火电机组一次调频特性分析

徐优

摘要：火电机组一次调频的目的在于调节电流频率，保持电流输送的稳定性。一次调频可以有效防止电路负荷变动或者电路断路带来的频率突变问题，对于保持电力系统的安全性和可靠性至关重要。通过介绍三种典型的调速控制方式，分析一次调频主要控制参数，借助仿真实验分别研究改变调速器的时间常数和限幅对一次调频的影响，并根据实验结果为实际工作提供参考性建议。

关键词：一次调频;调速控制方式;控制参数;时间常数;限幅

1引言

随着中国城市化进程的不断加深，普通居民对于家庭用电的要求也越来越高，根据国内外城市大型停电事故带来的问题可知，现代科技还无法很好地解决负荷突变带来的停电问题，为了使电力系统可以持续稳定的输送电能，可以在电力系统中加入一次调频，它可以有效控制负荷突变带来的频率波动问题，在一定程度上优化了电力传输的稳定性。

2典型控制方式

2.1DEH侧一次调频

数字电液控制系统（DEH）的工作原理是直接控制液压执行机构实现对汽轮机各部件阀门的间接控制，由于采用了液压控制机构所以控制响应时间短并且精度高，具有优良的线性控制能力和极短的阀门迟缓率。DEH通过输出阀门开度控制信号主要实现汽轮机转速偏差、调节级压力以及功率的控制，DEH可以作为独立的控制单元完成一次调频的工作，也可以和其他控制系统联合成为执行单元，例如和发电机组的分散控制系统（DCS）[4]配合不仅实现电网的调峰调频控制，还有锅炉协调控制，热状态启动控制等工作。

DEH单独使用的最大缺陷在于阀门控制曲线和重合度之间的冲突，DEH对于每个阀门都具有独立的控制曲线，实现对不同阀门开度的自动化控制，所以对阀门控制曲线的设计是评价一次调频是否合格的重要指标，但是太过复杂的控制曲线需要设置许多额外的传感器执行机构等设备，不仅加大了系统的总体设计成本，而且间接降低了系统的自动化程度。所以一般的发电机组为了提高汽輪机的热效率，采用的是最简单的顺序阀门控制曲线，并尽可能减少阀门之间的重合度。但是在实际运行过程中发现，在阀门切换的时刻，经常会出现用于一次调频发生的阀门增量被用于阀门切换的预启动量，这样就导致某些负荷点的调频效果没有达到理想值，而且这样也间接影响了发电机组的安全运行。

2.2CCS侧一次调频

协调控制系统（CCS）通常和DEH共同使用，DEH既可以作为控制机构和CCS协同工作，也可以只作为执行机构受CCS的控制，当只作为执行机构时，DEH只需要对转速偏差进行控制，而CCS对调节级压力以及功率进行控制。当DEH作为执行机构时可以减少汽轮机主汽压力对一次调频的影响，控制效果肯定优于DEH独立控制，这也是一种比较主流的电网调频方式。

但是CCS也存在有诸多缺点，由于两套控制系统是协同工作的，所以较容易出现控制冲突的问题，具体表现为DEH侧一次调频出现响应缓慢或者反调现象，使得一次调频工作无法正常进行。其原因在于当需要进行一次调频时，DEH会立即响应改变相应阀门的开度，相应的调节级压力或者机前压力出现变化，CCS的压力调节回路对压力变化进行补偿，输出调频发生的阀门增量，该阀门增量与引起DEH动作的一次调频指令方向相反，这样就导致DEH出现响应缓慢或者反调等现象，除此之外CCS还存在有一次调频死区的问题，CCS是基于电网频率信号设计死区的，从理论上来讲不存在有调频死区的缺陷，但是在实际运行过程中由于设计测量误差等问题会导致两套控制系统的协同工作不能完美同步，偶尔会出现一侧已经完成一次调频另一侧无动作的现象，这虽然对一次调频的总体效果影响不是很大，但是在长时间运行过后也会成为一个不可忽视的问题。

2.3联合一次调频

联合一次调频即采用两种或者两种以上的控制系统协同进行一次调频，除了上一节介绍最常见的DEH和CCS的协调控制系统，还有DEH和EH组成的电液控制系统，将DEH作为控制单元，EH作为执行单元实现对汽轮机主汽门和调节阀门的开度控制，还有对发电机组转速、压力、负荷等参数的控制。这些联合控制系统可以根据发电机组的实际工作需要进行安装，但是并不是控制系统的复杂度越高越好，太过复杂的控制系统极容易出现控制冲突等问题。

3特性分析

3.1一次调频主要参数

一次调频的效果不仅依靠控制系统的工作性能，发电机组的各种参数对一次调频的效果也具有较大的影响，这里主要介绍三种影响最大的参数：调频死区、调差系数、负荷变化幅度。下面具体分析各个参数对于一次调频效果的具体影响。

调频死区，在不影响电网稳定性的前提下，电网频率小范围的频繁波动是可以不进行调频处理的，但是由于DEH的响应时间极短，这会引起阀门高频率动作，这在一定程度上会减少发电机组的使用寿命，所以为了解决这个问题需要设置适宜的调频死区，在电网处于该频率范围内时，控制系统可以不发生动作，但是调频死区范围不能设置得过大，这样会使得控制系统完全不工作，在通常情况下火力发电机组的调频死区设置在±0.034Hz。

调差系数，也被称为速度变动率，它是汽轮机无负荷和全负荷的转速差值与汽轮机额定转速的比值，这个参数反映了汽轮机运行的稳定性，也间接反映了一次调频的优劣性，调差系数越小汽轮机的运行稳定性越差，但是机组对一次调频的能力越强，但是过大的调差系数会使汽轮机灵敏度变差，系统响应缓慢，所以一般汽轮机的调差系数在4%-5%之间。

负荷变化幅度，从理论上来讲，负荷变化幅度为零是最理想的发电机组运行状态，但是负荷的时刻波动也间接反映了发电机组的运行状况，如果机组出现故障也可以及时发现并处理， 通常情况下，机组负荷变化幅度越大电网频率变化也越大，对一次调频的要求也越高。所以在实际运行状态下会设置频率变化限值，当机组负荷变化幅度过大时，处于频率变化最大限值之内的机组负荷将不会随着频率的变化而变化，这样也就保证了发电机组的运行安全。

3.2影响一次调频参数分析

DEH可以近似看做电-液执行机构，所以对一次调频的影响较为直观，本文主要分析CCS的时间常数和限幅对一次调频的影响，在仿真实验中，只有CCS侧一次调频，DEH侧一次调频忽略不计。

时间常数，控制器的时间常数范围较广大致在0.2-2s之间，为了便于分析，这里取1s、1.5s、2s三个时间常数，对比调节阀门开度指令发起时间和响应时间曲线得出结论，从结果中可以得出时间常数越大，调节阀门开度的响应时间越短，并且开度变化曲线斜率越大。

限幅，控制系统从控制指令发出到阀门开始动作，控制指令需要进行限幅处理以达到优化控制的目的，在仿真实验中分别设置限幅最大上限为1.05pu和1.1pu，比较机械功率随时间变化规律，结果表明，对于机械功率变化曲线，从0-20s，1.1pu的限幅最大值曲线变化速率高于1.05pu，在20s之后1.1pu的曲线突然下降和1.05pu存在一定重合，之后1.1pu基本保持平稳状态，而1.05pu逐渐下降，这说明了较大的限幅值对一次调频响应速度抑制作用较弱。

参考文献

[1] 康浩强，何青，杜冬梅.汽轮发电机组一次调频技术分析[J].电力与能源，2019，40（02）：269-274.

[2] 周云祥.地方小电网内的火电机组DEH系统的控制研究[J].通讯世界，2017（09）：160-161.

[3] 张锷，余小敏，祝广场.基于电网频率波动的一次调频控制策略及优化[J].电站系统工程，2017，33（04）：75-76+78.

[4] 杨勇，王宏伟，焦鹏程.火电厂热工设备典型隐患分析及解决方案[J].电力科技与环保，2020，36（04）：61-62.