全滑压直流火电机组一次调频控制策略研究

曹琛

摘 要：上海地区某电厂2号机组汽轮机由ABB公司制造的超临界、单轴、四缸四排汽、一次中间再热、反动凝汽式汽轮机，型号为D37型，分散控制系统采用ABB Symphony系统。根据国家电网公司对上海地区火电机组参与电网一次调频的要求，有针对性地对机组DEH控制系统涉及一次调频回路、CCS控制逻辑、一次调频负荷指令回路及汽机主控回路压力偏差闭锁回路等逻辑进行了优化，于2016年进行了一次调频试验。试验表明，2号机组一次调频各项功能符合电网要求。

关键词：一次调频 CCS 调速系统 自动控制 AGC指令闭锁

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0037-03

目前，火电机组仍处于电网结构中的主体地位，因此，大型燃煤发电机组是发电侧响应网调一次调频需求的关键环节。根据《节能发电调度办法（试行）》要求，华东电网大量吸纳外来电量将成为常态，但因线路故障造成本地电网频率波动时有发生。其中的“9.19”频率扰动事件较为典型。

为保障电网及发电机组的安全稳定运行，提高电能质量及电网频率的控制水平，根据国家电网公司对机组参与电网一次调频的要求，考察上海地区某电厂2号机组在参与电网一次调频时机组负荷响应电网频率变化的能力。通过机组调速系统不同负荷点试验，测试机组调速系统的静态特性和相关指标，定量分析调速系统相关环节的技术参数，检测机组在电网存在网频偏差情况下的快速补偿能力。验证机组DEH和CCS中的一次调频逻辑和参数设置是否合理，以及增加主汽压力补偿后的一次调频效果及调整后的机组实际速度变动率、迟缓率、局部速度变动率、调频速度变动率是否满足要求，考核机组是否具备参与电网一次调频的能力。

1 试验标准及指标

1.1 技术标准

参照上海电网公司有关机组一次调频的规定，此次试验执行以下一次调频相关技术标准。

（1）《汽轮机调节控制系统试验导则》（DL/T-711-1999）。

（2）《上海电网一次调频运行管理规定（试行）》，国网上海市电力公司电力调度控制中心，2016年1月21日。

（3）《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》（GB/T 30370-2013）。

（4）《电网运行准则》（GB/T 31464-2015）。

（5）《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》（DL/T-744-2004）。

1.2 一次调频指标

根据《上海电网一次调频运行管理规定（试行）》要求，对发电机组一次调频的响应速度、调节幅度和调差率以及机组的调速系统、控制系统等进行定量或定性的技术要求，具体指标如以下几点。

（1）机组参与一次调频的死区。

配置DEH的火电机组：±0.033 Hz（±2 r/min）。

（2）机组调速系统的速度不等率（也称速度变动率）。

火电机组速度不等率：4%～5%，上海电网统一设定为4%。

（3）调速系统迟缓率。

DEH电液调节型，机组容量大于200 MW：迟缓率小于0.06%。

（4）一次调频响应行为时间要求。

当电网频率变化超过机组一次调频死区时，电液调节型机组响应时间应小于等于3 s，所有机组一次调频的负荷调整幅度应在6 s内达到50%目标负荷，达到75%目标负荷的时间应不大于15 s，应在30 s内根据机组响应目标完全响应。在电网频率变化超过机组一次调频死区时的开始60 s内，机组实际出力达到理论计算的一次调频的最大负荷调整幅度的95%～105%。

（5）机组参与一次调频的负荷最大调整幅度设定值。

600 MW火电机组：大于等于±6%Pn。

额定负荷运行机组，调频增加幅度不应小于机组额定负荷3%。

机组一次调频不应受到运行人员手动设定负荷上下限限制。

2 试验内容

2.1 机组一次调频功能设计

DEH系统和CCS系统中分别设计有机组一次调频回路，一次调频控制方式为DEH+CCS，即DEH内由额定转速与汽轮机实际转速之差，通过函数计算后直接动作调门；CCS同步进行目标负荷设定值的变化调节。两个系统同步作用保证了一次调频的快速性和准确性，使机组负荷满足电网一次调频要求。

DEH的转速偏差经过转速偏差-阀门综合开度函数，并由主汽压力修正后直接叠加到综合阀位指令回路，快速改变调节阀开度，保证一次调频的响应速度、幅度。

CCS系统中直接引入DEH转速偏差信号，通过转速偏差-机组目标负荷函数叠加到机组负荷指令形成回路，同时该调频负荷指令无延迟的直通汽机主控回路，避免CCS系统对实际DEH系统调频动作的回拉作用。考虑到主汽压力偏差大对汽机负荷指令的修正功能，在一次调频动作时，闭锁压力偏差大对汽机负荷指令的修正。

为实现机组一次调频动作幅度满足电网要求，增加DEH侧的优化逻輯：

（1）新增一页逻辑，实现一次调频动作时快动慢回功能：当一次调频动作时，过滤小的频率波动，让调门稳定开启，避免小的频率波动引起调门反调。

（2）增加机组当前负荷函数对DEH侧综合流量指令的高低限制。

（3）增加主汽压力对一次调频综合流量修正函数。

（4）区分DEH本地和CCS模式下，一次调频幅值改变幅度。

为实现机组一次调频动作幅度满足电网要求，增加CCS侧优化逻辑：

（1）增加负荷指令对协调侧一次调频功率指令限制。

（2）取消关于一次调频负荷指令的速率和惯性时间，速率从24 MW/s改为36 MW/s，仅保留随当前负荷函数设置的高低限制。

（3）变负荷前馈负荷指令改为一次调频负荷前指令。

为了实现机组负荷在变频动作时不至于超过机组许可负荷，增加变频动作指令保持及闭锁高低限制控制回路，同时在协调侧汽机主控回路进行相应的闭锁设定。

一次调频动作回路与AGC负荷指令升/降闭锁控制逻辑完善，增加人机界面接口，由运行人员按照电网要求设定所需转速偏差值，在机组转速偏差大于该限制值时，若电网频率高则闭锁AGC负荷指令增加机组负荷，若电网频率低则闭锁AGC负荷指令减少机组负荷。

根据电网相关规定，取消DEH侧一次调频投入/切除开关，改为一次调频回路在机组并网后即自动投入模式，增加一次调频动作次数统计、理论计算增加负荷累计、理论计算减少负荷累计逻辑并在协调画面上显示功能，同时在协调画面增加转速偏差大闭锁AGC负荷指令增/减人机接口并增加相关闭锁逻辑。

2.2 一次调频静态参数设置

根据上海电网相关规定及该机组特性，设置静态参数如以下几点。

（1）一次调频死区：±2 r/min；系统速度不等率：4%。

（2）一次调频负荷上限：+36 MW；一次調频负荷下限：-36 MW。

2.3 一次调频试验步骤

2016年4月10日至12日以及5月12日，经电网同意后进行该电厂2号机组一次调频试验，试验根据60%Pn、75%Pn和90%Pn负荷段顺序进行相关试验。

（1）机组一次调频死区和迟缓率测试。

（2）机组在350MW进行DEH一次调频试验和DEH+CCS模式下一次调频试验。

（3）机组在450MW进行DEH一次调频试验和DEH+CCS模式下一次调频试验。

（4）机组在550 MW进行DEH一次调频试验和DEH+CCS模式下一次调频试验。

3 试验结果

机组稳定运行于450 MW负荷段，市调分别在线监测大频差（±4 r/min、±6 r/min、-9.2 r/min）一次调频实际响应能力，验证在线检测功能正常，并计算得一次调频性能如表1。

CCS+DEH联合控制，频差±4 r/min、±6 r/min时，机组一次调频响应时间在1.94～2.70 s之间，转速不等率在3.26%～3.90%，1 min内机组均进入稳态运行，满足相关规程。鉴于该机组特性，主汽压力变化过快导致汽机旁路快开而影响机组安全，未在线测试频差+9.2 r/min的响应。当频差为-9.2 r/min时，但汽机调门接近全开且锅炉蓄能耗尽，造成转速不等率超过4%。

4 结论

通过对CCS及DEH的逻辑检查和优化，经实际测试，该电厂2号机组一次调频性能指标如以下几点。

（1）机组一次调频方式采用DEH+CCS联合一次调频方式。

（2）机组参与一次调频的死区为±0.033 Hz（±2 r/min）。

（3）汽机转速迟缓率实测为0.016%，小于规程要求的0.033%。

（4）机组一次调频最大幅值等于±6%Pn（±36 MW）。

CCS、DEH联合一次调频方式下，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1.46～2.94 s之间。在电网频率变化超过机组一次调频死区时开始15 s内，机组最大一次调频响应达到理论值75%。在电网频率变化超过机组一次调频死区时开始30 s内，机组最大一次调频响应达到理论值95%以上。

机组转速不等率在DEH+CCS联合模式下实测为3.98%～6.27%之间，在550 MW负荷段高转速偏差（±6 r/min和±9.2 r/min）实测速度不等率在5.18%～6.27%。在350 MW和450 MW负荷段实测速度不等率在3.98%～5.54%。

一次调频实测表明：汽机综合流量指令在85%～87%，机组综合调频能力最强。

机组纯滑压结构及炉侧主汽压力安全裕度低极易触发高旁快开保护功能，同时机侧原设计中压调阀参与流量调节程度较深，在高频差恢复时，极易造成再热蒸汽压力突升，并触发低压旁路阀快开；建议重新测算高中压调阀开启比例并对低压旁路逻辑进行完善。

由DEH侧引入主汽压力设定值、机组负荷高低限制控制回路来满足机组滑压运行阶段一次调频贡献量，并针对三组典型负荷段（350 MW、450 MW、550 MW）测试表明，在350 MW、450 MW负荷段内，机组调频响应时间、实际转速不等率和调频负荷量满足电网要求，550 MW负荷段优先保证机组安全性而部分牺牲调频质量。

根据《上海电网一次调频运行管理规定（试行）》规定，该电厂2号机组实测一次调频性能指标在保证机组安全前提下满足其要求。

参考文献

[1] 赵志丹，顾涛，陈志刚，等.超临界600 MW机组协调控制的优化[J].热力发电，2014，43（2）：117-121.

[2] 赵志丹，高奎，陈志刚，等.超（超）临界机组模拟量控制系统的调试及优化[M].北京：中国电力出版社，2016.