基于电网小频差考核的供热机组一次调频优化

殷建华，张国斌，贾 斌，于海存

（内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

为了保障电网安全平稳运行，促进发电机组更好地投入、维护机组一次调频功能，内蒙古电网在2020 年正式启动了机组的一次调频性能考核工作。机组一次调频性能考核包括15 s出力响应指数考核、30 s 出力响应指数考核以及电量贡献指数考核[1]。针对火电机组，15 s出力响应指数大于75%合格，30 s出力响应指数大于90%合格，电量贡献指数大于75%合格。通过分析内蒙古电网一次调频的性能考核数据，日常的一次调频考核事件多属于小频差扰动，频率变化范围都在50±0.05 Hz以内，由于火电机组主汽压力波动、高调阀流量特性差、蓄热量不足、调速系统迟缓率大等因素，导致火电机组对于负荷需求较小的小频差扰动响应能力普遍不足，很难合格，依靠原有的控制逻辑已经无法满足考核需求。为了适应电网的考核，内蒙古电网的火电机组普遍对分散控制系统（Distributed Control Sys⁃tem，DCS）和汽轮机数字电液控制系统（Digital Electro Hydraulic Control System，DEH）中的一次调频控制逻辑进行了优化。主要的优化策略包括“加速冲量响应[2]”“快动缓回[3]”以及“自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）反向调节闭锁”。

1 火电机组现有一次调频优化策略

1.1 加速冲量响应

针对阀门流量非线性特性、主汽压力波动以及调速系统迟缓率等因素带来的负荷响应迟滞、响应不足的现象，内蒙古电网火电机组普遍采用了出死区冲量响应的策略，通过修改原有的一次调频函数，适当放大小频差对应的负荷响应值，加强机组对小频差的负荷响应能力。如图1 所示，在原一次调频函数中，插入±2.1 r/min 的转速偏差，将该转速偏差对应的调频功率值适当放大，以更大的高压调速汽阀（以下简称高调阀）动作量增大负荷响应值。

图1 加速冲量响应Fig.1 Acceleration impulse response

该策略虽然能够提高机组性能考核指标，但是也会加剧机组高调阀的摆动量，降低机组的稳定性，对调速系统和抗燃油系统产生不利影响。

1.2 AGC反向调节闭锁

《内蒙古电网并网发电厂辅助服务管理实施细则》《内蒙古电网发电厂并网运行管理实施细则》中规定：“当机组一次调频动作方向与AGC 指令方向相反时，机组应设置一次调频优先”[4]。为了抑制由于AGC 负荷需求与一次调频负荷需求反向对一次调频性能带来的不利影响，火电机组普遍设置了反向闭锁逻辑，即“一次调频负荷需求与AGC 负荷需求反向时闭锁AGC指令”[5]。

反向闭锁功能虽然能够一定程度闭锁反向调节，但是对于闭锁前负荷给定和实际负荷已经存在的残余偏差却无能为力，残余偏差同样会削弱一次调频，降低性能考核指标。

1.3 快动缓回策略

为提高电量贡献指数（积分电量），火电机组主要采用快动缓回策略，对正向的调节动作迅速响应，通过适当增延长频率偏差回死区的过程，增加机组积分电量，提高一次调频动作期间的正向贡献电量。

2 兼顾机组稳定性的一次调频综合优化策略

上述3 种优化策略，在提高一次调频性能指标的同时，也会带来高调阀波动增大、机组稳定性变差的不良后果。为了进一步提高火电机组的一次调频性能指标，同时兼顾机组运行稳定性，提出以下改进措施。

2.1 针对残余偏差的AGC反向闭锁优化

为了避免反向期间，由于负荷给定值和实际值的残余偏差带来的反向调节动作，提出以下两种改进措施。

（1）在AGC变负荷期间，判断其与一次调频的负荷需求反向后，在闭锁负荷给定变化的同时，将经过速率限制未叠加一次调频负荷修正的负荷给定值直接切换为当前的实发功率并予以锁定，使得汽机主控比例-积分-微分控制器（PID）的偏差输入为零，消除一次调频修正以外的负荷偏差，抑制由于残余负荷偏差带来的反向调节动作。具体方案见图2。

图2 AGC反向调节闭锁改进措施1Fig.2 Improvement measure 1 of AGC reverse regulation locking

（2）在反向期间除了闭锁负荷给定变化，同时闭锁汽机主控PID输出值。高频时闭锁调阀开大的输出；低频时，闭锁高调阀关小的输出。调节方向同向时，不产生闭锁动作，最大程度降低AGC 调节对一次调频性能的不利影响。方案见图3。

图3 AGC反向调节闭锁改进措施2Fig.3 Improvement measure 2 of AGC reverse regulation locking

第一种闭锁方式，可以最大限度地提高机组调频响应值，即便反向，汽机主控也可产生正向调节作用，对提高积分电量最为有利；第二种优化策略，仅可以闭锁反向后的反调作用，但是汽机主控在反向期间无法贡献正向的调节作用，只能依靠DEH的阀位前馈作用来响应一次调频。但是第二种优化策略实现简便，多数DCS的模拟量手操器均自带增减闭锁功能，在线组态较为方便。

为了避免闭锁结束后高调阀出现大幅摆动，在退出闭锁功能时，可以对之前的闭锁对象加以限制，可通过速率限制使其缓慢恢复，减小机组的功率波动。

2.2 DEH阀位前馈反向调节闭锁

火电机组的一次调频功能，大多采用DEH侧的前馈响应加协调控制系统的功率闭环调节的联合响应策略[6]。DEH中的阀位前馈作用的好坏直接决定了机组一次调频性能考核指标的优劣。一次调频的阀位前馈作用是频差的比例调节，会随着网频的变化而波动，由于汽轮机高调阀流量特性为非线性且高调阀动作迟滞，会导致调频前馈作用对于快速变化的频率分量的捕捉和响应能力不足。同时，阀位前馈作用随着网频的变化波动，加之前面“加速冲量响应”策略的影响，高调阀也会出现摆动加剧的现象，影响机组和调速系统的稳定性。

针对上述特点，提出了“反向调节动作闭锁”的策略。在DEH中的阀位一次调频回路中增加“反向调节动作闭锁”。通过高/低选逻辑功能，即“高频”时闭锁高调阀开大的动作，“低频”时闭锁高调阀关小的动作，最终达到DEH侧的阀位前馈在电网频率“高频”时，只执行高调阀关小的调节动作；电网“低频”时，只执行高调阀开大的调节动作。

通过“反向调节动作闭锁”，一方面可以提高机组对频率极值的捕捉能力，延长机组对频率极值的响应时间，增大机组调频期间的贡献电量。另一方面抑制了前馈作用随网频变化的频繁波动，提高机组的稳定性。

2.3 一次调频阀位前馈综合修正

火电机组一次调频逻辑中的阀位前馈一般设计为与转速偏差相关的总阀位指令的增量输出，受机组阀门流量非线性、主汽压力波动以及机组冬季供热等不利因素影响，DEH中的阀位前馈作用在相同的开度增量下，产生的负荷变化量极大[7]。

为了适应不同的主汽压力、阀位开度、机组供热与否等不利因素的影响，可以对上述不同的影响因素分别加以修正。

（1）主汽压力的绝对值和波动特性对机组一次调频性能均有明显的影响。主汽压力越接近额定值，一次调频性能越好，反之调频性能将下降；主汽压力波动对一次调频的影响既与主汽压力的变化方向有关，也与转速偏差的大小相关。当主汽压力变化方向与一次调频负荷需求方向一致，则主汽压力波动对调频性能起到积极的影响；反之，将起到消极影响，其影响程度将受到转速偏差的大小影响，转速偏差较大时，其影响程度较小，转速偏差越小，其影响程度越大。电网一次调频性能考核事件绝大部分属于频差小于0.05 Hz的小扰动，故机组主汽压力对一次调频性能将造成显著的影响。对此，可将主汽压力的绝对值、主汽压力的变化率作为修正因子，修正阀位前馈，校正一次调频前馈输出。

（2）当阀门流量特性具有较强的非线性时，受其影响机组的一次调频性能也会具有明显的非线性特点，故在非线性区和重叠度不好的流量指令区间，可以适当修正阀位前馈输出，降低流量特性非线性对一次调频性能带来的不利影响，提升机组的一次调频性能[8-9]。

（3）供热机组冬季供热后，一部分蒸汽被抽走用作供热，同时供热抽汽也改变了高中低压缸功率比初始值，随抽汽量增大，高压缸和中压缸功率比例系数上升，低压缸功率比例系数下降，且中低压连通管的时间常数增加。在供热抽汽工况下频率扰动初始阶段，由于高中压缸功率比增大，负荷响应速度会有所提升，但后期负荷响应速度受低压缸功率输出影响程度较大，由于中低压连通管时间常数增加，容积惯性增大，响应速度也会随之下降[10]，降低机组的一次调频性能。为了补偿供热抽汽带来的调频性能下降，应对供热抽汽流量导致的调频性能下降进行修正补偿，供热抽汽流量越大，对阀位前馈的补偿作用越强。

需要加以说明的是，上述的修正环节的相关参数应进行动态整定，在机组大修、阀门解体或是运行工况发生明显变化后，应对上述前馈作用的相关参数适当修正。

2.4 分离型加速冲量响应策略

“加速冲量响应”策略，在增大小频差调频响应值的同时，也极大地影响了机组的稳定性，加剧了高调阀的抖动。此外，由于该策略针对所有频率成分均无差别地进行放大，导致机组高调阀的响应动作大部分属于非考核时段的无效响应。

为了最大程度抑制高调阀抖动，同时过滤部分非考核时段的无效响应，提出了一种“分离型加速冲量响应”优化策略，见图4。

图4 分离型加速冲量响应测策略Fig.4 Strategy of separated acceleration impulse response measurement

将出死区加速冲量响应回路单独剥离，与原来的一次调频函数或者转速偏差叠加，同时，对加速冲量响应输出端做适当处理（滤波或延时），适当过滤非必要的加速冲量响应动作，尽可能使系统不对电网随机的快速频率分量做出剧烈响应，提升机组稳定性。图中通过对频率偏差超出死区（±2 r/min）做适当的延时处理（频率持续超出死区达到12 s，电网才会启动一次调频考核），过滤掉电网快速、随机波动的频率成分，减少机组无效的冲量响应和高调阀摆动，提升机组稳定性。

图4 回路在提高机组性能考核指标的同时，还可以过滤部分非必要的无效响应，降低了对机组调速系统的冲击，兼顾了机组的稳定运行。

2.5 基于热网储能的一次调频响应策略

供热机组，在冬季供热尖寒期，由于热负荷较高、以热定电的运行模式和煤质偏离设计煤种等问题，经常导致机组达到出力上限，高调阀接近全开，蓄热不足，致使机组响应电网低频的性能降低甚至丧失。但是，在发电的同时将一部分蒸汽流量用于供热，热网中包含了大量的换热器和供热管道，储能容量很大，可以通过调节供热执行机构将这部分热量加以利用，提高供热机组一次调频的响应能力。

文献[11]中，在建立汽轮机蒸汽流量与功率的仿真模型基础上，提出通过调节机组供热抽汽流量来响应电网一次调频的控制策略。文中通过仿真分析，在改变供热抽汽流量后，机组的电功率很短时间内就有明显的变化。

通过对300 MW 机组仿真建模，对仿真模型输入扰动，分析额定工况和最大供热工况下机组利用热网储能响应一次调频的特性。供热抽汽流量的快速改变，几乎能无延迟地将部分供热抽汽流量分配至低压缸做功，增加机组功率，供热抽汽流量越大，供热抽汽执行机构开度的变化对有功功率的影响越明显。

一次调频考核大多属于小扰动考核事件，以300 MW机组为例，±2.5 r/min的转速偏差，负荷需求量仅为±1 MW，供热抽汽量越大，供热抽汽执行机构开度变化带来的负荷变化越明显。采取适当的一次调频控制策略，在频差超出一次调频死区后，迅速减小热网抽汽流量，能够快速提高电功率，短时间的抽汽量变化不会对热网用户造成影响。

改变热网抽汽流量来响应一次调频，可以通过调节中/低压缸连通管上的供热旋转蝶阀实现，也可以通过调节热网抽汽管道上具有调节功能的供热抽汽快关阀实现。但是由于中低压缸连通管蝶阀在大开度下其线性度、灵敏度较低，同时其对机组安全影响较大，所以调节抽汽快关阀更为适宜。辅以适当的控制逻辑，在频差超出死区后，适当改变快关阀的开度，就能够实现在短时间内改变机组电功率的目的。

改变供热抽汽流量来响应电网频率的变化，其优点是不影响主汽压力，对运行工况影响较小；由于其不通过高调阀调整进汽量，所以不受机组高调阀流量特性的影响。

3 结束语

本文分析了内蒙古电网现有的火电机组对于电网小频差考核的一次调频优化策略普遍存在的问题，提出了一系列兼顾机组稳定性的一次调频改进策略，在提升机组一次调频性能指标的同时，降低对机组稳定性的不利影响。同时针对供热机组冬季供热后出力超限、响应电网低频能力下降的问题，提出利用热网蓄热、通过调节供热抽汽执行机构改变热网抽汽流量来响应一次调频等措施。