超超临界机组一次调频控制策略优化及应用

刘 静

(古交西山发电有限公司，山西 古交 030206)

电网频率是电网稳定运行的重要参数，在电网稳定运行中，电网频率稳定于额定频率。当电网用电负荷增加时，电网就出现了功率的缺额，电网频率就会降低。反之，电网频率升高。当频率波动超出额定值时，并网机组会自动调整有功功率的增减，使电网频率维持在额定频率，这个过程就是一次调频[1].

近年，随着华北网谷峰差日益加大以及新能源发电占比增大，电网频率波动更加频繁，因此，华北网越来越重视电网的安全稳定性。2019年华北网对《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》中一次调频考核内容进行了修改，进一步强化了一次调频的考核要求。因此，华北网各直调电厂都面临较大的一次调频考核电量，亟需优化改善一次调频合格率。

1 华北网一次调频考核细则

根据国家能源局华北监能市场(2019)254号文《华北区域并网发电厂“两个细则”(2019年修订版)》，华北网对机组每次响应一次调频动作情况考核有3个指标：

1)15 s出力响应指数ΔP15%.从电网频率超出动作死区开始计算，15 s内并网机组响应一次调频的实际最大负荷调整量与并网机组响应一次调频的理论最大负荷调整量的比值。ΔP15%>75%为合格。

2)30 s出力响应指数ΔP30%.从电网频率超出动作死区开始计算，30 s内并网机组响应一次调频的实际最大调整量与并网机组响应一次调频的理论最大调整量的比值。ΔP30%>90%为合格。

3)电量贡献指数Q%.机组一次调频动作期间(A0～B0)，机组一次调频实际贡献电量占理论贡献电量的百分比。Q%>75%为合格。

当电网频率超出一次调频动作死区(±0.033 Hz)时，华北网根据上述3个指标对并网机组一次调频动作情况进行考核。单个指标不合格,考核并网机组电量3.96 kWh，折合人民币约1 200元；3个指标都不合格,考核并网机组电量11.88 kWh，折合人民币约3 600元。

2 机组一次调频存在问题

2.1 机组主要参数

古交西山发电有限公司2×660 MW超超临界汽轮机型号为CZK660/570-26.25/0.4/600/600，单轴、一次中间再热、三缸两排汽,该机型采用调节全周进汽的汽轮机组，汽轮机调速系统由两个相互独立的高压阀组构成，每个阀组由1个主汽阀+1个调节阀+1个补汽阀和两个中压联合汽阀组成，其中补汽阀在运行中最大可开至37%.

该机型采用全周进汽，汽轮机主汽阀节流小可以提高机组的经济效益，但是机组的蓄能较差，给一次调频的调节带来了不利因素。2019年，华北网实施新考核细则后，机组一次调频3个指标平均合格率只能达到40%左右，单台机组每月考核电量达600 MWh，折合人民币约20万元。增加了机组的运营成本。

该公司利用汽轮机转速信号进行一次调频的判断和计算，一次调频死区为±2 r/min(±0.033 Hz)，由协调控制(CCS)和数字电调系统(DEH)共同完成。DEH作为前馈直接作用在汽机阀门指令中，主要作用为快速响应一次调频动作；CCS负荷指令分别作用于汽机主控与锅炉主控中，主要作用为保证机组能持续响应一次调频动作，其原理见图1.

图1 原一次调频控制原理图

2.2 一次调频存在的问题

2.2.1转速信号对于频率信号的失真

并网机组一次调频采用汽轮机转速信号来判断和计算，这种处理方式在机组处于稳态时是没有问题的，因为此时并网机组的转速信号与电网频率一致。但当电网频率波动，并网机组处于暂态时，汽轮机转速信号对电网频率会失真，这是由于测量方式的误差和汽轮机转速对于电网频率有一定的滞后导致的。因此，造成了并网机组一次调频动作与电网一次调频考核不同步。

该公司机组采用汽轮机转速信号进行一次调频动作判断，每天一次调频动作约一千次，然而华北网采用电网频率信号进行一次调频动作判断，每天实际计入考核次数只有4～7次，节假日20次左右。由此可知，该公司90%以上的一次调频动作为无效动作，且一次调频动作信号呈脉冲式，导致机组频繁往复地响应一次调频动作。因此，转速信号对频率信号的失真是一次调频合格率低的主要原因。

2.2.2一次调频指令与AGC指令相反

该公司两台机组正常处于协调控制方式，机组负荷同时受电网自动发电量控制(AGC)负荷指令与一次调频影响。当机组降负荷过程中因电网频率低需要一次调频加负荷，此时机组虽然闭锁反向AGC负荷指令，优先响应一次调频逻辑，但是汽轮机进行负荷调节的过程中，机组的实际负荷和负荷指令始终存在一定偏差，即使负荷指令不再变化，汽机主控的积分作用仍会将负荷拉回，导致电量贡献指数低于75%甚至会出现负数，产生考核。

2.2.3汽轮机阀门流量特性对一次调频的影响

由于该公司汽轮机采用节流调节全周进汽配汽方式，主汽阀与补汽阀的流量特性曲线不是十分成熟，且主汽阀与补气阀的重叠度设置不当，导致一次调频DEH侧的前馈调节不精确，严重影响一次调频的品质。

2.2.4主汽压力对一次调频的影响

机组DEH侧的调频阀位增量与频差(转速差)为线性函数，且该函数是根据机组处于额定压力设定的，但是机组主汽压力采用定-滑-定的运行方式，因此机组在绝大部分时间内主汽压力是低于机组额定压力的，导致DEH侧的前馈带来的负荷增量偏小，严重影响一次调频的调节效果。

2.2.5传统一次调频策略对调频持续性的制约

传统一次调频控制系统是一种有差频率比例调节系统，通过观察研究，负荷对阀位变化的响应时间需要2～3 s，在调频动作的过程中阀门指令变化后，负荷还未达到理论要求，而后阀门由跟随机组转速往复变化，影响了电量贡献指标，同时机组功率也会出现大幅度快速波动，不利于电网的安全稳定。

3 一次调频控制策略的优化方案及应用

3.1 转速信号及转速不等率的修正

转速信号对频率信号的失真问题可以由转速信号进行滤波处理，剔除由于电网低频振荡导致的无效动作，采用滤波后的转速信号进行一次调频判断和计算。为了保证机组一次调频动作及时且连续，把一次调频动作死区适当调小至±1.9 r/min，在一次调频动作值和复归值之间设立0.05 r/min的死区。通过对转速信号处理后可以剔除60%的一次调频无效动作，同时还可以及时响应电网一次调频考核，但是处理后的信号仍不能完全与电网系统频率相匹配，要彻底解决信号不一致问题需增加高精度频率仪作为一次调频判断和计算信号。

为了提高机组在小偏差时一次调频15 s、30 s出力响应考核指标，将汽轮机转速不等率做非线性处理。当机组处于一次调频小偏差动作时降低汽轮机转速不等率，可以提高一次调频负荷调整量；当机组处于一次调频大偏差动作时汽轮机转速不等率仍维持在5%，可以避免机组因为一次调频动作而振荡，保证机组的稳定运行。一次调频频差函数设置见表1.

表1 一次调频频差函数设置表

3.2 调频动作闭锁AGC反向调节

相对于闭锁AGC反向指令的策略，系统将汽机主控的AGC指令切换为当前负荷。其控制原理见图2，当一次调频动作触发负荷闭锁信号时，系统通过两个切换模块(T)将负荷指令切换为机组当前负荷，此时汽机主控PID只受一次调频负荷增量指令影响，可以有效解决汽机主控积分作用产生的反向调节问题；该控制回路中负荷闭锁时间不可超过60 s，否则会影响机组AGC性能指标；负荷指令切换模块(T)两路输入之间应设置切换速率，防止切换过程中出现扰动。

图2 闭锁AGC反向指令控制原理图

3.3 机组阀门流量特性修改

该公司汽轮机高调阀门和补气阀流量特性较差，尤其在调门开度达到80%以上，机组已经没有足够的蓄能满足一次调频动作。同时高调阀与补汽阀的重叠度较差。通过负荷扰动试验和数据分析后发现，高调门在80%开度以上基本属于空行程，对负荷没有调节作用，因此将高调门的最大开度由100%限制在85%，这样可以加快汽机主控的调节速度，提高机组响应一次调频的速度。高调门开度和综合阀位指令对应关系基本不变。优化前补汽阀在综合阀位指令达到83.25%时开始开启，优化后综合阀位指令到达81.38%时提前开启补气阀，加强了补气阀和高调阀的重叠度，这样可以改善机组调门在较高开度下一次调频的调节性能，有效提高了一次调频15 s、30 s出力响应的合格率。优化前、后的阀门特性曲线见图3.

图3 优化后阀门特性曲线图

3.4 主汽压力偏差修正

针对主汽压力对一次调频的影响，可以在DEH阀位增量函数上增加压力修正系数，当机组主汽压力低于机组设定压力时，f(x)会输出一个大于1的修正系数，反之会输出一个小于1的修正系数，该系数与频差函数的输出相乘可以根据机组实际运行工况增大或缩小一次调频前馈，提高一次调频前馈的调节精度，改善一次调频调节性能。控制原理见图4.

图4 主汽压力修正原理图

3.5 一次调频CCS侧负荷延时复位策略

在CCS侧增加一次调频负荷延时复位策略[2]以解决传统一次调频策略对调频持续性的制约。控制原理图见图5，系统分一次调频加负荷和减负荷两路控制。当机组转差出现负偏差时，频差函数输出为正的负荷调整量，系统执行左侧一次调频加负荷控制回路，此时惯性环节(LAG)模块输出值小于频差函数的输出值，大选模块(>)输出为频差函数的输出值，使机组能快速响应一次调频负荷响应；当转差变小时惯性环节(LAG)模块输出值大于频差函数的输出值，大选模块输出为惯性环节(LAG)的输出值，使一次调频的负荷调整量缓慢回落，可以增加一次调频的电量贡献；在一次调频动作过程中机组转差出现正偏差时可以通过低限模块(//L)使左侧的控制回路输出迅速切换为0，同时执行右侧一次调频减负荷控制回路，快速响应一次调频动作。该回路可以有效提高电量贡献同时还可以避免油动机往复波动，保护设备安全稳定运行。

图5 快动慢回控制回路图

4 机组优化后效果

针对上述问题进行相应的优化后，在AGC考核与一次调频考核之间选取最优的控制参数，新的控制策略投入使用后，古交西山发电有限公司一次调频合格率迅速攀升，由表2可知优化后机组一次调频3个指标单月平均合格率由40%提高到90%以上，预计全年节约运营成本达200多万元。

表2 一次调频优化前后考核对比表

5 结 论

华北网修改一次调频考核细则后，华北网各直调电厂都面临较大的一次调频考核，对古交西山发电有限公司机组一次调频存在的问题进行研究分析后，针对存在的问题提出了转速不等率非线性控制、一次调频与AGC反向闭锁、一次调频CCS侧延时复位等控制策略，避免了设备改造更换，涉网参数定值修改以及热力试验，缩短了优化周期。对具有在线下装、修改参数功能的DCS可以随时修改逻辑，各控制策略可随时投退，同时也提高了系统的可行性和通用性，同时可以根据实际情况对参数进行在线调整和随时投退，有较好的兼容性和可实施性。系统优化后有效提高了机组一次调频的合格率，同时减少了机组油动机的往复运动，保证了机组安全稳定运行，在华北网各直调电厂有一定的推广价值。