一次调频功能控制策略的分析及优化

一次调频功能控制策略的分析及优化

随着大容量机组在电网中的比例不断增加，电网用电结构变化引起的负荷峰谷差逐步加大，而用户对电能质量的要求却在不断提高，电网频率稳定性的问题越来越被重视。大容量火电机组需要根据中调的AGC指令和电网的频率偏差参与电网的调峰、调频。为提高电网运行的稳定性，降低电网频率的波动，增强电网抗事故能力。目前发达国家电网频率变动允许范围是0.1Hz，我国电网频率变动允许范围是0.2Hz，因此许多重要产品的质量比不上经济发达国家。电能质量越高，电网也越安全。特别是电力走向市场的大环境下，各电网均开展了以省为实体的电网地区负荷偏差控制，即 ACE控制。各省电力公司为快速满足ACE 偏差最小化的要求，大力发展自动发电控制（AGC）机组。“AGC”机组是指参与电力调度通信中心的频率和有功功率自动控制的机组。

1 基本概念

1.1 一次调频

对于电网中快速的负荷变动所引起的周波变动，汽轮机调节系统、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，自动改变调门的开度，即改变发电机的功率，使之适应电网负荷的随机变动，来满足电网负荷变化的过程这就是一次调频。

现代广义的电网一次调频功能，需考虑汽轮机、锅炉、发电机及电网间的相互配合与制约关系，应以整台机组作为控制对象。从功能上既要有传统电网一次调频的快速性，又要有现代控制的整体协调性。汽轮机快速响应外界负荷、频率的变化，锅炉跟随汽轮机的快速响应，满足汽轮机的要求。稳定运行的电力系统，其电源和负荷功率必须是动态平衡的。当电源功率或负荷发生变化造成变化时（以功率不足为例），系统的频率就会随之降低，系统中的负荷设备会因为频率下降而影响其有功的吸收。与此同时，系统中运行的同步发电机组，也会按照其调速系统的静态特性增加调门开度，弥补系统中功率的不足。

1.2 速度变动率

速度变动率是指汽轮机由满负荷到空负荷的转速变化与额定转速之比,其计算公式为:δ=(n1 - n2)/n×100%，式中n1：汽轮机空负荷时的转速, n2: 汽轮机满负荷时的转速, n：汽轮机额定转速。对速度变动率的解释如下:汽轮机在正常运行时,当电网发生故障或汽轮发电机出口开关跳闸使汽轮机负荷甩到零,这时汽轮机的转速先升到一个最高值然后下降到一个稳定值,这种现象称为“动态飞升”。理论上，转速上升的最高值由速度变动率决定,一般应为4～5 %。若汽轮机的额定转速为3000转/分,则动态飞升在120～150转/分之间。三河发电有限责任公司速

度变动率取5 %。

1.3 响应滞后时间和稳定时间

图1 响应滞后时间和稳定时间示意图

如图1所示，响应滞后时间：当电网频率变化达到一次调频动作值到机组负荷开始变化所需的时间，图中Δt为响应滞后时间。为保证机组一次调频的快速性，根据《华北电网发电机组一次调频运行管理规定》要求Δt应小于3秒。

稳定时间：机组参与一次调频过程中，在电网频率稳定后，机组负荷达到稳定所需的时间，图中t1为稳定时间。为保证机组一次调频的稳定性，根据《华北电网发电机组一次调频运

行管理规定》要求t1应小于1分钟。

1.4 负荷变化幅度

机组参与一次调频的负荷变化幅度，是考虑当频率变化过大时，机组负荷不再随频率变化，以保证机组稳定运行。但是，变化幅度限制的越小，一次调频能力越弱，根据《华北电网发电机组一次调频运行管理规定》要求限制幅度大于机组额定负荷的±8%。

AGC机组在CCS内设置的一次调频调节量计算式为：

式中n0=3000r/min；No为额定功率；δ＝5％.所以，350MW级AGC机组在（50±0.1）Hz频率范围内参与一次调频时，机组一次调频负荷调整的最大允许范围为±14MW/0.1Hz

机组参与一次调频频率调节死区为（3000±2）r/min，即调节的频差死区为±0.033Hz。电网固定机组一次调频范围为（50±0.1）Hz，即（49.9～50.1）Hz, 当频率低于49.967 Hz时，ΔN＝140×〔50－(Hz+0.033)〕（MW）, 当频率高于50.033 Hz时，ΔN＝140×〔50－(Hz-0.033)〕

（MW）。在此范围内CCS系统参与电网一次调频能力最大为±9.38MW，超过该区间运行人员手动

快速调节负荷满足电网频率需要。

2 目前三河发电有限责任公司的情况

2.1 整体情况

三河发电有限责任公司机组在DCS系统和DEH系统中都存在一次调频功能，机组运行投入，不能人为退出。机组工作在AGC方式时，由DEH、DCS共同完成一次调频功能，当机组不在AGC方式时由DEH完成一次调频的任务。一次调频功能由DEH实现。即将频差信号叠加在汽轮机调速汽门指令的设计方法,以保证一次调频的响应速度。同时在DCS中投入频率校正回路,即当机组工作在机组协调或AGC方式时,由DEH、DCS共同完成一次调频功能。既保证一次调频的响应速度,又保证机组参与一次调频的持续性,此系统的一次调频功能不能随意切除,保证了一次调频功

能始终在投入状态。

一次调频控制原理如图2所示。

图2 一次调频控制原理示意图

2.2 《华北电网发电机组一次调频运行管理办法》规定三河发电有限责任公司机组的一次调频技

术指标为：

速度变动率：4%-5% 系统迟缓率：< 0.06% 死区：< ±2转/分钟

稳定时间：< 1分钟变化幅度：≥±8%MCR 响应滞后时间：< 3秒

2.3 1、2号机组的一次调频实现

1、2号机组一次调频技术指标符合《华北电网发电机组一次调频运行管理办法》的要求，

频差函数曲线如图3所示。

图3 频差函数曲线

目前1、2号机组的技术指标：

速度变动率： 5% 系统迟缓率：0 死区：±2转/分钟

稳定时间：< 1分钟变化幅度：≥±8%MCR 响应滞后时间：< 3秒

DEH一次调频的逻辑图如图4所示。

图4 DEH一次调频的逻辑图

说明：在汽机实际转速偏差低于±2rpm时，通过10s的一阶延迟缓慢作用。

在汽机实际转速偏差大于±2rpm时，偏差经2/3比例后直接加到汽机调门指令上。

频率偏差与负荷修正的关系确认

一次调频的组态实现逻辑为：

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

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

如果Bias＞r_hi，则Bias＝r_hi；

如果Bias＜r_lo，则Bias＝r_ lo；