基于阀点的一次调频设计及其在1000MW火电机组中的应用

高文松，刘正强，王晓峰，黄宏伟,尹金亮，聂涛

(1.中电投河南电力有限公司技术信息中心，郑州市 450000；2.中电投河南电力有限公司平顶山发电分公司，河南省平顶山市 467312)

基于阀点的一次调频设计及其在1000MW火电机组中的应用

高文松1，刘正强1，王晓峰1，黄宏伟1,尹金亮1，聂涛2

(1.中电投河南电力有限公司技术信息中心，郑州市 450000；2.中电投河南电力有限公司平顶山发电分公司，河南省平顶山市 467312)

当汽轮机数字电液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系统使用固定系数的一次调频动作量时，由于受机组配汽特性的影响，在某些负荷段可能出现过调或欠调的情况，严重影响一次调频合格率。受汽轮机喷嘴蒸汽流量及其做功能力的启发，提出了一种基于阀点的一次调频(valve points primary frequency regulation，VPPFR)设计；设计中采用基于阀点和主汽压校正函数的变DEH控制系统侧动作量。该设计在实际应用中获得了较好的一次调频合格率。

火电机组；一次调频；阀点；主汽压

0 引 言

电力系统频率既是系统运行生产的重要质量指标，又是关系到系统安全稳定运行的重要因素。电力系统的频率主要取决于有功功率，即决定于原动机的驱动功率[1]。电力系统频率的一次调节是指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机组调速器的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式[2]。

为了实现一次调频的正确动作和准确调节，很多调试人员对机组调频特性进行研究，设计了不同的控制策略进行优化，取得了一定的效果[3-12]。本文提出一种基于阀点的一次调频设计(valve points primary frequency regulation，VPPFR)并将其应用到1 000 MW超临界火电机组中，以期取得较好的调节效果。

1 一次调频动作原理

一次调频动作原理如图1所示。

图1 一次调频动作原理图

由于一次调频一般为短周期、小幅值调节，汽轮机数字电液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系统前馈动作量和协调控制系统(coordination control system，CCS)机主控动作量成为一次调频的关键。DEH侧动作能直接改变调节门的开度，利用机组蓄热，快速改变负荷，从而达到一次调频快速性的要求。但DEH动作量是根据频差的比例变换，属于开环控制，不能完全保证电网对积分电量的要求。而CCS机主控一般为PI调节，积分环节的引入，弥补了DEH侧纯比例有差调节的不足，使机组的调频出力得到准确控制，保证积分电量满足转速不等率的要求，满足了一次调频稳定性的要求。DEH和CCS两侧回路相互配合才能达到满意的调频效果。本文认为，DEH侧首先动作到80%至90%的频差要求动作量，然后依靠CCS机主控调节剩余偏差，是最理想的调节方式。

由于一次调频的调整对象应为短周期、小幅值调节，较长周期或较大幅值的变化应该由二次调整完成(华中电网推出的考核办法中电量积分时间为60 s)，所以一次调频不用涉及燃料、给水等变化。文献[3]中建立的一次调频模型证明，在较高频段，不用考虑主汽压动态影响[3]，这与锅炉调节的滞后性是一致的。

2 基于阀点的一次调频设计

2.1 最佳滑压阀点

一般而言，汽轮机滑压运行模式可有四阀、三阀、二阀滑压运行，在汽轮机热耗特性已知条件下，其主汽压力是由高压调节门开度决定的。由此将主汽压滑压寻优的目标明确为：寻找和确定“最佳滑压阀点”。“最佳滑压阀点”在滑压区间内为唯一固定值，与以“最佳主汽压力”为寻优目标的传统方法相比，新寻优控制方法的对象更为明确，变为确定“最佳滑压阀点”和根据机组的汽耗率自动修正滑压初压设定值问题。

平顶山电厂采用先进的单调节门阀点滑压运行(即低负荷时采用阀门开度不同的二阀运行模式)，在750 MW负荷下，较二阀滑压又减少煤耗约0.8 g/(kW·h)。阀点曲线如图2，滑压曲线如图3所示。300～780 MW为定阀点滑压运行，780～1 000 MW为定压变阀点运行。

2.2 蒸汽做功能力

蒸汽通过喷嘴的流量[1]为

(1)

式中：G为喷嘴流量，kg/s；β为彭台门系数；An为喷嘴出口面积，m2；p0为喷嘴前蒸汽滞止压力，kPa；ρ0为喷嘴前蒸汽密度，kg/m3。

图2 阀点曲线

图3 滑压曲线

蒸汽做功能力与蒸汽焓值有关，而焓值决定于温度和压力，所以可用下式表示：

G*=f1(G,p0,T)

(2)

式中：G*为蒸汽做功能力，kJ；T为蒸汽温度，K。

β与蒸汽状态，即蒸汽压力、温度有关； An与调节门开度，即阀点有关；ρ0与温度、压力有关，所以式(2)可表示为

G*=f2(VP,p0,T)

(3)

式中VP表示阀点。用主汽压P代替p0，正常工况下，汽温T波动范围较小，所以式(3)可简化为

G*=f3(VP,P)

(4)

式(4)的意义在于，可以用VP和P表示蒸汽做功能力，为一次调频中基于阀点和主汽压校正系数的变DEH控制系统侧动作量提供了理论基础。

2.3 基于阀点的一次调频设计

基于阀点的一次调频原理如图4所示。从图4中可以看出，DEH控制系统侧一次调频动作量是基于主汽压和阀点校正的。

根据机组运行数据，辨识出的阀点运行曲线如图5和图6所示。

图4 基于阀点的一次调频原理图

图5 负荷-主汽压关系曲线

图6 负荷-阀点关系曲线

图5表示在定阀点时，随主汽压变化负荷变化情况，取数据倒数并进行归一化处理，便得到基于主汽压的一次调频校正系数，如图7所示。图6表示在定压运行时，随阀点变化负荷变化情况，取特定数据点的斜率的倒数并进行归一化处理，便得到基于阀点的一次调频校正系数，如图8所示。

图7 主汽压校正系数

图8 阀点校正系数

2.4 效果验证

将基于阀点的一次调频设计应用于1 000 MW超临界火电机组中，取得了较好的调节效果，一次调频100次动作合格率由原来的60%提高到72%，调节效果得到改进，有效地避免了由于机组配汽特性造成的一次调频欠调和过调情况。

3 影响一次调频效果的其他因素

影响一次调频效果的原因很多，除了受机组配汽特性的影响外，主要包括以下几项：

(1)信号的精确性。由于一次调频是快过程，信号的精确性就显得尤为重要，频率信号或转速信号传输中在数值上一定要精确，在时间上一定要同步。

(2)一次调频因子的设置。根据速度变动率合理设置调频因子，但在一次调频因子较小时，可能产生欠调，本文认为应该适当增大频率小偏差时的一次调频因子。

(3)主蒸汽压力的偏差。当主汽压实际值与设定值偏差大于机主控动作死区时，机主控会动作调节，若此时动作方向正好与一次调频动作方向相反，则会影响调频效果。应该设计主汽压闭锁逻辑，当一次调频动作时，若主汽压处于安全范围内，闭锁机主控对主汽压的调节。

(4)负荷的变化。一次调频动作时，若机组正处在变负荷阶段，且符合增减方向与一次调频相反，会影响调频效果。建议时刻保持自动发电量控制(automatic generation control，AGC)的投入，避免由于AGC投入初期受变负荷的影响，并且增加一次调频动作对负荷进行的闭锁。若AGC动作方向与一次调频方向相反，可以向电网调度中心反映，以便免除由此造成的考核影响。

4 结 论

(1)影响一次调频效果的因素复杂，需要根据调频效果逐项分析。

(2)本文提出的基于阀点的一次调频设计，引入基于阀点和主汽压校正函数的变DEH控制系统侧动作量，在实际应用中获得了较好的调频效果。

[1]黄树红，孙奉仲，盛德仁，等.汽轮机原理[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2]刘维烈，朱峰，李端超，等.电力系统调频与发电控制 [M].北京：中国电力出版社，2006.

[3]刘晓强，王西田.考虑主蒸汽压力变化的机组一次调频动态特性[J].热能动力工程，2008，23(2)： 140-143.

[4]傅望安，沈冲.基于纯滑压运行方式的一次调频性能优化在1 000 MW超超临界机组中的应用[J].电力建设，2010，31(11)：76-79.

[5]龚雪丽.电厂一次调频控制策略的分析及优化[J].电力建设，2005，26(9)：6-8.

[6]马素霞，马庆中，张龙英.中间再热机组一次调频特性研究[J].热能动力工程，2010，25(1)：72-76.

[7]陈小强，项瑾， 魏陆平，等.1 000 MW机组一次调频性能优化[J].中国电力，2010，43(4)：63-66.

[8]朱晓星，刘武林，周虎.国产600 MW超临界机组一次调频控制策略[J].电力建设，2009，30(3)：74-76.

[9]张为义.一次调频功能对火电机组运行适应性的试验分析[J].电力建设，2003，24 (1): 65-0.

[10]黄卫剑，张曦，陈世和，等.提高火电机组一次调频响应速度[J].中国电力，2011，44(1)：73-43.

[11]赵攀,戴义平,常树平. 河北南网一次调频特性研究[J].中国电力，2008，41(7)：5-10.

[12]戴义平,赵婷,高林. 发电机组参与电网一次调频的特性研究[J].中国电力，2006，39(11)：37-41.

(编辑：杨大浩)

PrimaryFrequencyRegulationDesignBasedonValvePointandItsApplicationin1000MWThermalPowerUnit

GAO Wensong1，LIU Zhengqiang1，WANG Xiaofeng1，HUANG Hongwei1，YIN Jinliang1，NIE Tao2

(1. Henan Company Technical Information Center of China Power Investment Corporation, Zhengzhou 450000, China；2. Henan Company Pingdingshan Power Branch of China Power Investment Corporation, Pingdingshan 467312, Henan Province, China)

During the action on DEH (digital electro-hydraulic) control system of turbine using a fixed coefficient of quantity, the primary frequency regulation may overshoot or undershoot in the certain load segment, because of the influence of steam distribution characteristics, which seriously affects the qualified rate of primary frequency regulation. Inspired by the nozzle steam flow and work capacity of turbine, this paper presented a design method for primary frequency regulation based on alve point (valve points primary frequency regulation, VPPFR), in which the action on DEH side was varied according to the correction function of valve point and main steam pressure. Through the practical application, it is showed that this method can obtain the satisfactory qualified rate of primary frequency regulation.

thermal power unit; primary frequency regulation; valve point; main steam pressure

TM 621

： A

： 1000-7229(2014)05-0099-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.017

2013- 11- 17

：2013- 12- 20

高文松(1984)，男，硕士，主要从事复杂系统建模、仿真与控制相关工作，E-mail：wensong-gao@163.com；

刘正强(1976)，男，本科，高级工程师，主要从事电厂技术管理工作；

王晓峰(1970)，男，本科，高级工程师，主要从事电厂技术管理工作；

黄宏伟(1968)，男，本科，高级工程师，主要从事电厂技术管理工作；

尹金亮(1963)，男，本科，高级工程师，主要从事电厂节能优化工作；

聂涛(1976)，男，本科，高级工程师，主要从事电厂热控研究及管理工作。