基于特征流量辨識的機組一次調頻性能提升分析

曹 磊

(中國石油集團電能有限公司熱電一公司, 黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

發電機組一次調頻功能可以提高電網安全運行水平,使電網頻率保持穩定[1-2]。為此,2020年9月東北電網下發《東北區域發電廠并網運行管理實施細則》和《東北區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》[3],對一次調頻負荷調整范圍由原穩燃負荷以上提高到全負荷調頻,僅龍江電網月考核達到一千萬以上,對火電機組一次調頻性能提出了更高的要求。某電廠2臺200 MW機組2021年一次調頻月度考核費用(減免后)為137萬元,必須不斷提升一次調頻實際動作性能,才能盡量減少電網的大幅度考核,提升機組實際發電效益。

1 一次調頻問題分析

1.1 一次調頻考核標準分析

按照《東北區域發電廠并網運行管理實施細則》的規定,機組一次調頻負荷調整響應特性指標為:1)一次調頻的負荷響應滯后時間β1:小于3 s,為1,否則為0;2)負荷調整幅度β2:所有機組在15 s內負荷調整幅度,應達到15 s內頻率極值點對應的一次調頻理論調整負荷的90%;3)負荷調整幅度的偏差β3:在電網頻率變化超過機組一次調頻死區開始至60 s或至頻率變化回到一次調頻死區時止,機組實際與理論調整負荷之差絕對值的平均值應在理論調整負荷最大值的±25%內;4)頻率響應指數Bu[4]:在電網頻率變化超過機組一次調頻死區開始至60 s或至頻率變化回到一次調頻死區時止,機組一次調頻的實際加權積分電量要達到期望積分電量90%以上。其中一次調頻的負荷響應滯后時間β1火電機組一般可以滿足要求,而負荷調整幅度β2、調整幅度的偏差β3和調頻響應指數Bu[5]這三項指標不容易合格,特別是調整幅度的偏差β3。因機組自身原因無法投入協調或者協調控制精度較差,致使一次調頻負荷控制精度較差,無法滿足一次調頻的考核要求。

1.2 一次調頻控制存在的問題

1)汽輪機高調閥流量特性曲線與實際閥門特性不對應。機組出現負荷控制超調或者欠調的現象,影響一次調頻效果。

當汽輪機高調門進行了解體、通流改造等檢修后,汽輪機閥門流量特性會發生變化,汽輪機閥門流量特性曲線是否與機組閥門特性相符,直接決定了一次調頻負荷調節的控制精度。

2)常規發電機組一次調頻信號源采用汽輪機轉速。汽輪機轉速因轉速卡測量精度、被測轉盤齒輪粗糙等原因造成其精度較低,無法滿足控制要求,造成一次調頻頻繁波動,一次調頻合格率低,無法滿足一次調頻控制要求,影響機組的經濟性和安全性。

3)一次調頻控制策略無法適應一次調頻考核指標要求。常見的一次調頻控制策略有2個設定:減小一次調頻動作死區;加大“轉速差-功率”曲線斜率,增加一次調頻幅度。此控制策略雖然可提升一次調頻考核指標中的負荷調整幅度β2和調頻響應指數Bu,但無法滿足調整幅度的偏差β3指標,而且會對機組造成大量無效擾動,負荷頻繁波動[6],不利于發電機組的安全經濟運行。

2 解決方案

2.1 提升一次調頻信號精度

采用機端頻率信號作為一次調頻信號源,同時獨立計算機組功率作為一次調頻被調量。

采集發電機出口TV計算機組頻率,同時采集發電機出口TA計算機組功率。頻率采集精度達到±0.001 Hz,功率信號不進行濾波等信號處理,從而保證與同步相量測量裝置(phasor measurement unit, PMU)信號一致性,為提升一次調頻性能提供準確信號基礎[1]。

2.2 基于特征流量辨識的一次調頻性能優化技術

常規一次調頻調節被調量為機組功率,但是機組功率波動次數較多,一次調頻為跟蹤負荷造成機組閥門擺動,而且不利于調整幅度的偏差β3指標調整。高壓缸通流量能直接代表機組負荷[7](非供熱季),且較為穩定,不會發生突變,所以采用高壓缸通流量作為一次調頻的輔助調節手段,與機組功率信號相結合,提升機組一次調頻負荷控制精度,特別是在機組協調控制功能無法投入狀況下,起到重要作用。

2.3 機組一次調頻控制回路優化

1)主汽壓力保護控制回路影響一次調頻調節效果。在機組協調控制投入效果不佳狀況下,主汽壓力波動較大,當一次調頻動作時,如主汽壓力波動超越主汽壓力保護控制回路的死區,造成汽機主控指令與一次調頻動作方向相反,從而造成了一次調頻反應緩慢,甚至反調[8]。

優化方法:一次調頻動作時將主汽壓力保護控制回路閉鎖,防止汽機主控反調。

2)協調控制系統(coordination control system, CCS)與汽輪機電液控制系統(digital electronic hydraulic, DEH)指令疊加影響。當一次調頻動作時,DEH側一次調頻指令直接作用在閥位總指令上,同時協調控制系統調頻指令也會通過汽機主控進行輸出,如汽機主控的PID參數設置過強,則會造成一次調頻大幅超調,甚至振蕩。

優化辦法:適當降低汽機主控PID的參數強度,或者在汽機主控被調量機組功率增加1～2 s的延遲濾波。

3)一次調頻控制回路運算次序和運算周期的影響。一次調頻控制回路屬于快速調節回路,如在DEH一次調頻控制回路中不注意運算次序和運算周期的問題,則會造成調節延遲,造成一次調頻指令輸出較慢,從而造成調頻負荷響應較慢[9]。

優化辦法:在停機檢修期間,修改一次調頻控制回路的運算次序和運算周期調整到50 ms。

2.4 全模式控制策略

針對機組狀況自動切換相應的控制策略,在機組全模式(CCS(協調控制方式)、TF(機跟隨方式)、BF(爐跟隨方式)、MAN(手動方式)、MWI(功率回路投入方式))下,一次調頻性能都能得到保證。機組控制邏輯如圖1所示。

圖1 機組控制邏輯

1)網頻動態調整方法。機組在CCS模式下,一次調頻動作時,機組在前15 s內的負荷調整幅度取決于DEH調頻量,但如DEH調頻參數設置不當,會出現負荷超調量大,或者調整幅度不夠的狀況。而網頻動態調整方法,利用大數據技術分析網頻變化,總結出網頻超越死區(50±0.033) Hz時網頻變化斜率規律,確定網頻變化斜率的門檻值,以當前網頻變化斜率是否超越門檻值為依據動態調整DEH調頻參數,如網頻變化斜率較大(超過門檻值),則DEH調頻參數應適當放大;反之,則應縮小。機組在CCS模式下采用網頻動態調整方法,動態調整一次調頻DEH參數,避免出現負荷超調量大或者調整幅度不夠的情況,提升了機組一次調頻性能[10]。

2)負荷動態補償調整方法。在非CCS模式下,機組負荷控制處于開環調節,通常把DEH調頻參數設置過大,使調頻負荷超調;但會出現一次調頻動作時主汽壓波動過大的現象,機組穩定性變差。而采用負荷動態補償調整方法,建立機組主汽壓、閥門開度和負荷的三維度模型,動態調整DEH調頻量。當一次調頻動作時,根據一次調頻理論調節負荷和當前主汽壓力,反推需增加或減小的閥門開度,據此計算出DEH調頻參數,實現一次調頻負荷的精準控制,從而滿足一次調頻考核,不會出現大幅超調的現象。

2.5 汽輪機閥門流量特性曲線優化

開展汽輪機閥門流量特性曲線試驗,優化高壓調節閥流量特性,調整重疊度等參數,使得負荷控制精度提高、閥門動作無大波動[11],實現負荷控制的線性化,提高一次調頻性能。

3 應用效果

東北區域某200 MW機組一次調頻性能較差,一次調頻考核較多,自2023年5月開始,對某機組進行了一次調頻信號源、閥門流量特性曲線及控制策略等方面優化后,機組一次調頻各項考核指標均已合格,滿足了一次調頻考核要求,實現免考試,提升了機組的經濟性。閥門流量特性曲線優化前后對比圖如圖2,優化前后考核指標見表1。

表1 優化前后一次調頻考核指標

圖2 汽輪機閥門特性優化前后對比圖

4 結 語

以200 MW機組為例進行分析,在不同運行模式下,從頻率檢測和控制策略兩方面,優化提升一次調頻性能,解決困擾機組運行的一次調頻考核問題。無論從提升機組安全運行和電網頻率穩定角度,還是從機組“兩個細則”考核效益出發,都具有重要意義?？蔀槠渌痣姍C組一次調頻優化提供解決方案。