華中地區(qū)并網(wǎng)火電機組一次調(diào)頻合格率影響因素分析

李海峰，汪 蓓

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

在特高壓電網(wǎng)和大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的新形勢下，發(fā)電機組一次調(diào)頻動態(tài)特性顯著影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。特別是近些年來，風(fēng)電、光伏等新能源機組并網(wǎng)不斷擴大，隨機性較強的可再生能源發(fā)電機組對頻率波動影響極大，且目前新能源機組基本不參與一次調(diào)頻，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來極大威脅。2020 年華中電力監(jiān)管部門根據(jù)本區(qū)域電網(wǎng)、電廠發(fā)展實際，對《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》和《華中區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》（以下簡稱“兩個細則”）進行了相應(yīng)修編，進一步明確了對并網(wǎng)機組一次調(diào)頻考核工作的具體要求，掌握機組一次調(diào)頻性能較弱問題關(guān)鍵、提升機組一次調(diào)頻合格率成為電網(wǎng)和發(fā)電企業(yè)面臨的急需解決的問題。

本文結(jié)合2020版華中地區(qū)“兩個細則”規(guī)定要求，梳理新版“兩個細則”對并網(wǎng)機組一次調(diào)頻考核辦法的變化，對當(dāng)前華中區(qū)域并網(wǎng)機組一次調(diào)頻存在的各種問題進行了總結(jié)，并給出相應(yīng)處理建議，以針對性的處理問題，有效地提升機組一次調(diào)頻性能及合格率。

1 一次調(diào)頻原理及考核辦法

1.1 一次調(diào)頻原理

電網(wǎng)的頻率是由發(fā)電功率與用電負荷大小決定的，在穩(wěn)定的電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定于額定頻率。當(dāng)系統(tǒng)的用電負荷增加時，系統(tǒng)就出現(xiàn)了功率缺額，電網(wǎng)頻率降低；反之，電網(wǎng)頻率升高。一次調(diào)頻是指電網(wǎng)的頻率一旦偏離額定值時，電網(wǎng)中機組的控制系統(tǒng)就自動地控制機組有功功率的增減；限制電網(wǎng)頻率變化，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定的自動控制過程。當(dāng)電網(wǎng)頻率降低時，一次調(diào)頻功能要求機組利用其蓄熱快速增負荷；反之，機組快速減負荷。

1.2 一次調(diào)頻考核辦法修訂內(nèi)容

2020 年9 月，國家能源局華中監(jiān)管局發(fā)布了最新華中區(qū)域“兩個細則”，該細則結(jié)合華中區(qū)域根據(jù)電力系統(tǒng)運行特性，詳細修訂了一次調(diào)頻考核辦法，修訂的主要內(nèi)容有以下幾點。

1.2.1 增加針對“大擾動”和“模擬擾動”的補償［1］

1）大擾動補償：電網(wǎng)事故發(fā)生時，滿足大擾動性能指標(biāo)要求的并網(wǎng)發(fā)電機組給予補償，補償標(biāo)準(zhǔn)如下：

1.2.2 功能投入情況考核變化

200 MW 及以上的火電機組出力達額定容量46%及以上應(yīng)保證CCS 側(cè)和DEH 側(cè)同時投入一次調(diào)頻功能，允許CCS側(cè)一次調(diào)頻月累計退出時間≯35 h。一次調(diào)頻功能未投運，則結(jié)合未投運小時數(shù)及并網(wǎng)額定容量（MW）予以考核［1］。

1.2.3 性能考核變化

1）明確對40 MW 及以上并網(wǎng)水電機組、80 MW及以上的其它并網(wǎng)常規(guī)發(fā)電機組實施一次調(diào)頻性能考核，新能源場站一次調(diào)頻性能考核暫不實施。

2）明確大擾動及小擾動大頻差范圍，其中電網(wǎng)最大頻率偏差＜0.08 Hz 為小擾動（川渝藏＜0.1 Hz），電網(wǎng)最大頻率偏差≥0.08 Hz 為大擾動（川渝藏≥0.1 Hz），頻率模擬擾動范圍0.08 Hz～0.183 Hz，且大擾動、小擾動及模擬擾動采取不同的考核辦法。

3）小擾動考核增加了合格率系數(shù)、死區(qū)系數(shù)及機組容量對考核量的修正：

式（3）中，PN為機組額定容量（MW）；A為0.046 h；N1為小擾動下的不合格次數(shù)。

4）大擾動考核增加了死區(qū)系數(shù)及機組容量的修正，且增大了死區(qū)≥0.04 Hz的機組的修正系數(shù)。式（4）中，PN為機組額定容量（MW）；B為0.3 h；N2為大擾動下的不合格次數(shù)。

5）模擬擾動考核辦法

電力調(diào)度機構(gòu)定期通過一次調(diào)頻主動在線測試系統(tǒng)對并網(wǎng)機組進行模擬擾動測試，驗證機組的大頻差調(diào)頻性能是否滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行要求。測試不合格機組參照大擾動考核辦法進行考核。測試應(yīng)采取隨機方式對電力系統(tǒng)所在控制區(qū)機組進行抽查，測試周期內(nèi)機組選取應(yīng)不重復(fù)。模擬擾動測試前須檢查各項安全允許條件，測試過程中應(yīng)保障被測機組安全穩(wěn)定運行，測試期間所造成機組的AGC 相關(guān)考核應(yīng)考。

1.2.4 增加了新能源機組調(diào)頻動作正確性考核、傳送虛假信號等內(nèi)容

并網(wǎng)發(fā)電機組（新能源場站）傳送虛假一次調(diào)頻投運或調(diào)頻動作信號的，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，每次考核電量：

式中，PN為并網(wǎng)發(fā)電機組或新能源場站的額定容量（MW），T考核為1小時。

1.2.5 明確了各類機組免考核情況

機組實際出力較低時（火電P＜0.46 MCR、水電P＜0.20 MCR、新能源P＜0.20 MCR、燃機P＜0.55 MCR），性能免考核。

2 華中區(qū)域并網(wǎng)機組一次調(diào)頻合格率影響因素分析

2.1 部分機組轉(zhuǎn)速測量裝置精度不夠

火電一次調(diào)頻控制回路中，一般采用DEH系統(tǒng)采集的汽輪機轉(zhuǎn)速信號代為網(wǎng)頻信號參與一次調(diào)頻。汽輪機轉(zhuǎn)速信號一般通過磁阻發(fā)信器來測量，其測量精度基本為0.5，測量誤差較大。調(diào)度考核所用的PMU精度能達到0.001，因此，轉(zhuǎn)速信號的測量精度不能滿足一次調(diào)頻考核的要求。根據(jù)華中區(qū)域電網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電網(wǎng)波動大部分處于小頻差波動范圍內(nèi)，測頻精度較差直接導(dǎo)致網(wǎng)頻波動時機組負荷應(yīng)調(diào)節(jié)電量計算不準(zhǔn)確，導(dǎo)致實際貢獻電量不滿足要求，機組一次調(diào)頻動作不合格［2-4］。

2.2 部分機組PMU數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差、功率信號異常

根據(jù)電力調(diào)控中心數(shù)據(jù)，部分電廠雖然完成了PMU信號接入調(diào)控中心，但由于日常維護不到位等原因，造成機組PMU通訊異常頻發(fā)。特別是功率曲線存在斷點等問題，反映不出機組一次調(diào)頻過程中實時功率信息，WAMS 系統(tǒng)測算機組貢獻電量為0，導(dǎo)致機組一次調(diào)頻動作不合格［4-5］。

圖1 機組PMU通訊異常曲線圖Fig.1 PMU communication abnormal curve

2.3 部分機組閥門流量線性度較差

汽輪機閥門流量特性曲線，理論上是其流量特性的數(shù)值表征，當(dāng)DEH設(shè)定的閥門流量特性曲線與實際流量特性相一致時，汽輪機會表現(xiàn)出良好的控制性能。由于設(shè)備改造或運行老化等原因，DEH設(shè)定的閥門流量特性曲線常會偏離其實際流量特性，實際與理想的綜合閥位指令－閥門流量曲線存在一定差別，機組在部分閥門區(qū)段閥門動作后，蒸汽流量變化難以滿足符合增/減需求，一次調(diào)頻響應(yīng)時機組出力不能很好跟蹤系統(tǒng)頻率變化。通過對部分機組閥門動作曲線觀察中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機組負荷處于順序閥交替過程中時，汽輪機高調(diào)閥出現(xiàn)大幅度的擺動，有時甚至即使閥門快速增減而機組負荷并未發(fā)生明顯的變化。即使在邏輯中增加了一次調(diào)頻前饋補償邏輯，也要求汽輪機高調(diào)閥在順序閥工作狀態(tài)時具有較好的線性度［6-10］。

圖2 某機組一次調(diào)頻性能受閥門流量特性影響動作圖Fig.2 The primary frequency modulation performance of the unit is affected by the valve flow characteristics.action diagram

2.4 部分火電機組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)不理想

考慮機組運行的經(jīng)濟性，目前大部分機組采用滑參數(shù)運行，保持汽輪機調(diào)門相對較大的開度，減小調(diào)門的節(jié)流，提高機組運行經(jīng)濟性。機組調(diào)門開度超過一定值，其流量特性越來越差，一次調(diào)頻動作時，增加機組增負荷指令，即使給了開調(diào)門指令，調(diào)門按指令動作，由于流量特性限制，機組負荷補償也有限，進而影響機組一次調(diào)頻能力［10-13］。

機組在汽機跟隨方式下運行時，汽機控制對象為機前壓力，一次調(diào)頻動作時，機組負荷根據(jù)電網(wǎng)頻率波動做相應(yīng)補償調(diào)整，機前壓力也會隨之發(fā)生變化，CCS中壓力控制回路對壓力偏差進行快速調(diào)節(jié)，輸出的綜合閥位指令與一次調(diào)頻動作指令相反，導(dǎo)致一次調(diào)頻調(diào)節(jié)緩慢［14-15］。

部分機組一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置偏小，導(dǎo)致一次調(diào)頻動作雖然正確，但是調(diào)頻閥位及負荷設(shè)定值增量較小，實際調(diào)頻負荷量不足。

2.5 機組供熱對一次調(diào)頻的影響

供熱機組在供熱季節(jié)多采用“以熱定電”方式運行，優(yōu)先保證供熱熱源的穩(wěn)定，其發(fā)電負荷調(diào)整范圍和調(diào)節(jié)速率則受到很大限制。供熱機組進入冬季供暖季后工業(yè)抽汽及采暖抽汽量如果過大，電負荷受調(diào)度調(diào)節(jié)增長超過機組范圍，即其負荷調(diào)節(jié)能力近飽和狀態(tài)下，機組負荷剩余調(diào)節(jié)量較少，對機組一次調(diào)頻能力會造成很大的影響。為減少節(jié)流損失，汽輪機通常采用順序閥模式進汽。冬季供暖期供熱機組的負荷過高，當(dāng)?shù)? 個高壓調(diào)速閥門GV4 開度也達到開度上限時，機組已無調(diào)整余量，此時即使一次調(diào)頻信號頻繁動作，但因高壓調(diào)速閥門已無法繼續(xù)開大，導(dǎo)致機組的調(diào)頻能力因此而大大降低［15-17］。

圖3 協(xié)調(diào)控制品質(zhì)差機組一次調(diào)頻動作曲線圖Fig.3 Coordinated control of poor quality unit primary frequency modulation action curve

2.6 火電機組一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)關(guān)系不明確

當(dāng)前，并網(wǎng)機組負荷調(diào)節(jié)多由電網(wǎng)調(diào)度側(cè)采用AGC方式調(diào)節(jié)，如若在AGC過程期間發(fā)生一次調(diào)頻動作事件，且二者負荷動作方向相反，由于大多數(shù)火電機組無一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)關(guān)系邏輯，導(dǎo)致一次調(diào)頻性能受到顯著影響［15］。

2.7 燃氣機組一次調(diào)頻受溫控模式影響

燃機機組受環(huán)境溫度等因素影響明顯，在夏季運行過程中負荷無法達到額定負荷運行，且燃機進入溫控方式（基本負荷模式）后，機組不具備一次調(diào)頻功能［18］。

3 提高并網(wǎng)機組一次調(diào)頻合格率方法分析

針對上述影響機組一次調(diào)頻合格率的因素，可以采取以下方法進行相應(yīng)整改。

3.1 提升測頻精度，加強pmu裝置維護

通過更換高精度測頻裝置，或適當(dāng)修正測頻/測速裝置量程等方式提升測頻/測速精度；在電廠日常管理中，做好PMU裝置維護工作，確保PMU裝置正常運行，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。圖4為華中某電廠更換高精度測頻裝置后，測頻裝置所側(cè)頻率信號與汽輪機轉(zhuǎn)速信息對比曲線，由圖可以看出二者之間差異明顯，高精度測頻裝置所測頻率與電網(wǎng)實際頻率更為接近，機組一次調(diào)頻動作響應(yīng)時間、負荷響應(yīng)調(diào)節(jié)電量準(zhǔn)確性都有效提高［3-4］。

圖4 高精度頻率信號與轉(zhuǎn)速信號對比圖Fig.4 Comparison of high-precision frequency signal and speed signal

3.2 優(yōu)化機組閥門流量線性

汽輪機閥門線性度直接決定了機組一次調(diào)頻的控制效果，因此在機組一次調(diào)頻優(yōu)化過程中在實施優(yōu)化控制方案前需對機組進行汽輪機閥門流量特性試驗，重新確定各個閥門的死區(qū)、飽和區(qū)以及閥門間的重疊帶，只有從根本上解決問題，才能使得優(yōu)化控制策略效果顯著。在汽輪機閥門流量特性試驗中，選取某一穩(wěn)定工況點作為基準(zhǔn)工況，依次對順序閥進行單閥流量特性試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果重新繪制閥門流量特性曲線，修訂DEH 閥門折線函數(shù)。在閥門流量特性試驗過程中，各個高調(diào)閥的流量特性基本一致［19-20］。

將閥門流量特性試驗作為機組大修后的常規(guī)試驗，若發(fā)現(xiàn)閥門流量特性差，及時對閥門流量特性進行優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化機組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)及一次調(diào)頻參數(shù)

確保機組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)良好，優(yōu)化機組滑壓運行曲線，保持一定的節(jié)流量，在一次調(diào)頻性能與機組運行經(jīng)濟型中找到平衡點［20-21］。

在機組一次調(diào)頻邏輯中增加一次調(diào)頻前饋補償環(huán)節(jié)，根據(jù)機組運行過程中的閥門、壓力等特性，將頻率偏差信號、壓力偏差等一次調(diào)頻關(guān)鍵影響因子折算成機組負荷增量后，進一步將其換算成汽輪機閥位增量指令，從而有效提高一次調(diào)頻動作負荷調(diào)節(jié)能力。同時也應(yīng)注意，前饋補償應(yīng)適量，前饋補償參數(shù)的設(shè)置應(yīng)經(jīng)試驗嚴(yán)格驗證，以避免前饋補償過強，造成負荷嚴(yán)重過調(diào)，閥門頻繁大幅度調(diào)節(jié)等不利于機組安全運行的情況發(fā)生。

3.4 增加一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)邏輯

2020 版華中區(qū)域“兩個細則”中明確了一次調(diào)頻與AGC的協(xié)聯(lián)關(guān)系：當(dāng)電網(wǎng)頻率低于調(diào)頻人工死區(qū)門檻低值時，機組一次調(diào)頻動作調(diào)增有功功率期間，應(yīng)閉鎖AGC、監(jiān)控系統(tǒng)減負荷指令；當(dāng)電網(wǎng)頻率高于調(diào)頻人工死區(qū)門檻高值時，機組一次調(diào)頻動作調(diào)減有功功率期間，應(yīng)閉鎖AGC、監(jiān)控系統(tǒng)增負荷指令［15］。

因此機組應(yīng)增加一次調(diào)頻與AGC協(xié)調(diào)邏輯，確保機組一次調(diào)頻與AGC有功功率指令相反情況下，適時閉鎖AGC增/減負荷指令。

4 結(jié)語

本文根據(jù)華中地區(qū)并網(wǎng)機組一次調(diào)頻實際性能和反映出的問題，分析了并網(wǎng)機組一次調(diào)頻合格率低的主要原因，并針對性的給出整改建議，可以給予急需提升機組一次調(diào)頻性能的電廠啟發(fā)和幫助。

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