火力发电机组一次调频问题分析及解决方案

庞向坤，郎澄宇，韩英昆，梁英哲

（1.山东电力集团公司电力科学研究院，山东 济南 250002；2.华北电力大学，北京 102206）

0 引言

随着新能源并网、负荷增长和电网规模的不断增大，在特高压电网和大区电网互联的新形势下，各级电网联系日渐紧密，电网和机组之间协调配合的要求也越来越高［1］，网厂协调功能中的一次调频成为稳定电网的有效手段之一。

发电机组一次调频功能是汽轮发电机组固有的功能，主要是通过调节DEH系统的进汽调节门，利用锅炉蓄热，快速响应电网的要求，稳定电网频率，以弥补电网负荷差距，维持电网的安全。

1 单元机组负荷控制的组成

单元机组的负荷组成由上而下分4层：负荷管理中心、协调控制系统、锅炉和汽机子控制系统、控制对象。如图1，负荷管理中心主要是用来产生负荷指令，接受电网调度中心给出的指令或操作员要求给出的指令，然后根据实际的频率、功率、汽压、机组的运行工况、及其辅机的状态等加以计算，把机组能承担的实际负荷信号送给锅炉和汽轮机子系统，各个子系统发出指令去作用控制对象［2-3］。当电网频率发生变化，机组一次调频立即动作，指令直接叠加到调节机构上，传动机构带动发电机做功，完成热能到电能的转化。

图1 单元机组的系统结构

2 火电机组一次调频问题分析

机组一次调频的控制功能框架基本上是一种简单的有差线性调节，即按照并网相关文件的技术要求在负荷控制逻辑中设置对应的调频量静态函数，但火电机组在运行过程中的动态特性的不一致及运行参数的变化，现有的一次调频控制策略不能满足机组不同参数下一次调频的响应能力，致使一次调频响应幅度不够或调节过大，主要原因是一次调频的变化幅度是在机组的额定参数下的一个响应，但在实际运行过程中，受机组运行参数、运行方式及锅炉运行状态的影响，导致机前压力达不到相应的要求［4］；另外DEH调门流量非线性特性对机组一次调频性能的影响往往使人忽视［5］，网内许多机组由于未能规范、定期整定阀门流量补偿曲线致使汽轮机调门在不同开度，发电机组调频性能呈现出较强的非线性，局部不等率就会相应的改变，使一次调频的实际动作幅度调节不够或者产生超调，难以兼顾负荷全程范围的一次调频能力。

3 基于DEH侧的一次调频修正

经过理论研究与大量的试验，提出一个函数对一次调频进行负荷补偿修正。所采用的逻辑方案如图2。一次调频功率补偿量采用与修正函数相乘进行修正，修正函数是一个由机前压力、额定压力及阀门流量特性修正系数组成的函数，一次调频不动作时，修正函数根据机组的状态进行实时计算，当一次调频动作后，后面的切换块5产生一个自保持回路，维持机组一次调频动作时的状态参数，保持修正函数不变，避免负荷产生一定的摆动，维持一次调频动作的稳定性。

图2 DEH侧一次调频的负荷修正

图2中所用的修正过程采用修正函数f（x1，x2），它是由阀门流量特性修正系数ρ、机前压力x1及机组额定压力x2组成。

式中：δi为负荷i段的转速不等率；δN为额定转速不等率。

图3为一次调频动作时的负荷补偿曲线。

图3 一次调频负荷特性曲线

当有频差出现（越过死区）时，补偿负荷经过修正直接叠加到调门指令上，实现负荷的快速响应。补偿负荷的计算公式

式中：ΔP为功率补偿量；PN为机组的额定功率；n0为额定转速；Δn为转速偏差；δN为额定转速不等率。

由式修正函数和（2）式经处理后得到补偿负荷的修正指令ΔP′为：

经过修正后的一次调频功率补偿量，经过限幅器、切换块送到加法器处理后送至各个阀门特性曲线，控制调节阀的动作。

4 CCS+DEH方式下工程试验

一次调频试验的工况很多，而且是每个工况对应的试验点有3个，选取目前机组的普遍运行方式——协调方式，试验点选在75%的负荷点处，所以试验是在CCS+DEH方式下进行的，并且采用了优化方案。试验对象亚临界机组，额定出力330 MW，高中压合缸，中间再热双缸双排汽凝汽式汽轮机，高中压缸采用合缸反流结构，低压缸采用双层分流结构，汽轮机具有八级非调整回热抽汽，汽轮机的额定转速为3 000 r/min。

机组设定的转速不等率为5%，转差为12 r/min（频差为0.2 Hz）时，不计调频死区，则根据公式（1）计算出功率补偿量ΔP=26.4 MW。

选择75%的负荷点进行试验，减负荷过程曲线如图4（光标在动作3 s处）。

图4 一次调频减负荷过程中各个参数的实时曲线

一次调频主要技术指标要求计算如表1。

表1 一次调频减负荷过程中性能指标计算结果（转差包括死区）

从图4和表1可以看出，一次调频在减负荷过程动作过程中，无论是静态指标、动态指标还是负荷变化幅度都满足性能指标的要求。

升负荷过程曲线如图5（光标在动作30 s处）。

图5 一次调频升负荷过程中各个参数的实时曲线

一次调频主要技术指标要求计算如表2。

表2 一次调频动作升负荷过程计算结果（转差包括死区）

从图5和表2可以看出，一次调频在升负荷过程动作过程中，无论是静态指标、动态指标还是负荷变化幅度都满足性能指标的要求。

5 结语

并网机组的一次调频性能的好坏直接影响电网频率的稳定，影响发电有功功率和负荷之间的平衡关系，引起电网的有功失去平衡，产生系统频率波动。 因此深入机组的一次调频功能技术研究，改善机组的一次调频的性能显得格外重要。从通过机组的调频原理和机组运行动态特性出发，提出了改善机组的一次调频的性能的修正公式，对智能电网下火力发电机组的一次调频的改进和提高具有借鉴意义。