皖電東送機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)大頻差控制策略分析與應(yīng)用

王 華

（安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽 宿州 234101）

0 引言

安徽華電宿州發(fā)電有限公司一期安裝兩臺600 MW超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，生產(chǎn)的電能通過500 kV輸電線路送入華東電網(wǎng)。機(jī)組采用艾默生公司Ovation-UNIX分散控制系統(tǒng)（DCS），其DEH系統(tǒng)集成于DCS中。

在原DCS中設(shè)計有CCS和DEH一次調(diào)頻功能，實際使用過程中基本滿足電網(wǎng)調(diào)頻要求，在正常較小頻差范圍機(jī)組的汽機(jī)調(diào)速閥門控制、閥門運行方式以及壓力控制上都沒有較大問題[1-2]，可以滿足小頻差時的一次調(diào)頻功能，但在出現(xiàn)長時段的較大頻率偏差時，系統(tǒng)調(diào)整裕度較小，后期調(diào)整乏力，響應(yīng)緩慢。對此種工況，在原有一次調(diào)頻基礎(chǔ)上對其研究探討，通過利用更好的前饋調(diào)節(jié)模式來提高機(jī)組對電網(wǎng)出現(xiàn)大頻率偏差長時段波動時的持續(xù)響應(yīng)能力以改善一次調(diào)頻效果。

1 系統(tǒng)一次調(diào)頻分析

在原有控制系統(tǒng)中，DEH側(cè)一次調(diào)頻回路和CCS側(cè)一次調(diào)頻回路在兩臺機(jī)組控制邏輯中如圖1和圖2所示。DEH側(cè)的一次調(diào)頻功能是機(jī)組快速響應(yīng)頻率變化的主要方式，通過一次調(diào)頻前饋指令快速改變汽輪機(jī)調(diào)門開度來瞬間響應(yīng)電網(wǎng)頻率偏差，其延時小的動作特性決定了負(fù)荷能夠更快速地完成響應(yīng)。CCS側(cè)一次調(diào)頻的閉環(huán)調(diào)節(jié)彌補(bǔ)了DEH側(cè)純比例有差調(diào)節(jié)的不足，對系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行修正。

圖1 DEH側(cè)一次調(diào)頻原理

圖2 CCS側(cè)一次調(diào)頻原理

在設(shè)計的一次調(diào)頻回路中，電網(wǎng)頻差變化不大情況下可以滿足一次調(diào)頻性能，但在電網(wǎng)出現(xiàn)大頻差（超過±0.1 Hz）時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力有限，而且當(dāng)頻差持續(xù)時間較長時，由于鍋爐蓄熱能力不足，持續(xù)作用能力下降，一次調(diào)頻只能瞬時抑制電網(wǎng)頻率變化，后續(xù)失去調(diào)節(jié)作用。

2 控制策略改進(jìn)

一次調(diào)頻初期和過程中，呈現(xiàn)開環(huán)前饋控制特點；在調(diào)頻結(jié)束轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時，呈現(xiàn)閉環(huán)控制特點，由于在該調(diào)節(jié)情況下，閉環(huán)增益遠(yuǎn)小于開環(huán)增益[3]。從前饋著手，提高機(jī)組在大頻差情況下的開環(huán)控制，可以起到較好的效果。

在出現(xiàn)大頻差情況下，機(jī)組蓄熱及可調(diào)裕度有限，僅靠現(xiàn)有的調(diào)門動作和負(fù)荷指令動作無法滿足持續(xù)大頻差情況下的一次調(diào)頻性能要求，主要問題集中在出現(xiàn)大的頻率變化時后續(xù)調(diào)節(jié)作用不足。鑒于此，對原有一次調(diào)頻做簡單優(yōu)化，側(cè)重點放在出現(xiàn)大頻差時提高整個系統(tǒng)的快速協(xié)調(diào)聯(lián)動，對大頻差情況下的機(jī)組的風(fēng)、煤、水3個主要參數(shù)進(jìn)行提前調(diào)節(jié)，確保出現(xiàn)持續(xù)大頻差的情況下有足夠的能量和持續(xù)的能力去參與頻率調(diào)整。

在機(jī)組滑壓運行狀態(tài)下，調(diào)門全開后機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)整負(fù)荷的能力有所下降，很難滿足電網(wǎng)在大頻差情況下需要快速調(diào)整負(fù)荷的要求，提高過熱度及主汽壓力必然影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[4]，在出現(xiàn)大頻差情況下進(jìn)行快速前饋來促使鍋爐側(cè)快速響應(yīng)能更好地提高機(jī)組對長時間較大頻差的調(diào)整能力。

針對提出的策略，對一次調(diào)頻修正邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，DEH側(cè)調(diào)整由于蓄熱的能力沒有很大的調(diào)整空間，優(yōu)化著重于CCS側(cè)的快動來完成一次調(diào)頻大頻差情況下的功率貢獻(xiàn)，保證機(jī)組安全的情況下最大化的使電網(wǎng)頻率保持在合格范圍，提高大頻差情況下的一次調(diào)頻性能[5]。在出現(xiàn)大頻差時對負(fù)荷處于上下限附近時系統(tǒng)一次調(diào)頻做出限制，防止系統(tǒng)參數(shù)超出機(jī)組正常運行范圍影響機(jī)組正常運行。將經(jīng)過計算及上下限限制后的一次調(diào)頻指令信號進(jìn)行大頻差信號動作條件判斷，設(shè)定該信號大于10 MW時大頻差信號觸發(fā)風(fēng)煤水前饋信號，對應(yīng)的風(fēng)煤水前饋信號根據(jù)系統(tǒng)一次調(diào)頻指令信號或負(fù)荷指令信號函數(shù)后送入風(fēng)煤水系統(tǒng)的指令回路。同時該大頻差設(shè)置投切功能，并增加觸發(fā)大頻差軟光字和硬光字報警。前饋信號的修正邏輯如圖3、圖4所示。

圖3和圖4給出了整體的前饋回路，整個前饋輸出信號取自DEH一次調(diào)頻指令和負(fù)荷指令，根據(jù)現(xiàn)場實際經(jīng)驗及試驗得到負(fù)荷指令與風(fēng)煤水的對應(yīng)關(guān)系函數(shù)，作為前饋的基準(zhǔn)，同時根據(jù)DEH送出的一次調(diào)頻指令做經(jīng)驗函數(shù)對負(fù)荷指令與風(fēng)煤水的對應(yīng)關(guān)系函數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步修正，最終在電網(wǎng)實際出現(xiàn)大頻差，經(jīng)由DCS系統(tǒng)判斷后將計算出的前饋信號送至機(jī)組風(fēng)、煤、水調(diào)節(jié)回路。同時在正常的較小頻差情況下，由于修正邏輯判斷后將輸出置0，在正常小頻差范圍內(nèi)該前饋信號無輸出，不會引起系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩。

圖3 前饋信號形成邏輯

圖4 前饋信號接入機(jī)組風(fēng)煤水控制邏輯

圖5～7分別給出了DEH一次調(diào)頻指令前饋函數(shù)、大頻差煤量前饋修正函數(shù)、大頻差總風(fēng)量前饋修正函數(shù)，主給水流量未通過負(fù)荷修正函數(shù)，直接通過DEH一次調(diào)頻指令前饋函數(shù)進(jìn)行修正輸出，避免系統(tǒng)負(fù)荷較快變化時引起給水系統(tǒng)的振蕩。

圖4為前饋信號送入風(fēng)煤水系統(tǒng)回路的接口邏輯。燃料量指令進(jìn)入燃料量偏差回路，經(jīng)過此調(diào)節(jié)回路進(jìn)入燃料主控回路，直接加入總?cè)剂狭恐噶?，增加給煤量；給水指令通過濾波后直接加入主給水流量設(shè)定值，增加給水量；計算后的風(fēng)量前饋信號直接進(jìn)入風(fēng)量指令回路。在邏輯上將機(jī)組風(fēng)煤水三大主要參數(shù)的調(diào)節(jié)回路均加入大頻差時的前饋邏輯，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大頻差情況時，增加機(jī)組持續(xù)調(diào)節(jié)能力，避免出現(xiàn)之前在大頻差情況下調(diào)整乏力、大頻差信號消失后系統(tǒng)出現(xiàn)過調(diào)導(dǎo)致參數(shù)振蕩的問題。

圖5 DEH一次調(diào)頻指令前饋函數(shù)

圖6 負(fù)荷指令—煤量前饋修正函數(shù)

圖7 負(fù)荷指令—風(fēng)量前饋修正函數(shù)

整體優(yōu)化于2016年7月完成，同時優(yōu)化后進(jìn)行了相關(guān)試驗與微調(diào)，取得了較好的調(diào)整效果。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

圖8和圖9分別是1號機(jī)組2015年11月機(jī)組負(fù)荷530 MW時未進(jìn)行優(yōu)化之前的一次調(diào)頻試驗曲線，模擬電網(wǎng)大頻差所設(shè)置的機(jī)組一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速偏差分別為-11 r／min 和+11 r／min。

圖8 優(yōu)化前一次調(diào)頻試驗曲線（轉(zhuǎn)速+11 r／min）

圖9 優(yōu)化前一次調(diào)頻試驗曲線（轉(zhuǎn)速-11 r／min）

分析圖8和圖9曲線，系統(tǒng)接收到一次調(diào)頻指令后，負(fù)荷第一時間反應(yīng)，在20 s左右的時間調(diào)整到最大幅度，可以迅速響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動，第一時間維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，但是同樣可以看到在經(jīng)過最高點后雖然大頻差指令持續(xù)存在但是機(jī)組負(fù)荷處于持續(xù)反向變化無法繼續(xù)有效抑制頻率變化的狀態(tài)，在系統(tǒng)第一波快速調(diào)節(jié)后，從主汽壓的變化趨勢可以看出機(jī)組的蓄熱消耗較大，后續(xù)調(diào)節(jié)乏力，在整個調(diào)整過程中，通過對機(jī)組總風(fēng)量、總煤量、主給水流量三大參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行分析，在機(jī)組接收到模擬的大頻差信號后，三大參數(shù)均沒有明顯變化，而是隨著調(diào)節(jié)的持續(xù)進(jìn)行，進(jìn)行緩慢的跟蹤，系統(tǒng)調(diào)節(jié)遲延較大，無法為后續(xù)較大的頻率偏差提供充足的動力。

圖10和圖11分別是2016年7月進(jìn)行大頻差邏輯優(yōu)化后對機(jī)組在負(fù)荷560 MW時模擬電網(wǎng)出現(xiàn)大頻差情況時的一次調(diào)頻試驗曲線，對應(yīng)轉(zhuǎn)速偏差分別為-11 r／min 和+11 r／min。

圖10 優(yōu)化后一次調(diào)頻試驗曲線（轉(zhuǎn)速+11 r／min）

圖11 優(yōu)化后一次調(diào)頻試驗曲線（轉(zhuǎn)速-11 r／min）

圖中趨勢可以看出調(diào)整后的負(fù)荷響應(yīng)情況較為理想，因機(jī)組蓄熱的能力所限，在初期20 s左右機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)情況與優(yōu)化前沒有明顯不同，從1 min之后可以看出負(fù)荷變化明顯不同于邏輯優(yōu)化前的達(dá)到最大調(diào)節(jié)幅度后調(diào)節(jié)能力持續(xù)減弱而是逐步趨于穩(wěn)定，在2 min后明顯出現(xiàn)負(fù)荷改變變化方向，朝著抑制電網(wǎng)頻率方向變化，系統(tǒng)的持續(xù)響應(yīng)能力得到了較大的提升。從總風(fēng)量和總煤量的趨勢可以很明顯看出當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大頻差的瞬間即進(jìn)行了階躍式的調(diào)整，前饋輸出直接做出了調(diào)整動作，極大地減小了機(jī)組之前對大頻差情況下的調(diào)整遲延，提高了機(jī)組對于大頻差情況下的調(diào)節(jié)能力。

從調(diào)節(jié)作用看，優(yōu)化后系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用明顯，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語

機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化之前對應(yīng)小頻差的調(diào)節(jié)能力滿足電網(wǎng)要求，但一次調(diào)頻動作持續(xù)時間短同時動作幅度較小，難以全面反映機(jī)組的性能，在對機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化后系統(tǒng)對大頻差持續(xù)響應(yīng)能力增強(qiáng)，提高了機(jī)組對頻率的正向貢獻(xiàn)，一定程度上提升了機(jī)組的一次調(diào)頻性能[6-7]。

機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻大頻差優(yōu)化前，在接收到大頻差信號時，機(jī)組的瞬時響應(yīng)很及時，鍋爐總?cè)剂狭亢椭鹘o水流量在CCS模式下做出調(diào)整，以保證機(jī)組負(fù)荷的要求，同時機(jī)組負(fù)荷在達(dá)到最高值后趨勢呈持續(xù)下降趨勢，后續(xù)調(diào)節(jié)能力逐漸減弱。在對機(jī)組一次調(diào)頻大頻差優(yōu)化后，機(jī)組瞬時響應(yīng)同樣及時，而由于優(yōu)化后在機(jī)組風(fēng)煤水3個主要信號上加入了前饋反應(yīng)，造成總?cè)剂狭克矔r會有較大動作，在鍋爐調(diào)節(jié)時提前進(jìn)行調(diào)控，減少鍋爐參數(shù)滯后引起的調(diào)節(jié)滯后，同時可以看到負(fù)荷在瞬態(tài)先上升繼而下降后，趨勢變得平緩并有回升趨勢。整體調(diào)節(jié)優(yōu)化效果明顯提升，提高了電網(wǎng)頻率大幅長時變化時機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，提升了電網(wǎng)和機(jī)組的穩(wěn)定運行水平。