火力发电机组频率调节控制技术

　　摘要：结合国内火力发电工程飞速发展的现状，说明了火力发电机组调频应用技术功能，提出机组调频、电网调频、频率异常的控制功能分类，分析大容量直流锅炉的调频控制方式，供火力发电机组控制系统工程应用设计参考。
　　
　　一、概述
　　
　　火力发电机组调频功能是指电网发电有功功率与供电负荷不平衡时，人工或自动的通过发电机组功率控制系统，根据电网频率变化的偏差（△f）*、限速率的调节增、减发电机组有功出力，维持电网供电频率的稳定。
　　
　　二、调频功能
　　
　　火力发电机组锅炉、汽机是惯性较大的热动力设备，其运行稳定性控制的特征是锅炉、汽轮发电机的能量平衡。其负荷的调节量及速度主要受限于锅炉负荷的可调速度及范围，可调速度通常为机组额定负荷的3%～5%ECR/min。火力发电机组的频率调节按调频负荷目标值的控制方式及控制过程不同而称为机组调频（一次）和电网调频（二次）控制功能。
　　
　　火力发电机组调频控制功能（一次调频）是指机组汽机调速系统无人工干预，自动参与电网频率变化控制功率的调节过程。频率调节的灵敏度（死区）、功率调节的速度及幅度是预先设定的。根据电网频率变化自动调节锅炉负荷或汽机进汽量，实现机组负荷的调频控制。机组输出功率调节与电网负荷变化的方向相反，维持电网频率的稳定。因其根据频差（△f）自动生成指令的实时调节过程而称为机组一次频率调节。从电网大系统来看，是电源点的频率自动调节响应，称为机组调频控制。
　　
　　一次调频负荷指令根据频差（△f）产生，动态的叠加在机组的给定负荷指令中。机组一次调频功能、性能与机组汽机调速系统的原理结构及其特性有关。与采用纯液压调速系统相比，机组调速系统采用计算机数字电液调节DEH、高压调节油系统EH后，使机组的一次调频功能实现方式已有所不同，控制性能有所提高，其一次调频控制功能技术特点：1）一次调频控制功能在机组数字电液调速系统DEH中实现，数字化，可在线切、投。为电网运行频率稳定控制的实时调度方式提供了良好的基础条件；2）一次调频性能参数可在线、准确的设定，为电网运行频率稳定控制调度按频率偏差△f分级方式提供了基本条件。死区的设置是为了避免机组输出功率的频繁调节抖动，死区可设定为零。纯液压调速系统的死区zui小值则是固有的。可在线设定机组一次调频功能可投的负荷范围、负苘调节范围及速度。3）一次调频性能参数可实现电网调度的远程通讯设定（通过采用计算机通讯建立的AGC通道）及一次调频功能的远程通讯切、投，为实现电网运行调频自动化提供基础条件。4）火力发电机组因锅炉、汽机能量特性差异较大，平衡困难，调频需保证锅炉、汽机能量平衡，要对机组运行稳定性影响小，因而其一次调频功率调节幅度、速度受限。国内火力发电机组的发电量在电网中比例较大，因而火力发电机组一次调频对电网正常运行的频率稳定，提高电能质量的作用是极其重要的。5）根据频差（△f）的机组一次调频控制是有差调节过程，需通过电网调频控制（即二次调频）消除频差（△f）。
　　
　　火力发电机组电网调频控制功能（二次调频）是指机组在人工干预（电网调度/运行人员）或自动（电网调度系统指令）改变机组的负荷给定值，参与电网频率调节的过程，即通常称为电力系统自动发电控制的AGC功能。二次调频功能通过电网调度的调频负荷指令或日负荷曲线，调整发电机有功出力跟踪电网供电负荷变化，以求电网系统内所有发电机组有功功率输出总和与电网系统内的所有用电设备消耗负荷相等，从而控制电网频率在规定的范围内，保证供电的电能质量。二次调频AGC负荷指令具有人工或实时控制的双重特征，而日负荷曲线则是负荷的预测控制。火力发电机组接受电网调度/运行人员调频负荷指令，通过机组功率自动回路改变锅炉或汽机的负荷给定值，调节机组负荷。因其调频负荷指令来自电网/运行人员而称为机组二次频率调节。从电网大系统来看，是电网供求负荷平衡的频率开环或闭环调节过程，可称为电网调频控制。
　　
　　目前，国内机组二次调频（AGC）负荷指令大多是电网调度根据负荷平衡预测计算（在线实时或非实时的），确定或机组运行人员根据电网调度下达日负荷曲线确定。其调节过程是非全自动闭环、实时完成的。当然，调度自动化系统通过电网频率的实时采集及电网供、用电负荷平衡的实时测量，实时自动计算、分配电网调频控制负荷量，实时自动选定调频机组（AGC功能远程切、投），实现机组调频负荷指令自动实时生成，通讯下传，可实现电网全自动的、实时闭环的机组二次调频功能控制。机组二次调频控制（AGC）功能可在线切投、设定负荷上下限值及升降速率。也可实现电网调度的远程通讯设定（AGC通道）二次调频性能参数及远程自动切投，实现电网调度调频运行的全自动化。
　　
　　机组一次调频和电网二次调频控制的基本功能原理见附图。

　　
　　三、一次调频功能控制应用
　　
　　技术参数（600MW机组典型值）：1）频差死区：50Hz±0.033Hz（±2rpm）；2）调节比率：≤4MW/rpm；3）一次调频负荷调节范围：±4%额定负荷，负荷可调在±24MW范围内（额定负荷600MW）；4）一次调频控制功能可投负荷范围：50%～105%（300MW～630MW）。技术参数均可在线修改设定，参数设定值应由电网调度下文确定或远程通讯设定。DEH系统应有调度设定数据的限幅处理功能。一次调频控制负荷特性曲线：

　　
　　一次调频控制特性：电网频率偏差△f在死区内（±0.033Hz），即机组转速偏差在2rpm以内时，一次调频负荷指令输出为0，机组不参加调频控制。电网频率偏差超出死区范围，机组根据△f进行机组负荷调整，机组负荷以±24MW为上、下限调整范围，即zui大调频控制负荷量。电网频率发生偏移0.1Hz（频率偏差△f=0.067Hz，机组转速约4rpm）时，机组一次调频的调整功率为16MW。电网频率偏差超出±0.132Hz，即机组转速偏差超出±8rpm时，机组维持24MW的调频负荷量保持不变。
　　
　　机组一次调频功能切、投及其负荷调节幅度应由电网调度统一根据机组一次调频参数及电网运行方式综合确定。需考虑机组负荷的控制精度（通常为±1MW）；同时，应协调机组调频特性的差异（如水、火电机组），防止机组调频控制产生过激振荡。一台机组投入一次调频功能，zui大调频控制负荷量为±4%额定负荷，600MW机组典型值为24MW。因此，一次调频的负荷调节幅度对机组稳定性影响较小，利用锅炉的蓄热即可满足机组一次调频的负荷变动量。电网内投入一次调频功能的机组台数，应根据电网运行方式及用电负荷潮流实测/预测分析确定。同时，应根据区域用电负荷潮流特性，确定投入一次调频控制功能的机组布点，使电网一次调频负荷潮流分布合理。应是定周期实时的、预测动态的实时切、投控制过程。可通过已实现计算机电网调度通讯的AGC通道，实现机组一次调频功能的远程切、投。
　　
　　四、电网频率异常控制
　　
　　互联电网大容量（占电网供或用电负荷10%以上）、重要的联络线事故解列时，互联双方电网的频率大幅度变动，达到±0.5Hz以上时，火力发电机组的一、二次调频功能因其控制响应实时性能的限制，对于电网频率波动初期（10s内）无有效的稳定控制作用。电网频率异常控制的措施是：1）互联供电侧电网频率高，通过安全稳定装置，采用按△f偏差分级的远方切机控制信号，切除预定的并网发电机组。考虑减小机组启动恢复供电的过程时间，通常，分级的原则是先切水力发电机组、再切火力发电机组。2）互联受电侧电网频率低，通过安全稳定装置，采用按△f偏差分级的远方减载控制信号，切除预定的用电负荷。通过电网频率异常的初期切机、减载控制，电网频率很快的恢复到一定的范围内，其后，通过机组一、二次调频功能调整电网频率恢复稳定、正常。
　　
　　五、直流锅炉调频功能
　　
　　一次调频要求机组有较快的负荷调节响应速度，维持电网的频率稳定。国内直流锅炉目前所采用的TF（机跟炉）协调控制方式：机组升、降负荷，先调节锅炉给水量、给煤量，待锅炉的蒸汽流量发生变化后，再调整汽机调门开度改变机组的实发功率。特点是：锅炉、汽机能量平衡，机前压力的变化较小，没有利用锅炉的蓄热，导致机组的负荷响应速度较慢，调峰能力较差，一次调频性能较差。对基于TF方式的协调控制，负荷的响应速度取决于锅炉侧的响应，大滞后、大惯性是锅炉能量的特性，控制系统无法改变。即使直流锅炉的蓄热能力较差，利用直流锅炉的蓄热仍是加快直流锅炉机组负荷响应速度的重要途径。
　　
　　调频控制优化：1）采用BF（炉跟机）协调控制方式，根据汽机调节级压力和机前压力的调频动态变化情况控制锅炉负荷指令，减小机前压力动态偏差。同时，加快锅炉给水量和给煤量动作速度，以弥补锅炉的惯性和滞后。给水量和给煤量调节动作速度加快时，常规PID控制的快速性与稳定性之间产生矛盾，会造成控制系统的不稳定，使给水量和给煤量控制振荡；反之，若要求控制系统稳定，即给水量和给煤量的调节平稳，则机组的负荷响应速度慢，一次调频控制性能较差。解决锅炉侧控制快速性与稳定性的矛盾，应采用*的控制策略和控制方案。通过内模（动态补偿）控制策略补偿锅炉惯性，使补偿后的锅炉等效对象具有较好的动态特性，即等效对象具有较小的惯性、滞后。在加快锅炉给水量和给煤量控制速度，利用锅炉蓄能的前提下，保持机前压力相对稳定。2）采用TF协调控制方式，根据机组功率指令、机组实发功率及频差校正后的一次调频信号计算机组压力定值的动态校正信号。调频控制时，动态修正机组的压力设定值，使汽机调门调节快速动态响应，适时利用机组蓄能，加快机组的负荷变动响应速度，改善机组一次调频控制性能。
　　
　　动态特性补偿功能可改变锅炉的大惯性、滞后动态特性，补偿后的锅炉等效控制对象的动态特性具有较小的惯性，使锅炉具有较快的负荷调节速度，且动态响应稳定，这对于直流锅炉实现一次调频功能是非常关键的。一次调频控制利用锅炉蓄热时，会导致机前压力波动较大，为获得机组快速的负荷响应速度和平稳的压力变化，调节锅炉给水流量及汽机调门利用直流锅炉蓄热时，应加快锅炉煤量调节：1）前馈动态调节磨煤机一次风流量，应用磨煤机内存粉；2）采用预测控制技术，预测锅炉热能，超前调节给煤量，加快锅炉负荷的动态响应，补偿锅炉惯性。