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                                                             關(guān)鍵詞:一次調(diào)頻；回調(diào)；頻差

    張東寶
工程師，1995年畢業(yè)于東北電力學(xué)院自動(dòng)控制系。

    隨著大容量機(jī)組在電網(wǎng)中的比例不斷增加，電網(wǎng)用電結(jié)構(gòu)變化引起的負(fù)荷峰谷差逐步加大，而用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求卻在不斷提高，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的問(wèn)題越來(lái)越被重視。大容量火電機(jī)組需要根據(jù)中調(diào)的AGC指令和電網(wǎng)的頻率偏差參與電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻。為提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，增強(qiáng)電網(wǎng)抗事故能力。目前發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)頻率變動(dòng)允許范圍是0.1Hz，我國(guó)電網(wǎng)頻率變動(dòng)允許范圍是0.2Hz，因此許多重要產(chǎn)品的質(zhì)量比不上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家。電能質(zhì)量越高，電網(wǎng)也越安全。特別是電力走向市場(chǎng)的大環(huán)境下，各電網(wǎng)均開展了以省為實(shí)體的電網(wǎng)地區(qū)負(fù)荷偏差控制，即 ACE控制。 各省電力公司為快速滿足ACE 偏差最小化的要求，大力發(fā)展自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）機(jī)組。 “AGC”機(jī)組是指參與電力調(diào)度通信中心的頻率和有功功率自動(dòng)控制的機(jī)組。

1 基本概念

    1.1 一次調(diào)頻

    對(duì)于電網(wǎng)中快速的負(fù)荷變動(dòng)所引起的周波變動(dòng)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化情況利用鍋爐的蓄能，自動(dòng)改變調(diào)門的開度，即改變發(fā)電機(jī)的功率，使之適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的隨機(jī)變動(dòng)，來(lái)滿足電網(wǎng)負(fù)荷變化的過(guò)程這就是一次調(diào)頻。

    現(xiàn)代廣義的電網(wǎng)一次調(diào)頻功能，需考慮汽輪機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)間的相互配合與制約關(guān)系，應(yīng)以整臺(tái)機(jī)組作為控制對(duì)象。從功能上既要有傳統(tǒng)電網(wǎng)一次調(diào)頻的快速性，又要有現(xiàn)代控制的整體協(xié)調(diào)性。汽輪機(jī)快速響應(yīng)外界負(fù)荷、頻率的變化，鍋爐跟隨汽輪機(jī)的快速響應(yīng)，滿足汽輪機(jī)的要求。穩(wěn)定運(yùn)行的電力系統(tǒng)，其電源和負(fù)荷功率必須是動(dòng)態(tài)平衡的。當(dāng)電源功率或負(fù)荷發(fā)生變化造成變化時(shí)（以功率不足為例），系統(tǒng)的頻率就會(huì)隨之降低，系統(tǒng)中的負(fù)荷設(shè)備會(huì)因?yàn)轭l率下降而影響其有功的吸收。與此同時(shí)，系統(tǒng)中運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)組，也會(huì)按照其調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性增加調(diào)門開度，彌補(bǔ)系統(tǒng)中功率的不足。

    1.2 速度變動(dòng)率

    速度變動(dòng)率是指汽輪機(jī)由滿負(fù)荷到空負(fù)荷的轉(zhuǎn)速變化與額定轉(zhuǎn)速之比,其計(jì)算公式為:δ=(n1 - n2)/n×100%，式中n1：汽輪機(jī)空負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速, n2: 汽輪機(jī)滿負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速, n：汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速。對(duì)速度變動(dòng)率的解釋如下:汽輪機(jī)在正常運(yùn)行時(shí),當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或汽輪發(fā)電機(jī)出口開關(guān)跳閘使汽輪機(jī)負(fù)荷甩到零,這時(shí)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速先升到一個(gè)最高值然后下降到一個(gè)穩(wěn)定值,這種現(xiàn)象稱為“動(dòng)態(tài)飛升”。理論上，轉(zhuǎn)速上升的最高值由速度變動(dòng)率決定,一般應(yīng)為4～5 %。若汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分,則動(dòng)態(tài)飛升在120～150轉(zhuǎn)/分之間。三河發(fā)電有限責(zé)任公司速度變動(dòng)率取5 %。

    1.3 響應(yīng)滯后時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間

    如圖1所示，響應(yīng)滯后時(shí)間：當(dāng)電網(wǎng)頻率變化達(dá)到一次調(diào)頻動(dòng)作值到機(jī)組負(fù)荷開始變化所需的時(shí)間，圖中Δt為響應(yīng)滯后時(shí)間。為保證機(jī)組一次調(diào)頻的快速性，根據(jù)《華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定》要求Δt應(yīng)小于3秒。

    穩(wěn)定時(shí)間：機(jī)組參與一次調(diào)頻過(guò)程中，在電網(wǎng)頻率穩(wěn)定后，機(jī)組負(fù)荷達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間，圖中t1為穩(wěn)定時(shí)間。為保證機(jī)組一次調(diào)頻的穩(wěn)定性，根據(jù)《華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定》要求t1應(yīng)小于1分鐘。

    1.4 負(fù)荷變化幅度

    機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度，是考慮當(dāng)頻率變化過(guò)大時(shí)，機(jī)組負(fù)荷不再隨頻率變化，以保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。但是，變化幅度限制的越小，一次調(diào)頻能力越弱，根據(jù)《華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定》要求限制幅度大于機(jī)組額定負(fù)荷的±8%。

    AGC機(jī)組在CCS內(nèi)設(shè)置的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量計(jì)算式為：

   

    式中n0=3000r/min；No為額定功率；δ＝5％.所以，350MW級(jí)AGC機(jī)組在（50±0.1）Hz頻率范圍內(nèi)參與一次調(diào)頻時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整的最大允許范圍為±14MW/0.1Hz

    機(jī)組參與一次調(diào)頻頻率調(diào)節(jié)死區(qū)為（3000±2）r/min，即調(diào)節(jié)的頻差死區(qū)為±0.033Hz。電網(wǎng)固定機(jī)組一次調(diào)頻范圍為（50±0.1）Hz，即（49.9～50.1）Hz, 當(dāng)頻率低于49.967 Hz時(shí)，ΔN＝140×〔50－(Hz+0.033)〕（MW）, 當(dāng)頻率高于50.033 Hz時(shí)，ΔN＝140×〔50－(Hz-0.033)〕（MW）。在此范圍內(nèi)CCS系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻能力最大為±9.38MW，超過(guò)該區(qū)間運(yùn)行人員手動(dòng)快速調(diào)節(jié)負(fù)荷滿足電網(wǎng)頻率需要。

2 目前三河發(fā)電有限責(zé)任公司的情況

    2.1 整體情況

    三河發(fā)電有限責(zé)任公司機(jī)組在DCS系統(tǒng)和DEH系統(tǒng)中都存在一次調(diào)頻功能，機(jī)組運(yùn)行投入，不能人為退出。機(jī)組工作在AGC方式時(shí)，由DEH、DCS共同完成一次調(diào)頻功能，當(dāng)機(jī)組不在AGC方式時(shí)由DEH完成一次調(diào)頻的任務(wù)。一次調(diào)頻功能由DEH實(shí)現(xiàn)。即將頻差信號(hào)疊加在汽輪機(jī)調(diào)速汽門指令的設(shè)計(jì)方法,以保證一次調(diào)頻的響應(yīng)速度。同時(shí)在DCS中投入頻率校正回路,即當(dāng)機(jī)組工作在機(jī)組協(xié)調(diào)或AGC方式時(shí),由DEH、DCS共同完成一次調(diào)頻功能。既保證一次調(diào)頻的響應(yīng)速度,又保證機(jī)組參與一次調(diào)頻的持續(xù)性,此系統(tǒng)的一次調(diào)頻功能不能隨意切除,保證了一次調(diào)頻功能始終在投入狀態(tài)。
　　
    一次調(diào)頻控制原理如圖2所示。

圖3   頻差函數(shù)曲線

    說(shuō)明：在汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差低于±2rpm時(shí)，通過(guò)10s的一階延遲緩慢作用。

    在汽機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差大于±2rpm時(shí)，偏差經(jīng)2/3比例后直接加到汽機(jī)調(diào)門指令上。

    頻率偏差與負(fù)荷修正的關(guān)系確認(rèn)

    一次調(diào)頻的組態(tài)實(shí)現(xiàn)邏輯為：

    如果Hz＞50+0.033，則Bias=(50+0.033-Hz)×Gain；

    如果Hz＜50-0.033，則Bias=(50-0.033-Hz)×Gain；

    如果Bias＞r_hi，則Bias＝r_hi；

    如果Bias＜r_lo，則Bias＝r_ lo；

    其中Gain＝135；0.033為機(jī)組參與一次調(diào)頻的死區(qū)。

    由以上運(yùn)算公式和邏輯關(guān)系可以看出，當(dāng)頻差（Bias）＜0時(shí)，可以判斷電網(wǎng)頻率高，要求機(jī)組降負(fù)荷→關(guān)調(diào)門→機(jī)前壓力升高，為了保證不出現(xiàn)負(fù)荷回調(diào)的現(xiàn)象，要求機(jī)前壓力設(shè)定值也要提高。

    相關(guān)數(shù)值的確定：

    （1）0.033：根據(jù)華北電網(wǎng)調(diào)〔2006〕28號(hào)文《華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定》要求：火電機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)不大于±2 r/min，即±2/3000×50＝±0.033Hz。

    （2）Gain＝135：頻率與功率的比例系數(shù)，根據(jù)華北電網(wǎng)調(diào)〔2006〕28號(hào)文《華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定》要求：機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的速度變動(dòng)率，火電機(jī)組速度變動(dòng)率一般為4%～5%，對(duì)于本公司350MW機(jī)組，速度變動(dòng)率取5%的情況下，350/(5%×3000)＝2.3MW/rpm，即0.017Hz對(duì)應(yīng)2.3MW，得出頻差1Hz對(duì)應(yīng)135MW，因此頻率與功率的比例系數(shù)為135。

    2.4 存在的問(wèn)題

    2006年8月6日電網(wǎng)頻率波動(dòng)檢查三河發(fā)電有限責(zé)任公司的一次調(diào)頻功能的曲線如圖5所示。
   

    圖中曲線為：

    1BAA01CE301：#1機(jī)機(jī)組實(shí)際負(fù)荷
    1BAA01CE320：電網(wǎng)頻率
    1CBA00C0001_：#1機(jī)中調(diào)AGC指令
    1SGEN_BIAS：#1機(jī)頻率偏差修正值
    1PTSP：機(jī)前壓力設(shè)定值
    1PT：機(jī)前壓力
    1CBA10co501: #1機(jī)轉(zhuǎn)速

    分析：2006年8月6日3時(shí)06分28秒，系統(tǒng)頻率在2秒內(nèi)由50.04Hz下降至49.94Hz，頻率偏差產(chǎn)生的修正信號(hào),機(jī)組負(fù)荷0秒響應(yīng)，3秒后負(fù)荷開始穩(wěn)定上升，15秒后保持穩(wěn)定。

    三河發(fā)電有限責(zé)任公司兩臺(tái)機(jī)組從投產(chǎn)以后基本一直投入機(jī)跟爐的協(xié)調(diào)控制方式，DEB協(xié)調(diào)控制方式由于制粉系統(tǒng)的限制投入效果不佳，因此很少采用。一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，DEH立即動(dòng)作，使閥門有開向或關(guān)向的階躍變化，此變化引起機(jī)前壓力減小或增大，而壓力控制回路對(duì)綜合閥位有反向的調(diào)節(jié)，所以導(dǎo)致一次調(diào)頻響應(yīng)緩慢。

3 改進(jìn)方案

    3.1 初步試驗(yàn)

    通過(guò)與華北電科院專家進(jìn)行探討制定下一步的整改方案，可以采取隨網(wǎng)頻變化適時(shí)修改壓力定值的方法，來(lái)消除由內(nèi)回路引起的反調(diào)。

    具體方法：在CCS系統(tǒng)內(nèi)將頻差信號(hào)作為前饋信號(hào)引入壓力控制器，因此壓力定值則由兩部分組成，一部分是原計(jì)算回路的壓力定值，另一部分則是頻差經(jīng)過(guò)變換的壓力定值的修正部分。通過(guò)對(duì)壓力定值的前饋修正，使得在調(diào)頻作用時(shí)，機(jī)前壓力定值能隨網(wǎng)頻變化相適用。克服因機(jī)前壓力隨網(wǎng)頻變化，而機(jī)前壓力定值不變，導(dǎo)致產(chǎn)生的調(diào)節(jié)偏差而將機(jī)前壓力快速調(diào)回的反調(diào)現(xiàn)象。優(yōu)化控制方案原理如圖6所示。

圖6   優(yōu)化控制方案原理圖

    用頻差函數(shù)修正時(shí)，注意網(wǎng)頻變化同機(jī)前壓力定值增量的方向的一致性問(wèn)題，同時(shí)對(duì)修正壓力增量進(jìn)行適當(dāng)限幅。一般取函數(shù)的限幅為[-0.3MPa,+0.3MPa]，如圖7所示。
　　

圖7   限幅函數(shù)

    頻率偏差與機(jī)前壓力設(shè)定值修正的關(guān)系確認(rèn)

    組態(tài)實(shí)現(xiàn)邏輯為：

    如果Hz＞50+0.033，則Bias=(50+0.033-Hz)×Gain；

    如果Hz＜50-0.033，則Bias=(50-0.033-Hz)×Gain；

    如果Bias＞r_hi，則Bias＝r_hi；

    如果Bias＜r_lo，則Bias＝r_ lo；

    其中Gain＝-5；0.033為機(jī)組參與一次調(diào)頻的死區(qū)

    由以上運(yùn)算公式和邏輯關(guān)系可以看出，當(dāng)頻差（Bias）＜0時(shí)，可以判斷電網(wǎng)頻率高，要求機(jī)組降負(fù)荷→關(guān)調(diào)門→機(jī)前壓力升高，為了保證不出現(xiàn)負(fù)荷回調(diào)的現(xiàn)象，要求機(jī)前壓力設(shè)定值也要提高。

    數(shù)值的確定：

    Gain＝-5，頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系0.1Hz→6rpm，去掉死區(qū)2rpm，0.1Hz→4rpm，4rpm→4.6MW

    根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)負(fù)荷變化4.6MW時(shí)，機(jī)前壓力的變化為0.5Mpa，因此頻率與壓力設(shè)定值的比例系數(shù)為-5。

    3.2 試驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題

    原壓力定值計(jì)算回路是有速率限制的，主要是根據(jù)鍋爐升壓能力來(lái)確定，作用是使壓力指令的變化同鍋爐實(shí)際升壓能力相適應(yīng)。而調(diào)頻修正回路的壓力定值部分必須沒(méi)有速率限制，這樣才能保證機(jī)組調(diào)頻發(fā)生時(shí)，調(diào)頻負(fù)荷能根據(jù)網(wǎng)頻快速動(dòng)作并且持續(xù)，不發(fā)生調(diào)門因壓力定值緩慢動(dòng)作而導(dǎo)致的反調(diào)現(xiàn)象。由于在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，能夠進(jìn)行邏輯修改的部分只能將壓力修正信號(hào)加在壓力設(shè)定值速率限制前，由于主汽壓力設(shè)定值速率限制為0.7MPa/min，速度較慢，所以在采取隨網(wǎng)頻變化適時(shí)修改壓力定值的方法，來(lái)消除回調(diào)時(shí)由于壓力設(shè)定值速率的限制，還存在回調(diào)的現(xiàn)象。

    3.3 進(jìn)一步改進(jìn)方案

    原壓力定值計(jì)算回路是有速率限制，主要是根據(jù)鍋爐升壓能力來(lái)確定，作用是使壓力指令的變化同鍋爐實(shí)際升壓能力相適應(yīng)。而調(diào)頻修正回路的壓力定值部分必須沒(méi)有速率限制，這樣才能保證機(jī)組調(diào)頻發(fā)生時(shí)，調(diào)頻負(fù)荷能根據(jù)網(wǎng)頻快速動(dòng)作并且持續(xù)，不發(fā)生調(diào)門因壓力定值緩慢動(dòng)作而導(dǎo)致的反調(diào)現(xiàn)象。

    改進(jìn)后的原理如圖8所示（虛線部分）。

    圖中曲線為：

    2BAA01CE301：#2機(jī)機(jī)組實(shí)際負(fù)荷

    2BAA01CE320：電網(wǎng)頻率

    2CBA10C0003_：#2機(jī)主汽調(diào)節(jié)門實(shí)際開度

    2SGEN_BIAS：#2機(jī)頻率偏差修正值

    2PTSP：機(jī)前壓力設(shè)定值

    2PT：機(jī)前壓力

    2ZGOV_SEL: #2機(jī)主汽調(diào)節(jié)門開度指令

    從上圖中可以看出，當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)，負(fù)荷指令增加，主汽調(diào)門開度增加，主汽壓力下降的同時(shí)主汽壓力定值下降，調(diào)門開度沒(méi)有出現(xiàn)迅速減小的現(xiàn)象，能夠保證機(jī)組負(fù)荷迅速提高，滿足電網(wǎng)供電的需求。因此改進(jìn)后的一次調(diào)頻功能取得了良好的效果。

其它作者：

    王雁軍，工程師，1995年畢業(yè)于東北電力學(xué)院自動(dòng)控制系，長(zhǎng)期從事熱工專業(yè)的技術(shù)監(jiān)督與培訓(xùn)工作。