火电机组一次调频功能优化及问题分析

火电机组一次调频功能优化及问题分析

唐世宝

（国电青山热电有限公司设备管理部）

摘要：随着电网用电结构变化引起的负荷峰谷差逐步加大，而用户对电能质量的要求却在不断提高，电网频率稳定性的问题越来越被重视。大容量火电机组需要根据中调的AGC指令和电网的频率偏差参与电网的调峰、调频。为提高电网运行的稳定性，降低电网频率的波动，增强电网抗事故能力，各电网公司相继制定了“两个细则”要求各发电厂严格按照规定进行改造落实参数投入一次调频，下面结合青山公司各机组的一次调频优化改造情况进行效果分析。

关键词：一次调频;优化;分析

0.引言

为了保证电网的安全经济运行，提高电能质量和电网频率的控制水平，迅速消除由于电网负荷变化而引起的频率波动，电网对机组的一次调频要求越来越高。如果一次调频参数设置不合理，会对机组的安全性与稳定性带来一定的影响。以下针对青山电厂一次调频参数的设置及其对机组及电网稳定性的影响进行分析，并探讨如何合理设置DEH和DCS一次调频的参数，使其既能满足电网频率快速响应的需求，又能满足机组安全稳定性的要求。

1.基本概念

1.1一次调频

机组一次调频功能是指当电网频率超出规定的正常范围后，电网频率的变化将使电网中参与一次调频的各机组的调速系统根据电网频率的变化自动地增加或减小机组的功率，从而达到新的平衡，并且将电网频率的变化限制在一定范围内的功能。负荷波动导致频率变化，可以通过一次和二次调频使系统频率在规定变化内。对于负荷变化幅度小，变化周期短所引起的频率偏移，一般由发电机的调速器来进行调整，这叫一次调频。对负荷变化比较大，变化周期长所引起的频率偏移，单靠调速器不能把它限制在规定范围里，就要用调频器来调频，这叫二次调频。本文重点对电厂一次调频进行论述。

DEH中一次调频功能是将汽轮机转速与额定转速的差值直接换算成有功功率指令，其控制结构原理见图1。

图1DEH一次调频控制结构原理图

其中汽轮机额定转速（一般为3000r/min）与实际转速的差值经函数f（x）转换后生成一次调频因子，直接叠加到DEH的有功功率给定值上，以控制汽轮机的调门开度。一次调频因子的设置包括频差死区和转速不等率两个因素。频差死区的设置是为了防止在电网频差小范围变化时汽机调门不必要的动作。

一次调频不等率δ定义为：

δ=Δn/n0

式中Δn——机组空负荷时和满负荷时的转速差值，r/min；

n0——机组额定负荷值，MW。

δ的数值一般设置在3%～6%，δ值越小，在相同的频差下汽机调门的变化幅值越大，反之则越小。

一次调频因子的设置与机组的稳定性密切相关，频差死区越大，δ越大，机组越稳定，但是对电网一次调频的贡献也越小。一次调频因子的设置应兼顾机组稳定性和一次调频快速响应的指标。

1.2速度变动率

速度变动率是指汽轮机由满负荷到空负荷的转速变化与额定转速之比,其计算公式为:δ=(n1-n2)/n×100%，式中n1：汽轮机空负荷时的转速,n2:汽轮机满负荷时的转速,n：汽轮机额定转速。对速度变动率的解释如下:汽轮机在正常运行时,当电网发生故障或汽轮发电机出口开关跳闸使汽轮机负荷甩到零,这时汽轮机的转速先升到一个最高值然后下降到一个稳定值,这种现象称为“动态飞升”。转速上升的最高值由速度变动率决定,一般应为4～5%。若汽轮机的额定转速为3000转/分,则动态飞升在120～150转/分之间。青山电厂速度变动率在CCS和DEH均设置为4.5%。

1.3响应滞后时间和稳定时间

响应滞后时间：当电网频率变化达到一次调频动作值到机组负荷开始变化所需的时间。

稳定时间：机组参与一次调频过程中，在电网频率稳定后，机组负荷达到稳定所需的时间，图中t1为稳定时间。为保证机组一次调频的稳定性，根据《华中电网发电机组一次调频运行管理规定》要求t1应小于1分钟。

2.电网对发电机组一次调频运行中的主要参数要求

2.1采用电液调速系统（DEH）的汽轮机组，一次调频功能应由DEH实现。应采取将频差信号叠加在汽轮机调速汽门指令处的设计方法，以保证一次调频的响应速度。如采取其它形式的设计方法，也必须满足各项技术指标的要求；

2.2一次调频的人工死区控制在±0.033Hz（±2r/min）内；

2.3机组调速系统的速度变动率一般为4％～5％；

2.4一次调频的最大调整负荷限幅，额定负荷210～490MW的火电机组，一次调频的负荷调整限幅为机组额定负荷的±8％；额定负荷100～200MW的火电机组，一次调频的负荷调整限幅为机组额定负荷的±10％；

2.5电液调节控制系统的火电机组，其调速系统的迟缓率小于0.06％。

3.一次调频改造前的情况

3.1设备情况

青山电厂共有3台机组，2台350MW、1台330MW机组。其中#13、#14机组为机组为哈尔滨锅炉厂生产的HG-1125/25.4-YM1锅炉，主蒸汽流量/再热蒸汽流量:1125/900.60t/h；主蒸汽压力/再热蒸汽出口压力:25.4/4.28MPa，主蒸汽温度/再热蒸汽出口温度:571/569℃，效率:93.24％，前后对冲，固态排渣；汽轮机为东方汽轮机厂制造，CC350-24.2/4.0/0.4/566/566，主蒸汽流量:1003t/h；主蒸汽压力/温度:24.2MPa/566℃；再热蒸汽流量:854.069t/h；再热蒸汽压力/温度:3.967MPa/566℃；排汽压力:5.5kPa；回热抽汽级数:8；发电机为发电机东方电机厂QFSN-350-2-20型，功率因数:0.9；定子电压/电流:20KV/19250A；

#12机组哈尔滨锅炉厂有限责任公司HG-1025/18.2-PM7，主蒸汽流量1025t/h，主蒸汽压力/温度18.28MPa/540℃，再热蒸汽流量824.7t/h，再热蒸汽压力/再热蒸汽温度.6MPa/540℃，效率：92.10％，四角切圆，固态除渣；汽轮机为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的N330/C250-16.67/0.9/537/537，功率330MW，主蒸汽压力/温度16.7MPa/535℃，主蒸汽流量926.68t/h，再热蒸汽压力/再热蒸汽温度3.493MPa/537℃，再热蒸汽流量743t/h，排汽压力：5.4KPa，回热抽汽级数：8；发电部机为哈尔滨电机厂有限责任公司生产的QFSN-300-2，有功功率300MW，定子电压/电流20kV/10190A，励磁电压/励磁电流365V/2642A，功率因数0.85，氢冷，三机励磁。

#13、#14机组分别于2011年9月、11月建成投产，#12机组于1996年7月建成投产，后经历低氮燃烧及DCS改造。

3.2存在的主要问题

2016年7月——2017年5月，根据国网湖北省电力公司调控中心利用省调WAMS系统分析统计结果，其中青山电厂青山公司三台机组一次调频动作合格率为在30%至40%左右，一次调频状态显示为“未投入”情况经常发生，投入率也不能达标。

为了解决部分机组一次调频性能偏低的问题，同时落实网源协调工作计划和涉网安全检查问题整改情况，我们对一次调频系统进行了深入分析，发现主要存在以下问题：

（1）PMU信号接入异常，省调无法完全正常接受一次调频投退信号，RTU数据传输存在异常丢包现象。

（2）功率信号波动大，误差大，响应速度慢。

（3）一次调频性能偏低，逻辑设置不合理，不能满足快速响应电网频率波动的调节要求。

3.3解决思路

（1）对于#12-#14机组一次调频投入率过低的问题，我们认为该问题主要原因为PMU信号传输异常，首先保证电厂侧按要求正常投入一次调频，同时积极协调省调进行数据传输核对，利用抓包工具进行抓包测试，查找丢包原因。

（2）#12-#14机组普遍d机主控控制参数，避免参数太灵敏造成的阀门调节频繁；三是机组投运商业运行后选择顺序阀运行，会在某个时间段造成负荷波动，从新拟合阀门流量曲线，使负荷调节更加平顺。

（3）通过优化一次调频逻辑，整合控制参数，同时对CCS控制品质优化，有效提高CCS对DEH调频的校正作用，从而提高一次调频性能。

4.一次调频改造情况

为尽快提高机组一次调频质量，2016年10月，经厂领导批准，机组一次调频技改项目启动并立即实施。该项目主要包括三个环节：

（1）频率信号精度问题及信号传输处理。

频率信号量程之前为±5，不满足调节要求。因高精度频率变送器更换需要时间较长，我们决定在机组PMU装置处加装“PMU镜像数据分析装置”，该装置读取PMU中的电网频率信号并向两台机组DEH各送出3路电网频率信号，该频率信号取代机组转速信号作为机组一次调频动作输入信号，从数据源来提高一次调频动作的合格率。

利用抓包工具对RTU进行数据测试，找出数据传输故障点为#12机组交换机设置存在疏漏，造成偶尔数据丢失，重新设定后设备运行传输正常，数据传输再无差错。

图2优化后的主调频逻辑

（2）进行阀门特性试验，优化阀门曲线。

汽轮发电机组的电功率在进汽参数和排汽压力都保持不变的情况下，基本上与汽轮机的进汽量成正比，而调门的流量特性曲线主要作用就是保证机组理论计算流量与实际流量之间保持一致。调门流量特性不好会影响机组功率控制、协调控制的控制品质，影响机组一次调频功能的实现，因此通过试验将机组实际的流量特性曲线优化意义重大。我们对机组进行了调门特性试验，并制定出其合理的流量特性曲线。

（3）进行一次调频函数优化及控制逻辑优化。

对机组一次调频逻辑优化，修改完善机组相关控制逻辑。将频差信号叠加在DEH调门总指令出口处，以保证一次调频的响应速度，并且优化一次调频控制参数，设计一次调频信号放大回路。同时设计频率校正回路，当机组工作在CCS、AGC或只投功率回路时，DEH和DCS共同完成一次调频功能，确定校正回路性能，完全杜绝反调。

一次调频采用了功率回路校正(CCS)+调速侧前馈(DEH)的控制策略。其中：DEH是执行级、有差、开环调节，保证调频快速性；CCS为校正级、无差、闭环调节，保证调频的持续性和精度。为了保证调节品质，一次调频的转速信号及功率信号均做了三取中处理，由DEH及CCS系统共用，保证了两侧信号判断的一致性。

由额定转速与三取中后的实际转速信号相减，得出转差信号代表频差，经GAP死区运算后，乘以转速不等率G，得出机组调频功率增量，在乘以主汽压力修正信号（额定汽压/实际汽压），经LIM调频幅度限制后，形成调频阀位控制信号，直接叠加在阀位控制指令上，直接动作调门，满足调频的快速性。

转差信号通过函数发生器FG转换成对应的调频功率，经速率限制RL，及调频幅度限制后，叠加到机组负荷指令上，形成最终的实际负荷指令，确保调频的指令和控制精度。其中FG的参数为：

不难看出一次调频的技术参数：

一次调频死区：±0.033Hz（±2rpm）

转速不等率：δ=5%

一次调频负荷上限：+20MW

一次调频负荷下限：-20MW

采取将频差信号叠加在汽轮机调速汽门指令处的设计方法，以保证一次调频的响应速度，即把频差信号直接叠加在综合阀位指令出口，在所有运行方式（功率方式、主气压方式、阀位方式、协调方式）下均可实现一次调频功能，取消逻辑中一次调频叠加后的一阶惯性延迟（原定为2秒）以保证响应迅速。当机组工作在机组协调或AGC方式时，由DEH、DCS共同完成一次调频功能，以保证机组一次调频的响应速度和持续性。

取消电调、协调中的一次调频投/切操作按钮，即人为不能进行一次调频的投切操作，解决人为原因造成的投入率不足的问题。

一次调频的人工死区控制在±0.025Hz（±1.5r/min）内；此指标优于电网公司的指标。

机组调速系统的速度变动率设为5％。

一次调频的最大调整负荷限幅为机组额定负荷的±10％。

项目于2017年5月-2018年5月在#12、#13、#14机组上实施。经过多次调整和优化，机组一次调频调节质量持续大幅提升。2018年下半年一次调频考核月报显示，我厂三台机组一次调频月度投入率100%，合格率已达90%以上，排名靠前。

结语

通过对机组一次调频的改造，从图8中可以看出，当电网频率下降时，负荷指令增加，主汽调门开度增加，能够保证机组负荷迅速提高，满足电网供电的需求，同时参与一次调频的机组稳定性也未受到影响，因此一次调频功能的改造与优化取得了良好的效果。

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