机网协调模式下一次调频逻辑优化设计

韩英昆 ，牟 琳，韩德顺

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250002；2.山东大学，山东 济南 250061；3.山东电力调度控制中心，山东 济南 250001）

0 引言

随着特高压、新能源、智能电网的建设及发电技术的成熟，大容量火力发电机组建设已成为技术主流，影响电网运行频率的因素也越来越多，电网的安全可靠运行对电网调频性能的依赖性也越来越大，机组调频能力是机网协调发展的一个重要支撑。因此对发电机组的涉网试验性能要求也越来越严格。为了提高电能质量和电网频率的控制水平，优化机组机网协调性能，并网发电机组都要求具备相应的一次调频能力。以生产实际过程中典型并网火电机组为例，介绍一次调频的控制原理、实现及其相应的参数配置，结合生产过程中发现的问题，探讨如何合理设置优化一次调频的组态逻辑，避免生产过程中一次调频动作对机组安全运行产生不利影响。

1 一次调频概述

在电网实际运行中，由用户消耗负荷变化影响，引起电网实际运行频率变化较小、变动周期较短的微小分量，主要靠汽轮发电机组本身的调节系统直接自动调整汽轮机调门完成电网负荷补偿，修正电网频率的波动，这个过程即为发电机组的一次调频［1］。

发电机组汽轮机电液控制系统即DEH系统中一次调频功能通常是将汽轮机转速与额定转速的差值直接转化为功率信号补偿或流量补偿，控制结构原理图如图 1 所示［2］。

图1 一次调频控制结构原理图

在我国电网额定频率为50 Hz，汽轮机额定转速为3000 r／min，额定转速与汽轮机实际转速的差值经函数变换后生成一次调频补偿因子，一次调频功能投入时，直接与功率或流量信号叠加，控制汽轮机的调门开度，一次调频切除时，调频补偿因子为零，不参与系统控制。

2 一次调频函数的设置

随着用户对电能质量和电网频率要求的提高，电网对并网机组的一次调频性能要求也越来越严格，因此发电机组一次调频的参数设置也就越来越重要。

2.1 不带死区不带限幅方式

只要机组实际转速与额定转速有偏差，一次调频就动作，汽轮机的高压调门就动作，不利于系统的稳定运行。限于我国电网的容量与稳定性性能要求，这种调频方式一般不适用于我国目前的发电机组。

2.2 带死区不带限幅方式

设置一定的转速死区，在偏差死区范围内，一次调频不动作，超出偏差死区，一次调频投入。目前我国大部分机组采用这种一次调频方式。

2.3 带死区但不改变不等率δ不带限幅方式

与2.2相比，这种模式设置了调频死区，但在频差死区临界点处，存在一次调频补偿因子突变过程，将使机组的调门突然开关动作，引起机组协调控制系统中燃料、给水、送风等参数的突变，造成系统运行不稳定。

2.4 带死区带限幅方式

与2.3相比，这种调频方式增加了调频限幅功能，可有效防止机组频差信号超限时引起机组调频超负荷现象。适当修改参数也可实现单向限幅功能。

2.5 调频函数设置实例

以一台超超临界直流锅炉运行机组为例，机组额定容量1000 MW，一次调频控制方式采取DEH＋CCS控制，按照山东电力系统机网协调相关技术要求，不等率δ设为5%，转速死区为±2 r／min。一次调频最大补偿要求为额定负荷的6%，采用2.4所述的带死区带限幅的设置方式，一次调频指令函数设定值如表1所示，表中：转速偏差＝额定转速－实际转速。其一次调频函数设置曲线如图2所示。

图2 一次调频函数设置曲线

当转速与额定转速偏差大于2 rpm转时，转速偏差经过调频函数计算得出一调频补偿值直接加到机组调节器控制阀门开度值及机组控制指令上，控制高压调门的开度变化，完成机组的一次调频［3］。

表1 一次调频指令函数刻度设定值

3 一次调频组态存在的问题

电站机组在实际运行生产中，为了安全可靠，一般采用固定范围投入一次调频的设置方式，目的为了保证机组在一次调频发生时，不出现超出机组稳定运行的负荷区间。但是，某些机组由于在范围限制时逻辑组态使用不当，不但不能起到正确的限幅保护，反而给机组安全运行带来不利影响。下面列举几种不恰当的保护组态方式。

3.1 投入条件设置不恰当

如某330 MW机组，组态设置如图3所示，实现一次调频在180～330 MW区间投入，调频补偿负荷额定设置为－26.4～＋26.4 MW，超出范围自动退出一次调频功能。

图3一次调频投入条件限幅不当组态逻辑

图3所示逻辑组态，虚框内的固定投入范围功能块虽然保证了超出180～330 MW区间一次调频自动退出，但是在两个限幅点左右，如在183 MW负荷点，机组一次调频减4 MW负荷时，机组负荷小于180 MW，调频退出瞬间，机组负荷指令又增大，机组升负荷大于180 MW，调频又投入，调频指令起作用，机组又减负荷，如此反复，出现一次调频频繁投入退出。类似于此类组态设置的调频投入方式，在限幅点往往会引起机组负荷震荡，不利于机组安全运行。

3.2 调频补偿负荷限幅组态不当

如图4所示。某600 MW机组，一次调频组态设置目的是限幅调频补偿负荷最大为36 MW，机组调频区间为300～600 MW，在接近限幅点左右，逻辑实现自动调整调频负荷补偿幅度，使机组运行负荷不超过高低限值。如在590 MW时，如果出现调频补偿20 MW情况，逻辑组态自动计算一次调频指令最大为10 MW，使机组最高指令为负荷高限600 MW，而不会出现机组负荷指令将达610 MW，超出机组运行负荷高限，保证机组安全运行。

图4 新型一次调频控制逻辑框图

但是图4逻辑组态设计在自动计算调频补偿时，选取机组实际负荷做比较参数，在正常情况下不会影响一次调频调节，在接近高低负荷限值点，则会发生调频指令达不到额定实际，影响机组一次调频指标。如在590 MW负荷时，叠加一次调频前机组指令590 MW，它在调频动作过程保持不变，机组出现调频增负荷10 MW，调频瞬间机组实际指令为600 MW，机组升负荷，但是升负荷过程中，逻辑计算出的机组调频指令逐渐减小，机组实际指令也同步减小，理想状态下，最终机组总指令与实际负荷稳定在595 MW，影响机组一次调频性能，调频过程曲线如图5所示（假设机组调频过程负荷变化率固定不变）。t1时刻前，负荷指令与实际负荷曲线重合，均为590 MW，机组稳定运行，t1时刻，机组一次调频动作，补偿升负荷10 MW，叠加机组调频指令后，机组理想负荷指令为600 MW。t1至t2时刻，为一次调频动作过程，机组负荷上升，同时一次调频指令自动减小，造成机组实际负荷指令减小，最终机组稳定在t2时刻，机组实际指令和负荷均为595 MW，未达到一次调频技术指标要求。

图5 一次调频动作曲线

4 影响一次调频功能的不利因素

4.1 降参数运行

考虑机组运行的经济性，目前大部分机组采用滑参数运行，在不同的负荷段，机组运行不同压力参数，保持汽轮机调门一定的开度，减小调门的节流，提高机组运行经济性。但是滑压运行，增大机组调门开度，给机组一次调频性能带来了较大影响。机组调门开度超过一定值，其流量特性越来越差，一次调频动作时，增加机组增负荷指令，即使给了开调门指令，调门按指令动作，由于流量特性限制，机组负荷补偿也有限，进而影响机组一次调频能力。

4.2 汽机跟随运行（TF方式）

机组在汽机跟随方式下运行时，汽机控制对象为机前压力，一次调频动作时，机组负荷根据电网频率波动做相应补偿调整，机前压力也会随之发生变化，此时TF控制回路势必进行压力修正调节，而这一过程与一次调频动作是反作用的，比如电网频率小于额定值时，机组一次调频动作升负荷，机前压力降低，而TF方式调整压力，则进行下关汽机调门提高机前压力，这样机组又会降负荷，所以机组运行在TF方式下，不做压力特殊修正，一次调频性能不能满足设计要求。

4.3 汽机调门线性度差

机组长时间运行，尤其机组调门经过解体大修等过程后，其流量曲线会发生明显的漂移变化，如调门不对其流量特性曲线重新整定，对整个机组负荷调整控制过程均有比较大的影响，一次调频动作的负荷补偿更得不到可靠保障。

4.4 一次调频优化设计方案

根据机组瞬时发电负荷指令P及机组一次调频投入上、下限值 P1、P2，通过 SUB、MAX、MIN 算法模块，自动计算出一次调频理论补偿负荷限幅值，来设定H／L限幅模块的高低限幅值。根据电网运行频率波动差值（或用汽轮机转速波动代替电网频率波动）通过设定函数F1（x）计算出机组一次调频理论补偿负荷值，通过H／L限幅模块保证机组调频动作不超过机组正常调节范围内，限制机组一次调频补偿指令在（－ΔP～ΔP）之间，防止机组出现大幅扰动，保证机组安全稳定运行，具体实现控制逻辑组态如图6所示，图中P为机组瞬时发电负荷指令（不叠加一次调

图6 新型一次调频控制逻辑框图

频指令）；P1为机组一次调频投入负荷上限；P2为机组一次调频投入负荷下限；Δf或Δn为机组频率偏差或机组转速偏差；ΔP为机组一次调频补偿理论值，一般取 ΔP＝机组额定容量k（现行相关技术要求规定：机组额定容量小于250 MW时，k不小于10%；机组额定容量大于等于250 MW小于等于350 MW级机组，k不小于8%；机组额定容量大于350 MW小于等于500 MW级机组，k不小于7%；500 MW以上机组，k不小于6%）；SUB为减法计算模块；MAX为两输入变量输出取大计算模块；MIN为两输入变量输出取小计算模块；MUL为乘法计算模块；H／L为限幅模块：限制输出值在固定范围内；F1（x）为计算函数，一般根据不等率设置调频曲线。

同时根据机组运行过程中实时主蒸汽压力，通过调频补偿修正功能块计算出机组一次调频指令修正系数，修正一次调频指令输出，保证机组一次调频动作在各个运行工况下满足设计要求，尽快修正电网频率波动，保证电网供电质量。

5 结语

随着电力系统对机网协调性能的要求提高，火电机组一次调频性能一般采用DEH＋CCS完成，DEH中一次调频功能响应速度快，动作迅速，系统相对独立，易于操作，不会对机组的稳定性造成大的影响，而协调控制系统（CCS）中一次调频以功率为调节基准，保证了一次调频的能力。正确的设置一次调频逻辑组态，协调利用好两侧控制系统特点，不仅能够满足一次调频的性能要求，又能满足机组稳定运行的需要，提高机组机网协调能力。

［1］肖曾弘.汽轮机数字式电液调节系统［M］.北京:中国电力出版社,2003.

［2］王付生.电厂热工自动控制与保护［M］.北京:中国电力出版社,2005.

［3］韩英昆，孟祥荣，牟琳.1000 MW火电机组DEH一次调频控制方式应用与探讨［J］.华东电力， 2008（3）：95－97.