火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻問(wèn)題分析及解決方案

龐向坤，郎澄宇，韓英昆，梁英哲

（1.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

隨著新能源并網(wǎng)、負(fù)荷增長(zhǎng)和電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大，在特高壓電網(wǎng)和大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的新形勢(shì)下，各級(jí)電網(wǎng)聯(lián)系日漸緊密，電網(wǎng)和機(jī)組之間協(xié)調(diào)配合的要求也越來(lái)越高［1］，網(wǎng)廠協(xié)調(diào)功能中的一次調(diào)頻成為穩(wěn)定電網(wǎng)的有效手段之一。

發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功能是汽輪發(fā)電機(jī)組固有的功能，主要是通過(guò)調(diào)節(jié)DEH系統(tǒng)的進(jìn)汽調(diào)節(jié)門(mén)，利用鍋爐蓄熱，快速響應(yīng)電網(wǎng)的要求，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，以彌補(bǔ)電網(wǎng)負(fù)荷差距，維持電網(wǎng)的安全。

1 單元機(jī)組負(fù)荷控制的組成

單元機(jī)組的負(fù)荷組成由上而下分4層：負(fù)荷管理中心、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、鍋爐和汽機(jī)子控制系統(tǒng)、控制對(duì)象。如圖1，負(fù)荷管理中心主要是用來(lái)產(chǎn)生負(fù)荷指令，接受電網(wǎng)調(diào)度中心給出的指令或操作員要求給出的指令，然后根據(jù)實(shí)際的頻率、功率、汽壓、機(jī)組的運(yùn)行工況、及其輔機(jī)的狀態(tài)等加以計(jì)算，把機(jī)組能承擔(dān)的實(shí)際負(fù)荷信號(hào)送給鍋爐和汽輪機(jī)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)發(fā)出指令去作用控制對(duì)象［2-3］。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化，機(jī)組一次調(diào)頻立即動(dòng)作，指令直接疊加到調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功，完成熱能到電能的轉(zhuǎn)化。

圖1 單元機(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 火電機(jī)組一次調(diào)頻問(wèn)題分析

機(jī)組一次調(diào)頻的控制功能框架基本上是一種簡(jiǎn)單的有差線(xiàn)性調(diào)節(jié)，即按照并網(wǎng)相關(guān)文件的技術(shù)要求在負(fù)荷控制邏輯中設(shè)置對(duì)應(yīng)的調(diào)頻量靜態(tài)函數(shù)，但火電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性的不一致及運(yùn)行參數(shù)的變化，現(xiàn)有的一次調(diào)頻控制策略不能滿(mǎn)足機(jī)組不同參數(shù)下一次調(diào)頻的響應(yīng)能力，致使一次調(diào)頻響應(yīng)幅度不夠或調(diào)節(jié)過(guò)大，主要原因是一次調(diào)頻的變化幅度是在機(jī)組的額定參數(shù)下的一個(gè)響應(yīng)，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行方式及鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的影響，導(dǎo)致機(jī)前壓力達(dá)不到相應(yīng)的要求［4］；另外DEH調(diào)門(mén)流量非線(xiàn)性特性對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻性能的影響往往使人忽視［5］，網(wǎng)內(nèi)許多機(jī)組由于未能規(guī)范、定期整定閥門(mén)流量補(bǔ)償曲線(xiàn)致使汽輪機(jī)調(diào)門(mén)在不同開(kāi)度，發(fā)電機(jī)組調(diào)頻性能呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線(xiàn)性，局部不等率就會(huì)相應(yīng)的改變，使一次調(diào)頻的實(shí)際動(dòng)作幅度調(diào)節(jié)不夠或者產(chǎn)生超調(diào)，難以兼顧負(fù)荷全程范圍的一次調(diào)頻能力。

3 基于DEH側(cè)的一次調(diào)頻修正

經(jīng)過(guò)理論研究與大量的試驗(yàn)，提出一個(gè)函數(shù)對(duì)一次調(diào)頻進(jìn)行負(fù)荷補(bǔ)償修正。所采用的邏輯方案如圖2。一次調(diào)頻功率補(bǔ)償量采用與修正函數(shù)相乘進(jìn)行修正，修正函數(shù)是一個(gè)由機(jī)前壓力、額定壓力及閥門(mén)流量特性修正系數(shù)組成的函數(shù)，一次調(diào)頻不動(dòng)作時(shí)，修正函數(shù)根據(jù)機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作后，后面的切換塊5產(chǎn)生一個(gè)自保持回路，維持機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)的狀態(tài)參數(shù)，保持修正函數(shù)不變，避免負(fù)荷產(chǎn)生一定的擺動(dòng)，維持一次調(diào)頻動(dòng)作的穩(wěn)定性。

圖2 DEH側(cè)一次調(diào)頻的負(fù)荷修正

圖2中所用的修正過(guò)程采用修正函數(shù)f（x1，x2），它是由閥門(mén)流量特性修正系數(shù)ρ、機(jī)前壓力x1及機(jī)組額定壓力x2組成。

式中：δi為負(fù)荷i段的轉(zhuǎn)速不等率；δN為額定轉(zhuǎn)速不等率。

圖3為一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)的負(fù)荷補(bǔ)償曲線(xiàn)。

圖3 一次調(diào)頻負(fù)荷特性曲線(xiàn)

當(dāng)有頻差出現(xiàn)（越過(guò)死區(qū)）時(shí)，補(bǔ)償負(fù)荷經(jīng)過(guò)修正直接疊加到調(diào)門(mén)指令上，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的快速響應(yīng)。補(bǔ)償負(fù)荷的計(jì)算公式

式中：ΔP為功率補(bǔ)償量；PN為機(jī)組的額定功率；n0為額定轉(zhuǎn)速；Δn為轉(zhuǎn)速偏差；δN為額定轉(zhuǎn)速不等率。

由式修正函數(shù)和（2）式經(jīng)處理后得到補(bǔ)償負(fù)荷的修正指令ΔP′為：

經(jīng)過(guò)修正后的一次調(diào)頻功率補(bǔ)償量，經(jīng)過(guò)限幅器、切換塊送到加法器處理后送至各個(gè)閥門(mén)特性曲線(xiàn)，控制調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作。

4 CCS+DEH方式下工程試驗(yàn)

一次調(diào)頻試驗(yàn)的工況很多，而且是每個(gè)工況對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)點(diǎn)有3個(gè)，選取目前機(jī)組的普遍運(yùn)行方式——協(xié)調(diào)方式，試驗(yàn)點(diǎn)選在75%的負(fù)荷點(diǎn)處，所以試驗(yàn)是在CCS+DEH方式下進(jìn)行的，并且采用了優(yōu)化方案。試驗(yàn)對(duì)象亞臨界機(jī)組，額定出力330 MW，高中壓合缸，中間再熱雙缸雙排汽凝汽式汽輪機(jī)，高中壓缸采用合缸反流結(jié)構(gòu)，低壓缸采用雙層分流結(jié)構(gòu)，汽輪機(jī)具有八級(jí)非調(diào)整回?zé)岢槠?，汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

機(jī)組設(shè)定的轉(zhuǎn)速不等率為5%，轉(zhuǎn)差為12 r/min（頻差為0.2 Hz）時(shí)，不計(jì)調(diào)頻死區(qū)，則根據(jù)公式（1）計(jì)算出功率補(bǔ)償量ΔP=26.4 MW。

選擇75%的負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，減負(fù)荷過(guò)程曲線(xiàn)如圖4（光標(biāo)在動(dòng)作3 s處）。

圖4 一次調(diào)頻減負(fù)荷過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)

一次調(diào)頻主要技術(shù)指標(biāo)要求計(jì)算如表1。

表1 一次調(diào)頻減負(fù)荷過(guò)程中性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果（轉(zhuǎn)差包括死區(qū)）

從圖4和表1可以看出，一次調(diào)頻在減負(fù)荷過(guò)程動(dòng)作過(guò)程中，無(wú)論是靜態(tài)指標(biāo)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)還是負(fù)荷變化幅度都滿(mǎn)足性能指標(biāo)的要求。

升負(fù)荷過(guò)程曲線(xiàn)如圖5（光標(biāo)在動(dòng)作30 s處）。

圖5 一次調(diào)頻升負(fù)荷過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)

一次調(diào)頻主要技術(shù)指標(biāo)要求計(jì)算如表2。

表2 一次調(diào)頻動(dòng)作升負(fù)荷過(guò)程計(jì)算結(jié)果（轉(zhuǎn)差包括死區(qū)）

從圖5和表2可以看出，一次調(diào)頻在升負(fù)荷過(guò)程動(dòng)作過(guò)程中，無(wú)論是靜態(tài)指標(biāo)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)還是負(fù)荷變化幅度都滿(mǎn)足性能指標(biāo)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

并網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻性能的好壞直接影響電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，影響發(fā)電有功功率和負(fù)荷之間的平衡關(guān)系，引起電網(wǎng)的有功失去平衡，產(chǎn)生系統(tǒng)頻率波動(dòng)。 因此深入機(jī)組的一次調(diào)頻功能技術(shù)研究，改善機(jī)組的一次調(diào)頻的性能顯得格外重要。從通過(guò)機(jī)組的調(diào)頻原理和機(jī)組運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性出發(fā)，提出了改善機(jī)組的一次調(diào)頻的性能的修正公式，對(duì)智能電網(wǎng)下火力發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻的改進(jìn)和提高具有借鑒意義。