影响火电机组一次调频性能的问题分析.pdf

l 2 上海电力 2 0 1 5年第 4期 影响火电机组一次调频性能的问题分析 陈洪兴， 单英雷， 张建新 国网上海市电力公司电力科学研究院， 上海2 0 0 4 3 7 摘要 本文阐述了影响火电机组一次调频性能的因素， 提出了火电机组一次调频存在的问题。分析了一次 调频存在问题的原因。根据火电机组的特点， 以及现有的一些控制方式， 提出了解决这些问题的建议。 关键词 一次调频； 顺序阀控制； 压力控制回路； 能量平衡策略 中圈分类号 T M 7 6； T M 7 1 1 文献标志码 A 1 电网频率控制综述 2 一次调频概念 频率是 电力系统运行最重要的参数之一 ， 电 力系统频率变化会对发电机和系统安全带来严重 影响。因此， 将系统频率变化控制在一定的范围 内是 电网稳定运行的主要 目标之一。电力系统频 率稳定是指电力系统受到干扰 ， 系统 的频率发生 变化后能否回复到额定频率或接近额定频率 ， 其 取决于系统在尽少切除负荷 的条件下， 保持发 电 量与用电量之间平衡的能力。 电力 系统的频率控制分解为三级 ， 之间相辅 相成 、 功能 互 补。一 级频 率 控 制 ， 又称 一 次 调 频 ， 是指当电力系统频 率偏 离 目标值时 ， 发电机 组通过调速 系统 自动反应 ， 调 整有功 出力 以维 持电力 系统频率稳定 。一次调频 的特点是响应 快 ， 但是 只 能做 到有 差 控制 ， 主要 针对 短 周 期 秒级 、 小 幅度 负荷分量 ； 二级频率控 制 ， 也 称 二次调频 ， 是指发电机组接受调度 中心 A G C 自 动发 电控制 指令 ， 调 节发 电机有 功输 出 ， 以满 足系统频率稳定要求 。二次调频可 以是无差调 节 ， 主要针对较长周期 分钟级 、 较大幅度负荷 分量 ； 三级 频率 控制 ， 也就 是三次 调频 ， 是协 调 各电厂之间的负荷经济分配 ， 达到 电网的经济 、 稳定运行。是满足电力系统频率稳定 和系统 安 全的前提下合 理利用 能源 和设备 ， 主要 针对 缓 慢 、 大幅度负荷分量 。 当电力系统发生大扰动时 ， 即发电功率与负 荷发生严重不平衡时 ， 电网频率 的恢复需要依靠 三级频率控制 的协调运作。但是 ， 一次调频是频 率控制的第一道 防线 ， 对 电网频率稳定起到最直 接、 快速的作用。 系统一次调频是电力系统综合的一次调节特 性 ， 系统 内所有发 电机和负荷 的一次调节特性的 总和 ， 具有一 次调节作用的 电力系统模 型如图 1 所示 ， 从 图 1可以看 出， 由于具有一次调节作用的 电力系统中存在发 电机 的转速 即系统频率 的 负反馈调整环节 ， 将起到稳定系统频率的作用。 图 1 具有一次调节作用的电力 系统传递 函数方框图 一 次调节对系统频率变化的响应快 ， 根据统 计 ， 电力系统综合 的一次调节特性时间常数一般 在 1 0 s 左右 。 机组一次调频是指当电网频率超出规定的正 常范围后， 电网频率的变化将使电网中参与一次 调频的机组的调速系统根据电网频率 的变化 自动 地增加或者减少机组的功率 ， 从而达到新的平衡 ， 并将电网频率的变化限制在一定范围内的功能。 3 影响一次调频性能主要因素 影响发电机组一次调频响应性能的因素有很 多。电网频率变化的幅度和速度直接对抗负荷扰 动适应能力不同的机组一次调节性能产生不同的 影响 ； 机组本身固有 的速度变动率 、 迟缓率 、 转子 飞升时间常数 、 油动机时间常数、 容积时间常数等 特性 ， 对于同样 电网频率变动 的一次调频响应也 是有着差异 。上述因素都是客观 实在且无 法更 改。除此以外 ， 机组运行的方式、 一次调频控制的 2 0 1 5年第 4期 上海电力 1 3 策略、 测量信号的使用等因素 ， 也对一次调频性能 有着很大的影响 ， 由于这些因素可变动的 ， 以下对 这些因素造成的问题进行分析。 4 一次调频存在的问题分析 4 ． 1 一次调频不动作或滞后时间长 1 调 门原因有的机组调门本身在 电网频 率正常时就处于晃动状态 ， 造成负荷振荡 ， 有的机 组振荡还 比较大 ， 当电网频差超过设定死区时， 一 次调频小频差变动时反映不出负荷变化 。 2 测量信号的原 因 采用频率变送器信 号 作一次调频控制， 0～ 6 0 H z 频率对应其输出为 4 ～ 2 0 m A电流信号， 量程过大 ， 对频差 的灵敏度不 够 ， 有一定 的测量误差 ， 稳定性也较差。采用汽轮 机转速信号作一次调频控制 ， 例如 转速信号量程 为 0 3 5 0 0 r p m， 一次调频设定死区为 2 r p m， 这表明当汽轮机转速变化超过 3 r p m时 ， 一次 调频才起作用 ， 即 2 r p m死区与 3 r p m开始 动 作值之间有 1 r p m 盲区， 也影 响了一次调频 的性 能。另外还有一种情 况是一次调频控制逻辑 中， 在 C C S侧采用频率信号进行频差计算 ， 而在 D E H 侧采用汽轮机转速信号进行频差计算 ， 信号不统 一 o 3 运行方式的影响 为 了减少蒸汽节流损 失， 提高机组效率， 大部分机组在正常运行时都采 用顺序阀控制方式运行 ， 这种运行方式下的机组 ， 当汽轮机调门位置处 于重叠 区时 ， 调 门之间有死 行程 ， 在这个区域里阀 门的开度与汽轮机进汽量 不对应 ， 其对一次调频的响应不灵敏 ， 严重影响一 次调频效果 。从图 2和 图 3可以明显看 出， 单 阀 控制阀位 一流量关系明显比顺序阀控阀位 一流量 关系优。 4 ． 2 一次调频反向动作 机组是采用保压方式运行 ， D E H控制逻辑中 带有压力控制 回路 ， 一次调频动作时 ， 由于汽机调 门开度变化 ， 导致压力发生变化 ， 使得压力控制回 路动作 保压 回路动作 ， 造成压力控制 的调门动 作与一次调频控制的调门动作方 向相反， 其结 果 就是 当一次调频动作时， 响应不灵敏或反调现象 。 对采用能量平衡控制策略的协调控制 系统 ， 其一级压力控制内回路对一次调频调节具有严重 的反调作用 ， 当机组一次调频动作时 ， 一级压力变 化方 向与一次调频动作需求方 向相反 ， 产生明显 图 2 单阀控 制 沉鐾 ％ 图 3 顺序 阀控制 的反调作用 。 对于一次调频功能在 C C S侧投入控制系统 ， 图 4是典型实现方案 ， 方案中将频差通过函数转 换成负荷指令叠加在 C C S负荷给定 回路上 ， 当一 次调频动作时 ， 调门发生阶跃变化 ， 压力控制回路 对调节级压力快速调节 ， 输 出阀位指令与一次调 频指令作用相反 ， 出现反调。 4 ． 3一次调频富裕增量不足 影响富裕增量原 因主要有 以下几点 1 机组 蓄能不足。一次调频动作后 ， 主要 靠汽机调门的瞬间动作释放能量以及锅炉的蓄热 达到一次调频负荷增需求 ， 直流炉储能更小 ， 因此 只能靠损失压力和温度参数来尽量满足快速大幅 值波动 ， 后续能量 的提供就靠等待燃料产生热量 后 跟上 。 2 运行 方式的影响。滑压运行方式 下 ， 压 力控制对一次调频的动作产生抑制作用 。 3 D E H系统设置的流量特性 曲线与调节 阀 实际流量特性不符合， 使得阀门输出指令与实际 1 4 上海电力 2 0 1 5年第 4期 调节级 图 4典 型 C C S侧 一 次 调 频 频 差 处 理 原 理 负荷变化不对应。 4 为保证锅炉参数稳定， 有些机炉协调控 制方式采用机跟炉为基础 的协调方式 ， 导致一次 调频控制效果差。 5 机炉协调控制失调或调节偏差大。一次 调频的频繁动作造成锅炉给水 、 主汽温度、 主汽压 力频繁波动 ， 使得机组主要参数不稳定 ； 同时 由于 燃料 的频繁加 、 减 ， 使得锅炉 的蒸汽压力来 回摆 动 ， 而锅炉的滞 后特性 ， 几分钟后汽压才发生变 化 ， 当主汽压力高 或低 而一次调频要求减负荷 或加负荷 时 ， 则影响一次调频控制效果 。 4 ． 4一次调频频差与负荷增量不对应 出现这一现象的主要原 因是 D E H对一次调 频的影响。由于一次调频控制调 门阀位指令信号 直接叠加在综合阀位 出口处， 然后按照各个调节 阀门的特性 曲线去控制各个调 节阀 门的 阀位开 度 ， 如果调频指令与真实 的调节阀门的流量特性 曲线不对应 ， 在 阀门流量特性曲线斜率较大和较 小的负荷点 ， 局部不等率偏差较大 ， 将导致阀门的 开关幅度加大 ， 影响一次调频性能。 5 一次调频控制问题优化建议 5 ． 1防止一次调频反向动作 1 切换压力控制 回路定值 对于带 有 机前 压 力 控 制 回路 参 与 调 节 的 D E H系统 ， 当一次调频发生时 ， 采取在一定压力 范围内跟踪实际压力 的调节方式 ， 当压力超出设 定值一定范围后再对压力进行调节。这样相 当于 在一次调频发生时， 在一定压力范围内退出压力 自动控制， 而在一次调频结束或压力偏差超出设 定 的范围时 ， 自动投入压力控制， 给一次调频足够 的发挥空 间。当实际压力小于压力设定值 下限 时， 压力定值保持下 限值 当实际压力高于压力定 值上限时， 压力定值保持上限值 ， 当一次调频结束 时， 压力设定值既可以切到当前值 ， 又可以按一定 速率滑到设定值。 对于协调控制 回路 中设计有压力校 正 回路 的， 可以根据频差信号按一定比例修正压力定值， 减少压力校正回路的反调现象。 2 用实际压力与额定值偏差修正调节阀综 合 开度指 令 当压力偏离额定值时， 也会影响一次调频效 果。在低负荷时， 由于压力较低 ， 同样的调频阀位 指令往往不能转换为相应的负荷 ， 使调频幅度低 于同一频差的高负荷调频幅度和设计调频 幅度 ， 而在接近额定负荷时， 压力较高， 调频幅度也会高 于设计调频幅度。 为此可以引入压力补偿 ， 使一 次调频的综 合 阀位阶跃增量既同设计的速度变动率 以及频差相 关 ， 也能同机前压力相关。频差信号经调频阀位 函数转换后得到当前调频需要的综合阀位开度增 量 。 机前压力通过压力补偿 函数产生压力补偿系 数 ， 两者相乘 得到补偿后 的综合 阀位开度增量 。 通过压力补偿 ， 消弱主汽压力对一次调频的影响。 3 引入频率偏差修正调 节级压力定值 采 用能量平衡策略 的协调控制系统 ， 其调节 级压力控制的内回路对一次调频的具有明显的反 调作用， 因此需要进行优化处理， 消除反调现象。 在协调控制系统 中， 通常将频差功率补偿作 为前馈信号引入协调的功率控制器。因此功率控 制器输 出的调节级压力定值经带频差修正的负荷 指令通过功率控制器运算得出。此时的调节级压 力定值 的动作方向与 D E H前馈所产生的一级压 力的实际方向相反 ， 出现 了一次调频动作反调现 象。为克服此现象 ， 在调节级压力定值 回路增加 因电网频率变化所引起的功率变化幅值经过能量 平衡原理转换得到的调节级压力定值修正。 通过对压力定值的前馈修正 ， 使得在调频作 用时， 调节级压力定值能随电网频率变化相适应。 2 0 1 5年第 4期 上海电力 1 5 克服因调节级压力 随电网频率变化 ， 而调节级压 力定值不变 ， 进一步产生调节偏差并将调节级压 力快速调回的反调现象。 4 通过抑制 A G C的调节 来保证 一 次调频 的正 确动 作方 向 在机组投入一次调频和 A G C功能时 ， 经常会 出现 A G C的负荷指令变化方 向和一次调频要求 的负荷指令变化方 向不一致的情况 ， 所 以在 A G C 的负荷指令变化方向和一次调频要求的负荷指令 变化方 向不一致时 ， 应闭锁 A G C指令的调节 ， 优 先满足一次调频 的控制需要。 为避免 A G C指令方 向与一次调频动作方 向 相反 的现象 ， 需要增加 闭锁 A G C， 一次调频优先 的控制逻辑 即在 A G C方式下 ， 发 电机组应优先 执行一次调频的变负荷任务。 5 ． 2 提高一次调频响应速度和负荷增量 1 设置过死区负荷阶跃函数 D E H侧 是一 次调频 动作 的执行 环节 ， 因此 D E H侧的优化 是一次调频 优化的基础。对小频 差时一次调频效果不明显或不动作 的机组 ， 为了 能够快速响应一次调频变化 ， 并 同时克服 自身波 动的影响， 可将频差 函数在起始 阶段的斜 率设置 偏大一些 ， 甚至设置成起始值阶跃方式 ， 这样能够 快速响应一次调频变化。如表 1 。 表 1 6 0 0 MW 机组一次调频增量 函数 表 标准型 一 X Y 二 改进型。 X - Y 1 -6 - 一 2 。 ． 1 l 一一 0 3 6 2 ． 1 6 l 1 O 3 1 8 注 1 X为转速差 mi n ， Y为负荷增量 M W 。 这个方法可改善小频差时一次调频不动作或 动作迟延大的情况。 2 修正阀门特性 曲线 对于顺序阀运行方式下 ， 阀门特性 曲线不准 确以及 阀门之间重叠度的问题 ， 可以通过重新整 定 阀门特性 曲线或完善 阀 门部分折线 函数来解 决。也可以用负荷进行修正 ， 即在不 同的负荷下 ， 对于不同的频差所对应的不同阀位增量， 乘以对 应负荷下的修正函数。这样可以有效的提高速度 不等率的线性化 ， 提高不同负荷工况下阀位增量 对应的调频 负荷 的控制 精度。D E H侧根据一 次 调频速度变动率进行阀位增量 函数的整定 ， 使不 同频差对应的阀位增量函数与设计 的一次调频负 荷增量相匹配。 另外 ， 当机组运行在阀门之间的切换点时， 还 可以采用降压运行方式来避开切换点 ， 减少 阀门 重叠度 ， 提高一次调频响应 的灵敏度 。 3 增加主汽压力修正逻辑 对于滑压运行机组 ， 滑压方式下 阀门开度大 ， 其一次调频响应较慢 ， 特别是 当汽机调门开度大 到一定开度时 ， 阀门节流作用己不明显 ， 这时如果 加负荷 ， 效果不明显 ， 尤其是主汽压低于额定参数 时 ， 将使机组的调频速度变动率发生变化 ， 必定降 低一次调频 能力。因此 ， 对 于机组在滑压 区内运 行 ， 可 以采用额定压力除以机前压力得到的系数 对一次调频作用进行补偿修正 ， 修正后的一 次调 频指令叠加到汽机阀位指令中以保证机组在不同 负荷和不同压力下时一次调频 的动作效果。 4 改 变一次风 压 力设定 值 直吹式制粉系统有滞后性 ， 从增加燃料量指 令到主汽压力变化 ， 至少需要 2 ． 53 mi n时 间． 而一次调频动作 的时间为秒级 ， 为 了在很短的时 间内迅速提高锅炉的燃烧 出力 ， 将一次风压力设 定值在电网一次调频动作 时提高 ， 可在瞬间提高 一 次风压力 ， 将磨煤机中的剩粉吹人炉膛 ， 加快锅 炉的燃烧 ， 迅速提高锅炉蒸汽压力 。 5 ． 3在 CC S和 DE H侧 同时投入一次调频控制 机组 协调 控 制并 且 是 炉跟 机 方式 ， C C S和 D E H侧一次调频 同时投入。D E H计算出来“ 一次 调频因子” 送至 C C S ， C C S控制系统的主要功能是 在调节机组负荷的同时， 维持机炉能量平衡。通过 这种手段能避免协调控制系统对 D E H一次调频的 反调作用 ， 以保证一次调频控制的速度和精度。 5 ． 4 确保一次调频的频率信号准确、 可靠 。 统一 信号测量 对于在 C C S协调侧和在 D E H侧 的一次调频 控制逻辑中采用不 同的信号进行频差计算的 ， 建 议采用 同一个信号进行频差计算 ， 实现一次调频 动作时间和测量精度的统一。 5 ． 5其 它方面 的建 议 上述建议 中所涉及到 的优化策略和参数 ， 在 实际控制逻辑的优化中还要应依据不同机组特 性 ， 经过多次试验来确定 ， 即要保证一次调频效果 的改善 ， 也要保证机组的安全稳定运行 。 收稿 日期 2 0 1 5 一 D 2 _ 0 1 作者简介 陈洪兴 1 9 6 3 一 ， 男， 工程师， 主要研究方向为 热 工 自动 化 控 制 技 术 研 艽 。