M701F燃气蒸汽联合循环发电机组一次调频控制方式及应用

邓小明，朱明飘

(广东惠州天然气发电有限公司，广东惠州 516082)

现代电网调度负荷越来越高，其安全性也受到越来越多的关注.大多数发达国家的电网都对为其供电的电厂制定了严格的一次调频要求，使电厂承担起维护电网安全的责任.为了提高电网运行水平和频率质量，消除电网负荷变化引起的频率波动，减少冲击，对发电机组一次调频的要求越来越高［1］.

一次调频技术是保证电网稳定运行的重要手段［2］.而一次调频功能也是并网机组应具备的主要功能之一，但由于天然气短缺等客观原因的限制，电网中的燃气联合循环机组实现一次调频开发和正常投运的较少.实际上，燃气联合循环机组具有启停迅速、变负荷速率快的特点，可以快速响应电网指令以及电网频率的变化，比常规燃煤机组更适宜于电网调峰和调频.其中，燃气-蒸汽联合循环机组因具有优良的调峰能力在电网调峰中的作用越来越大，9F级燃气机组由于发电功率比9E级大，调峰能力更强.随着燃气机组在电网中的比重越来越大，且为了更好地发挥燃气联合循环机组的调峰和调频作用，对其一次调频的功能进行开发和研究显得十分必要［3］.

广东惠州天然气发电有限公司(以下简称惠州LNG电厂)一期工程3×390 MW燃气-蒸汽联合循环发电机组中的1#机组已于2006年9月21日投产，这是广东LNG燃机项目中第一台投产的9F级燃气-蒸汽联合循环发电机组.通过分析这一发电机组的一次调频控制方式，其调频控制的方式及特点为同类型9F级机组的调频提供了参考.

1 一次调频的原理

1.1 一次调频的概念

当电网中某台大功率的发电设备或供电设备发生故障时，电网频率会发生一定变化，此时机组能快速响应并改变出力，以维持电网频率稳定，则为机组的一次调频功能［3］.

与二次调频不同，一次调频不完全是由电网AGC输入信号进行控制的，而是由电厂主动监测电网频率并进行适时调整的行为.当电网的频率波动超过允许范围时，电厂一次调频控制系统自动投入运行，发电机组调节控制系统自动控制机组有功功率的增加(频率下降时)或减少(频率升高时)，以使电网频率迅速回到额定值范围.一次调频是保证电力系统频率质量的首要步骤.

大型火电机组通过调节汽轮机阀门的开度，利用机组的蓄热来快速响应电网频率的变化.火电机组普遍应用DEH控制汽轮机的转速和有功功率［4］.

燃气-蒸汽联合循环机组通过改变燃料量和进口可调导叶(IGV)的开度，改变发电机的出力，以达到系统功率的供需平衡，从而快速响应电网频率的变化，使频率恢复到正常范围.

1.2 一次调频控制回路原理

一次调频控制回路的原理如图1所示.

图1 中虚框部分为自动负荷控制回路.在此部分中设计了一次调频功能，即将机组转速和转速设定值的偏差按设定的不等率死区限幅曲线加至功率指令，作为自动负荷控制回路输出的功率指令.这样，控制系统中有两个位置接收机组的转速信号，分别位于自动负荷控制回路和转速控制回路.因此，机组一次调频功能也可在两种情况下实现，即转速调节模式和自动负荷控制的调节模式.在转速调节模式下，机组转速与转速给定值的差值直接进入纯比例环节计算后即得到GVCSO值，进而控制燃料调节阀动作，中间没有死区限幅限速等环节，因此其调节速度非常快，基本可在机组的一个运算周期内完成，这类似于常规汽轮机的DEH侧一次调频.

在自动负荷控制模式中，将频差在加至功率给定后，需经一限速环节按照一定的速率改变机组的功率或转速调节设定值，因此其一次调频的响应速度就会慢得多，这类似于常规汽轮机的CCS 侧一次调频［4，5］.

2 一次调频的控制方式

M701F燃气-蒸汽联合循环发电机组的负荷调节有4种基本方式:ALR OFF模式下GOVERNOR;ALR OFF模式下LOAD LIMIT;ALR ON模式下GOVERNOR;ALR ON模式下LOAD LIMIT.

2.1 GOVERNOR方式

采用纯比例P控制回路，不等率为4%(可以修改)进行转速自动调节［5］.在机组并网前，额定转速下进行自动同期调节可进行空负荷时的转速调节.机组并网后，若机组在GOVERNOR方式下运行，通过改变转速设定值“SPSET”来改变机组的负荷，转速设置3 000 r/min时为0 MW，转速设置3 120 r/min(不等率为4%)［5］时为额定负荷，这与纯液调机组通过改变同步器来改变机组负荷有点相似.GOVERNOR的调频控制方式分为ALR ON模式和ALR OFF模式两种.

在ALR ON模式下，GOVERNOR的转速设定值由ALR的负荷设定值ALR SET与机组实际功率信号比较后得到，GOVERNOR输出GVCSO使机组实际负荷始终等于ALR SET，机组负荷实际上为闭环无差调节，此时机组是否具有一次调频功能取决于ALR ON模式是否有调频功能.

在ALR OFF模式下，GOVERNOR转速设定值由运行人员手动设定，此时机组具有一次调频功能.

GOVERNOR方式不等率的设置在TCS系统中，通过设置给定值模块GC040_SG08的参数SG=4，则不等率为4%，具体设置见图2.

图2 GOVERNOR方式下转速不等率逻辑设置

2.2 LOAD LIMIT方式

LOAD LIMIT方式与GOVERNOR方式在进行调频时两者任选其一.LOAD LIMIT方式为功率闭环无差调节，机组功率设定值为 LDSET(LOAD SET).

在LOAD LIMIT方式下，GOVERNOR方式处于跟踪状态，即将GOVERNOR的输出跟踪控制信号CSO加上5%.当电网频率以很快的速度上升，造成GOVERNOR的控制输出GVCSO减少超过5%时，机组控制信号输出CSO会暂时切换到GOVERNOR的CSO输出，当电网频率一直上升，并使GVCSO减少超过6 s时，GOVERNOR会参与调频，在电网频率下降后使GVCSO恢复至正常;当电网频率下降时，GOVERNOR的控制输出GVCSO只会增加，因此CSO不会切换到GVCSO.可见，这种模式下机组对电网的调频作用意义不大，此时机组不具备一次调频功能.LOAD LIMIT的调频控制方式也分为ALR ON和ALR OFF两种模式.

在ALR ON模式下，LOAD LIMIT的目标功率设定值为ALR的负荷设定值ALR SET，此时机组是否具有一次调频取决于ALR ON模式是否具有调频功能.

在ALR OFF模式下，LOAD LIMIT的功率设定值由运行人员手动设定，此时机组没有一次调频功能.

2.3 ALR ON模式

自动负荷运行(AUTO LOAD RUN)，是在GOVERNOR方式和LOAD LIMIT方式基础上更高层次的控制方式.在ALR ON条件下，ALR的输出作为机组功率设定值ALR SET送到GOVERNOR方式和LOAD LIMIT方式的回路中.

ALR ON下还有ALR MAN和ALR AUTO两种方式.在ALR MAN方式下，ALR目标功率可以手动给定或机组根据工况自动给定.在 ALR AUTO方式下，ALR目标功率跟踪中将EMS调来的目标负荷作为指令信号，即AGC的控制方式.

在ALR ON模式中，机组负荷是闭环无差调节的，在没有进入温控模式下，若机组实际负荷比ALR功率设定值 ALR SET低，则自动增加GOVERNOR方式的SPSET值或LOAD LIMIT方式的LDCSO值.若机组实际负荷比ALR目标功率ALR SET高，则自动降低GOVERNOR方式的SPSET值或LOAD LIMIT方式的 LDCSO值.同时，若下一级在 GOVERNOR方式下，虽然GOVERNOR有调频功能，但若ALR ON没有一次调频功能，则GOVERNOR的调频量会被ALR ON的功率闭环调节抵消或减弱.

要实现ALR ON模式下机组的一次调频功能，必须将频差信号叠加到ALR功率设定值ALR SET上.在TCS的GC30页逻辑设计有一个频差-负荷函数曲线GC30_FX04，通过设置函数曲线GC30_FX04即可使ALR ON具有一次调频功能.

根据电网要求，M701F机组额定功率Pn为390 MW，一次调频最大调整量为+6%，即+23.4 MW，GC30_FX04的设置如表1所示.

表1 一次调频转速-负荷修正量的设置

负荷调整量如图3所示，按转速不等率为5%设置，即电网频率超出设置死区后，负荷调整量为 +2.6 MW/r·min－1;若转速不等率为 4%，则负荷调整量为 +3.25 MW/r·min－1.

图3 GC030_FX04一次调频频差-负荷曲线设置

增加ALR ON一次调频功能后，送到中调EMS的“机组一次调频投入”信号也作相应修改，可实时将机组一次调频投/退状态送到中调.

3 一次调频投/切状态试验步骤

一次调频投/切状态的试验步骤如下:

(1)强制“机组一次调频投入”信号为0;

(2)联系中调，确认EMS显示机组一次调频在切除状态，若显示状态不一致，则暂停试验，待查明原因消除故障后重做试验;

(3)强制“机组一次调频投入”信号为1;

(4)联系中调，确认EMS显示机组一次调频在投入状态，若显示状态不一致，则暂停试验，待查明原因消除故障后重做试验;

(5)恢复“机组一次调频投入”强制信号;

(6)将机组负荷稳定在180～300 MW;

(7)将机组切换到ALR OFF模式下的LOAD LIMIT方式或确认机组已在此方式下;

(8)联系中调，确认EMS显示机组一次调频在切除状态，若显示状态不一致，则暂停试验，待查明原因消除故障后重做试验;

(9)将机组切换到 ALR OFF模式下的GOVERNOR方式，或确认机组已在此方式下;

(10)联系中调，确认EMS显示机组一次调频在投入状态，若显示状态不一致，则暂停试验，待查明原因消除故障后重做试验;

(11)将机组切换到ALR ON模式下的GOVERNOR方式或确认机组已在此方式下，投入FREQUENCE ON到ON位置，此时机组投入了一次调频;

(12)联系中调，确认EMS显示机组一次调频在投入状态，若显示状态不一致，则暂停试验，待查明原因消除故障后重做试验;

(13)将FREQUENCE ON切换到OFF位置，联系中调，确认EMS显示机组一次调频在切除状态，若显示状态不一致，则暂停试验，待查明原因消除故障后重做试验;

(14)将机组切换到ALR ON模式下的LOAD LIMIT方式或确认机组已在此方式下，投入FREQUENCE ON到ON位置，此时机组投入了一次调频;

(15)联系中调，确认EMS显示机组一次调频在投入状态，若显示状态不一致，则暂停试验，待查明原因消除故障后重做试验;

(16)将FREQUENCE ON切换到OFF位置，联系中调，确认EMS显示机组一次调频在切除状态，若显示状态不一致，则暂停试验，待查明原因消除故障后重做试验;

(17)将机组切换到ALR OFF和LOAD LIMIT方式或确认机组已在此方式下;

(18)试验结束，恢复调频-负荷修正量的强制信号.

4 试验结果

笔者对3台机组分别进行了一次调频功能的动态扰动试验，并对扰动试验结果进行了分析.

4.1 负荷在350 MW时的3 r/min和8 r/min偏差扰动试验

其试验结果如图4所示.由图4a可知，在转速增加或减小3 r/min时，负荷也随之相应地增加或减少.在此过程中GVCSO＞BPCSO，叶片通道温度(BPT)变化不大，调节品质能够良好地表现出来.

图4 负荷在350 MW时的扰动趋势

由图4b可知，当机组转速跳跃增加8 r/min后，负荷也随之增加.在此过程中，由于机组处于较高负荷下，迅速增加的负荷使得BPCSO瞬间大于GVCSO，机组进入温控状态，由于内燃机的自身特点，使得负荷的增加速率不会很快.

4.2 负荷在260 MW时的3 r/min和8 r/min偏差扰动试验

其试验结果如图5所示.由图4和图5可知，与3 r/min扰动相比较，8 r/min扰动下负荷变化率明显增大，其调节品质也较出色.

图5 负荷在260 MW时的扰动趋势

5 结果分析

经过对3台机组进行带负荷的扰动试验后发现，虽然M701F燃机因自身特点使得其一次调频功能与常规燃煤机组略有不同，但能很好地满足电网的一次调频要求.其一次调频的具体特点如下:

(1)燃机运行中当外界气温(进气温度)较高时，在高负荷下可能会进入温控状态，即CSO=BPCSO，此时若电网频率有较大变化，负荷的变化率将较小;

(2)由于正常运行中燃机所带负荷最低不能低于240 MW，在此情况下负荷只能向上调而不能向下调;

(3)在给定扰动偏差试验中，如果给定偏差前转速在向给定偏差相反方向变化而偏差较小时，负荷改变量不会很明显;

(4)由于在转速控制模式下机组启动较快，但在燃机正常运行过程中，负荷控制模式下的一次调频质量要高于转速控制模式下的调频质量，因此建议以转速控制模式启动，当机组达到需要投入一次调频功能的负荷后，再切换到负荷控制模式.

6 结论

(1)在3种运行方式下机组具有一次调频功能，其中ALR OFF GOVERNOR方式下一次调频是系统固有的，不能退出.而 ALR ON GOVERNOR和ALR LOADLIMIT方式下的一次调频可以根据需要进行投/切.另外，一次调频开关投/切显示与实际对应，满足机组一次调频投入的要求.

(2)ALR ON方式下机组参与一次调频的死区为 ±0.05Hz(±3r/min)，ALROFF GOVERNOR方式下一次调频无死区设置;机组转速不等率为4%～5%;通过查看三菱的内燃机和汽轮机调门试验报告，机组迟缓率不大于0.2%.

(3)ALR ON方式下机组一次调频最大幅值为 ±6%Pn(约为 ±23.4 MW)，ALR OFF GOVERNOR方式下一次调频最大幅值没有限制，但在调频量超过5%时会自动降低调节速率;当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组一次调频响应时间在3 s内;

(4)机组3种运行方式下，在电网频率变化超过机组一次调频死区开始时的45 s内，机组实际出力与响应目标偏差均不大于4.91%Pn，满足《惠州LNG电厂3×390 MW燃气-蒸汽联合循环发电机组运行调度协议》中不大于9%Pn的要求.

［1］张秋生.大型火电机组一次调频参数的设置及其对协调控制系统稳定性的影响［J］.河北电力技术，2004(5):9-11.

［2］刘尚明，王纯.燃气轮机及联合循环一次调频控制综述［J］.热力透平，2004，33(3):154-157.

［3］宋敏强，祝建飞，邱佳敏.燃气轮机联合循环机组AGC及一次调频研究［J］.华东电力，2009(5):828-831.

［4］张斌.火电机组一次调频策略分析及应用［J］.华东电力，2002(12):65-67.

［5］段南，李国胜，王玉山.大型火电机组一次调频功能投入的研究［J］.华北电力技术，2003(10):1-4.