余 明

（四川瀘州川南發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 瀘州 646000）

0 引言

根據(jù)《并網(wǎng)電源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定及試驗(yàn)導(dǎo)則》（GB/T 40595—2021），一次調(diào)頻（Primary Frequency Control，PFC）是指當(dāng)電力系統(tǒng)頻率偏離目標(biāo)頻率時(shí)，電源通過控制系統(tǒng)的自動(dòng)反應(yīng)調(diào)整有功出力，減少頻率偏差的控制功能[1]。

電網(wǎng)頻率的變化主要是由負(fù)載端（電力用戶）與發(fā)電端（并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組）負(fù)荷失衡引起。當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功能通過調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)反應(yīng)快速增減負(fù)荷來改變汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)調(diào)整電網(wǎng)頻率的功能。

電網(wǎng)最重要的質(zhì)量指標(biāo)是頻率和電壓。電網(wǎng)頻率波動(dòng)過大會(huì)嚴(yán)重影響供電質(zhì)量，危及整個(gè)電網(wǎng)和并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著電網(wǎng)容量增大，對(duì)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性要求也相應(yīng)提高，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組或電網(wǎng)的事故解列會(huì)對(duì)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生很大沖擊，通過一次調(diào)頻功能的快速響應(yīng)可以有效抑制電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。

根據(jù)電網(wǎng)要求，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組必須要設(shè)置一次調(diào)頻功能。實(shí)踐證明，在電網(wǎng)發(fā)生發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷、跳閘、電網(wǎng)故障等異常事故時(shí)，電網(wǎng)中各臺(tái)機(jī)組一次調(diào)頻功能可迅速消除電網(wǎng)中因快變隨機(jī)負(fù)荷分量引起的電網(wǎng)頻率變化，為整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 一次調(diào)頻主要技術(shù)參數(shù)和考核指標(biāo)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

1.1.1 一次調(diào)頻死區(qū)

一次調(diào)頻功能不動(dòng)作的轉(zhuǎn)速或頻率偏離額定值的范圍。一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置應(yīng)不大于土2r/m或者±0.033Hz（一般為額定轉(zhuǎn)速的±2r/m），其設(shè)置的目的是為了防止電網(wǎng)頻率小范圍變化時(shí)汽輪機(jī)DEH調(diào)門不必要的動(dòng)作引起的電網(wǎng)功率的波動(dòng)。

1.1.2 轉(zhuǎn)速不等率δ（即速度變動(dòng)率）

機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)一次調(diào)頻的靜態(tài)特性曲線斜率，即汽輪機(jī)由額定功率降至零功率的轉(zhuǎn)速變化量與額定轉(zhuǎn)速之比。根據(jù)規(guī)范要求，轉(zhuǎn)速不等率δ為4%～5%。轉(zhuǎn)速不等率如公式（1）所示。

式中：n為汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，單位為r/m；n1為汽輪機(jī)額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速，單位為r/m；n2為汽輪機(jī)零功率時(shí)的轉(zhuǎn)速，單位為r/m。

轉(zhuǎn)速不等率δ表征并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功率變化的幅度。δ越小，一次調(diào)頻時(shí)功率變化幅值越大，機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)也越大；反之，δ越大，一次調(diào)頻時(shí)功率變化幅值越小，會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的自平衡能力。

當(dāng)電網(wǎng)中所有機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)都參與一次調(diào)頻時(shí)，電網(wǎng)將負(fù)荷擾動(dòng)按各機(jī)組的不等率分配到各臺(tái)機(jī)組上，不等率小的機(jī)組將承擔(dān)較多的負(fù)荷分配[2]。

以額定功率600MW機(jī)組為例，設(shè)置轉(zhuǎn)速不等率5%、一次調(diào)頻死區(qū)±2r/m、限幅6%Pe的功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖1所示。

圖1 功率-轉(zhuǎn)速曲線

1.1.3 一次調(diào)頻限幅

一次調(diào)頻限幅即調(diào)頻負(fù)荷范圍。根據(jù)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定負(fù)荷不同，一次調(diào)頻功率變化幅度應(yīng)不小于±6%～±10%額定有功功率。

1.1.4 一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)性能

頻率/轉(zhuǎn)速階躍擾動(dòng)試驗(yàn)中，一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)性能應(yīng)滿足下列規(guī)定：1）一次調(diào)頻有功功率的滯后時(shí)間應(yīng)≤2s。2）一次調(diào)頻有功功率達(dá)到75%目標(biāo)功率的時(shí)間應(yīng)≤15s，上升時(shí)間≤30s，有功功率的調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)≤45s。3）一次調(diào)頻有功功率超調(diào)量應(yīng)≤30%，振蕩次數(shù)≤2次。

1.2 主要考核指標(biāo)

根據(jù)《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》和《華中區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》的通知（華中監(jiān)能市場(chǎng)[2020]153）要求，一次調(diào)頻的主要考核指標(biāo)包括動(dòng)作方向、響應(yīng)滯后時(shí)間和貢獻(xiàn)率等方面[3]。

2 影響一次調(diào)頻的因素

并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速是隨電網(wǎng)頻率而變化的，根據(jù)汽輪機(jī)功率/轉(zhuǎn)速靜態(tài)特性可知，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過一次調(diào)頻功能改變機(jī)組功率來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。對(duì)火電機(jī)組來說，影響一次調(diào)頻功能的因素除了一次調(diào)頻控制邏輯設(shè)計(jì)是否完善、參數(shù)設(shè)置是否合理外，主要還包括汽輪機(jī)調(diào)門開度、主蒸汽壓力和鍋爐燃料量等。

3 一次調(diào)頻功能設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

3.1 機(jī)組概況

四川瀘州川南發(fā)電有限責(zé)任公司2×600MW機(jī)組汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)為N600-16.7/538/538-1，DCS和DEH控制系統(tǒng)均為艾默生控制過程有限公司的OVATION控制系統(tǒng)。

汽輪機(jī)DEH控制方式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。在自動(dòng)模式下共有5種獨(dú)立的控制方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及主汽壓力的控制，即轉(zhuǎn)速控制方式、閥位控制方式、功率控制方式、主汽壓力控制方式和CCS控制方公式（遠(yuǎn)控方式）。通常情況采用功率控制方式或CCS控制方式。

3.2 控制策略

根據(jù)機(jī)組常用的幾種運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)一次調(diào)頻功能時(shí)應(yīng)充分考慮電網(wǎng)一次調(diào)頻要求及機(jī)組安全。

3.2.1 一次調(diào)頻與CCS的協(xié)調(diào)配合

在CCS功控回路中，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)屏蔽主汽壓力偏差修正功率指令的功能（使其保持一次調(diào)頻動(dòng)作前的值）。一次調(diào)頻動(dòng)作且轉(zhuǎn)速≥3006r/m，閉鎖CCS負(fù)荷指令增；一次調(diào)頻動(dòng)作且轉(zhuǎn)速≤2994r/m，閉鎖CCS負(fù)荷指令減。上述策略的目的是確保一次調(diào)頻動(dòng)作優(yōu)先級(jí)最高以及動(dòng)作的完整性，即一次調(diào)頻與CCS負(fù)荷控制同向則CCS有效，反向則CCS閉鎖，適應(yīng)電網(wǎng)控制要求。

3.2.2 機(jī)組調(diào)頻裕量設(shè)置

設(shè)置機(jī)組的調(diào)頻范圍：上限為106%Pe，下限為不投油穩(wěn)燃負(fù)荷46%Pe。根據(jù)記憶的一次調(diào)頻動(dòng)作前的機(jī)組負(fù)荷，與調(diào)頻上、下限比較，確定裕量，并通過調(diào)頻裕量限制調(diào)頻動(dòng)作幅度。上述策略的目的是確保一次調(diào)頻動(dòng)作始終處于機(jī)組的有效調(diào)節(jié)范圍及安全運(yùn)行區(qū)間。

3.2.3 克服調(diào)節(jié)系統(tǒng)的遲緩率（預(yù)設(shè)遲緩率為±0.3r/m）

設(shè)置一次調(diào)頻不等率函數(shù)的死區(qū)為±1.7r/m。設(shè)置一次調(diào)頻動(dòng)作啟動(dòng)條件為≥±2r/m，通過±0.3r/m產(chǎn)生的階躍量克服系統(tǒng)遲緩率。上述策略的目的是確保一次調(diào)頻動(dòng)作的有效性，使實(shí)際調(diào)頻負(fù)荷指令滿足指標(biāo)要求，并克服系統(tǒng)遲緩率造成的實(shí)際一次調(diào)頻動(dòng)作積分貢獻(xiàn)電量的不足。

3.2.4 適應(yīng)機(jī)組各運(yùn)行方式的調(diào)頻策略

根據(jù)單/順閥方式，分開設(shè)定DEH流量前饋曲線和前饋的主汽壓力補(bǔ)償曲線。根據(jù)功率調(diào)節(jié)方式和開環(huán)方式，分開設(shè)定修正系數(shù)。上述策略的目的是確保一次調(diào)頻動(dòng)作的準(zhǔn)確性和持續(xù)性。

3.3 功能設(shè)計(jì)

一次調(diào)頻功能設(shè)計(jì)包括汽輪機(jī)DEH控制和機(jī)組CCS控制兩部分，這兩部分相互配合共同完成機(jī)組一次調(diào)頻控制功能。根據(jù)電網(wǎng)要求，一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為±2r/m，轉(zhuǎn)速不等率δ設(shè)置為5%，調(diào)頻負(fù)荷范圍為±36MW（±6%額定負(fù)荷）[3]。

3.3.1 汽輪機(jī)DEH一次調(diào)頻控制

汽輪機(jī)在本地控制模式下，汽輪機(jī)DEH一次調(diào)頻控制主要通過一次調(diào)頻指令回路、調(diào)門總閥位指令回路、功率調(diào)節(jié)回路來完成。表征電網(wǎng)頻率的轉(zhuǎn)差信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)差-功率函數(shù)轉(zhuǎn)換和主汽壓力修正后生成一次調(diào)頻指令，該指令分別加在DEH功率設(shè)定和汽機(jī)DEH調(diào)門總閥位輸出指令回路（如圖2所示）。

圖2 汽輪機(jī)DEH一次調(diào)頻控制

作用在汽機(jī)DEH調(diào)門總閥位輸出指令回路上的一次調(diào)頻指令為調(diào)門開度前饋指令，直接疊加在DEH調(diào)門總閥位輸出指令回路，并利用鍋爐蓄能快速增減負(fù)荷，確保機(jī)組功率對(duì)一次調(diào)頻的快速響應(yīng)。加在DEH功率調(diào)節(jié)回路上的一次調(diào)頻指令作為功率PID調(diào)節(jié)器設(shè)定修正指令（直接與功率設(shè)定疊加），該指令根據(jù)轉(zhuǎn)差-功率函數(shù)曲線實(shí)時(shí)修正PID調(diào)節(jié)器的設(shè)定，抑制反向調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻對(duì)功率調(diào)節(jié)輸出指令的修正，保證一次調(diào)頻功率的準(zhǔn)確性。

當(dāng)DEH非功控方式時(shí)，功率設(shè)定值跟蹤實(shí)際負(fù)荷-調(diào)頻目標(biāo)負(fù)荷，同時(shí)功率PID調(diào)節(jié)器輸出跟蹤流量指令-調(diào)頻流量值。

在一次調(diào)頻動(dòng)作期間，屏蔽主汽壓力對(duì)一次調(diào)頻指令的修正功能（保持一次調(diào)頻動(dòng)作前的值），以保證一次調(diào)頻的完整作用，維持電網(wǎng)系統(tǒng)頻率要求。

同時(shí)，DEH要采取以下措施：1）防止頻率擾動(dòng)引起的CCS汽機(jī)主控指令與閥位參考偏差大，切除遙控。2）防止頻率擾動(dòng)引起的功率調(diào)節(jié)偏差大，切除DEH功控。3）防止頻率擾動(dòng)引起的CCS汽機(jī)主控指令變化率過快，切除遙控。

3.3.2 機(jī)組CCS一次調(diào)頻控制

汽輪機(jī)在CCS控制模式下，機(jī)組一次調(diào)頻通過DEH加CCS方式共同完成。CCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)頻主要是穩(wěn)定DEH調(diào)頻的結(jié)果，同時(shí)對(duì)DEH調(diào)頻的準(zhǔn)確性予以修正。作用原理是把頻率的變化按一定的不等率轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的功率，加在系統(tǒng)設(shè)定值上，通過功率調(diào)節(jié)器作用于汽機(jī)調(diào)門，同時(shí)把部分分量作用于鍋爐能量調(diào)節(jié)器，達(dá)到穩(wěn)定機(jī)組功率的目的。表征電網(wǎng)頻率的轉(zhuǎn)差信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)差-功率函數(shù)轉(zhuǎn)換和主汽壓力修正后生成一次調(diào)頻指令，該指令分別作用在CCS汽機(jī)主控功率設(shè)定和DEH調(diào)門總閥位輸出指令回路（如圖3所示）。

圖3 機(jī)組CCS一次調(diào)頻控制

加在汽機(jī)DEH調(diào)門總閥位指令回路上的一次調(diào)頻指令為調(diào)門開度前饋指令，直接疊加在DEH調(diào)門總閥位輸出指令回路，并利用鍋爐蓄能快速增減機(jī)組負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的快速調(diào)整。作用在CCS汽機(jī)主控回路上的一次調(diào)頻指令為功率設(shè)定校正指令（直接與功率設(shè)定疊加），通過功率和主汽壓力調(diào)節(jié)回路穩(wěn)定一次調(diào)頻所需的負(fù)荷變量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)組能量平衡。

在一次調(diào)頻動(dòng)作期間，屏蔽主汽壓力修正汽機(jī)主控功率設(shè)定值的功能（保持一次調(diào)頻動(dòng)作前的值），以保證一次調(diào)頻的完整作用，維持電網(wǎng)系統(tǒng)頻率要求。

同時(shí)，CCS要采取以下措施：1）防止頻率擾動(dòng)引起的CCS汽機(jī)主控指令與閥位參考偏差大，切除汽機(jī)自動(dòng)。2）防止頻率擾動(dòng)引起的功率調(diào)節(jié)偏差大，切除汽機(jī)自動(dòng)。

3.4 性能試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)條件

按照一次調(diào)頻功能設(shè)計(jì)要求，機(jī)組CCS和汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)的邏輯組態(tài)（含參數(shù)設(shè)置）修改完畢并靜態(tài)試驗(yàn)合格。確認(rèn)機(jī)組CCS協(xié)調(diào)控制、汽輪機(jī)DEH控制等功能正常，各項(xiàng)保護(hù)已投入運(yùn)行。機(jī)組退出AGC控制方式，機(jī)組負(fù)荷在最低穩(wěn)燃負(fù)荷至額定負(fù)荷的范圍內(nèi)。

3.4.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

機(jī)組在360MW、450MW、540MW、600MW四種工況下分別進(jìn)行一次調(diào)頻性能試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括死區(qū)測(cè)試、方向性及遲緩率測(cè)試、階躍試驗(yàn)。

3.4.2.1 死區(qū)測(cè)試

汽輪機(jī)DEH控制置閥位控制方式，在DEH一次調(diào)頻試驗(yàn)回路分兩次手動(dòng)輸入3002r/min、2998r/min轉(zhuǎn)速信號(hào)，每次輸入轉(zhuǎn)速等待1min，記錄參數(shù)與曲線。

3.4.2.2 方向性及遲緩率測(cè)試

方向性測(cè)試：分別在機(jī)組CCS和汽輪機(jī)DEH控制方式下，分兩次手動(dòng)輸入3002.2r/min、2997.8r/min轉(zhuǎn)速信號(hào)，檢查調(diào)門及功率增減方向是否正確。遲緩率測(cè)試：使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3003r/min，以0.1r/min的速率手動(dòng)緩慢減少試驗(yàn)轉(zhuǎn)速（3002.9r/min、3002.8r/min…），一直到閥位剛變化為止。再以同樣的速率恢復(fù)到原來轉(zhuǎn)速，記錄下升降轉(zhuǎn)速過程中閥位剛變化時(shí)的轉(zhuǎn)速，即可計(jì)算出遲緩率。

3.4.2.3 階躍試驗(yàn)

汽輪機(jī)DEH調(diào)門有順序閥和單閥兩種進(jìn)汽方式。針對(duì)每種進(jìn)汽方式，分別在汽輪機(jī)DEH控制方式及機(jī)組CCS控制方式下進(jìn)行不同工況的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)。

每個(gè)試驗(yàn)負(fù)荷工況點(diǎn)應(yīng)至少分別進(jìn)行±0.067Hz（4r/min）、0.1Hz（6r/min）頻差的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)。應(yīng)至少選擇一個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行機(jī)組頻率上限試驗(yàn)和同調(diào)頻上限具有同等調(diào)頻負(fù)荷絕對(duì)值的降負(fù)荷調(diào)頻試驗(yàn)（在450MW工況點(diǎn)做最大頻差試驗(yàn)），檢驗(yàn)機(jī)組的安全性能。

每個(gè)工況試驗(yàn)時(shí)，每次頻差的階躍擾動(dòng)變化至少維持1min以上，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄一次調(diào)頻的動(dòng)作情況，包括擾動(dòng)量、試驗(yàn)前負(fù)荷、15s/30s負(fù)荷變化量△P、試驗(yàn)穩(wěn)定負(fù)荷、穩(wěn)定后負(fù)荷變化量△P、實(shí)際轉(zhuǎn)速不等率、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間等。同時(shí)記錄機(jī)組主要參數(shù)，包括汽輪機(jī)DEH調(diào)門開度以及主汽壓力、主汽溫度、汽包水位、爐膛壓力等。

4 結(jié)語

機(jī)組一次調(diào)頻性能試驗(yàn)結(jié)果表明，四川瀘州川南發(fā)電有限責(zé)任公司2×600MW機(jī)組一次調(diào)頻功能設(shè)計(jì)合理、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、性能良好，能夠適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷和頻率的變化，滿足電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功能有關(guān)規(guī)定的要求。