基于网源协调火电机组一次调频的闭环控制系统设计

李宁纲 董建朋

摘 要：电力系统频率不仅是电力系统运行的重要质量指标，也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。目前，在网源协调范畴内，一次调频是与电网联系的重要控制要素，但经过多年的一次调频优化工作，仍然有很多机组调频效果并不理想。因此，本文提出一种一次调频闭环控制系统设计，并通过多台机组技术实施，充分验证了其控制策略的优越性，希望对各发电企业的一次调频工作有所促进。

关键词：一次调频;火电机组;闭环控制

中图分类号：TM732;TM62 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）19-0052-03

Abstract： Power system frequency is not only an important quality index for power system operation， but also an important factor affecting the safe and stable operation of power system. At present， in the category of network source coordination， primary frequency modulation is an important control factor in connection with the power grid. After many years of primary frequency modulation optimization， there are still many units whose frequency modulation effect is not satisfactory. Therefore， this paper proposed a primary frequency closed-loop control system design， and through the technology of multi units， fully proved the superiority of the control strategy， hoping for a work on FM all power enterprises to promote.

Keywords： primary frequency modulation;thermal power unit;closed-loop control

隨着大容量机组在电网中的比例不断增加、特高压电网的大力建设以及水电、风电、光伏、核电等新能源的接入，区域电网的传统电源结构随之改变，增加了电网运行的不确定性，电网频率稳定性问题逐渐被重视。大容量机组的故障跳闸和直流联络线的故障闭锁，会对电网频率产生较大的冲击，而机组一次调频的作用就尤为重要。发电机组一次调频的响应速度、调频电量等，对维持电网频率稳定具有重要意义，频率的稳定性对电网运行安全至关重要。

目前，发电机组一次调频逻辑的基本原理是转速不等率，其为有差调节系统。又由于汽轮机的一次调频特性是一个多环节、多因素的系统，汽轮机阀门的流量特性、主蒸汽压力、机组负荷等因素均会影响最终调节效果。

在对众多发电机组进行一次调频测评试验后，发现目前这种有差调节的一次调频逻辑，并不能满足所有机组的调频要求，从而导致很多机组一次调频贡献率偏低。本文针对此问题，提出一种一次调频闭环控制系统，希望能达到精准控制机组一次调频贡献率的目的。

1 一次调频的必要性

“十三五”期间，将建成以特高压交流为骨干网架，覆盖华北、华中、华东的受端电网，山西、蒙西、陕北、宁夏和锡盟等大型煤电、风电以此沿海核电通过特高压交流通道就近直接接入“三华”特高压电网，西北、东北大型煤电、风电和两南大型水电通过特高压直流通道送入“三华”负荷中心，形成“强交强直”的格局[1-3]。规划到2020年将建成15回特高压直流。目前，中国已投运7条特高压线路，形成大电网格局。

大电网面临的主要安全稳定问题有5项：电磁环网问题、动态稳定问题、潮流转移问题、多直流集中落点问题和频率稳定问题。其中，潮流转移问题和频率稳定问题均与机组一次调频有着直接关系。

2 一次调频传统控制理论

机组的一次调频是指电网频率偏离额定值时，机组调速系统根据电网频率的变化，自动增加或减少机组的功率，从而达到新的平衡，维持电网频率在额定值。一次调频是汽轮机调速系统根据电网频率的变化，自发地调整机组负荷以恢复电网频率。

一次调频传统逻辑核心是转速与负荷的函数（见图1），在DEH侧一次调频作为前馈，在CCS侧一次调频叠加在设定值上。

传统一次调频特性定义为静态时，汽轮机功率与其转速之间的曲线，又称汽轮机调节系统的静特性（见图2），对应表征一次调频特性的基本参数是汽轮机调节系统的不等率。

速度不等率：汽轮机空负荷时所对应的最大转速[nmax]和额定负荷时所对应的最小转速[nmin]之差，与额定转速[n0]之比称为调速系统的速度不等率，用[δ]表示。

（1）

3 影响一次调频的主要因素

根据电网对一次调频的考核情况，以及多年来一次调频试验和优化过程中积累的经验，笔者将造成一次调频不合格的原因划分为三类：动作不正确、动作不合格、通信不正常（见表1）。

通过对河南省机组1年多的一次调频数据进行监控和分析可知，85%的机组均能满足一次调频的正确动作。但是，由于机组的运行方式、阀门流量特性、机组工况等多因素影响，很多时候造成一次调频动作时贡献量达不到考核要求，甚至出现调频作用因工况变化而抵消的情况。

4 一次调频闭环控制策略

本控制策略的目的是提供一种一次调频闭环控制系统，克服机组由于阀门流量特性不好、主蒸汽压力参数影响、不同负荷段的影响、升降负荷的影响等造成的问题，解决目前诸多机组存在的一次调频贡献率偏低的问题，提高一次调频合格率，确保电网运行安全。

其主要思路是，以理论贡献负荷为设定值，以实际贡献负荷为被调量，构成一次调频功率闭环回路，通过闭环回路输出修正一次调频作用量，达到快速、有效、准确的调节效果，保证一次调频贡献率。一次调频闭环控制策略如圖3所示。

5 硬件设计

本控制策略的硬件设计采用外挂式控制系统实现，其与DEH、CCS之间通过硬接线或通信方式实现数据传输，优点是易于维护、安全性高。

控制系统硬件包含中央处理器、数据采集模块、数据输出模块、数据通信模块和数据存储模块（见图4）。

6 软件设计

一次调频闭环控制系统软件设计主要包括两部分：本地考核系统和闭环控制策略。本地考核系统软件设计，实现了中调一次调频考核算法的本地实施，不仅为一次调频闭环控制策略提供数据支持，还为机组提供更多的数据分析服务。闭环控制策略将为机组一次调频控制回路提供闭环控制输出，进一步提高一次调频的合格率，最终达到根据机组特性，精准控制调频负荷贡献量的目的，优化机组运行方式。

6.1 本地考核系统设计

依据中调一次调频考核细则，在一次调频外挂控制系统设计了一套完整的本地考核系统。

机组的一次调频理论积分电量[He]表示为：

（2）

机组的一次调频贡献电量[Hi]表示为：

（3）

一次调频贡献率[K]为：

（4）

6.2 闭环控制策略设计

一次调频闭环控制策略核心数据是动态的调频贡献量。此数据由本地考核程序提供，通过对调频贡献量差值的PID运算，得到动态的修正数据，调节机组一次调频主回路，控制调频贡献量在理论数据范围内。一次调频闭环控制简易方框图如图5所示。

一次调频贡献量偏差值为：

（5）

其中，[He]为理论积分电量;[Hi]为实际积分电量。

对一次调频贡献量偏差进行PID运算

（6）

其中，[KP]为比例系数;[Ti]为积分系数;[Td]为微分系数。

传递函数为：

（7）

7 发展分析

基于网源协调模式下，简单地要求机组对电网提供快速、安全的调频服务，或单方面为了确保机组的稳定运行，牺牲调频作用，都不利于电网和机组的安全。

传统一次调频控制策略已无法满足所有机组的调频特性，一次调频闭环控制策略的实施，从另一种技术层面，寻找电网与机组特性的平衡点，即能确保机组调频的合理率，稳定电网频率参数，能根据机组自身特点调整参数，稳定机组运行，确保机组安全。

参考文献：

[1]徐衍会，王珍珍，翁洪杰.一次调频试验引发低频振荡实例及机理分析[J].电力系统自动化，2013（23）：119-124.

[2]王远平，吴忠胜，黄华煜，等.河源电厂超超临界2×600MW机组一次调频控制策略及其优化[J].热力发电，2012（8）：79-82.

[3]张生相，贾强邦，刘俊.阳西电厂超临界600MW机组一次调频控制功能优化[J].热力发电，2012（1）：77-79.