火電機組一次調頻特性分析

徐優

摘要：火電機組一次調頻的目的在于調節電流頻率，保持電流輸送的穩定性。一次調頻可以有效防止電路負荷變動或者電路斷路帶來的頻率突變問題，對于保持電力系統的安全性和可靠性至關重要。通過介紹三種典型的調速控制方式，分析一次調頻主要控制參數，借助仿真實驗分別研究改變調速器的時間常數和限幅對一次調頻的影響，并根據實驗結果為實際工作提供參考性建議。

關鍵詞：一次調頻;調速控制方式;控制參數;時間常數;限幅

1引言

隨著中國城市化進程的不斷加深，普通居民對于家庭用電的要求也越來越高，根據國內外城市大型停電事故帶來的問題可知，現代科技還無法很好地解決負荷突變帶來的停電問題，為了使電力系統可以持續穩定的輸送電能，可以在電力系統中加入一次調頻，它可以有效控制負荷突變帶來的頻率波動問題，在一定程度上優化了電力傳輸的穩定性。

2典型控制方式

2.1DEH側一次調頻

數字電液控制系統（DEH）的工作原理是直接控制液壓執行機構實現對汽輪機各部件閥門的間接控制，由于采用了液壓控制機構所以控制響應時間短并且精度高，具有優良的線性控制能力和極短的閥門遲緩率。DEH通過輸出閥門開度控制信號主要實現汽輪機轉速偏差、調節級壓力以及功率的控制，DEH可以作為獨立的控制單元完成一次調頻的工作，也可以和其他控制系統聯合成為執行單元，例如和發電機組的分散控制系統（DCS）[4]配合不僅實現電網的調峰調頻控制，還有鍋爐協調控制，熱狀態啟動控制等工作。

DEH單獨使用的最大缺陷在于閥門控制曲線和重合度之間的沖突，DEH對于每個閥門都具有獨立的控制曲線，實現對不同閥門開度的自動化控制，所以對閥門控制曲線的設計是評價一次調頻是否合格的重要指標，但是太過復雜的控制曲線需要設置許多額外的傳感器執行機構等設備，不僅加大了系統的總體設計成本，而且間接降低了系統的自動化程度。所以一般的發電機組為了提高汽輪機的熱效率，采用的是最簡單的順序閥門控制曲線，并盡可能減少閥門之間的重合度。但是在實際運行過程中發現，在閥門切換的時刻，經常會出現用于一次調頻發生的閥門增量被用于閥門切換的預啟動量，這樣就導致某些負荷點的調頻效果沒有達到理想值，而且這樣也間接影響了發電機組的安全運行。

2.2CCS側一次調頻

協調控制系統（CCS）通常和DEH共同使用，DEH既可以作為控制機構和CCS協同工作，也可以只作為執行機構受CCS的控制，當只作為執行機構時，DEH只需要對轉速偏差進行控制，而CCS對調節級壓力以及功率進行控制。當DEH作為執行機構時可以減少汽輪機主汽壓力對一次調頻的影響，控制效果肯定優于DEH獨立控制，這也是一種比較主流的電網調頻方式。

但是CCS也存在有諸多缺點，由于兩套控制系統是協同工作的，所以較容易出現控制沖突的問題，具體表現為DEH側一次調頻出現響應緩慢或者反調現象，使得一次調頻工作無法正常進行。其原因在于當需要進行一次調頻時，DEH會立即響應改變相應閥門的開度，相應的調節級壓力或者機前壓力出現變化，CCS的壓力調節回路對壓力變化進行補償，輸出調頻發生的閥門增量，該閥門增量與引起DEH動作的一次調頻指令方向相反，這樣就導致DEH出現響應緩慢或者反調等現象，除此之外CCS還存在有一次調頻死區的問題，CCS是基于電網頻率信號設計死區的，從理論上來講不存在有調頻死區的缺陷，但是在實際運行過程中由于設計測量誤差等問題會導致兩套控制系統的協同工作不能完美同步，偶爾會出現一側已經完成一次調頻另一側無動作的現象，這雖然對一次調頻的總體效果影響不是很大，但是在長時間運行過后也會成為一個不可忽視的問題。

2.3聯合一次調頻

聯合一次調頻即采用兩種或者兩種以上的控制系統協同進行一次調頻，除了上一節介紹最常見的DEH和CCS的協調控制系統，還有DEH和EH組成的電液控制系統，將DEH作為控制單元，EH作為執行單元實現對汽輪機主汽門和調節閥門的開度控制，還有對發電機組轉速、壓力、負荷等參數的控制。這些聯合控制系統可以根據發電機組的實際工作需要進行安裝，但是并不是控制系統的復雜度越高越好，太過復雜的控制系統極容易出現控制沖突等問題。

3特性分析

3.1一次調頻主要參數

一次調頻的效果不僅依靠控制系統的工作性能，發電機組的各種參數對一次調頻的效果也具有較大的影響，這里主要介紹三種影響最大的參數：調頻死區、調差系數、負荷變化幅度。下面具體分析各個參數對于一次調頻效果的具體影響。

調頻死區，在不影響電網穩定性的前提下，電網頻率小范圍的頻繁波動是可以不進行調頻處理的，但是由于DEH的響應時間極短，這會引起閥門高頻率動作，這在一定程度上會減少發電機組的使用壽命，所以為了解決這個問題需要設置適宜的調頻死區，在電網處于該頻率范圍內時，控制系統可以不發生動作，但是調頻死區范圍不能設置得過大，這樣會使得控制系統完全不工作，在通常情況下火力發電機組的調頻死區設置在±0.034Hz。

調差系數，也被稱為速度變動率，它是汽輪機無負荷和全負荷的轉速差值與汽輪機額定轉速的比值，這個參數反映了汽輪機運行的穩定性，也間接反映了一次調頻的優劣性，調差系數越小汽輪機的運行穩定性越差，但是機組對一次調頻的能力越強，但是過大的調差系數會使汽輪機靈敏度變差，系統響應緩慢，所以一般汽輪機的調差系數在4%-5%之間。

負荷變化幅度，從理論上來講，負荷變化幅度為零是最理想的發電機組運行狀態，但是負荷的時刻波動也間接反映了發電機組的運行狀況，如果機組出現故障也可以及時發現并處理， 通常情況下，機組負荷變化幅度越大電網頻率變化也越大，對一次調頻的要求也越高。所以在實際運行狀態下會設置頻率變化限值，當機組負荷變化幅度過大時，處于頻率變化最大限值之內的機組負荷將不會隨著頻率的變化而變化，這樣也就保證了發電機組的運行安全。

3.2影響一次調頻參數分析

DEH可以近似看做電-液執行機構，所以對一次調頻的影響較為直觀，本文主要分析CCS的時間常數和限幅對一次調頻的影響，在仿真實驗中，只有CCS側一次調頻，DEH側一次調頻忽略不計。

時間常數，控制器的時間常數范圍較廣大致在0.2-2s之間，為了便于分析，這里取1s、1.5s、2s三個時間常數，對比調節閥門開度指令發起時間和響應時間曲線得出結論，從結果中可以得出時間常數越大，調節閥門開度的響應時間越短，并且開度變化曲線斜率越大。

限幅，控制系統從控制指令發出到閥門開始動作，控制指令需要進行限幅處理以達到優化控制的目的，在仿真實驗中分別設置限幅最大上限為1.05pu和1.1pu，比較機械功率隨時間變化規律，結果表明，對于機械功率變化曲線，從0-20s，1.1pu的限幅最大值曲線變化速率高于1.05pu，在20s之后1.1pu的曲線突然下降和1.05pu存在一定重合，之后1.1pu基本保持平穩狀態，而1.05pu逐漸下降，這說明了較大的限幅值對一次調頻響應速度抑制作用較弱。

參考文獻

[1] 康浩強，何青，杜冬梅.汽輪發電機組一次調頻技術分析[J].電力與能源，2019，40（02）：269-274.

[2] 周云祥.地方小電網內的火電機組DEH系統的控制研究[J].通訊世界，2017（09）：160-161.

[3] 張鍔，余小敏，祝廣場.基于電網頻率波動的一次調頻控制策略及優化[J].電站系統工程，2017，33（04）：75-76+78.

[4] 楊勇，王宏偉，焦鵬程.火電廠熱工設備典型隱患分析及解決方案[J].電力科技與環保，2020，36（04）：61-62.