劉 靜

(古交西山發(fā)電有限公司，山西 古交 030206)

電網(wǎng)頻率是電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要參數(shù)，在電網(wǎng)穩(wěn)定運行中，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定于額定頻率。當電網(wǎng)用電負荷增加時，電網(wǎng)就出現(xiàn)了功率的缺額，電網(wǎng)頻率就會降低。反之，電網(wǎng)頻率升高。當頻率波動超出額定值時，并網(wǎng)機組會自動調整有功功率的增減，使電網(wǎng)頻率維持在額定頻率，這個過程就是一次調頻[1].

近年，隨著華北網(wǎng)谷峰差日益加大以及新能源發(fā)電占比增大，電網(wǎng)頻率波動更加頻繁，因此，華北網(wǎng)越來越重視電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。2019年華北網(wǎng)對《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》中一次調頻考核內容進行了修改，進一步強化了一次調頻的考核要求。因此，華北網(wǎng)各直調電廠都面臨較大的一次調頻考核電量，亟需優(yōu)化改善一次調頻合格率。

1 華北網(wǎng)一次調頻考核細則

根據(jù)國家能源局華北監(jiān)能市場(2019)254號文《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠“兩個細則”(2019年修訂版)》，華北網(wǎng)對機組每次響應一次調頻動作情況考核有3個指標：

1)15 s出力響應指數(shù)ΔP15%.從電網(wǎng)頻率超出動作死區(qū)開始計算，15 s內并網(wǎng)機組響應一次調頻的實際最大負荷調整量與并網(wǎng)機組響應一次調頻的理論最大負荷調整量的比值。ΔP15%>75%為合格。

2)30 s出力響應指數(shù)ΔP30%.從電網(wǎng)頻率超出動作死區(qū)開始計算，30 s內并網(wǎng)機組響應一次調頻的實際最大調整量與并網(wǎng)機組響應一次調頻的理論最大調整量的比值。ΔP30%>90%為合格。

3)電量貢獻指數(shù)Q%.機組一次調頻動作期間(A0～B0)，機組一次調頻實際貢獻電量占理論貢獻電量的百分比。Q%>75%為合格。

當電網(wǎng)頻率超出一次調頻動作死區(qū)(±0.033 Hz)時，華北網(wǎng)根據(jù)上述3個指標對并網(wǎng)機組一次調頻動作情況進行考核。單個指標不合格,考核并網(wǎng)機組電量3.96 kWh，折合人民幣約1 200元；3個指標都不合格,考核并網(wǎng)機組電量11.88 kWh，折合人民幣約3 600元。

2 機組一次調頻存在問題

2.1 機組主要參數(shù)

古交西山發(fā)電有限公司2×660 MW超超臨界汽輪機型號為CZK660/570-26.25/0.4/600/600，單軸、一次中間再熱、三缸兩排汽,該機型采用調節(jié)全周進汽的汽輪機組，汽輪機調速系統(tǒng)由兩個相互獨立的高壓閥組構成，每個閥組由1個主汽閥+1個調節(jié)閥+1個補汽閥和兩個中壓聯(lián)合汽閥組成，其中補汽閥在運行中最大可開至37%.

該機型采用全周進汽，汽輪機主汽閥節(jié)流小可以提高機組的經濟效益，但是機組的蓄能較差，給一次調頻的調節(jié)帶來了不利因素。2019年，華北網(wǎng)實施新考核細則后，機組一次調頻3個指標平均合格率只能達到40%左右，單臺機組每月考核電量達600 MWh，折合人民幣約20萬元。增加了機組的運營成本。

該公司利用汽輪機轉速信號進行一次調頻的判斷和計算，一次調頻死區(qū)為±2 r/min(±0.033 Hz)，由協(xié)調控制(CCS)和數(shù)字電調系統(tǒng)(DEH)共同完成。DEH作為前饋直接作用在汽機閥門指令中，主要作用為快速響應一次調頻動作；CCS負荷指令分別作用于汽機主控與鍋爐主控中，主要作用為保證機組能持續(xù)響應一次調頻動作，其原理見圖1.

圖1 原一次調頻控制原理圖

2.2 一次調頻存在的問題

2.2.1轉速信號對于頻率信號的失真

并網(wǎng)機組一次調頻采用汽輪機轉速信號來判斷和計算，這種處理方式在機組處于穩(wěn)態(tài)時是沒有問題的，因為此時并網(wǎng)機組的轉速信號與電網(wǎng)頻率一致。但當電網(wǎng)頻率波動，并網(wǎng)機組處于暫態(tài)時，汽輪機轉速信號對電網(wǎng)頻率會失真，這是由于測量方式的誤差和汽輪機轉速對于電網(wǎng)頻率有一定的滯后導致的。因此，造成了并網(wǎng)機組一次調頻動作與電網(wǎng)一次調頻考核不同步。

該公司機組采用汽輪機轉速信號進行一次調頻動作判斷，每天一次調頻動作約一千次，然而華北網(wǎng)采用電網(wǎng)頻率信號進行一次調頻動作判斷，每天實際計入考核次數(shù)只有4～7次，節(jié)假日20次左右。由此可知，該公司90%以上的一次調頻動作為無效動作，且一次調頻動作信號呈脈沖式，導致機組頻繁往復地響應一次調頻動作。因此，轉速信號對頻率信號的失真是一次調頻合格率低的主要原因。

2.2.2一次調頻指令與AGC指令相反

該公司兩臺機組正常處于協(xié)調控制方式，機組負荷同時受電網(wǎng)自動發(fā)電量控制(AGC)負荷指令與一次調頻影響。當機組降負荷過程中因電網(wǎng)頻率低需要一次調頻加負荷，此時機組雖然閉鎖反向AGC負荷指令，優(yōu)先響應一次調頻邏輯，但是汽輪機進行負荷調節(jié)的過程中，機組的實際負荷和負荷指令始終存在一定偏差，即使負荷指令不再變化，汽機主控的積分作用仍會將負荷拉回，導致電量貢獻指數(shù)低于75%甚至會出現(xiàn)負數(shù)，產生考核。

2.2.3汽輪機閥門流量特性對一次調頻的影響

由于該公司汽輪機采用節(jié)流調節(jié)全周進汽配汽方式，主汽閥與補汽閥的流量特性曲線不是十分成熟，且主汽閥與補氣閥的重疊度設置不當，導致一次調頻DEH側的前饋調節(jié)不精確，嚴重影響一次調頻的品質。

2.2.4主汽壓力對一次調頻的影響

機組DEH側的調頻閥位增量與頻差(轉速差)為線性函數(shù)，且該函數(shù)是根據(jù)機組處于額定壓力設定的，但是機組主汽壓力采用定-滑-定的運行方式，因此機組在絕大部分時間內主汽壓力是低于機組額定壓力的，導致DEH側的前饋帶來的負荷增量偏小，嚴重影響一次調頻的調節(jié)效果。

2.2.5傳統(tǒng)一次調頻策略對調頻持續(xù)性的制約

傳統(tǒng)一次調頻控制系統(tǒng)是一種有差頻率比例調節(jié)系統(tǒng)，通過觀察研究，負荷對閥位變化的響應時間需要2～3 s，在調頻動作的過程中閥門指令變化后，負荷還未達到理論要求，而后閥門由跟隨機組轉速往復變化，影響了電量貢獻指標，同時機組功率也會出現(xiàn)大幅度快速波動，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

3 一次調頻控制策略的優(yōu)化方案及應用

3.1 轉速信號及轉速不等率的修正

轉速信號對頻率信號的失真問題可以由轉速信號進行濾波處理，剔除由于電網(wǎng)低頻振蕩導致的無效動作，采用濾波后的轉速信號進行一次調頻判斷和計算。為了保證機組一次調頻動作及時且連續(xù)，把一次調頻動作死區(qū)適當調小至±1.9 r/min，在一次調頻動作值和復歸值之間設立0.05 r/min的死區(qū)。通過對轉速信號處理后可以剔除60%的一次調頻無效動作，同時還可以及時響應電網(wǎng)一次調頻考核，但是處理后的信號仍不能完全與電網(wǎng)系統(tǒng)頻率相匹配，要徹底解決信號不一致問題需增加高精度頻率儀作為一次調頻判斷和計算信號。

為了提高機組在小偏差時一次調頻15 s、30 s出力響應考核指標，將汽輪機轉速不等率做非線性處理。當機組處于一次調頻小偏差動作時降低汽輪機轉速不等率，可以提高一次調頻負荷調整量；當機組處于一次調頻大偏差動作時汽輪機轉速不等率仍維持在5%，可以避免機組因為一次調頻動作而振蕩，保證機組的穩(wěn)定運行。一次調頻頻差函數(shù)設置見表1.

表1 一次調頻頻差函數(shù)設置表

3.2 調頻動作閉鎖AGC反向調節(jié)

相對于閉鎖AGC反向指令的策略，系統(tǒng)將汽機主控的AGC指令切換為當前負荷。其控制原理見圖2，當一次調頻動作觸發(fā)負荷閉鎖信號時，系統(tǒng)通過兩個切換模塊(T)將負荷指令切換為機組當前負荷，此時汽機主控PID只受一次調頻負荷增量指令影響，可以有效解決汽機主控積分作用產生的反向調節(jié)問題；該控制回路中負荷閉鎖時間不可超過60 s，否則會影響機組AGC性能指標；負荷指令切換模塊(T)兩路輸入之間應設置切換速率，防止切換過程中出現(xiàn)擾動。

圖2 閉鎖AGC反向指令控制原理圖

3.3 機組閥門流量特性修改

該公司汽輪機高調閥門和補氣閥流量特性較差，尤其在調門開度達到80%以上，機組已經沒有足夠的蓄能滿足一次調頻動作。同時高調閥與補汽閥的重疊度較差。通過負荷擾動試驗和數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，高調門在80%開度以上基本屬于空行程，對負荷沒有調節(jié)作用，因此將高調門的最大開度由100%限制在85%，這樣可以加快汽機主控的調節(jié)速度，提高機組響應一次調頻的速度。高調門開度和綜合閥位指令對應關系基本不變。優(yōu)化前補汽閥在綜合閥位指令達到83.25%時開始開啟，優(yōu)化后綜合閥位指令到達81.38%時提前開啟補氣閥，加強了補氣閥和高調閥的重疊度，這樣可以改善機組調門在較高開度下一次調頻的調節(jié)性能，有效提高了一次調頻15 s、30 s出力響應的合格率。優(yōu)化前、后的閥門特性曲線見圖3.

圖3 優(yōu)化后閥門特性曲線圖

3.4 主汽壓力偏差修正

針對主汽壓力對一次調頻的影響，可以在DEH閥位增量函數(shù)上增加壓力修正系數(shù)，當機組主汽壓力低于機組設定壓力時，f(x)會輸出一個大于1的修正系數(shù)，反之會輸出一個小于1的修正系數(shù)，該系數(shù)與頻差函數(shù)的輸出相乘可以根據(jù)機組實際運行工況增大或縮小一次調頻前饋，提高一次調頻前饋的調節(jié)精度，改善一次調頻調節(jié)性能?？刂圃硪妶D4.

圖4 主汽壓力修正原理圖

3.5 一次調頻CCS側負荷延時復位策略

在CCS側增加一次調頻負荷延時復位策略[2]以解決傳統(tǒng)一次調頻策略對調頻持續(xù)性的制約?？刂圃韴D見圖5，系統(tǒng)分一次調頻加負荷和減負荷兩路控制。當機組轉差出現(xiàn)負偏差時，頻差函數(shù)輸出為正的負荷調整量，系統(tǒng)執(zhí)行左側一次調頻加負荷控制回路，此時慣性環(huán)節(jié)(LAG)模塊輸出值小于頻差函數(shù)的輸出值，大選模塊(>)輸出為頻差函數(shù)的輸出值，使機組能快速響應一次調頻負荷響應；當轉差變小時慣性環(huán)節(jié)(LAG)模塊輸出值大于頻差函數(shù)的輸出值，大選模塊輸出為慣性環(huán)節(jié)(LAG)的輸出值，使一次調頻的負荷調整量緩慢回落，可以增加一次調頻的電量貢獻；在一次調頻動作過程中機組轉差出現(xiàn)正偏差時可以通過低限模塊(//L)使左側的控制回路輸出迅速切換為0，同時執(zhí)行右側一次調頻減負荷控制回路，快速響應一次調頻動作。該回路可以有效提高電量貢獻同時還可以避免油動機往復波動，保護設備安全穩(wěn)定運行。

圖5 快動慢回控制回路圖

4 機組優(yōu)化后效果

針對上述問題進行相應的優(yōu)化后，在AGC考核與一次調頻考核之間選取最優(yōu)的控制參數(shù)，新的控制策略投入使用后，古交西山發(fā)電有限公司一次調頻合格率迅速攀升，由表2可知優(yōu)化后機組一次調頻3個指標單月平均合格率由40%提高到90%以上，預計全年節(jié)約運營成本達200多萬元。

表2 一次調頻優(yōu)化前后考核對比表

5 結 論

華北網(wǎng)修改一次調頻考核細則后，華北網(wǎng)各直調電廠都面臨較大的一次調頻考核，對古交西山發(fā)電有限公司機組一次調頻存在的問題進行研究分析后，針對存在的問題提出了轉速不等率非線性控制、一次調頻與AGC反向閉鎖、一次調頻CCS側延時復位等控制策略，避免了設備改造更換，涉網(wǎng)參數(shù)定值修改以及熱力試驗，縮短了優(yōu)化周期。對具有在線下裝、修改參數(shù)功能的DCS可以隨時修改邏輯，各控制策略可隨時投退，同時也提高了系統(tǒng)的可行性和通用性，同時可以根據(jù)實際情況對參數(shù)進行在線調整和隨時投退，有較好的兼容性和可實施性。系統(tǒng)優(yōu)化后有效提高了機組一次調頻的合格率，同時減少了機組油動機的往復運動，保證了機組安全穩(wěn)定運行，在華北網(wǎng)各直調電廠有一定的推廣價值。