LM系列航改型燃气轮机发电机组一次调频功能探讨

邱冬 黄金梅

摘要：分析了LM系列航改型燃气轮机发电机组的特点，探讨了LM系列燃气轮机发电机组一次调频的原理，在设备配置需求、程序配置、调节质量、人员操作等方面的优势，实际应用表明，LM系列航改型燃气轮机可以很好地满足电网对一次调频的要求。

关键词：LM系列航改型燃气轮机;一次调频;死区;功率限制;负载响应

中图分类号：V231.3                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）14-0053-02

0  引言

以往频率调节一直由大容量机组来维持，而较小的燃气或其他涡轮机仅用于补充容量。但随着国内燃气轮机装机容量不断增加，尤其是随着各地对环保要求的不断严格要求，燃气轮机及其联合循环机组的项目正在逐步增加，从而使得燃气轮机机组的装机总量在电网中的占比越来越高，这直接导致燃气轮机机组一次调频的能力变得越来越重要。[1]LM系列航改型燃气轮机发电机组配置有一次调频PFC和容量储备控制RMC功能，可以在电网出现频率变化超过预定范围时自动调节机组的有功功率输出，实现电网频率的稳定调节，本文主要介绍LM系列航改型燃气轮机发电机组一次调频的功能原理，以及在电厂项目应用中各参数的设置原则。

1  LM航改型燃气轮机发电机组的构成

LM航改型燃气轮机发电机组由航空发动机改进而来，机组自身的一次调频响应能力非常强。

LM6000燃气轮机发电机组一般作为联合循环应用，机组采取一拖一的燃气-蒸汽联合循环布置方式，即一台燃气轮机的高温烟气通过余热锅炉产生相应的蒸汽驱动汽轮机组。联合循环机组的一次调频控制包括燃机和汽轮机的负荷控制，燃机的负荷控制回路主要针对转速-功率的控制，通过调节进入燃机的燃料量使燃机的出力和转速达到控制要求。本文重点讨论燃气轮机的一次调频控制能力。[2]

2  电网对一次调频能力的要求

电厂的一次调频功能一般是电网基本辅助服务的一部分， 以西北电网为例，各电厂一次调频服务补偿按照动作积分电量月度平均合格率进行补偿。月度一次调频平均合格率在满足规定条件情况下进行补偿，按照每高出1%补偿5积分。一次调频月度平均合格率：发电机组一次调频月度总实际积分电量与理论月度积分电量之比的百分数。故一次调频能力无论是电网的基本要求还是有偿服务，机组配置此功能都是必须的且有益的。

3  一次调频的功能介绍

电网一次调频的目的是通过发电机组自身的调速系统的频率控制特性，适应电网侧用电功率的变化，使两者达到平衡从而使电网频率稳定在50Hz附近的一个允许值范围内。以LM6000燃气轮机发电机组为例，其一次调频和燃气轮机的负荷控制密不可分，一次调频的功能设置在机组负荷控制回路中，不可切除，主要包括PFC和RMC调节。

3.1 LM机组PFC和RMC控制逻辑

LM6000燃气轮机发电机组的一次调频功能包括PFC和RMC，其逻辑框图见图1。当电网频率升高时，一次调频PFC功能要求机组快速减负荷，反之，机组快速增加负荷;容量储备控制RMC功能是指允许机组运行在接近最大出力之下，LM6000机组可以设定为低于最大出力0～12.5%，使得机组在频率上升或下降时有适当的调节空间。图1中显示的燃气轮机机组全天24小时的运行状况，图中可以看出由于全天气温的变化，燃气轮机机组的额定基础负荷也是不断变化的。RMC是按照额定基础负荷的百分比设置的，所以RMC的曲线也是随时变化的。具体的逻辑框图说明如下：①PFC功能启用，燃气轮机机组的出力被锁定在预设的负荷控制设定点。②PFC功能启用，燃气轮机机组的出力根据电网频率的下降而增加。③PFC功能和RMC功能同时启用，RMC设定点为3%。此时控制燃气轮机机组出力至RMC控制点，即机组运行在97%额定基础负荷。④PFC功能和RMC功能同时启用，RMC设定点为3%。此时电网频率出现下降偏差，燃气轮机机组按照PFC功能控制机组出力上升直至额定基础负荷。⑤PFC功能启用，燃气轮机机组的出力被锁定在预设的负荷控制设定点，此负荷控制设定点将小于RMC的设定点。

3.2 LM机组一次调频参数设置

LM6000燃气轮机发电机组的一次调频功能内置于控制器程序中，机组常规的参数设置及说明如下：

调速器转速下垂：转速下垂是调速器的功能，当负荷下降时降低燃气轮机的转速，调速器转速下垂功能可以在机组连接到电网时提供稳定的运行工况。

迟滞死区（不灵敏度）：调速器系统的死区或不灵敏度即为在此频率设定范围内的频率变化，不会触发燃气轮机出力的调节。如果频率变化超出了此迟滞死区的设定范围，控制系统将自动的调节燃气轮机的出力，出力的变化与频率变化差成比例。

RMC容量储备控制：RMC控制的目的是使燃气轮机能够带有一定的储备负荷运行，允许燃气轮機机组在接近其最大输出功率的情况下运行，而不需要驱动机组随着环境温度的变化全天基本负荷随时在变化。

PFC一次调频控制将控制燃气轮机机组运行在预设的负荷点，如果机组的频率超过PFC调节迟滞死区范围将通过调节机组出力来响应频率的变化以便帮助维持电网的频率稳定。PFC可以增加机组的出力至最大控制极限，但是不允许使燃气轮机超温或过载。同样的PFC控制也不能将机组负荷降至小于0，以防止逆功率。[4]

3.3 LM机组一次调频调速器调节能力

机组的一次调频能力与其自身的性能有关，如图2为LM6000机组一次调频动作示意图，描述了频率变化对应的机组出力的调节。

图2中的符号说明如表1所示。

如图2所示，机组常规运行在功率设定点Pset，此时系统发生频率偏差，有以下几种可能：①频率偏差在±f0范围内，此时的频率偏差在迟滞死区范围内，机组控制系统不会发出调整指令，机组还是按照预设的功率运行。②频率偏差在-？驻fG范围内，此时的频率偏差超过迟滞死区范围，机组的一次调频将控制燃气轮机增加出力以维持频率的稳定，机组的出力变化与频率偏差为线性调整关系。③频率偏差在+？驻fG范围内，此时的频率偏差超过迟滞死区范围，机组的一次调频将控制燃气轮机减小出力以维持频率的稳定，机组的出力变化与频率偏差为线性调整关系。[3]

当系统发生频率偏差并超过燃气轮机机组设定的迟滞死区范围后，机组的一次调频将增加或减小机组的出力来维持频率的稳定，而机组出力达到具体调节量，是根据频率的偏差值、燃气轮机调速器的调节速率设置（即调速器转速下垂设置）、机组额定频率、以及机组的额定容量有关。具体的计算公式如公式1所示。

×100%（1）

公式（1）中的符号说明如表2所示。

以50Hz机组，额定功率为50MW为例，当系统频率下跌-0.2Hz，调速器调节速率设定为5%，燃机的功率调节响应为增加出力4MW。通过以上计算可以看出，调速器调节速率越高，在相同的频率偏差下机组所需调节的出力越小，即机组的响应速度越快其所需的负荷调节量就越小。

当系统发生频率偏差时，一次调频功能启动，同样的其响应时间也需要考核。一般机组的功率变化响应时间规定的在系统频率降低100mHz时机组增加50%的功率输出，调节时间为15秒，在系统频率降低200mHz时机组增加100%的功率输出，调节时间为30秒。

4  结束语

与其他类型的发电机组相比，LM系列航改型燃气轮机机组在设计之初就内置了一次调频功能，充分考虑了燃機机组自身的特性及客户的需求。同时通过以上经验，希望能对同类型电厂的运行调试有参考价值。

参考文献：

[1]曹泉.燃机一次调频控制策略及其实践 [J].华中电力， 2009（3）：40-43.

[2]宋敏强，祝建飞，邱佳敏.燃气轮机联合循环机组AGC及一次调频研究[J].华东电力，2009（5）.

[3]项谨，顾正皓，尹峰.GE燃机一次调频原理分析与仿真[J].浙江电力，2007（3）：37-39.

[4]戴初成.6B燃气轮机负荷控制与一次调频功能的实现[J]. 燃气轮机技术，2011（4）：70-72.