基于特征流量辨识的机组一次调频性能提升分析

曹 磊

(中国石油集团电能有限公司热电一公司, 黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

发电机组一次调频功能可以提高电网安全运行水平,使电网频率保持稳定[1-2]。为此,2020年9月东北电网下发《东北区域发电厂并网运行管理实施细则》和《东北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》[3],对一次调频负荷调整范围由原稳燃负荷以上提高到全负荷调频,仅龙江电网月考核达到一千万以上,对火电机组一次调频性能提出了更高的要求。某电厂2台200 MW机组2021年一次调频月度考核费用(减免后)为137万元,必须不断提升一次调频实际动作性能,才能尽量减少电网的大幅度考核,提升机组实际发电效益。

1 一次调频问题分析

1.1 一次调频考核标准分析

按照《东北区域发电厂并网运行管理实施细则》的规定,机组一次调频负荷调整响应特性指标为:1)一次调频的负荷响应滞后时间β1:小于3 s,为1,否则为0;2)负荷调整幅度β2:所有机组在15 s内负荷调整幅度,应达到15 s内频率极值点对应的一次调频理论调整负荷的90%;3)负荷调整幅度的偏差β3:在电网频率变化超过机组一次调频死区开始至60 s或至频率变化回到一次调频死区时止,机组实际与理论调整负荷之差绝对值的平均值应在理论调整负荷最大值的±25%内;4)频率响应指数Bu[4]:在电网频率变化超过机组一次调频死区开始至60 s或至频率变化回到一次调频死区时止,机组一次调频的实际加权积分电量要达到期望积分电量90%以上。其中一次调频的负荷响应滞后时间β1火电机组一般可以满足要求,而负荷调整幅度β2、调整幅度的偏差β3和调频响应指数Bu[5]这三项指标不容易合格,特别是调整幅度的偏差β3。因机组自身原因无法投入协调或者协调控制精度较差,致使一次调频负荷控制精度较差,无法满足一次调频的考核要求。

1.2 一次调频控制存在的问题

1)汽轮机高调阀流量特性曲线与实际阀门特性不对应。机组出现负荷控制超调或者欠调的现象,影响一次调频效果。

当汽轮机高调门进行了解体、通流改造等检修后,汽轮机阀门流量特性会发生变化,汽轮机阀门流量特性曲线是否与机组阀门特性相符,直接决定了一次调频负荷调节的控制精度。

2)常规发电机组一次调频信号源采用汽轮机转速。汽轮机转速因转速卡测量精度、被测转盘齿轮粗糙等原因造成其精度较低,无法满足控制要求,造成一次调频频繁波动,一次调频合格率低,无法满足一次调频控制要求,影响机组的经济性和安全性。

3)一次调频控制策略无法适应一次调频考核指标要求。常见的一次调频控制策略有2个设定:减小一次调频动作死区;加大“转速差-功率”曲线斜率,增加一次调频幅度。此控制策略虽然可提升一次调频考核指标中的负荷调整幅度β2和调频响应指数Bu,但无法满足调整幅度的偏差β3指标,而且会对机组造成大量无效扰动,负荷频繁波动[6],不利于发电机组的安全经济运行。

2 解决方案

2.1 提升一次调频信号精度

采用机端频率信号作为一次调频信号源,同时独立计算机组功率作为一次调频被调量。

采集发电机出口TV计算机组频率,同时采集发电机出口TA计算机组功率。频率采集精度达到±0.001 Hz,功率信号不进行滤波等信号处理,从而保证与同步相量测量装置(phasor measurement unit, PMU)信号一致性,为提升一次调频性能提供准确信号基础[1]。

2.2 基于特征流量辨识的一次调频性能优化技术

常规一次调频调节被调量为机组功率,但是机组功率波动次数较多,一次调频为跟踪负荷造成机组阀门摆动,而且不利于调整幅度的偏差β3指标调整。高压缸通流量能直接代表机组负荷[7](非供热季),且较为稳定,不会发生突变,所以采用高压缸通流量作为一次调频的辅助调节手段,与机组功率信号相结合,提升机组一次调频负荷控制精度,特别是在机组协调控制功能无法投入状况下,起到重要作用。

2.3 机组一次调频控制回路优化

1)主汽压力保护控制回路影响一次调频调节效果。在机组协调控制投入效果不佳状况下,主汽压力波动较大,当一次调频动作时,如主汽压力波动超越主汽压力保护控制回路的死区,造成汽机主控指令与一次调频动作方向相反,从而造成了一次调频反应缓慢,甚至反调[8]。

优化方法:一次调频动作时将主汽压力保护控制回路闭锁,防止汽机主控反调。

2)协调控制系统(coordination control system, CCS)与汽轮机电液控制系统(digital electronic hydraulic, DEH)指令叠加影响。当一次调频动作时,DEH侧一次调频指令直接作用在阀位总指令上,同时协调控制系统调频指令也会通过汽机主控进行输出,如汽机主控的PID参数设置过强,则会造成一次调频大幅超调,甚至振荡。

优化办法:适当降低汽机主控PID的参数强度,或者在汽机主控被调量机组功率增加1～2 s的延迟滤波。

3)一次调频控制回路运算次序和运算周期的影响。一次调频控制回路属于快速调节回路,如在DEH一次调频控制回路中不注意运算次序和运算周期的问题,则会造成调节延迟,造成一次调频指令输出较慢,从而造成调频负荷响应较慢[9]。

优化办法:在停机检修期间,修改一次调频控制回路的运算次序和运算周期调整到50 ms。

2.4 全模式控制策略

针对机组状况自动切换相应的控制策略,在机组全模式(CCS(协调控制方式)、TF(机跟随方式)、BF(炉跟随方式)、MAN(手动方式)、MWI(功率回路投入方式))下,一次调频性能都能得到保证。机组控制逻辑如图1所示。

图1 机组控制逻辑

1)网频动态调整方法。机组在CCS模式下,一次调频动作时,机组在前15 s内的负荷调整幅度取决于DEH调频量,但如DEH调频参数设置不当,会出现负荷超调量大,或者调整幅度不够的状况。而网频动态调整方法,利用大数据技术分析网频变化,总结出网频超越死区(50±0.033) Hz时网频变化斜率规律,确定网频变化斜率的门槛值,以当前网频变化斜率是否超越门槛值为依据动态调整DEH调频参数,如网频变化斜率较大(超过门槛值),则DEH调频参数应适当放大;反之,则应缩小。机组在CCS模式下采用网频动态调整方法,动态调整一次调频DEH参数,避免出现负荷超调量大或者调整幅度不够的情况,提升了机组一次调频性能[10]。

2)负荷动态补偿调整方法。在非CCS模式下,机组负荷控制处于开环调节,通常把DEH调频参数设置过大,使调频负荷超调;但会出现一次调频动作时主汽压波动过大的现象,机组稳定性变差。而采用负荷动态补偿调整方法,建立机组主汽压、阀门开度和负荷的三维度模型,动态调整DEH调频量。当一次调频动作时,根据一次调频理论调节负荷和当前主汽压力,反推需增加或减小的阀门开度,据此计算出DEH调频参数,实现一次调频负荷的精准控制,从而满足一次调频考核,不会出现大幅超调的现象。

2.5 汽轮机阀门流量特性曲线优化

开展汽轮机阀门流量特性曲线试验,优化高压调节阀流量特性,调整重叠度等参数,使得负荷控制精度提高、阀门动作无大波动[11],实现负荷控制的线性化,提高一次调频性能。

3 应用效果

东北区域某200 MW机组一次调频性能较差,一次调频考核较多,自2023年5月开始,对某机组进行了一次调频信号源、阀门流量特性曲线及控制策略等方面优化后,机组一次调频各项考核指标均已合格,满足了一次调频考核要求,实现免考试,提升了机组的经济性。阀门流量特性曲线优化前后对比图如图2,优化前后考核指标见表1。

表1 优化前后一次调频考核指标

图2 汽轮机阀门特性优化前后对比图

4 结 语

以200 MW机组为例进行分析,在不同运行模式下,从频率检测和控制策略两方面,优化提升一次调频性能,解决困扰机组运行的一次调频考核问题。无论从提升机组安全运行和电网频率稳定角度,还是从机组“两个细则”考核效益出发,都具有重要意义。可为其他火电机组一次调频优化提供解决方案。