提高火力发电厂一次调频性能指标合格率的研究

摘   要：

大型火力发电厂优良的一次调频性能对维持电网稳定运行具有关键作用。为规范各火力发电厂一次调频操作，提高其一次调频能力，每月电网都会针对各台机组的一次调频性能指标进行考核，具体包括前15 s出力响应指数、前30 s出力响应指数、电量贡献指数三个方面。部分电厂的一次调频性能考核指标不满足要求，既对电网的稳定运行不利，还会产生经济考核。针对这个问题，从测量、控制等方面进行研究，并在火力发电厂中试验，获得一次调频相关参数，为火力发电厂提高一次调频性能提供一个改进的方向。

0  引言

电网对并网机组一次调频考核指标的计算和判定是基于电厂PMU装置上传的频率信号和功率信号进行的，但发生一次调频时，电网频率会优先于调节指令的变化，此时要求汽机调门快速动作，及时响应电网需求，所以信号源的准确性和汽轮机阀门动作的快速性是关键。而汽轮机转速差作为一次调频的源信号，存在精度低、测量滞后等问题，严重影响一次调频的快速和准确动作，并且会增加一次调频不必要的动作次数，无法保证一次调频性能指标满足要求。基于此，本文对一次调频性能指标展开深入研究并提出解决方案，具有很高的应用价值。

1  火力发电机组一次调频原理

1.1  一次调频函数

一次调频采用开环控制，一次调频函数发生器作为基础控制器，其原理图如图1所示。

在图1中，±Δf1之间为死区，范围[-0.033 Hz，0.033 Hz]，在死区内，一次调频不动作。当频率偏差超出死区后，一次调频根据一次调频函数发生器指令动作，当调节功率达到最大值±ΔPmax时，一次调频不再继续动作[1]。其中，±ΔPmax与火力发电机组容量有关。  

1.2  一次调频重要参数

（1）一次调频死区范围为[-0.033 Hz，0.033 Hz]或[-2 r/min，2 r/min]。

（2）一次调频转速不等率为4.5～5，其越小调节性能越好。

（3）一次调频功率最大值±ΔPmax与机组容量有关，具体如表1所示。

（4）每转转差对应功率=PN/150。最大转速偏差=±ΔPmax/每转转差对应功率+2，具体如表2所示。

1.3  一次调频机组动作逻辑

（1）为快速响应电网频率的变化，一次调频需要快速准确动作。在汽轮机侧DEH中，检测到频率差或转速差超出死区后，一次调频函数发生器发出功率指令，经过限幅后直接叠加在阀门流量指令上，直接驱动高压调节门，减少运算时间，进而实现快速动作[2]。具体逻辑如图2所示。

（2）为防止汽轮机侧DEH动作之后，CCS侧功率指令和实际功率出现偏差进行反向调节，影响一次调频性能指标，在CCS投入的情况下，将一次调频动作功率限幅后叠加到CCS负荷指令。一是防止CCS反向调节功率；二是通过锅炉主控调节主汽压力，使锅炉侧能够响应汽机侧由于一次调频带来的主汽压力变化，达到快速稳定的效果[2]。具体逻辑如图3所示。

2  一次调频优化方法

2.1  信号源测量装置

对PMU装置、电网一次调频考核数据和发电厂一次调频动作数据进行比较，具体数据如表3所示。

通过对数据的比较，发现PMU测量的频率出死区与电网考核数据的起始时间一致，而转速偏差出死区平均有6.25 s延迟，必然会影响一次调频前15 s出力响应指数。为保证信号源的准确性，将转速偏差更换为频率偏差。频率测量装置与PMU装置的取源点必须相同，测量精度＜±0.002 Hz，要求输出三路模拟量频率信号和一路数字量频率超限信号，分别送至DEH和CCS侧，用于一次调频动作的信号源。  

2.2  一次调频逻辑优化

（1）增加一次调频动作前馈，提高一次调频前15 s和前30 s出力响应指数。在小频率差扰动下，一次调频函数转换出的功率指令幅度小、不稳定，由于功率指令和阀门指令的运算、高压调节门伺服动作以及油动机和阀门的机械特性，机组实发功率变化小，无法满足一次调频前15 s和前30 s的出力响应指数。通过分析频率测量装置越限信号，发现对其进行信号处理后，能够准确判断出一次调频是否应该动作。在一次调频动作时，增加前馈分量叠加到阀门流量指令中，能够快速响应一次调频动作，提高一次调频前15 s和前30 s的出力响应指数。具体逻辑如图4所示。

（2）增加快动缓回功能，提高一次调频电量贡献率指数。由于频率信号不稳定，频率差变化幅度大，无法维持最大频率差对应负荷功率。通过限制频率差变化的速度，增加最大频率差的维持时间[3]。具体为：频率差为正偏差且大于0.033 Hz时，限制其下降速率；频率差为负偏差且小于-0.033 Hz时，限制其上升速率。具体逻辑（以新华DEH为例）如图5所示。

3  应用效果

以山西某电厂300 MW亚临界机组一次调频为例，未采用本文方法进行优化前，电网8月性能考核数据如表4所示。

通过更换频率测量装置、增加一次调频前馈和快动缓回功能，机组一次调频性能指标有了质的提升，电网9月考核数据如表5所示。

通过对优化前后数据的对比发现，一次调频性能指标合格率，前15 s和前30 s响应指数合格率达到90%，较优化前提升70%；电量贡献指标合格率达到70%，较优化前提升60%，能够很好地满足华北电网一次调频性能要求。

4  结语

针对火力发电机组存在一次调频性能指标合格率低的问题，采取了更换频率测量装置、增加一次调频前馈和快动缓回逻辑等措施。优化后，一次调频三个性能指标均有明显提升，达到了电网的要求，并且大幅减少了一次调频性能考核，实现了火力发电机组一次调频优化的效果。

审核编辑：汤梓红