安萨尔多AE94.3A燃气轮机一次调频分析及优化

肖新宇， 史毅越， 汤可怡， 高爱民， 张天海

(江苏方天电力技术有限公司，南京 211102)

电网频率变化反映了电力系统中发电和用电间的不平衡关系。发电设备突发故障和用电随机性都会引起电网频率波动。当电网频率下降时，电力系统存在功率缺额，调频功能要求发电机组快速增负荷；当电网频率上升时，要求发电机组快速降负荷。随着电网容量的不断增大，非线性和冲击性载荷频繁出现，降低了电网的稳定性。风能、太阳能等新能源发电由于存在明显的间歇性，进一步加剧了电网频率的波动[1]。

一次调频是电网频率控制中响应最快、次序最先的调频，其作为一种有差调节，可在系统频率受到扰动的第一时间自动控制发电机组出力，对维护电网功率的平衡和频率的稳定有重大意义[2]。

国内某安萨尔多AE94.3A燃气轮机联合循环机组经过一次调频性能试验后，发现其一次调频响应指数达不到电网要求。笔者对该机组负荷控制回路进行分析，优化了其一次调频控制策略，并通过试验验证优化后机组一次调频响应指数满足电网要求。

1 一次调频策略分析

该安萨尔多AE94.3A燃气轮机机组为9F联合循环供热机组，额定负荷为440 MW。汽轮机出力依赖于燃气轮机的排烟量，汽轮机本身不具备调节功率的能力，所以机组的一次调频功能由燃气轮机实现。

燃气轮机负荷控制采用传统的前馈-反馈控制系统，一次调频回路是负荷控制中的一部分。因此，也可以将一次调频作用划分为前馈部分和功率闭环补偿部分。

燃气轮机负荷控制回路见图1。

图1 燃气轮机负荷控制回路

前馈部分采取将频率信号经转速不等率换算函数(一次调频特性函数)与负荷设定值合并，叠加在燃气轮机流量指令处，以使负荷快速响应；功率闭环补偿部分是将一次调频负荷指令叠加到燃机负荷设定值作为比例积分(PI)控制器的设定值参与闭环调节。

一次调频响应指数的计算公式为：

(1)

式中：a为一次调频响应指数；P为机组负荷，MW；P0为一次调频动作开始时的机组负荷，MW；Pe为机组额定负荷，MW；t为一次调频响应时间，s；Δn为转速偏差，r/min；n为一次调频转速死区，n=±2 r/min。

在前馈部分和功率闭环补偿部分中，一次调频都是与负荷设定值叠加后作用的，所以可以将一次调频认为是负荷设定值的偏置。当一次调频作用时，燃料阀动作速率也和变负荷速率一致。对于供热燃气轮机机组，电网要求其变负荷速率应≥1.5%Pe/min，由于燃气轮机燃烧惯性小，实际运行中，变负荷速率在1.5%Pe/min～3%Pe/min。

图2为变负荷速率为3%Pe/min，一次调频负荷的变化情况，其中：A部分为-4 r/min转速偏差时的一次调频积分电量，0～15 s、0～30 s、0～45 s的一次调频响应指数分别为0.28、0.55、0.70；A+B部分为-6.5 r/min转速偏差时的一次调频积分电量，0～15 s、0～30 s、0～45 s的一次调频响应指数分别为0.125、0.250、0.375。由图2可得：转速偏差越大，机组对于一次调频积分电量调节的能力越不足。对于燃气轮机，江苏省电网对一次调频的要求为：在0～15 s、0～30 s、0～45 s，实际积分电量分别达到理论积分电量的40%、60%、70%。该机组目前的控制策略无法实现对一次调频的快速响应，对一次调频积分电量的调节能力达不到电网要求。

图2 一次调频负荷的变化情况

2 一次调频策略优化

如果保持控制策略不变，提高比例、积分、前馈系数，可以提高一次调频作用；但是，这会对非一次调频作用的负荷控制回路造成影响，增加了变负荷时的超调量，使系统振荡风险增加、稳定性降低。另外，由于一次调频作用是负荷设定值的一部分，一次调频作用应当无限速，如果为了提高一次调频的响应速率取消限速，会使机组变负荷速率也相应提升。但是，燃气轮机在设计过程中，对变负荷速率有所限制，变负荷速率过高不利于机组安全运行，所以需要对现有的控制策略进行优化。

优化后的控制策略见图3。

图3 优化后的控制策略

考虑到在一次调频与变负荷过程中，机组对负荷响应的不同要求，将一次调频从负荷设定值前馈中独立出来，形成专有的一次调频控制前馈，前馈系数可根据一次调频响应情况进行调整，而不会影响正常的负荷控制回路。一次调频作用不经限速直接叠加到流量指令，从而动作燃料阀，有利于机组对转速偏差的快速响应。正常的负荷设定值前馈依旧经过限速，以保证变负荷时，燃料阀不会出现阶跃性响应。此外，一次调频作用叠加到负荷设定值上，对功率闭环进行补偿，以弥补一次调频前馈部分作为开环调节的不足，使机组的调频出力得到准确控制。

3 性能测试

优化前、后机组的一次调频性能测试结果分别见图4和图5。

图4 优化前机组一次调频性能测试结果

图5 优化后机组一次调频性能测试结果

由图4和图5可得：优化前，在±4.0 r/min和±6.5 r/min转速偏差下，机组的一次调频实际积分电量均低于理论积分电量；优化后，在±4.0 r/min和±6.5 r/min转速偏差下，机组的一次调频实际积分电量均高于理论积分电量。

通过对优化前、后机组一次调频性能测试的主要参数进行计算，得出的主要结果见表1。

表1 优化前、后机组一次调频性能测试主要数据

将测试数据平均值作为统计指标，并与电网要求[3]进行对比，具体见表2。

表2 优化前、后机组一次调频性能测试统计指标

由表1和表2可得：

(1) 优化前，机组的一次调频响应幅值和响应指数在4次试验中均未达到电网要求，实际转速不等率也在电网要求范围内偏高，说明在一次调频过程中，机组对电网的贡献不足。此外，在相同转速偏差下，机组对一次调频增负荷的响应效果优于一次调频降负荷，原因是负荷设定值前馈作用对升降负荷速率的限制不同，升负荷速率高于降负荷速率。通过将一次调频作用独立，使一次调频增减作用都不经过限速，可以有效解决问题。

(2) 优化后，机组的一次调频响应幅值和响应指数在4次试验中均满足电网要求，实际转速不等率也低于5%，说明在一次调频过程中，机组对电网的贡献大于电网的要求。此外，在相同转速偏差下，一次调频增负荷和一次调频降负荷作用基本一致，机组更加稳定。

4 结语

(1) 针对将一次调频负荷作用简单叠加到负荷设定值上作为设定值偏置的控制策略，经过理论分析和计算后，得出该控制策略无法实现机组对一次调频的快速响应，并且由于设备的设计要求，不宜采用提高比例、积分、前馈系数，以及取消限速等方式提高机组一次调频响应指数。

(2) 对原有的控制策略进行优化，将一次调频作用从负荷设定值前馈中独立出来，形成专有的一次调频控制前馈；正常的负荷设定值前馈依旧经过限速，以保证变负荷时，燃料阀不会出现阶跃性响应；将一次调频作用叠加到负荷设定值上，对功率闭环进行补偿，以弥补一次调频前馈部分作为开环调节的不足，使机组的调频出力得到准确控制。

(3) 通过对优化前、后机组进行一次调频性能测试，得出优化后机组对一次调频积分电量的调节能力较优化前有较大提升，机组各项性能指标均能满足电网要求。