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赖建明，王冠博
(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院， 哈尔滨 150030；
2.美国康涅狄格大学 工程学院，斯托斯 06269)
用电负荷和发电功率的不平衡是造成电网频率波动的主要原因，电网频率波动过大不但会对用户设备造成危害，也会对在网机组造成重大危险，所以当电网频率出现波动时，在网机组应及时改变功率以平衡用电负荷，而能快速做出反应,依靠并网机组的一次调频功能。由于单台机组的负荷调节能力有限，因此要求在网机组必须全部投入一次调频功能，共同调节功率稳定电网频率，而并入电网的所有发电机组应具有良好的一次调频性能。这是提高电网频率稳定性，也是电网及机组安全可靠运行的基础。
根据火力发电机组一次调频试验及性能验收导则(GB/T 30370—2013)，及东北区域电网发电厂并网运行管理实施细则(东北监能市场(2019)115号)。电网调度中心通过广域动态信息监视分析保护控制系统(wide area monitoring analysis protection-contrtol, WAMAP)对所在辖区的并网发电厂一次调频自动进行监督管理。发电厂的电网同步相量测量单元(phasor measurement unit，PMU)，将发电机实时功率及频率信息送给WAMAP系统。因此，发电厂一次调频控制系统的稳定投入和较高的合格率，可以使其在电网调度方面争取更多的上网电量和更高的经济利益。随着电网用电结构变化引起的负荷峰谷差逐步加大,电网频率稳定性的问题越来越被重视。黑龙江省内100 MW以上机组商业运行时间平均超过10年，设备稳定性和控制系统调节能力下降，一次调频性能合格率较低，对电网安全稳定运行产生不利影响，亟需进行升级改造。
1.1 一次调频系统设计及技术要求
电网负荷变动过大，会所导致其频率随之发生波动, 不利于电网安全稳定运行。机组设计的汽轮机电液调节系统和机组协调控制系统，可以通过改变汽轮机调门开度的方式来改变发电机的功率，来回应电网负荷变化，使其频率尽快恢复到正常水平，即一次调频[1]。
根据《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则：GB/T 30370—2013》，一次调频系统设计及技术要求如下：
1)一次调频功能需要分别在汽轮机数字电液调节系统、机组协调控制系统中实现。
2)一次调频死区设置应不大于±0.033 Hz(即±2 r/min)。
3)机组调速系统的速度变动率，即δ应在4%～5%之间。
4)一次调频最大调整负荷限幅应不小于6%的额定功率。
5)机组参与一次调频的滞后时间应不大于3 s。
6)机制参与一次调频的稳定时间应不大于1 min。
7) 机组一次调频的负荷响应速度应满足：
机组达到 75%额定功率的时间应不超过15 s ，达到90%额定功率的时间应不超过30 s。
8) 一次调频设定曲线如图1所示。
图1 一次调频设定曲线
1.2 一次调频系统原有设计存在不足
当电网负荷波动导致频率偏离正常范围时，并入电网的发电机组会通过汽轮机调节控制系统自动控制发电机有功功率增加(当电网频率向下波动时)或减少(当电网频率向上波动时)，当并入电网的多台发电机组同时参与调节时，电网频率会迅速回到正常范围。该发电厂的600 MW火电机组一次调频功能控制由汽轮机数字电液调节系统(digital electric hydraulic control system, DEH)，及机组协调控制系统(unit coordinated control system，CCS)共同完成，当机组采用DEH控制方式时，DEH采集汽轮机状态监测系统提供的实际转速信号与额定转速的偏差信号，经转速不等率设定函数计算后，将直接叠加在汽轮机调速汽门总阀位指令处，同时功率回路的功率指令亦根据转速不等率设定函数计算后，提供一个适合的指标进行调频功率定值补偿，且补偿的调频功率定值取消速率限制功能，使其快速相应负荷变化。当机组采用CCS控制方式时，机组自动发电系统(automatic generation control,AGC)或CCS侧的负荷控制中心的负荷指令亦根据转速不等率设计函数计算后，提供设定指标进行调频功率定值补偿，且补偿的调频功率定值也不经过速率限制，保证负荷响应的快速性。
当机组处在CCS控制方式时，系统提供的一次调频指令信号与AGC负荷指令叠加前乘以1个系数，用于扩大一次调频动作幅度；
同样，当机组处在DEH控制方式时，系统提供的一次调频指令信号在与调门开度指令叠加前也需要设计乘以1个系数，用于将调门开度适当地增加。虽然提高一次调频动作幅度所取得的效果还是比较明显，但是在不同负荷段以及主汽压波动剧烈会影响一次调频动作效果[2]。
一次调频系统控制逻辑如图2所示。
图2 一次调频系统控制逻辑图
发电机组进行一次调频控制的信号基准是汽轮机实测的转速信号，而电网调度对一次调频进行考核的依据是电网频率信号。理论上转速信号和频率信号存在着固定换算关系，但实际上在机组动态运行过程中，电网频率信号相对稳定性较差及转速变化速度与频率变化速度存在非同步性[3]，会导致机组一次调频动作不及时或者过度动作，影响一次调频性能指标的效果，长期运行对机组的安全稳定运行造成隐患；
汽轮机阀门流量特性曲线与实际阀门特性不符，造成一次调频控制精度不高，从而使得指标不达标；
机组开环控制或协调控制方式下一次调频控制方案设计不合理，同样影响一次调频的各项指标。
基于现状，考虑开发一种与机组分散控制系统(distributed control system，DCS)相适应的一次调频控制智能系统，既能实现DCS系统对机侧转速频率信号的高精度采集，又可以基于频率变化做出相应调整的控制策略[4]。
2.1 一次调频智能控制系统组成
一次调频智能控制系统由一次调频智能控制装置及附属硬件设备组成，控制装置采用嵌入式系统设计，通过高精度的频率传感器实现对电网频率信号的实时采集；
同时采用基于电网功率变化动态调整的先进控制策略，可将信号采集和逻辑控制完美结合，直接输出控制指令。该装置控制精度高、响应迅速，控制方案合理，满足电网调度对并网机组的一次调频各参数指标的考核，也能有效地减少发电机组的一次调频误动，促进电网和发电机组的经济水平提高。
一次调频智能控制系统,从PMU中，即电厂电气进行同步相量的测量、输出及动态记录，采集机组频率和功率信号与需要智能控制的信号进行逻辑功能计算，通过硬接线将调频量、采集数据分别送至DEH和DCS系统直接控制机组汽轮机调门。其一次调频改造系统如图3所示。
图3 一次调频改造系统拓扑
2.2 硬件系统改造
机组电子间内增设1套一次调频智能控制系统机柜，内置有一调频智能控制装置、服务器及显示装置等，用于汽轮机侧频率采集、功能运算和一次调频控制。
CCS、DEH系统根据需要选取原控制模件的备用通道或增加相应模件，用于一次调频控制、系统报警及数据采集等数据的传输。
直接从发电机电压互感器上采集电压信号，通过一次调频高精度频率变送装置进行信号处理，测量出发电机频率后转换为模拟量控制信号传至一次调频智能控制系统。该变送器对频率信号的测量精度大于转速信号的测量精度，可以达到0.001 Hz。
一次调频智能控制系统采用A、B两套相互冗余的采集和运算系统，对运算后信号自动进行优化判断后输出到CCS和DEH系统进行一次调频的调节，提高了系统的安全性和稳定性。
2.3 软件系统改造
逻辑修改的控制策略为：在不改变原有一次调频控制策略的前提下，实现一次调频控制的无扰切换。当“一次调频智能控制系统投切”按钮投入后，一次调频指令由一次调频智能控制装置发出，并取代原设计系统的控制功能，直接叠加至DEH阀位总指令，实现一次调频功能。如一次调频智能控制系统出现断电、装置故障等不正常工况时，无扰切回原一次调频控制回路。
为了调高控制精度，弥补汽轮机阀门流量特性的偏移，在一次调频智能控制系统中增加依据不同负荷段设定各自转速不等率设定值的补偿系数折线函数。
DCS、DEH一次调频控制逻辑，F(x)后增加T切换功能块，切换条件设置：手动切除、一次调频智能控制装置指令都故障(品质坏)切除、一次调频智能控制装置都异常切除(装置异常信号)[5]。当一次调频智能控制装置指令发挥作用时，原一次调频负荷指令并屏蔽，通过T切换功能块的N管脚(即条件不满足“NO”)输入；
如上切换条件满足时，原一次调频负荷指令将发挥作用，同时屏蔽一次调频智能控制装置指令，通过T切换功能块的Y管脚(即条件满足“YES”)输入。CCS、DEH一次调频逻辑修改如图4所示。
图4 CCS、DEH一次调频逻辑修改
当一次调频指令与AGC指令出现反向调节或者机组在汽机主控控制方式时，一次调频指令有优先级，所以需闭锁汽机主控反向调节指令。
当一次调频智能装置工作异常，会导致一次调频负荷指令出现大幅度波动，所以一次调频负荷指令接入负荷控制回路前需要增加限幅功能块(DCS、DEH)，机组限值幅值设置为±6%目标负荷。
当模拟量卡件输出信号出现漂移现象，会影响机组负荷调节品质，一次调频智能控制装置输入指令需要对信号进行判断和修正，当输入指令<0.1 MW时，逻辑上增加小信号切除功能，输出信号置0。汽机主控一次调频逻辑修改如图5所示。
图5 汽机主控一次调频逻辑修改
一次调频智能控制装置输入指令变坏点时，逻辑上设计异常判断报警功能，输入指令≥+6%(36 MW)或≤-6%负荷时报警。
逻辑修改完成后，需要统一按逻辑执行次序对逻辑块顺序排列的合理性进行检测，确保完成该逻辑页中的所有逻辑运算在1个扫描周期内完成，否则需要修改排列顺序。
一次调频智能控制系统改造完成后，重新对该600 MW机组进行了一次调频试验，在机组75%负荷，额定转速3 000 r/min下，实际发出频率扰动信号，转速偏差分为4种情况，-4 r/min、+4 r/min、-6 r/min、+6 r/min，试验数据见表1～4。
表1 转速偏差-4 r/min时试验数据
表2 转速偏差+4 r/min时试验数据
表3 转速偏差-6 r/min时试验数据
表4 转速偏差+6 r/min时试验数据
试验数据表明，控制系统能够满足一次调频各项性能指标要求，改造效果良好。
面对现代工业及社会生活对供电品质不断提高的要求，对并入电网的大型火电机组而言，一次调频控制系统的投运及具备良好的调节功能是确保电网频率的稳定性的关键。通过对该机组一次调频系统的改造升级，发生电网频率变化时，机组可以迅速改变负荷，满足电网频率稳定供电的需求，同时参与一次调频的机组稳定性也未受到影响，此次一次调频功能改造取得良好效果。
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