生物质发电机组调速系统涉网功能研究及应用

高 剑,兰立刚,王鸿砾,李 甘

(1.国网四川省电力公司, 四川 成都 610041；2.国网四川综合能源服务有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

2019年6月，渝鄂背靠背柔性直流联网工程正式投运以来，由川、渝、藏三省电网组成的西南电网与华中—华北电网组成的两华电网交流解耦，正式进入异步联网运行。西南电网在异步联网后，交流同步电网规模仅为原两华电网的1/6，电网转动惯量显著减小，频率调节能力弱，频率稳定问题突出，“小电网大外送”的特征使得西南电网频率越限的风险较异步联网前剧增。异步联网后，在发生多直流同时换相失败或者闭锁、损失大型电源或大容量送电通道等严重故障时，维持西南电网的频率稳定将更为困难[1-3]。

另一方面，西南电网水电装机容量占到全网总装机容量的70%左右。在国家“碳达峰、碳中和”总体目标下，火电机组装机容量增长空间和装机容量比例在“十四五”期间将进一步压缩。由于水电机组在0.1 Hz以下频段表现为负阻尼特性，西南电网的超低频振荡风险突出。为此，西南电网调整了网内主力水电机组调速系统PID参数，大幅放慢了水电机组出力调节速度，从而抑制全网超低频振荡风险，但同时这也导致水电机组的一次调频性能严重削弱[4-6]。因此，充分发挥火电机组的一次调频能力，对于西南电网的频率稳定就具有更重要的意义。

随着生物质发电的不断发展壮大，生物质发电机组总装机容量仅在四川就已突破1000 MW，其对电网频率稳定的作用应予以重视。由于四川电网内生物质机组单机容量小、台数众多、管理粗放，较长时间以来对发电机组涉网功能和性能缺乏重视，存在较高的涉网安全风险。因此，针对西南电网的网源协调工作特殊性，亟需开展生物质机组调速系统涉网安全功能改造完善。

1 汽轮机数字电液控制系统

汽轮机数字电液控制系统(digital electro-hydraulic control system，DEH)主要分为低压透平油纯电调DEH和高压抗燃油纯电调DEH。为节省投资，生物质发电机组调速系统大都采用低压透平油DEH。DEH发出的阀位指令信号，经伺服放大器后，直接驱动式伺服阀(direct drive valve， DDV)将电信号转换成脉动控制油压信号控制动态进油，直接控制油动机带动调节汽阀以改变机组的转速或功率，如图1所示。低压透平油DEH有着系统简洁、制造成本低、运行维护费用低和抗污染能力强等特点。

图1 低压透平油电液伺服系统原理

西南电网异步运行以来，频率稳定问题成为电网安全稳定运行的主要问题之一，这对并网机组一次调频响应特性和动态性能提出了更高要求。低压透平油DEH在实际运行中存在阀门调节迟缓率大和非线性问题，影响机组一次调频性能；另一方面，低压透平油DEH阀门开关动作特性不一致，在机组保护动作快关调节汽门(以下简称调门)时关闭缓慢，易造成机组超速，影响机组和电网安全运行。

随着电力工业的发展进步，高压抗燃油DEH在大中型火电机组中已有广泛、成熟的应用。高压抗燃油DEH具有控制精度高、系统迟缓率小、汽机保护动作阀门关闭快速安全，能有效防止机组超速等优点，因此特别适用于当前电网快速发展，以及对机组一次调频性能要求高的场景[7-9]。

目前，四川新投运的采用高压抗燃油DEH的生物质机组均无一次调频性能不合格的情况，而部分采用低压透平油DEH的生物质机组则因调速系统性能不佳造成一次调频性能指标不满足试验导则要求。因此，建议新投运生物质机组应采用技术成熟、优点突出、使用广泛的高压抗燃油DEH。

2 涉网保护功能

按照四川电网高周切机要求，汽轮机超速保护控制(over-speed protection control，OPC)功能应与频率相关的涉网保护定值相匹配，并网火电机组在频率上升至51.5 Hz时，机组正常运行时间应不低于3 s，并确保OPC动作后机组保持并网运行，避免机组在电网频率异常时频繁、无序动作[10-13]。据此对生物质机组OPC功能做了完善和改进，如图2所示。

图2 OPC动作逻辑原理

1)为满足电网稳定运行要求，设计有并网机组频率高于51.5 Hz(汽轮机转速3090 r/min)延时3 s OPC动作逻辑，而在机组未并网时，仍沿用原逻辑即频率高于51.5 Hz立即动作逻辑；

2)为防止OPC动作后，汽轮机总阀位指令清零，机组所有调门关闭，导致发电机逆功率保护动作，设计逻辑保证：机组并网运行，OPC动作复位后，汽轮机控制方式均切换为阀控方式，并将总阀位指令保持在OPC动作之前的值，以便电网高频故障消失机组能够快速接带负荷。

3)为避免电网频率异常时机组OPC保护频繁动作，引起电网频率大幅波动，设计逻辑如下：机组并网运行时，OPC保护在动作后至转速恢复正常1 min内闭锁再次动作，同时在此期间开放一次调频幅度下限(但不突破机组最小技术出力)。这一设计确保OPC保护在网频异常时不会反复动作，且如电网因线路故障网频持续偏高时，利用开放下限的一次调频指令，直接叠加到总阀位指令，使调门开度维持在合理范围，防止网频持续升高。

4)为满足电网稳定运行要求，机组并网运行时，如OPC保护包含汽轮机转速加速度保护，屏蔽加速度保护，以防止汽轮机转速加速度保护误动引起OPC保护动作。

5)为防止机组并网时对侧变电站故障造成机组带部分地区负荷孤网运行而出现频率飞升，在并网机组频率51.5 Hz延时3 s OPC动作基础上，增加频率52 Hz(汽轮机转速3120 r/min)第二道OPC保护，防止机组在孤网运行时汽轮机转速在3 s内飞升过快[14]。

3 一次调频控制策略优化

按照火电机组一次调频试验导则要求，设计一次调频逻辑如下[15]：

1)设置机组一次调频正常范围为机组最小技术出力至106%Pe(Pe为机组额定功率)；根据记忆的一次调频动作前的机组负荷，与调频上、下限比较确定裕量，通过调频裕量限制调频动作幅度。一方面，当机组负荷小于最小技术出力时，开放增负荷方向调频、闭锁减负荷方向调频；负荷大于106%Pe时开放减负荷方向调频、闭锁增负荷方向调频，以确保一次调频动作始终处于机组的有效调节范围及安全运行区间。另一方面，当OPC超速限制动作时，开放一次调频下限至-100%Pe，但仍受机组最小技术出力限制，确保OPC动作复位后，机组负荷不低于最小技术出力，在系统频率恢复正常后，能够快速接待负荷。如图3所示。

图3 一次调频负荷目标设备

2)为克服调速系统迟缓率对小频差一次调频影响，在一次调频不等率函数中，设置考虑调节系统迟缓率的一次调频不等率函数。通过阶跃量克服系统迟缓率以响应小频差扰动，确保一次调频动作的有效性，使实际调频负荷指令满足“两个细则”考核指标要求，并能克服系统迟缓率造成实际一次调频动作积分贡献电量的不足[16]。

3)DEH一次调频采用增量前馈与功控闭环相结合的方式，一次调频流量前馈根据不等率函数转换为汽机流量前馈，并采用主汽压力函数修正，以确保一次调频在不同压力下动作的持续性和准确性，如图4所示。

图4 一次调频功能典型原理

4 应用效果

2020年年末，西南电网某火电机组正常运行时，电网发生瞬时故障，汽轮机加速度限制保护误动作，触发OPC超速保护动作，全关闭所有汽轮机调门，总阀位指令归0。随后电网故障消除，OPC动作复位，总阀位指令仍保持0，最终触发发电机逆功率保护动作，机组非计划停运。该火电机组采用所述涉网保护控制策略对调速系统进行改造，成功消除了异常脱网的风险。

某15 MW生物质发电机组，采用机组出厂涉网保护控制策略，进行汽轮机转速大于3090 r/min(即网频大于51.5 Hz)OPC超速保护仿真。仿真结果如图5所示：转速大于3090 r/min后，立即触发OPC超速保护动作，总阀位指令和调门快关置0，实际功率为0，其后转速虽恢复正常转速3000 r/min，总阀位指令仍保持0，在无运行人员手动干预的情况下，汽轮机出现逆功率后逆功率保护延时1 min动作，最终引起汽轮机ETS保护动作，机组全停。

图5 涉网保护控制改造前机组OPC仿真曲线

该机组应用所述涉网保护控制策略后，进行转速大于3090 r/min OPC超速保护仿真。仿真结果如图6所示：机组功率15 MW、转速超过3090 r/min时，首先，一次调频作用使机组功率下降10%(最大正常调频幅度)，3 s后OPC超速保护动作触发，调门快关(阀位反馈置0)，总阀位指令仍保持不变，OPC动作2 s后自动复位，调门恢复开启；在OPC动作开放一次调频下限及大于机组最小技术出力限制下，调门恢复开启至机组功率大于最小技术出力，避免发电机逆功率保护动作。

图6 涉网保护控制改造后OPC与一次调频仿真曲线

随着转速恢复至3000 r/min(即网频恢复50 Hz)，调门在一次调频作用下恢复开启至达到总阀位指令，满足电网故障消除后机组接带负荷要求；随后若电网再次发生故障，转速再次升高到3090 r/min(1 min内)，此时OPC保护不动作，依靠一次调频开放下限功能关小调门，降低机组出力，避免网频短时大幅度波动时，OPC保护反复动作/复位，调门反复开启/快关，满足汽轮机安全运行要求。

5 结 论

随着西南电网生物质机组总装机容量不断增长，生物质发电对城市供电安全和垃圾废物处理都发挥着不可替代的作用，对电网频率稳定的支撑作用也愈发重要。针对生物质机组调速系统的涉网功能和性能存在的缺陷，从汽轮机数字电液控制系统改造、涉网保护整定和一次调频策略优化三方面提出了一套完整改造方案，对加强生物质机组的涉网安全管理工作有着重要的借鉴价值和推广意义。