火电机组一次调频功能实现与优化

朱邦那

（中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华北电力试验研究院，北京 100040）

0.引言

由于电能是无法储存的一种能源，发电厂发的电送到电网侧，需要被用户瞬时消耗掉，但是用户的用电需求是很难预测的，所以就存在电网的电能过多或过少的情况。当电网电能过多时，电网就会表现出频率过高，相反的，电网的电能过少时，电网就会表现出频率过低。当发出的电和使用的电平衡时电网的频率才能稳定在50Hz，所以电厂通过一次调频的功能，自动增减发电量平衡需求关系，保证电网的频率稳定。

1.设备概况

机组额定功率600MW，锅炉为哈尔滨锅炉厂的HG-2023/17.6-YM4型亚临界压力、一次中间再热、固态排渣、单炉膛、Π形布置、全钢构架悬吊结构、半露天布置、控制循环汽包炉。

汽轮机为哈尔滨汽轮机厂制造的亚临界、一次中间再热、单轴、四缸、四排汽、反动式凝汽汽轮机，型号为N600-16.7/537/537。

2.一次调频逻辑设计实现方法

当机组不在CCS（协调控制系统，Coordination Control System）方式下运行时，并且DEH（汽轮机数字电液控制系统，Digital Electro-hydraulic Control System）侧投入功率自动控制方式，机组的负荷由DEH系统控制，一次调频的功能完全由DEH侧完成；当机组投入CCS方式时，一次调频的功能由CCS侧和DEH侧共同完成，DEH侧为开环控制，通过快速动作汽轮机主蒸汽调门以达到快速响应一次调频的目的，CCS则为闭环控制，通过修正目标负荷的方法以达到稳定最终负荷的目的并能防止DEH的调节作用被拉回。修正的负荷指令不受负荷速率限制，直接叠加到机主控的总负荷指令上，参与负荷的调节[1]。无论是DEH侧还是CCS侧一次调频动作量都是按照预先设定好的转速不等率进行调节。

2.1 DEH运行方式下的一次调频功能：

2.1.1 一次调频允许条件

（1）汽轮机未跳闸；（2）机组已并网；（3）转速无故障。

2.1.2 实现方法

（1）在DEH方式下，发电机组并网后，一次调频功能自动投入，不能手动退出，只有允许条件不满足时，一次调频功能才会自动退出。

（2）发电机组并网运行后，一次调频控制中，通过采集的发电机组的转速或频率计算出实时的频率偏差，根据频差的大小和预先设定的机组转速不等率δ，按照一次调频功率补偿计算方法，得出一次调频功率补偿指令，将该指令叠加到机组负荷目标值上。叠加的一次调频负荷指令，不受机组负荷变化率的限制，直接参与机组的负荷调节。一次调频功率补偿量的计算公式为：

其中：n0为发电机组的额定转速，Pn为发电机组的额定功率，Δn为机组运行时的实际转速与设计的额定转速的差值，ΔP为一次调频动作时需要补偿的功率量，δ为机组预先设定实际转速不等率，大小为4%～5%。

（3）发电机组并网以后，当DEH处于功率控制方式时，控制系统会将计算出的频率偏差和机组转速不等率δ，按照一次调频功率补偿量计算公式，计算出一次调频补偿功率值，该值与机组DEH功率控制回路的负荷指令相叠加，做为最终的机组目标负荷，参与机组的负荷调节。

（4）DEH控制系统在阀控方式下，通过频率偏差和机组转速不等率δ运算后的一次调频综合阀位补偿信号，经主汽压力函数修正后作为综合阀位的修正值。

2.2 机组协调运行方式下的一次调频功能

2.2.1 一次调频允许条件

（1）协调方式；（2）机组已并网；（3）转速无故障。

2.2.2 实现方法

发电机组并网后，当一次调频动作时，协调控制系统接收到DEH系统的频率偏差或转速偏差信号，一次调频功率补偿量计算公式依据预先设定好的机组转速不等率δ计算出需要补偿的一次调频负荷值，该值与原有的机组负荷给定值相加，作为机组总的负荷指令，送到汽轮机主控调节，同时DEH侧按照阀控方式下的控制方案，参与机组的一次调频功能。

3.一次调频功能参数设置

3.1 转速不等率

当汽轮机单机运行时，空负荷转速与满负荷转速之差与额定转速比值的百分数称为调节系统的转速不等率（或称不均匀度，速度变动率等），以符号δ表示，即一般δ的范围为3%～5%，电网一般要求火电机组的转速不等率设置为5%，同样的转速偏差下，转速不等率越小要求机组补偿电网的负荷越多，转速不等率越大要求机组补偿电网的负荷越少，机组转速不等率设置越小，一次调频动作时，机组贡献的负荷量越大，更有利于整个电网的调节，但是过低的转速不等率会加剧机组的调节强度，使主汽调门动作幅度增加，影响其他参数的稳定，严重时会产生负荷的低频震荡，所以转速不等率不能设置过小，一般取4.5%为宜。

3.2 转速死区

转速死区是指当转速偏差超过某一值时，一次调频功能才生效并按照预先设定的转速不等率进行负荷的调节，电网要求转速死区为±2r/min，其目的是为了消除转速频繁小范围波动（由于测量系统的精度不够引起的测量误差）引起机组一次调频频繁调节带来的负荷高频波动。转速偏差超出死区后调频的负荷量从零开始增减，不设置为阶跃式增减。

3.3 调频限幅

因为采取一次调频动作时需叠加的负荷指令是不经过速率限制的，这种阶跃式的负荷指令变化会对机组安全运行产生一定影响，所以机组的调频负荷上下限值需要增加一定的限制，但限制幅度不宜过小，不同容量的机组要求也是不同的。其要求如下（Pn为机组额定负荷）：

（1）250MW＞Pn的火电机组，限制幅度≥10%Pn；

（2）350MW≥Pn≥250MW的火电机组，限制幅度≥8%Pn；

（3）500MW≥Pn＞350MW的火电机组，限制幅度≥7%Pn；

（4）Pn＞500MW的火电机组，限制幅度≥6%Pn；

（5）额定负荷运行的机组参与一次调频时，增负荷方向最大调频负荷增量幅度不小于5%Pn。

4.考核方法

并网发电厂机组必须具备一次调频功能且机组必须参与电网的一次调频，当电网频率超过一次调频死区时应自动参与一次调频，并网发电机组不得擅自退出机组的一次调频功能。机组一次调频性能考核包括15s出力响应指数考核、30s出力响应指数考核以及电量贡献指数考核。对于煤电机组15s出力响应指数应达到75%理论值；30s出力响应指数应达到90%理论值；电量贡献指数应达到理论值的75%。在深度调峰期间各响应指数指标减半。如果一次调频动作持续时间超过60s则调频时间按照60s计算，所以就要求一次调频动作时，在60s内应达到稳定即能达到理论值。

5.一次调频试验

新建机组、机组大修或DCS（分散控制系统，Distributed Control System）系统发生变化后都应进行一次调频试验。

试验条件：（1）选择功率在60%Pn、75%Pn、90%Pn负荷且机组稳定运行期间，分别进行试验。（2）检查计算DEH软件中死区的设置应为±2r/min，不等率的设置为4.5%，一次调频限制幅值6%Pn，无一次调频速率限制，一次调频叠加指令位置正确。（3）通过强制频率的方法进行一次调频试验，60%Pn和90%Pn负荷时分别做频差±0.067Hz、±0.1Hz试验，75%Pn时做频差±0.067Hz、±0.1Hz及最大频差±0.1667Hz试验，某600MW机组试验数据及指标如表1所示。

表1 某厂一次调频试验数据

试验结论：通过表1数据可以得出：该机组不同工况、不同扰动量下全部能在3s内响应，1min内稳定，15s负荷变化幅度为＞75%，30s负荷变化幅度为＞90%，转速不等率均小于为5%。其性能指标满足“华北区域发电厂并网运行管理实施细则”要求。

6.优化提升方法

6.1 使用同源的一次调频信号

电网和电厂在计算一次调频性能指标时所选取的数据有所不同，电网使用PMU（Phasor Measurement Unit相量测量装置）中的频率信号，而大部分电厂是将汽机转速信号经过计算后转化为频率信号，这些信号可能与电网考核用的频率存在偏差。实践证明，这种信号不同源而产生的偏差，会导致火电机组一次调频动作正确率下降。为了解决这一问题，需要对机组PMU（相量测量装置，Phasor Measurement Unit）装置进行同源改造，有针对性地安装频率同源装置[2]。将PMU装置上的频率和功率信号引入DEH，用频率信号计算一次调频的理论值，用功率信号反应实际负荷的变化量，提高了机组一次调频动作的正确率，满足电网的一次调频的要求。

6.2 一次调频逻辑优化

一般机组的协调控制逻辑中都设置了压力拉回回路，当压力设定值和实际值存在偏差时，机组负荷设定值指令会根据压力偏差的大小，自动改变机组的负荷指令，当存在的压力偏差要求减小负荷而一次调频却要求增加负荷时，这时一次调频的调节性能会大打折扣，所以就需要对压力拉回回路进行优化，可增加压力拉回回路动作限制条件，当主汽压力达到额定值后作用，这样就能保证一次调频的调节性能也能确保机组不长时间超压运行，影响机组安全[3]。

在协调控制方式下，DEH侧一次调频为开环控制，当一次调频动作时会根据转速不等率，直接动作汽轮机调门以达到快速响应一次调频的目的，但是由于每个工况下主汽压力会存在调节偏差的现象，当主汽压力偏低时，想要动作同样量的负荷，动作同样的阀位指令就不能满足要求，所以一般都设置主汽压力函数，作为阀位指令的修正系数，以满足不同主汽压力下的一次调频性能。除此之外，为满足电网对一次调频电量贡献的要求，可以在一次调频动作期间增强机主控的PID参数，使调门能够快速开关，避免一次调频后期实际负荷持续下降，但是调门不能快速开启，使电量贡献指数不达标造成考核。

7.结语

随着越来越多的新能源纳入到电网，电网的对火电机组的一次调频的能力提出了更高的要求，火电机组也应该在新的形势下不断完善自身的一次调频的能力，对于传统的一次调频逻辑能否满足电网更高的要求做一次全面的评估，在保证机组安全运行的前提下，加大一次调频的调频能力，通过摸底试验等方法使每台机组一次调频能力最大化，这样既能保证电网安全稳定运行，也能保证电厂的一次调频性能指标满足电网的要求，使电网侧和电厂侧双赢。