大频差下优化机组调速器参数提高一次调频能力

黄畅想，王 凯，边宏宇，张 田，张 敏

（1.南瑞集团有限公司，江苏 南京 211000；2.国网江西省电力有限公司，江西 南昌 330077；3.国家电网公司华中分部，湖北 武汉 430077；4.中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；5.北方联合电力有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

0 引言

高压直流输电可有效提高受端电网供电能力，但若替代受端常规电源，将引起受端电网的“空心化”趋势，带来受端电网机组频率调制能力降低及系统频率稳定性降低的问题，逐渐成为国内外电力工业界和学术界关注的热点[1-7]。文献[8]提出了电网一次调频均方差能力指标，阐述了一次调频的模型及其静态和动态表达式，仿真对比了不同死区的评价指标及其曲线，同时兼顾了机组一次调频的动态稳定和死区的影响，可达到一次调频的全面评估。文献[9]基于一次调频基本原理和考核方式，分析了网频信号影响一次调频的主要因素，讨论了数字电液控制系统的前馈修正及调节死区优化等一次调频控制优化方法。文献[10]主要评价了机组在机组频率恢复过程中的正确动作率等指标。

由于目前投运、在建及规划特高压跨区直流额定容量均在8 000 MW及以上，且很多跨区直流送受端为同一区域电网。随着直流受端电网逐步加强，交流故障引发直流换相失败范围增大，甚至引起一回以上直流同时换相失败或闭锁。和传统区域电网方式相比，直流闭锁后送端高频差及受端低频差更大，可能引起高频切机及低频减载动作等后果，因此研究大频差方式下系统的频率调节能力对电网运行、规划等具有较强的现实意义。

文中主要进行了一次调频能力重要指标分析，分析了较大频差方式下优化机组调速器的调差系数、调频死区、限幅环节及前馈系数等主要调速器参数对机组一次调频能力的影响，实际优化时需考虑上述参数的协调关联特性。

1 系统一次调频介绍

1.1 频率调节现状

电力系统的频率调节主要与负荷、发电机、直流等综合因素相关，反映了系统频率随有功功率盈亏情况的变化特点。一次调频是系统频率偏离指定范围后，调速系统自动调节节发电机出力以恢复频率。一次调频反应快，但不能达到无差调节。

1.2 发电机的频率静态特性

系统频率变化时，频差反馈至调速系统后调节进汽量或进水量，以增减发电机出力。这种表示频率增减而引起机组出力调节的关系为调速器频率静态特性，其变化关系如图1所示。

图1 典型火电机组调速系统频率静态特性

图1中，若电网频率为fB，则发电机出力为PFB；若频率变化至f1时，发电机出力增加至PF1，可得调速器频率静态特性曲线的斜率如式（1）所示。

式中KF的值其取决于调节发电机出力变化过程张红机组转数变化对额定转数的比值，KF取倒数即为调差系数SF。

对于汽轮机，KF通常为16.6～25，对应调差系数为0.06～0.04；对于水轮机，KF通常为25～50，对应调差系数为0.04～0.02。

电力系统所有机组的原动机调速系统频率静态特性斜率与一台机组表达方程类似，如式（2）。

同时，网络政治参与的娱乐化，客观上化解了政治参与同政治制度化之间的张力，为我们展现了不同于“亨廷顿式”的政治发展景观。由此说明，在政治制度化水平无法满足政治参与需求的状态下，国家政治的走向并非总是呈现动乱和暴力等不稳定样态，而是有着“第三种趋势”，即在国家权力和政策调试下，在一定限度内，就算国家政治制度化水平难以满足政治参与的需求，国家政治秩序也能够维持总体的稳定。因此，娱乐化的政治参与方式，可以被视为是化解政治参与同政治制度化矛盾的有效手段，是国家政治稳定的“安全阀”。

需要注意，无出力调节能力发电机的KF需置零。实际系统中多台机组并列运行，每台机组的速率、斜率特性决定该机组的分担比例，每台机组均可改变它的频率调节特性，实际上是把图1中的速率-斜率曲线上下移动。

2 特高压直流联网后频差增大分析

频率调节主要与直流、发电机、负荷等综合因素相关。随着特高压直流快速发展，新建直流额定送电能力至少为8 000 MW；目前单机最大容量为1 000 MW，一般通过单元接线或开关站后通过多回线路并网，即使考虑同杆线路同跳最多损失2 000～3 000 MW；负荷通常呈现分散且连续变化特性，一般不会出现功率突变而引起频率剧烈变化。因此区域电网频率主要是由于直流闭锁引起，直流闭锁后送端系统频率大幅升高，受端频率大幅降低。

以受端电网负荷90 GW方式的8 000 MW直流闭锁安控拒动为例，仿真其闭锁后区域电网频率降低过程，如图2所示。系统频率由50 Hz最大降低至49.3 Hz，频差达到0.7 Hz，若考虑区域电网负荷低谷70 GW方式，则可能造成低频减载动作，机组跳闸或负荷变化造成的频率变化均小于直流故障。

图2 直流闭锁后频率响应曲线

3 关键参数对机组频率调节能力影响

近年来，国内发电机组虽然广泛采用数字式电液调节系统，但某些机组一次调频效果并未达到理想效果[11-13]。针对国内某大型电厂机组全停事故发生后，网内可发挥一次调频功能的机组不到理论动作值的30%，较多机组的一次调频未有效调节。

3.1 调差系数影响机组一次调频分析

转速偏差放大倍数反应机组一次调频能力，其倒数即为调差系数，是调速器调节系统最重要的指标。调差系数与机组调频能力呈现反调节关系。一般来讲，小调差系数适合于调峰机组，可发挥系统调节灵敏的优势，大调差系数则适合于带基本负荷且稳定性较高的机组。

以国内某火电机组为例，比较不同调差系数时，机组在高频下的出力响应如图3所示。减小调差系数可提高机组出力调整量，进而减小系统频率偏差最大值并改善系统高频特性。

图3 不同调差系数时机组在高频下的出力响应

3.2 调频死区影响机组一次调频分析

图4 不同调频死区时机组在高频下的出力响应

3.3 限幅环节影响机组一次调频分析

典型调速器限幅环节示意图如图5所示，其一次调频限幅由两个环节共同决定。

图5 限幅环节的示意图

控制方式选择为负荷反馈控制时，限幅近似为一次调频负荷下限与转速偏差放大倍数（即调差系数的倒数）乘积的1.3倍，不同功率扰动下略有差别，表1为600 MW火电机组的典型调速器参数。

表1 典型火电机组限幅参数

以下将详细分析机组在不同功率扰动量下，各机组有功出力响应。系统送出直流闭锁后功率盈余3 GW和6 GW时，电网频率曲线和机组出力响应曲线如图6、图7所示。

图6 不同盈余功率下的系统频率曲线

图7 机组在不同功率盈余后的出力

由图6、图7可见，不同功率扰动下由于负荷反馈值不同，最大调节能力有所差别，功率扰动量越大，机组出力调节量越大。

改变调速器负荷上下限，机组出力如图8所示，增大负荷调节上下限相当于增大了机组调节幅度，更有利于功率扰动事故后系统频率恢复。

图8 改变负荷上下限时机组出力响应图

3.4 前馈系数影响机组一次调频分析

采用负荷控制模式时，优化前馈系数可以提高机组的响应速度和调节性能，前馈控制相对于PID控制器可更快地对系统变化进行响应。相对于传统PID控制，前馈控制与PID结合共同作用可加快机组频率调节响应速度并减小误差。

仍以上述机组为例，比较不同负荷控制前馈系数时，系统功率盈余后机组出力响应如图9所示。前馈系数越大，前馈作用越强，机组出力响应越快，调节幅度越大，对系统频率稳定性越好。

图9 不同前馈系数下机组的出力调节

4 结语

文中主要分析了特高压直流故障可能造成系统频差变大的问题，介绍了一次调频原理，通过仿真分析说明了优化机组调速器的调差系数、调频死区、限幅环节及前馈系数等主要参数可有效提高机组一次调频能力，同时建议区域电网针对主力水、火电机组调速器参数逐步优化的建议，主要结论如下。

1）调差系数越小，机组调频能力越强，但不利于机组运行稳定性；调差系数越大，则机组调频能力越弱，但机组稳定性越好。

2）合理设置机组调频死区，既可防止频率小范围扰动时机组出力频繁调节，又可保障机组在大频差范围的一次调频能力。

3）电液伺服机构和调节系统的执行机构均有限幅特性，机组实际出力限幅将由以上两个环节中限幅最小值决定。优化调节上下限幅值可在允许范围内增大机组调节幅度，有利于系统频率恢复。

4）前馈控制与PID结合可加快系统动态响应并降低系统误差，合理优化前馈系数可引起机组出力响应加快，调节量增大，有利于系统频率加速恢复。