大容量火电机组一次调频功能试验研究

季俊伟

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

专论

大容量火电机组一次调频功能试验研究

季俊伟

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

电网大容量火电机组一次调频功能的优劣直接影响到供电质量和电网安全，因此，完善大容量火电机组的一次调频性能、提高响应速度是一项非常重要的任务。经过现场试验研究，确认大容量火电机组投入机炉协调方式运行后，采用CCS与DEH协同作用的一次调频方式，能够实现快速、持久的一次调频。

火电机组；协调控制；一次调频；试验研究

近年来，随着大容量机组在电网中的比例不断增加，电网用电结构变化引起的负荷峰谷差逐步加大，而用户对电能质量的要求却在不断提高，电网频率稳定性的问题越来越被重视。大容量火电机组需要根据中调的AGC指令和电网的频率偏差参与电网的调峰、调频［1］。

由于并网大容量机组性能与调节特性各不相同，使一次调频功能投入后的实际能力参差不齐，机组间调频动作时对电网的贡献不同，为保证对机组考核的公正性，必须对不同机组的调节能力与特性进行试验分析，并在机组条件许可的前提下尽可能发掘机组的最大调频能力。

通过对一次调频实现方式分析，得出采用CCS与DEH协同作用的一次调频方式为最佳方式。对某电厂1号300 MW机组进行一次调频试验，尽可能发掘机组最大调频能力，为提高电网运行的稳定性，降低电网频率波动，增强电网抗事故能力做出贡献。

1 机组一次调频原理与特性参数

1.1 一次调频原理

由于系统内机组跳闸或大用户发生跳闸时，电网频率发生瞬间变化，一般变化幅度较大，要求网上机组负荷能够在允许范围内快速调整，以弥补网上负荷缺口，保证电网频率稳定的过程，称为一次调频。传统的电网一次调频功能就是机组调速系统自动控制机组负荷的增减，以适应外界负荷需要，保证电网频率稳定。广义的电网一次调频功能，需考虑汽轮机、锅炉、发电机及电网间的相互配合与制约关系，应以整台机组作为控制对象［2］。功能上既要有传统电网一次调频的快速性，又要有现代控制的整体协调性，从而实现汽轮机快速响应外界负荷、频率的变化，锅炉跟随汽轮机的快速响应，满足汽轮机的要求。

1.2 特性参数

1.2.1 转速不等率

当机组在单机运行时，对应不同的功率，机组

式中 δ——转速不等率；

Δn——转速变化量，Δn＝n－n0；

n——实际转速；

n0——额定转速；

ΔP——功率变化量，ΔP＝P0－P；

P0——功率额定值；

P——实际功率值。

转速不等率的不同数值代表了机组参与电网一次调频的能力。转速不等率低，参与一次调频的能力强，但控制系统的稳定性下降；转速不等率高，参与一次调频的能力弱。

1.2.2 迟缓率

在实际的汽轮机调节系统中，由于结构上存在摩擦、铰接间隙、滑阀重叠度，机组静态特性曲线表现为上升曲线与下降曲线不重合的带状区域，系统迟缓率就表明了这种关系，具体表述为机组在某一功率下对应最大转速之差除以额定转速的百分比，即：的转速是不同的，而转速不等率即为这种差异的量度，具体表述为在机组调节系统给定值不变的情况下，汽轮机由满负荷到空负荷的转速变化与额定转速之比。

当机组并列于电网运行时，其转速是由电网频率决定的，因此转速不等率实际上就是机组一次调频的调差率。通常用下式计算并网机组的转速不等率，以百分数形式表示：

式中 ε——迟缓率；

Δn——转速变化量；

n0——额定转速。

1.2.3 负荷变化幅度

机组参与一次调频的负荷变化幅度，是考虑当频率变化过大时，机组负荷不再随频率变化，以保证机组运行的稳定。负荷限制的范围越小，一次调频能力越弱。

1.2.4 机组一次调频死区

机组一次调频死区是指机组转速在死区范围内变化，机组的一次调频不动作，即ΔP＝0。超出该范围区域称为一次调频动作区域。一般要求一次调频死区不大于±2 r／min。

1.3 机组一次调频特性参数设置

机组一次调频特性参数设置主要有4种方式，以1台300 MW机组为例进行说明。

1.3.1 带死区、不带限幅的一次调频参数设置

若要求频差死区为±2 r／min，δ为4%，则其函数关系如图1所示。

图1 带死区、不带限幅的一次调频参数设置

1.3.2 不带死区、不带限幅的一次调频参数设置

一次调频参数的设置除了没有频差死区外，其他与1.3.1相同，其函数关系如图2所示。

图2 不带死区、不带限幅的一次调频参数设置

这种设置方法只要汽轮机转速与给定值有偏差，汽轮机调门就会动作，一般用于电网容量和电网稳定性均较好的欧美等发达国家。

1.3.3 带死区但不改变δ、不带限幅的一次调频参数设置

若要求频差死区为±2 r／min，δ为4%，则其函数关系如图3所示。

这种设置方法虽然考虑了频差死区，但当频差在超过和回落到死区的过程中，一次调频功率的变化是一个阶跃过程，整体的调节效果会导致汽机调门的突然开大或者关小，造成自动调节系统不稳定。

图3 带死区但不改变δ、不带限幅的一次调频参数设置

1.3.4 带死区、带限幅的一次调频参数设置

为防止一次调频动作时机组出现过负荷情况，对一次调频功率进行幅值限制，其函数关系如图4所示。

图4 带死区、带限幅的一次调频参数设置

2 机组一次调频实现方式

2.1 DEH系统调频方式

2.1.1 功率回路自动

DEH功率回路自动方式时，一次调频作为功率指令的校正信号加到调节器设定值端，通过调节器控制汽轮机调门开度，保证机组实际负荷等于经校正后的功率指令［3］。其优点是频率偏差与机组负荷变化成一定关系，在机组运行的任何工况下，一定的频率偏差理论上产生同样幅度、速率的负荷变化，有利于二次调频功能的运行。其缺点是该方式必须在系统功率回路投入的情况下才能起作用，当DEH侧功率回路退出运行时，这种方式的一次调频功能就不起作用了，同时一次调频功能的响应时间受调节器的参数控制。

2.1.2 手动或阀位控制

DEH系统手动或阀位控制方式时，一次调频作为功率调节器输出指令的校正信号，经校正后的指令直接输出到阀门管理程序，相当于以前同步器液调机组的一次调频功能。其优点是负荷响应速度快，一次调频功能可以在功率回路解除的情况下正常投运；但由于阀门流量的非线性及不同参数运行工况，静态不能准确达到对参数指标幅度要求，不利于二次调频功能对控制对象的性能把握。

2.1.3 两种方案结合方式

结合以上两种方案的优点，功率回路投入时同2.1.1，功率回路解除时同2.1.2，在任何运行方式下均能投运一次调频功能。

2.2 CCS系统调频方式分析

2.2.1 频率校正信号加在经速率限制后的功率指令上

该方式下频率校正信号作为设定值输入到调节器的设定值端。其优点与2.1.1方式相同。其缺点是该种方式必须在CCS系统功率回路投入的情况下才能起作用，同时一次调频功能的响应时间受调节器参数控制。

2.2.2 频率校正信号直接加在功率指令上后再经速率限制

该方式下速率限制在校正运算的后面，当机组稳定运行，AGC或CCS指令没有变化时，在速率限制范围内一次调频功能可以起作用。但当机组正处于变负荷阶段（机组投运AGC后经常会出现），同方向（加负荷过程中频率偏低或减负荷过程中频率偏高）的一次调频功能就被禁止了［4］。

2.3 DEH与CCS共同调频方式

机组一次调频控制方式为DEH＋CCS，即DEH内额定转速与汽轮机转速差通过一定函数计算后直接动作调门，CCS进行补偿，保证机组负荷满足电网要求［5］。DEH侧的一次调频功能是机组快速响应频率变化的主要手段，随着电厂自动化水平的提高，并网机组正常工况下均处于AGC或协调方式下运行，因此为实现快速有效的一次调频功能，必须将DEH与DCS的调频回路进行协同考虑与研究。DEH侧2.1.2方式与CCS侧2.2.1方式协同进行调频动作，既提高调频的响应速度，同时又保证参数指标的幅度要求。当频差出现时，一次调频信号直接叠加在DEH侧阀门指令上，通过调节DEH调门使机组有功功率快速响应，满足一次调频需求；同时一次调频功率信号叠加在CCS负荷设定值上，锅炉主控增加给煤量指令，汽机主控增加负荷指令，维持主汽压力和负荷的稳定。这样协调控制系统的功率控制回路就会发出和一次调频作用方向相同的汽轮机调门指令，从而既快速又稳定地实现一次调频功能。

3 试验过程与结果分析

某电厂1号300 MW机组为国产亚临界参数、滑压运行、燃煤汽包炉火力发电机组。锅炉为平衡通风、四角切圆燃烧方式，亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉。汽机为亚临界参数、中间再热、双缸双排汽、单轴、直接空冷凝汽式汽轮机。DCS与DEH均采用OVATION控制系统。

3.1 试验过程

将原设计逻辑优化为2.3方式，特性参数设置为1.3.4方式。测试项目如下。

a.测试机组是否在各种方式下都可投入一次调频功能。

b.测试DEH中是否设计一次调频功能。

c.测试DCS中是否设计机组协调或AGC方式下的频率校正回路。

d.测试机组一次调频的人工死区。

e.测试机组调速系统的转速不等率。

f.测试一次调频最大调整负荷限幅。g.测试机组调速系统的迟缓率。

h.测试机组一次调频的响应行为，包括一次调频负荷调整滞后时间和一次调频最大负荷调整幅度。

测试方法为机组稳定运行在270 MW，在机组协调控制方式下，分别施加2 r／min、－2 r／min、4 r／min、－4 r／min、6 r／min、－6 r／min、8 r／min、－8 r／min、10 r／min、－10 r／min、12 r／min、－12 r／min的转速偏差扰动，记录扰动后转速偏差、调门开度、负荷需求、有功功率、主汽压力等参数的变化曲线和数据，最后通过数据分析得出有关机组一次调频功能的技术指标。

3.2 试验结果

图5 转速偏差＝＋6 r／min一次调频试验曲线

图6 转速偏差＝－6 r／min一次调频试验曲线

图7 转速偏差＝－8 r／min一次调频试验曲线

测试项目a、b、c均满足要求，机组典型一次调频动作曲线如图5～图7所示。图中1为高压1～3号调门开度曲线，%；2为实发功率曲线，MW；3为含频差信号的负荷指令曲线，MW；4为高压4号调门开度曲线，%；5为转速偏差曲线，r／min；6为一次调频动作曲线。由试验数据可知，机组一次调频的人工死区为±2 r／min（±0.033 Hz），设计转速不等率为4%，实际测试在－8～12 r／min转速偏差扰动下，机组速度不等率在4%～5%，低于－8 r／min的转速偏差扰动，机组速度不等率将超过5%，转速不等率数值如表1所示。设计最大调整负荷限幅±30 MW，迟缓率最大值为0.037%，调整滞后时间最大值为2 s。在－8～12 r／min转速偏差扰动下，机组15 s内一次调频最大负荷调整幅度＞90%；在－12～－10 r／min转速偏差扰动下，机组15 s内一次调频最大负荷调整幅度分别为58.125%和45.09%，一次调频功频曲线如图8所示。

表1 转速不等率测试结果

图8 一次调频设计功频曲线1——设计功频曲线；2——实际功频曲线

通过试验数据分析可知，机组转速偏差在2～12 r／min时的曲线走向与图5所示基本一致，均可以按照相应的指令进行动作；转速偏差在－6～－2 r／min时的曲线走向与图6所示基本一致，均可以按照相应的指令进行动作；转速偏差在－12～－8 r／min时的曲线走向与图7所示基本一致，在0～15 s内可以按照相应的指令进行动作，超过15 s负荷变化出现一段平缓时期，之后负荷缓慢上升接近目标值，这是由于汽机高压缸4个调门因一次调频动作在很短时间内就开完，一次调频动作15 s时锅炉蓄热已经用尽，虽然一次调频动作通过前馈作用快速增加了锅炉燃料量，但这部分燃料量转化为热量的时间远远超过15 s，建议降低该工况下考核标准。

4 结束语

试验研究表明，该机组能满足一次调频技术要求（转速偏差低于－8 r／min时15 s内的负荷调整幅度除外），具备参与电网一次调频能力。在一次调频动作前期主要依靠DEH侧调频功能来完成负荷的快速响应，在一次调频动作后期由于机组蓄热已经用完，CCS侧一次调频回路通过负荷指令和煤量变化将维持较大的积分电量为系统做出贡献。该次试验采用的外加频差阶跃扰动方式，这和机组正常运行中频差脉冲扰动相比，对控制系统及就地设备的要求更加苛刻，对锅炉蓄热量要求更大。

［1］ 金 丰，陈建国.火电机组一次调频和AGC性能优化分析［J］.东北电力技术，2014.35（5）：7－10.

［2］ 郝 欣，张 志，王 喆.滑压运行汽包炉机组AGC控制策略研究［J］.东北电力技术，2012，33（8）：10－12.

［3］ 姚 远，管庆相，吴 松.直吹式锅炉机组协调控制系统优化［J］.东北电力技术，2007，28（8）：1－4.

［4］ 朱北恒.火电厂热工自动化系统实验［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［5］ 林文孚.单元机组自动控制技术［M］.北京：中国电力出版社，2006.

Test Research for Primary Frequency Regulation Function of Large Capacity Thermal Power Units

JI Jun⁃wei
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The quality function of primary frequency regulation of the large capacity thermal power unit in grid directly affects the pow⁃er quality and grid security，so it is a very important task to improve its performance and response speed.Through field experimental study，it has been confirmed that rapid and lasting primary frequency regulation can be achieved by the manner of coordinated with CCS and DEH，when the large capacity thermal power unit is put into the running mode of boiler⁃turbine coordinated control.

Thermal power unit；Coordinated control；Primary frequency regulation；Experimental study

TM621；TM76

A

1004－7913（2015）02－0001－05

季俊伟（1971—），男，本科，高级工程师，从事火电厂热工自动化的设计、组态及调试工作。

2014－12－10）