600MW火电机组一次调频功能设计及性能试验

余 明

（四川泸州川南发电有限责任公司，四川 泸州 646000）

0 引言

根据《并网电源一次调频技术规定及试验导则》（GB/T 40595—2021），一次调频（Primary Frequency Control，PFC）是指当电力系统频率偏离目标频率时，电源通过控制系统的自动反应调整有功出力，减少频率偏差的控制功能[1]。

电网频率的变化主要是由负载端（电力用户）与发电端（并网发电机组）负荷失衡引起。当电网频率变化时，并网发电机组一次调频功能通过调速系统的自动反应快速增减负荷来改变汽轮机转速，以此实现调整电网频率的功能。

电网最重要的质量指标是频率和电压。电网频率波动过大会严重影响供电质量，危及整个电网和并网发电机组的安全稳定运行。随着电网容量增大，对电网频率的稳定性要求也相应提高，并网发电机组或电网的事故解列会对电网频率产生很大冲击，通过一次调频功能的快速响应可以有效抑制电网频率的波动。

根据电网要求，并网发电机组必须要设置一次调频功能。实践证明，在电网发生发电机甩负荷、跳闸、电网故障等异常事故时，电网中各台机组一次调频功能可迅速消除电网中因快变随机负荷分量引起的电网频率变化，为整个电网的安全稳定运行提供保障。

1 一次调频主要技术参数和考核指标

1.1 主要技术参数

1.1.1 一次调频死区

一次调频功能不动作的转速或频率偏离额定值的范围。一次调频死区设置应不大于土2r/m或者±0.033Hz（一般为额定转速的±2r/m），其设置的目的是为了防止电网频率小范围变化时汽轮机DEH调门不必要的动作引起的电网功率的波动。

1.1.2 转速不等率δ（即速度变动率）

机组调速控制系统一次调频的静态特性曲线斜率，即汽轮机由额定功率降至零功率的转速变化量与额定转速之比。根据规范要求，转速不等率δ为4%～5%。转速不等率如公式（1）所示。

式中：n为汽轮机额定转速，单位为r/m；n1为汽轮机额定功率时的转速，单位为r/m；n2为汽轮机零功率时的转速，单位为r/m。

转速不等率δ表征并网发电机组一次调频功率变化的幅度。δ越小，一次调频时功率变化幅值越大，机组负荷波动也越大；反之，δ越大，一次调频时功率变化幅值越小，会影响整个电网的自平衡能力。

当电网中所有机组的调速系统都参与一次调频时，电网将负荷扰动按各机组的不等率分配到各台机组上，不等率小的机组将承担较多的负荷分配[2]。

以额定功率600MW机组为例，设置转速不等率5%、一次调频死区±2r/m、限幅6%Pe的功率-转速关系如图1所示。

图1 功率-转速曲线

1.1.3 一次调频限幅

一次调频限幅即调频负荷范围。根据每台发电机组额定负荷不同，一次调频功率变化幅度应不小于±6%～±10%额定有功功率。

1.1.4 一次调频动态性能

频率/转速阶跃扰动试验中，一次调频动态性能应满足下列规定：1）一次调频有功功率的滞后时间应≤2s。2）一次调频有功功率达到75%目标功率的时间应≤15s，上升时间≤30s，有功功率的调节时间应≤45s。3）一次调频有功功率超调量应≤30%，振荡次数≤2次。

1.2 主要考核指标

根据《华中区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》和《华中区域发电厂并网运行管理实施细则》的通知（华中监能市场[2020]153）要求，一次调频的主要考核指标包括动作方向、响应滞后时间和贡献率等方面[3]。

2 影响一次调频的因素

并网发电机组汽轮机转速是随电网频率而变化的，根据汽轮机功率/转速静态特性可知，并网发电机组汽轮机转速可以通过一次调频功能改变机组功率来实现调节。对火电机组来说，影响一次调频功能的因素除了一次调频控制逻辑设计是否完善、参数设置是否合理外，主要还包括汽轮机调门开度、主蒸汽压力和锅炉燃料量等。

3 一次调频功能设计与性能试验

3.1 机组概况

四川泸州川南发电有限责任公司2×600MW机组汽轮机为东方汽轮机厂生产，型号为N600-16.7/538/538-1，DCS和DEH控制系统均为艾默生控制过程有限公司的OVATION控制系统。

汽轮机DEH控制方式有手动和自动两种模式。在自动模式下共有5种独立的控制方式可实现对汽轮机转速、负荷以及主汽压力的控制，即转速控制方式、阀位控制方式、功率控制方式、主汽压力控制方式和CCS控制方公式（远控方式）。通常情况采用功率控制方式或CCS控制方式。

3.2 控制策略

根据机组常用的几种运行方式，设计一次调频功能时应充分考虑电网一次调频要求及机组安全。

3.2.1 一次调频与CCS的协调配合

在CCS功控回路中，当一次调频动作时屏蔽主汽压力偏差修正功率指令的功能（使其保持一次调频动作前的值）。一次调频动作且转速≥3006r/m，闭锁CCS负荷指令增；一次调频动作且转速≤2994r/m，闭锁CCS负荷指令减。上述策略的目的是确保一次调频动作优先级最高以及动作的完整性，即一次调频与CCS负荷控制同向则CCS有效，反向则CCS闭锁，适应电网控制要求。

3.2.2 机组调频裕量设置

设置机组的调频范围：上限为106%Pe，下限为不投油稳燃负荷46%Pe。根据记忆的一次调频动作前的机组负荷，与调频上、下限比较，确定裕量，并通过调频裕量限制调频动作幅度。上述策略的目的是确保一次调频动作始终处于机组的有效调节范围及安全运行区间。

3.2.3 克服调节系统的迟缓率（预设迟缓率为±0.3r/m）

设置一次调频不等率函数的死区为±1.7r/m。设置一次调频动作启动条件为≥±2r/m，通过±0.3r/m产生的阶跃量克服系统迟缓率。上述策略的目的是确保一次调频动作的有效性，使实际调频负荷指令满足指标要求，并克服系统迟缓率造成的实际一次调频动作积分贡献电量的不足。

3.2.4 适应机组各运行方式的调频策略

根据单/顺阀方式，分开设定DEH流量前馈曲线和前馈的主汽压力补偿曲线。根据功率调节方式和开环方式，分开设定修正系数。上述策略的目的是确保一次调频动作的准确性和持续性。

3.3 功能设计

一次调频功能设计包括汽轮机DEH控制和机组CCS控制两部分，这两部分相互配合共同完成机组一次调频控制功能。根据电网要求，一次调频死区设置为±2r/m，转速不等率δ设置为5%，调频负荷范围为±36MW（±6%额定负荷）[3]。

3.3.1 汽轮机DEH一次调频控制

汽轮机在本地控制模式下，汽轮机DEH一次调频控制主要通过一次调频指令回路、调门总阀位指令回路、功率调节回路来完成。表征电网频率的转差信号经转差-功率函数转换和主汽压力修正后生成一次调频指令，该指令分别加在DEH功率设定和汽机DEH调门总阀位输出指令回路（如图2所示）。

图2 汽轮机DEH一次调频控制

作用在汽机DEH调门总阀位输出指令回路上的一次调频指令为调门开度前馈指令，直接叠加在DEH调门总阀位输出指令回路，并利用锅炉蓄能快速增减负荷，确保机组功率对一次调频的快速响应。加在DEH功率调节回路上的一次调频指令作为功率PID调节器设定修正指令（直接与功率设定叠加），该指令根据转差-功率函数曲线实时修正PID调节器的设定，抑制反向调节，实现一次调频对功率调节输出指令的修正，保证一次调频功率的准确性。

当DEH非功控方式时，功率设定值跟踪实际负荷-调频目标负荷，同时功率PID调节器输出跟踪流量指令-调频流量值。

在一次调频动作期间，屏蔽主汽压力对一次调频指令的修正功能（保持一次调频动作前的值），以保证一次调频的完整作用，维持电网系统频率要求。

同时，DEH要采取以下措施：1）防止频率扰动引起的CCS汽机主控指令与阀位参考偏差大，切除遥控。2）防止频率扰动引起的功率调节偏差大，切除DEH功控。3）防止频率扰动引起的CCS汽机主控指令变化率过快，切除遥控。

3.3.2 机组CCS一次调频控制

汽轮机在CCS控制模式下，机组一次调频通过DEH加CCS方式共同完成。CCS协调控制系统的调频主要是稳定DEH调频的结果，同时对DEH调频的准确性予以修正。作用原理是把频率的变化按一定的不等率转化为对应的功率，加在系统设定值上，通过功率调节器作用于汽机调门，同时把部分分量作用于锅炉能量调节器，达到稳定机组功率的目的。表征电网频率的转差信号经转差-功率函数转换和主汽压力修正后生成一次调频指令，该指令分别作用在CCS汽机主控功率设定和DEH调门总阀位输出指令回路（如图3所示）。

图3 机组CCS一次调频控制

加在汽机DEH调门总阀位指令回路上的一次调频指令为调门开度前馈指令，直接叠加在DEH调门总阀位输出指令回路，并利用锅炉蓄能快速增减机组负荷，实现电网频率的快速调整。作用在CCS汽机主控回路上的一次调频指令为功率设定校正指令（直接与功率设定叠加），通过功率和主汽压力调节回路稳定一次调频所需的负荷变量，进而实现机组能量平衡。

在一次调频动作期间，屏蔽主汽压力修正汽机主控功率设定值的功能（保持一次调频动作前的值），以保证一次调频的完整作用，维持电网系统频率要求。

同时，CCS要采取以下措施：1）防止频率扰动引起的CCS汽机主控指令与阀位参考偏差大，切除汽机自动。2）防止频率扰动引起的功率调节偏差大，切除汽机自动。

3.4 性能试验

3.4.1 试验条件

按照一次调频功能设计要求，机组CCS和汽轮机DEH系统的逻辑组态（含参数设置）修改完毕并静态试验合格。确认机组CCS协调控制、汽轮机DEH控制等功能正常，各项保护已投入运行。机组退出AGC控制方式，机组负荷在最低稳燃负荷至额定负荷的范围内。

3.4.2 试验内容及方法

机组在360MW、450MW、540MW、600MW四种工况下分别进行一次调频性能试验。试验内容包括死区测试、方向性及迟缓率测试、阶跃试验。

3.4.2.1 死区测试

汽轮机DEH控制置阀位控制方式，在DEH一次调频试验回路分两次手动输入3002r/min、2998r/min转速信号，每次输入转速等待1min，记录参数与曲线。

3.4.2.2 方向性及迟缓率测试

方向性测试：分别在机组CCS和汽轮机DEH控制方式下，分两次手动输入3002.2r/min、2997.8r/min转速信号，检查调门及功率增减方向是否正确。迟缓率测试：使转速稳定在3003r/min，以0.1r/min的速率手动缓慢减少试验转速（3002.9r/min、3002.8r/min…），一直到阀位刚变化为止。再以同样的速率恢复到原来转速，记录下升降转速过程中阀位刚变化时的转速，即可计算出迟缓率。

3.4.2.3 阶跃试验

汽轮机DEH调门有顺序阀和单阀两种进汽方式。针对每种进汽方式，分别在汽轮机DEH控制方式及机组CCS控制方式下进行不同工况的阶跃扰动试验。

每个试验负荷工况点应至少分别进行±0.067Hz（4r/min）、0.1Hz（6r/min）频差的阶跃扰动试验。应至少选择一个工况点进行机组频率上限试验和同调频上限具有同等调频负荷绝对值的降负荷调频试验（在450MW工况点做最大频差试验），检验机组的安全性能。

每个工况试验时，每次频差的阶跃扰动变化至少维持1min以上，待系统稳定后，记录一次调频的动作情况，包括扰动量、试验前负荷、15s/30s负荷变化量△P、试验稳定负荷、稳定后负荷变化量△P、实际转速不等率、响应时间、稳定时间等。同时记录机组主要参数，包括汽轮机DEH调门开度以及主汽压力、主汽温度、汽包水位、炉膛压力等。

4 结语

机组一次调频性能试验结果表明，四川泸州川南发电有限责任公司2×600MW机组一次调频功能设计合理、逻辑严谨、性能良好，能够适应电网负荷和频率的变化，满足电网对并网发电机组一次调频功能有关规定的要求。