基于高精度测量的火电机组一次调频改造及优化伦一洋

基于高精度测量的火电机组一次调频改造及优化伦一洋
发布时间：2021-11-11T08:22:34.886Z 来源：基层建设2021年第25期作者：伦一洋
[导读] 一次调频属于发电厂需要为电网无偿提供的基本辅助服务，是华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则和并网运行管理实施细则的重要组成部分。

当一次调频不能满足电网要求时要被考核。

大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂 063028
摘要：一次调频属于发电厂需要为电网无偿提供的基本辅助服务，是华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则和并网运行管理实施细则的重要组成部分。

当一次调频不能满足电网要求时要被考核。

某些机组一次调频合格率低的原因之一是机组一次调频信号是来自机组转速信号，而电网考核一次调频采用的是频率信号，因此，积极提升辅助服务水平和并网运行水平，信号源测量的差异导致一次调频性能变差。

采用高精度频率测量技术进行改造，同时进行了逻辑的重新设计，由此明显提高了一次调频的合格率，基本避免被电网“两个细则”考核情况的发生。

关键词：火力发电厂；电网辅助服务；高精度一次调频；智能采样逻辑
1.前言
一次调频是为了应对电网中由于负荷变动所引起的周波变化，如汽轮机调节系统和机组协调控制系统根据电网频率的变化情况利用锅炉的蓄能，自动修正高压调速汽门的开度指令，发电机的输出功率随之改变，使频率适应电网负荷的随机变动，来满足电网负荷变化的过程。

根据《华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》和《并网运行管理实施细则》，一次调频属于为了保障电力系统安全稳定运行，保证电能质量，发电机组必须提供的基本辅助服务，当并网发电厂因自身原因不能提供基本辅助服务时，说明设备运行管理水平不能够适应电网运行需求，须接受考核。

因此，提高发电厂一次调频的合格率，避免被调度考核，对发电厂具有现实的经济意义。

2.一次调频的原理及基本构成。

（1）一次调频的基本原理。

一次调频是电网的动态调频特性，其特点是通过并网机组调速系统的动态特性，利用锅炉的蓄能承担电网负荷变化，最终使电网频率形成一个稳定的频率范围。

一次调频是依靠油动机调速系统自动完成的，其响应时间小于3s。

在并网机组调速系统均参与一次调频时，电网负荷扰动量自动按各机组所设转速不等率分配到各机组之上，按照预设的转速不等率计算出不同调频负荷。

并网机组通常按照机组额定负荷的相对比例来计算一次调频负荷量，因此各机组的转速不等率具有大致相同的数值，对于火电机组一般为 4%～5%。

（2）一次调频回路基本的构成。

一次调频控制回路由DEH侧（汽轮机侧）控制回路、CCS侧（锅炉侧）控制回路和辅助及远传考核系统构成。

①DEH侧（汽轮机侧）控制回路：采取将转速差信号经转速不等率设计函数直接叠加在汽轮机（燃机）调速汽门指令处的设计方法，同时 DEH 功率回路的功率指令亦根据转速不等率设计指标形成调频功率补偿，且补偿的调频功率定值部分不经过速率限制。

需分别在阀位模式和 DEH 功率回路模式下设计一次调频控制回路。

图 1 为一次调频实现 DEH 侧典型原理图，机组转速偏差经过阀位函数后直接叠加到综合阀位指令。

图1 电调侧综合阀位
②CCS侧控制回路：具有 CCS 和 AGC 功能的火电机组，由 DEH、CCS 共同完成一次调频功能，即 DEH 侧采取将转速差信号经转速不等率设计函数直接叠加在汽轮机（燃机）调速汽门指令处的设计方法，而在 CCS 中设计频率校正回路，且 CCS 中的校正指令不经速率限制。

图 2 为 CCS 侧（或功率回路）典型原理图，机组转速偏差或电网频率偏差经过功频函数转换为调频功率指令后，不经过负荷速率和
负荷高低限制，直接叠加到功率控制器回路。

一次调频修正后，功率指令与实发功率偏差，经过功率控制器回路形成输出到 DEH 侧的综合阀位指令信号，进而直接作用到各阀门指令之上。

图2 协调侧综合阀位
③远传考核系统电网调度机构根据“两个细则”对所辖电网内的并网发电厂一次调频进行考核，考核由安装在调度中心的广域动态信息监视分析保护控制系统（WAMAP）自动进行。

发电厂的 PMU 装置，将发电机实时功率及频率信息送给 WAMAP 系统，由内置于其中专门的辅助服务考核系统，完成对一次调频的考核，考核结果由调度定期下发给发电厂。

（3）存在问题
由以上介绍可见，发电机组进行一次调频控制的信号基准是转速信号，而调度对一次调频进行考核依据的是频率信号。

理论上转速信号和频率信号存在着固定的换算关系，但实际上在机组动态运行过程中，由于测量设备及卡件、非特定设计的宏命令模块、通道选用等原因，转速信号和频率信号存在信号精度和传输控制回路偏差，均会造成两者时间和幅值上不同步，这是导致一次调频合格率偏低的一个重要因素。

对机组进行一次调频改造，并对控制逻辑进行优化，是提高一次调频合格率的有效途径。

3.高精度一次调频改造方案
（1）一次调频问题根源分析
应用的发电机组为 200MW 汽包炉发电机组；锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的HG-670/140-9型汽包锅炉。

汽轮机为哈尔滨汽轮机厂制造的N200-130/535/535型超高压中间再热凝汽式汽轮机发电机组。

DCS 和 DEH控制系统均为日立控制系统的H5000M分散控制系统。

根据电网考核通报，7号机组一次调频合格率较低，一般为 50%～60%，低于电网要求的 60%的合格线，经常被考核。

通过调取省调考核数据与机组实际运行数据进行分析对比，并针对现场设备运行情况进行全面的排查，发现一次调频合格率偏低有两条主要原因：①调节转速与网上频率测量上有一定的偏差；②转速测量精度不能满足一次调频考核的要求。

（2）改造方案。

①硬件改造。

本次改造采用基于数字信号处理器的一次调频高精度频率变送装置，直接转动轴承测速齿轮处采集电压信号，测量出发电机频率后转换为 4～20mA信号送给 DEH。

该变送器对频率信号的测量精度达到 0.01Hz，测量精度大于远原转速信号的测量精度。

a.频率前置板（LTC066A），主要用于对转速信号脉冲整形，LTC066A模板的电路构成如图3所示。

模板供电电源为DC24V，经稳压电路可分别输出12V和15V电源，其中15V电源同时作为模板工作电源。

模板配置4路完全相同的脉冲整形通道。

图3 LTC060A模板电路原理
输入电源：24V DC±10％，额定电流：100mA，输入电压：方波－0.5～20VDC，输入电阻：2KΩ，输出电压：高电平>7.5V 低电平<3V，输入频率：0～15KHZ。

b.一次调频高精度频差控制器。

该控制器包括三部分组成，电源部分、测控单元和显示单元。

测控单元接受1路方波或正弦波信号和1路开关量信号，并控制输出4路开关量信号（光电隔离）和缓冲输出1路方波信号；开关量信号用于一次调频控制，方波信号用于其它测量表计的输入。

安装形式：卡槽式安装，安装在DEH机柜里。

输入信号：接收频率前置板（LTC066A）方波信号
输出信号：四路开关量接点信号，DO1端子（DO1+，DO1-）、DO2端子（DO2+，DO2-）、DO3端子（DO3+，DO3-）、DO4端子（DO4+，DO4-），②逻辑优化。

DEH 控制逻辑内对该变送器输出信号的信号品质、量值区间进行修正及与实际转速偏差进行限制判断后，代替实际转速作为触发一次调频回路的电网有效网频偏差信号。

如图4所示，DEH系统接收高精度转速系统4路DO信号。

代表了不同转速下一次调频调节的四个状态。

图4 DEH系统接收高精度控制卡信号如下图5所示，4个状态信号经过计算和判断，得到调频功率，叠加至原一次调频回路中，修正动作指令。

图5 一次调频功率计算4.一次调频改造方案实施。

（1）方案准备：
①机组处于 50%Pe-100%Pe 负荷工况且处于协调控制运行方式。

②机组 AGC 运行方式投入。

③燃烧控制系统、给水控制系统、负压控制系统等正常投入。

④机组已完成重要控制系统定值扰动试验，确定完成对机组整体控制稳定性的评估。

⑤已办理相关审批手续。

（2）方案实施：经电网批准后进行机组一次调频试验，在 90%Pe、75%Pe、60%Pe 三个负荷工况下开展了±0.0667Hz（±4rpm），±0.1Hz（±6rpm）频差扰动性能测试试验。

试验开始前，先模拟系统频率为 50Hz 不变，确保机组协调控制及 CCS、DEH 一次调频控制功能正常投入，机组各重要参数控制在正常值稳定范围之内。

试验过程中，需要分别模拟系统频率以及电网实际频率阶跃变化扰动试验。

试验结束后，需要将试验过程中强制的各类切换回路和模拟参数复原。

（3）结果分析：
依据《火力发电机组一次调频试验及性能验收技术与应用导则》和《华中区域发电厂并网运行管理实施细则（试行）》，转速不等率：4%-5%；
一次调频响应时间：小于3s；
一次调频稳定时间：小于60s；
一次调频75%幅值飞升时间：小于15s；
一次调频90%幅值飞升时间：小于30s。

从一次调频动态响应指标和 60s 积分电量指标两方面要求，对试验机组在±0.0667Hz、±0.1Hz 频差扰动下的一次调频性能进行分析评价。

①动态响应指标：
分析计算 1号机组±0.067Hz、±0.1Hz频差扰动下一次调频动态响应指标见表1表1 典型工况下一次调频动态响应指标统计
指标
60%75%90%标准
Pe 试
验
Pe 试
验
Pe 试
验
要求
实际转速
不等率% 4.01 4.01 3.653～6响应时间/s 1.5 1.52≤3
15s
响
应幅
值/%
96.0999.18100.98≥75
30s
响
应幅
值/%
97.0899.61101.15≥90
稳定时间/s504535≤60死
区/Hz±0.033±0.033±0.033±0.033②电量响应指数分析：
表2 为典型工况下一次调频 60s 电量响应指数验收结果。

3 组典型负荷段（160MW、180MW、200MW）测试表明，机组调频响应时间、实际转速不等率和调频负荷量均满足电网要求。

表2 典型工况下一次调频 60s 电量响应指数验收结果
指标
60%Pe75%Pe90%Pe标
准值试验
均值
试验
均值
试验
均值
60s 电
量贡献指
数
1.01 1.02 1.01≥0.6
（4）实际考核结果：
表3是冀北电网对本电厂改造前电网考核一次调频实际考核的合格率。

表4是冀北电网对本电厂改造后一次调频实际考核的合格率。

与改造前相比较，合格率有了明显的改善。

表3 改造前电网考核一次调频合格率/%
月份7#
机
8#机
2021.350.849.3
2021.449.752.9
2021.552.457.2
2021.648.350.7
表4 改造后电网考核一次调频合格率/%
月份7#
机
8#机
2021.0866.364.3 2021.0971.274.1 2021.1076.577.3
5.结论
采用高精度频率变送器采集的频率信号作为火电机组一次调频信号源，同时进行逻辑的优化和完善，相较于原来的转速信号，调频死区和大小频差转换得到精准控制，避免由于DEH和MCS系统的转速信号或网频变送器误差造成的一次调频动作超前或滞后问题，带来的一次调频动作时间误差，导致一次调频不合格。

通过高精度控制器的精准同步功能，结合DEH和MCS系统完善相应的控制逻辑，从而提高一次调频积分电量、15秒和30秒出力指数的合格率，减少一次调频考核。

工程实践证明，此种一次调频改造是提高机组一次调频性能的有效措施。