量、类型等有关，比如300 MW机组一次调频补偿负荷最大为额定容量的8%，而600 MW机组为6%，循环流化床锅炉机组为额定容量的4%等。“DEH侧一次调频投入”指机组并网或负荷大于稳燃负荷则自动投入一次调频功能，“流量指令”指运行人员手动设定流量指令或功率控制回路产生的流量指令或直接接受CCS侧来的流量指令。

图1 DEH侧一次调频原理

CCS侧一次调频控制原理如图2所示。图2中“额定网频”为50 Hz，“实际网频”一般取自电气系统，表示实际电网频率，“CCS侧一次调频投入”指机组负荷大于稳燃负荷且投入协调控制系统则自动投入一次调频功能，“负荷指令”指运行人员手动输入的机组负荷指令或AGC指令并经过速率限制。其他名称及一次调频功能原理同图1，即网频的偏差经过函数F（x）处理，形成一次调频补偿负荷指令，叠加到机组的负荷指令形成最终的负荷指令，通过PI调节作用完成一次调频功能的细调。

图2 CCS侧一次调频原理

2 协调控制系统对一次调频功能的影响

经过长期的观察、对比和测试，发现当银东直流线路单极发生闭锁现象时，电网频率剧烈波动，汽轮机转速下降6 r／min左右。山东电网的总负荷一般为4 500万kW左右，总额定容量大约为5 000万kW，根据5%的转速不等率［3］计算，当银东直流单极闭锁损失200万kW时，网频正好下降0.1 Hz（即6 r／min），这与实际网频变化情况完全一致，也就是说合格精确的一次调频动作应该能够及时补偿电网负荷损失，消除电网频率的波动，保障网频快速返回、供电质量及电网的安全稳定。

图3 电网负荷波动引起机组一次调频动作过程

但实际情况并非如此，图3是某300 MW机组在一次电网负荷波动时一次调频动作的实际过程。可以看出，当电网瞬间甩负荷200万kW时，机组负荷立即下降12 MW，汽轮机转速最高上升了5.8 r／min，这个结果可以从机组一次调频特性的基本原理计算得到验证，也就是说机组因电网负荷波动而引起功率与转速变化的方向与幅度均正常。问题是叠加了一次调频负荷补偿的机组负荷指令下降，虽然最终幅度正确，但时间上却足足晚了2～3 s，因此流量指令反而上升，引起机组功率回调，不仅削弱了机组的一次调频性能，还通过增加负荷加剧了网频的偏差，延长了网频的调整时间，对电网的安全稳定严重不利。

3 一次调频性能的研究与优化

对图3的分析可以得出结论：协调控制系统设计不合理，将严重影响和削弱并网机组的一次调频动作性能。而不合理的根本原因就是在控制系统本身的运算周期设置不合理，以及负荷指令是根据网频变化计算得出的，而网频与机组实际负荷的变化却完全同步，这就使得负荷指令与实际负荷变化方向一致但存在时间差。控制系统的运算周期一般设置为200～500 ms，5个运算周期加上3个输入输出的硬件处理周期，即2～3 s的滞后处理大大延迟了机组负荷设定值的变化速度，引起机组功率回调，影响了一次调频动作性能。

3.1 控制系统处理周期的合理设置

控制系统及硬件设备处理周期的合理设置，既要快速反应，增强系统的调节能力，以适应电网频率的快速变化，保障电网安全，又要考虑CPU的运行能力和运算负荷率，根据DCS系统设计要求，CPU的运算负荷率不得大于40%，因此在符合标准要求的前提下，尽量提高CPU的处理速度，一般设置为200 ms为宜，最大不要超过500 ms。

3.2 控制逻辑优化处理

首先，对功率信号进行延时处理。具体时间可以通过实际测试确定，一般可设置为2～3 s，目的是使功率信号经过延时处理后，与一次调频负荷补偿后的负荷指令在时间上完全对应，不会因负荷指令的延时产生功率回调。然后通过DEH系统粗调，使机组负荷快速适应网频的变化，将网频快速拉回到正常范围，然后通过CCS系统的细调，使机组负荷的增量精确达到网频变化的要求，即供电量与用户负荷一致，电网平稳运行，完成一次调频的动作过程。

第二，对汽机主控系统流量指令的闭锁处理。即在一次调频动作的最初2～3 s时间内，闭锁协调控制系统中汽机主控流量指令的增减变化，完全靠DEH系统根据网频的变化快速开关调节门，通过增减负荷来适应网频的变化，一般可达到动作幅值的70%左右，剩余的30%再靠协调控制系统进行精确调整。原理如图4所示。

图4 优化后的控制逻辑

3.3 主汽压力对一次调频性能的修正

从效益出发，为提高机组运行的经济性，目前大部分机组采用滑压运行方式，典型的运行曲线是“定-滑-定”，在低负荷和高负荷区域采用定压运行，以保证参数的稳定和设备的安全可靠，在中间负荷区域采用滑压运行方式，可以增大汽轮机调节门开度，减少节流损失，提高机组的经济性。

DEH侧一次调频负荷补偿的计算是开环控制，即一次调频负荷补偿对应一定的调节门开度，因此不同压力下一次调频功能实际补偿的负荷量不同，尤其是压力较低时，严重影响一次调频动作性能指标，不利于电网的安全与稳定，所以有必要用主蒸汽压力对一次调频的补偿负荷进行修正，用额定压力与实际压力的比值形成修正因子，去修正一次调频补偿负荷，可以大大提高一次调频动作性能。

3.4 阀门管理参数对一次调频性能的影响与处理

随着我国经济的快速持续稳定发展，电网的峰谷差越来越大，更多的机组承担起调峰调频功能，机组的负荷变化幅度也越来越大，这就要求并网机组在大范围负荷段内的一次调频性能都能达到标准。但机组经过安装、调整和大修以及长时间运行后，阀门的流量特性与设计变化很大，尤其是预启阀的开度和阀门重叠度设置与原始数据相差很远，具体表现在负荷调整效果差，机组蒸汽流量非线性化，严重影响机组的负荷调节特性和一次调频动作性能，因此建议在机组大修后进行阀门的流量特性测试，并根据测试结果重新修正阀门管理参数，保障机组的负荷调节性能和电网安全稳定。

4 结语

通过分析电网频率波动情况下机组的一次调频实际动作情况，可以看出机组的一次调频动作性能与设计相差很大，尤其是最初的2～3 s中出现机组负荷反调的现象，极大地影响了一次调频性能指标，既引起机组参数的剧烈波动，对锅炉燃烧和设备安全带来隐患，又加大了网频的变化，不利于电网的安全稳定。

从控制系统逻辑的优化处理、运算扫描周期的合理设置，以及主汽压力修正和阀门管理参数的整定等方面出发，介绍了一次调频控制系统的优化方案与实施措施，具有很强的操作性和实效性，可以提高机组一次调频动作性能，保障机组与电网的安全稳定运行和发供电质量。

［1］牛卫东.电厂汽轮机原理［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［2］谷俊杰，丁常福.汽轮机控制监视和保护［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［3］孙奎明，时海刚.热工自动化［M］.北京：中国电力出版社，2006.

Research and Optimize of Primary Frequency Regulation for On-line Unit

WANG Wenkuan1，SHI Dianzhong2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Huaneng Liaocheng Thermal Power Co.，Ltd.，Liaocheng 252041，China）

The influence and principle of coordinated control system to the primary frequency regulation was discussed in this paper，according to operation situations of primary frequency regulation function at present.The optimization scheme and detail of tests were given，which have reference significance for the performance optimization of the primary frequency regulation.

primary frequency regulation；coordinated control；performance optimization

TK323

A

1007－9904（2016）12－0049－03

2016-09-27

王文宽（1970），男，高级工程师，从事汽轮机自动控制和保护工作。