火电机组一次调频及试验

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国网陕西省电力公司电力科学研究院的研究人员张燕平、吴子豪等，在2018年第4期《电气技术》杂志上撰文指出，随着经济的不断发展，火电机组的容量不断增大，以及电网动态的稳定性不断提升，电网的不断发展对火电机组的安全性和反映速度也随之不断地增加。

火电机组一次调频对供电质量和电网运行安全有较大影响，可以通过一次调频控制系统对调频机组的加减负荷进行一定程度的控制，控制到机组频率工作时需要的额定范围。因此必须给予足够重视，寻找科学有效的方法来提高其负荷变化幅度及响应速度。

本文在对火电机组一次调频功能进行了解以及对单元机组一次调频控制原理进行熟知之后，详细说明了火电机组一次调频的重要性，并以某300MW单元火电机组为例，介绍了不同控制方式下一次调频的试验方法，得到了一定准确的试验数据，发现在实际的生产工作中可以进行投入使用。

在电网中，大容量发电机组与光伏、风电等新型能源发电机组数量的增加以及用户用电量的持续增加，使发电结构及用电结构正在发生变化。交直流外送工程运行以及电网系统中自动化水平和电力调度工作质量不断提高，要求火电机组的运行方式随之改变且响应速度相应加快[1-2]。

根据文献[3-6]对组合火电机组一次调频试验的介绍和说明，证明了机组一次调频试验的实际过程中还存在着一系列的问题，作者对问题也进行了一定的分析说明，改善了一次调频的性能方法，优化了一次调频的技术要求。

在文献[7-8]中，作者指出对机组一次调频逻辑优化与试验方法数据进行分析和阐述能够使机组一次调频的性能进一步提高，对实际的工作有一定的指导意义。根据前面作者指出的一些改进措施和实施方法，发现尚且存在一些试验证明中存在的具体问题，还不能够对提出的观点和阐述的理论具有十足的支撑[9]。

为了适应这些变化，火电机组要在一定条件下以电网中所需要的负荷总量与电网频率偏差为依据，实现电网的调峰、调频。这就对火电机组一次调频性能提出了更严格的要求。为此，国内各大电网都主动开展火电机组一次调频试验工作。查阅相关文献与研究报告可知，目前CCS与DEH控制系统同时具备一次调频功能是火电机组当前能够满足电网一次调频要求的最佳模式[10]。

1  DEH与CCS系统一次调频

若要火电机组一次调频功能有效地发挥作用，则必须了解DEH和CCS控制系统的运行方式。虽然火电机组可采用不同类型的DEH和CCS控制系统，但是一次调频原理基本一致[11]。

1.1  一次调频功能概述

电力系统运行会受到来自外界的影响而引起负荷发生改变，电网频率有时候会超出正常要求范围，这时就需要并入电网中的发电机组一次调频功能发挥作用，根据电网频率实际变化幅度调整发电机组发电功率增大或者减小，以求能够在较短时间内达到新的平衡，并将电网频率变化幅度控制在一定可控的范围之内[12-13]。

发电机组一次调频具有调整速度较快、调整量随电网频率变化和调整量可控的特点。一次调频涉及的技术指标较多，主要包括转速不等率、频率死区、调频负荷范围等[14]。

转速不等率是机组空负荷对应的最大转速和满负荷对应的最小转速之差，与额定转速之比的百分数，表示为汽轮机转速与负荷静态控制特性曲线的斜率，如图1所示。

图1  转速与功率的线性关系

转速不等率的大小能够体现机组参与电网调频能力的强弱，其值越大调频能力越弱，机组能够更加稳定运行；反之，调频能力越强，机组的稳定性会相应降低。

调频死区设置可以有效地避免汽轮机调节阀因转速不稳定或在电网频率小范围波动时引起机组负荷波动或调节系统摆动，能够保证电网和设备更加稳定运行。

对调频负荷变化量进行限制，避免在一次调频动作时出现负荷超出的现象，防止发电机组运行参数大范围剧烈波动，保证发电机组安全稳定运行。

1.2 DEH系统一次调频功能

在DEH控制系统中，经过电网频差校正的负荷需求直接与DEH系统中负荷指令进行叠加，再作用于对汽轮机调节阀的控制。

这种方式的优点是，电网频率偏差与机组负荷变化存在一定关系，无论机组运行在何种状态，在频率偏差理论上都会产生相应幅度的负荷变化，能够将电网频率偏差控制在一定范围内，为二次调频创造更好的运行条件。但这种方法需要保证DEH系统功率控制回路始终处于投入状态，否则一次调频功能就难以有效发挥作用。

当功率控制回路不投入时，DEH控制系统为阀位控制方式，一次调频为纯比例调节，调节品质与机组运行参数及调节阀的流量特性有关，一次调频的实际负荷响应与调频负荷目标值必然存在偏差。

DEH控制系统一次调频反应速度快，但存在偏差，且持续性差，机组蓄热只能持续一段时间，后期机组一次调频负荷量无法维持，甚至又回到一次调频动作前的原负荷值。

一次调频函数可以作为电网频差校正的负荷指令参考，当机组额定功率、转速不等率、一次调频负荷限制、死区等参数已知，一次调频函数即可确定。一次调频函数曲线如图2所示。

图2  一次调频函数曲线图

图中，n为机组额定转速与实际转速之差，Px与Px分别是机组一次调频增、减负荷限幅，nx与nx分别是Px与Px对应的转速差。

1.3 CCS系统一次调频功能

CCS控制系统实现一次调频功能的原理与DEH控制系统基本相同，函数关系也一致。以美国MCS公司（原teads&Northrup公司）研发的DEB400直接能量平衡系统为例，说明CCS控制系统一次调频功能的控制原理，如图3所示。

图3  一次调频函数曲线

在CCS控制系统负荷控制回路中，负荷指令由AGC指令或运行人员设定给出，该负荷指令经过幅度和速率限制后与一次调频的负荷增减指令叠加，叠加后的功率指令经PID调节器运算形成汽轮机调节阀的开度调节指令，控制机组负荷的增减。

CCS控制系统一次调频的优点是机组运行较稳定，持续性较好，但响应速度较慢，不能快速响应电网频率的变化。

2  DEH与CCS系统相互协调

火电机组一次调频功能可以选择以下控制方式投入：①DEH控制系统单独投入；②CCS控制系统单独投入；③DEH控制系统（遥控方式）与CCS控制系统同时投入，即“CCS+DEH”方式。

如前所述，无论是DEH控制系统还是CCS控制系统，单独投入一次调频功能效果均不十分理想。同时，若CCS控制系统不投入一次调频功能，则由DEH控制系统一次调频动作产生的负荷变化量会被CCS控制系统负荷控制回路的负荷调节作用拉回，产生反调。

因此，火电机组要想充分发挥一次调频功能，采用DEH与CCS控制系统同时投入一次调频功能是最佳选择，即采用“CCS+DEH”方式投入一次调频功能，这也是当前火电机组采用的常规方法。

电网频率信号精度较低，一般由DEH控制系统将机组转速差或转速信号送至CCS控制系统，保证CCS控制系统一次调频动作产生的调节阀开度指令或流量指令与DEH控制系统一次调频动作指令同步。同时，CCS控制系统改变锅炉指令，使锅炉与汽轮机能量保持平衡，维持机组运行参数基本稳定。

DEH与CCS控制系统同时投入一次调频功能，既能够保证电网中负荷与频率发生变化时调频功能的灵敏度，实现快速、有效的响应，还能够保证调频负荷的准确性和调频效果的持续性。频差出现时，DEH控制系统能够迅速地接收到一次调频信号发出调节阀调节指令，实现快速响应，满足电网需求。

换一个角度来说，DEH控制系统一次调频是开环调节，发挥着前馈的作用，将电网频率稳定在一定范围内，属于有差的比例调节。当调频信号传送到CCS控制系统负荷设定回路时，主控制面板会发出负荷增减指令，实现负荷的闭环调节，提高负荷调节精度，巩固DEH控制系统一次调频的调节成果，维持频率与负荷的稳定性。

因此，协调控制系统对汽轮机发出的调节阀指令与DEH控制系统一次调频动作保持一致，火电机组一次调频功能才能够完全发挥出来。

3  一次调频试验

3.1  试验条件

在试验开始之前，需要确认CCS与DEH控制系统逻辑组态及一次调频参数设置是否正确，机组处于协调控制方式或DEH功率控制方式，其他系统运行正常，各项自动、保护系统工作正常，机组负荷在最低稳定燃烧负荷与额定负荷之间可调，CCS与DEH控制系统一次调频功能均能正常投入状态。

3.2  试验内容

一次调频试验是衡量评价火电机组一次调频调节品质的主要手段，正确的试验方法对公正准确地评价火电机组一次调频各项性能指标非常重要。

按照相关要求，火电机组一次调频试验应在不同的运行工况、负荷点，采用不同的频差或转速差进行，其选择原则如下：

1）运行工况选择。一次调频试验应包括单阀方式下和顺序阀方式下的一次调频试验。无单、顺序阀运行工况的机组进行的一次调频试验应能表征该机组运行工况下的实际性能。机组控制方式应为协调控制方式或DEH功率控制方式。

2）负荷工况选择。一次调频试验选择的负荷工况点不应少于3个，一般选择在60%、75%、90%额定负荷点附近。亦可在稳燃负荷至50%额定负荷之间的负荷点进行一次调频试验。选择的工况点应能较准确反映机组滑压运行的一次调频特性。

3）扰动量选择。每个试验负荷工况点，应至少分别进行±0.067Hz及±0.1Hz频差阶跃扰动试验；应至少选择一个负荷工况点进行机组最大双向调频负荷试验，检验机组的一次调频负荷限制功能。实际试验中，一般采用机组额定转速、实际转速、转速差作为扰动量，而优先选择转速差作为扰动量。±2r/min死区校验可任选一个试验负荷工况点进行。

一次调频试验应采集的参数一般包括机组转速差、功率、总阀位指令、高压调节阀反馈、主蒸汽压力、速度级压力等，参数采集周期应不大于1s。

根据一次调频试验采集的参数记录、计算转速差扰动量、试验前负荷、试验发生15s负荷、15s负荷变化量、15s负荷变化幅度、试验稳定负荷、稳定后负荷变化量、实际转速不等率、响应时间、稳定时间等参数，并计算发电机组每个试验负荷工况点的转速不等率、响应时间、稳定时间、15s响应幅值、死区等参数的均值，对机组一次调频性能做出评价。

3.3  试验方法

本次试验以300MW单元火电机组作为试验对象。机组运行在顺序阀、协调控制方式下，负荷设定为270MW，由试验人员开始进行一次调频试验。在DEH工程师站改变转速差信号，将其由0强制至试验要求的扰动量，记录机组一次调频试验相关参数，稳定至少1min后将转速差信号恢复至0，分析各项参数的变化幅度是否满足相关规定要求。

用同样的方法可进行机组不同控制方式、不同负荷点、不同转速差扰动量，以及单阀或顺序阀运行状态下的一次调频试验。

试验结束后，检查火电机组与试验相关的逻辑组态及参数是否恢复到试验前状态。火电机组一次调频试验方法可参照《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》（GB/T 30370—2013）或《火力发电机组一次调频试验导则》（Q/GDW 669—2011）执行，一次调频试验数据计算及机组一次调频性能评价方法可参照《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》（GB/T 30370—2013）中的相关规定，机组一次调频技术指标应满足属地能监局“两个细则”及所属电网调度控制中心颁布的一次调频运行管理规定的相关要求。

3.4  实验结果分析

在进行试验进行的数据结果，把不同转速偏差的机组一次调频的负荷偏差和转速不等率进行了一定的记录，相关的数据见表1。

表1  转速不等率测试结果

从机组一次调频和AGC功能的投入表明，可以明显地提高电网频率的稳定性以及对电力系统的动态品质进行很好的改善。不同电厂的机组一次调频在性能上也存在着一定的差异和差距，要对试验过程中发现的不同问题和不足之处进行及时的调整优化，针对存在的问题及时查找和分析原因。

4  结论

电网是否能够保质保量、安全稳定运行涉及到国民经济和千家万户的利益，保证其能够稳定、优质运行是电力企业必须要担负的责任和义务。

一次调频功能的实现可以对电网安全和电能质量带来更好的保障，必须具备相应的技术条件和物质条件使其得以实现，为电力行业更好、更快地发展保驾护航。