大型火电机组一次调频参数的设置及其
日期：2008-11-5 23:11:17 来源：中国自动化网
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摘 要:介绍了一次调频参数的设置方法及对协调控制系统稳定性的影响，并且对如何在发挥一次调频作用的同时减少对协调控制系统稳定性的影响提出了建议，提出了将DEH一次调频因子引入协调控制系统的方法。
关键词：火电机组；一次调频；协调控制系统；稳定性
Abstract：The setting method of primary frequency control parameters and its effect on stability of coordinating control system is introduced. The author proposes some recommendations for bringing the primary frequency control into full play and reducing its effect on stability of coordinate control system at the same time, and also proposes a method introducing DEH primary frequency control factor into coordinate control system.
Keywords：fossil power plant；primary frequency control；coordinate control system；stability
为了保证电网的安全经济运行，提高电能质量和电网频率的控制水平，迅速消除由于电网负荷变化而引起的频率波动，电网对机组的一次调频要求越来越高。自20010610河北省南部电网（以下简称河北南网）甩660 MW一次调频试验成功后，要求所有配备DEH的200 MW以上机组的一次调频功能全部投入。由于DEH的生产厂家不同，参数的设置方法也有差异。如果一次调频参数设置不合理，会对机组的安全性与稳定性带来一定的影响。以下针对河北南网大型火电机组中一次调频参数的设置及其对协调控制系统稳定性的影响进行分析，并探讨如何合理设置DEH和DCS一次调频的参数，使其既能满足电网频率快速响应的需求，又能满足机组安全稳定性的要求。
1一次调频基本概念
一次调频功能是通过调节汽轮机调门的开度，利用机组的蓄热来快速响应电网频率的变化。目前大机组普遍应用DEH来进行汽轮机转速和有功功率的控制。
DEH中一次调频功能是将汽轮机转速与额定转速的差值直接换算成有功功率指令，以新华控制工程公司的DEH为例，其控制结构原理见图1。
其中汽轮机额定转速（一般为3 000 r/min）与实际转速的差值经函数f（x）转换后生成一次调频因子，直接叠加到DEH的有功功率给定值上，以控制汽轮机的调门开度。一次调频因子的设置包括频差死区和转速不等率两个因素。频差死区的设置是为了防止在电网频差小范围变化时汽机调门不必要的动作。
一次调频不等率δ定义为：
式中Δn——机组空负荷时和满负荷时的转速差值，r/min；
n0——机组额定负荷值，MW。
δ的数值一般设置在3%～6%，δ值越小，在相同的频差下汽机调门的变化幅值越大，反之则越小。
一次调频因子的设置与机组的稳定性密切相关，频差死区越大，δ越大，机组越稳定，但是对电网一次调频的贡献也越小。一次调频因子的设置应兼顾机组稳定性和一次调频快速响应的指标。
2一次调频参数的设置及其对协调控制系统稳定性的影响
δ的数值确定之后，频差的变化和一次调频因子的数值的关系就是线性的，可以有多种方法来完成一次调频参数的设置。应用较广泛的是利用函数发生器f（x）进行一次调频参数的设置方法。以下对河北南网火电机组出现的一次调频参数的设置情况及对协调控制系统的影响进行分析。
2.1带死区、不带限幅的一次调频参数的设置
以一台300 MW机组为例，如果要求频差死区为±5 r/min，δ为5%，则函数发生器的参数设置如表1所示，其函数关系如图2所示。
2.2不带死区、不带限幅的一次调频参数的设置
一次调频参数的设置除了没有频差死区以外，其它与2.1中的相同，其函数关系如图3所示。
这种设置方法仅见于石家庄热电厂八期扩建工程的2×200 MW机组，其汽轮发电机组和DEH系统均从德国ALSTOM公司进口。由于欧洲电网容量和电网稳定性均优于国内，因此，上述一次调频参数的设置并不适用于国内机组的运行情况。只要汽轮机转速与给定值有偏差，汽轮机调门就会动作，使协调控制系统叠加的扰动过于频繁，从而影响了系统的稳定性。
2.3带死区但不改变δ、不带限幅的一次调频参数的设置
比较图2和图3可以看出，频差设置了死区以后，实际上小幅度地改变了δ，而且越接近死区，改变越大。因此参考文献［1］提出了既能够保留频差死区，又不改变δ的办法，即在死区之外仍旧应用原来的δ的设置方法。
仍然以一台300 MW机组为例，如果要求频差死区为±5 r/min，δ为5%，则不改变函数发生器的参数设置如表2所示，其函数关系如图4所示。
这种一次调频参数的设置方法虽然既考虑了频差死区，又对因为频差死区设置而造成的δ的变化做了修正，但是对协调控制系统的稳定性却造成了很大影响。首先，从图1可以看出，一次调频因子没有经过任何速率限制直接加到DEH的有功功率给定值上，从图4又可看出，当频差在超过和回落到死区的过程中，一次调频因子的变化是一个阶跃过程，整体的调节后果会导致汽机调门的突然开大或者关小，在协调控制系统投入的情况下，会导致燃料量的大幅度波动，从而引起汽包水位、炉膛压力、主汽压力和主汽温度自动调节的不稳定，而这种对δ的修正量对电网一次调频的贡献量是非常小的，因此这种设置方法总体上是弊大于利，应该摈弃。
2.4带死区、带限幅的一次调频参数的设置
从图1可看出，如果DEH功率回路没有投入，则一次调频作用为纯比例调节，有功功率变化的数值与一次调频因子不可避免地存在偏差，偏差量与当时机组的运行工况有关。根据20010610河北南网一次调频试验的结果，河北南网6台300 MW机组在电网甩660 MW负荷后，单机负荷增长与理论计算量的偏差为35%～＋57%，所以为了防止一次调频动作时机组出现过负荷的情况，最好对一次调频因子进行幅值的限制，如图5所示。
除了上述双向幅值限制以外，还可以进行单向的幅值限制，在一次调频因子增的方向进行限幅，减的方向不进行限制。
3DEH与协调控制系统对一次调频功能的联合调整
从图1可以看出，在DEH一次调频功能投入后，如果有频差出现时，一次调频因子直接叠加在DEH的有功功率的给定值上，通过调节DEH的调门使机组有功功率快速响应一次调频的需求。但是如果此时协调控制系统投入，协调控制系统的负荷给定值没有改变而机组有功功率发生了变化，协调控制系统的功率控制回路就会发出和一次调频作用方向相反的汽轮机调门指令，不仅从一定程度上抵消了一次调频的效果，而且对于协调控制系统相当于增加了外部扰动量。对于协调控制系统和DEH遥控指令是开关量脉冲传输形式的系统来讲，由于DEH遥控指令有一定的速率限制，这种抵消作用还弱一些，如果协调控制系统和DEH遥控指令是通过模拟量传输的，由于DEH的调门变化速率不受限制，不仅将一次调频效果马上抵消，而且容易引起协调控制系统振荡，从而降低协调控制系统的稳定性。为使一次调频达到最佳的调节效果，需要将一次调频因子引入协调控制系统的负荷给定值回路，如图6所示。
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关键词：火电机组；一次调频；协调控制系统；稳定性
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Abstract：The setting method of primary frequency control parameters and its effect on stability of coordinating control system is introduced. The author proposes some recommendations for bringing the primary frequency control into full play and reducing its effect on stability of coordinate control system at the same time, and also proposes a method introducing DEH primary frequency control factor into coordinate control system.
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Keywords：fossil power plant；primary frequency control；coordinate control system；stability
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为了保证电网的安全经济运行，提高电能质量和电网频率的控制水平，迅速消除由于电网负荷变化而引起的频率波动，电网对机组的一次调频要求越来越高。自20010610河北省南部电网（以下简称河北南网）甩660 MW一次调频试验成功后，要求所有配备DEH的200 MW以上机组的一次调频功能全部投入。由于DEH的生产厂家不同，参数的设置方法也有差异。如果一次调频参数设置不合理，会对机组的安全性与稳定性带来一定的影响。以下针对河北南网大型火电机组中一次调频参数的设置及其对协调控制系统稳定性的影响进行分析，并探讨如何合理设置DEH和DCS一次调频的参数，使其既能满足电网频率快速响应的需求，又能满足机组安全稳定性的要求。
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1一次调频基本概念
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一次调频功能是通过调节汽轮机调门的开度，利用机组的蓄热来快速响应电网频率的变化。目前大机组普遍应用DEH来进行汽轮机转速和有功功率的控制。
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DEH中一次调频功能是将汽轮机转速与额定转速的差值直接换算成有功功率指令，以新华控制工程公司的DEH为例，其控制结构原理见图1。
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其中汽轮机额定转速（一般为3 000 r/min）与实际转速的差值经函数f（x）转换后生成一次调频因子，直接叠加到DEH的有功功率给定值上，以控制汽轮机的调门开度。一次调频因子的设置包括频差死区和转速不等率两个因素。频差死区的设置是为了防止在电网频差小范围变化时汽机调门不必要的动作。
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一次调频不等率δ定义为：
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式中Δn——机组空负荷时和满负荷时的转速差值，r/min；
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n0——机组额定负荷值，MW。
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δ的数值一般设置在3%～6%，δ值越小，在相同的频差下汽机调门的变化幅值越大，反之则越小。
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一次调频因子的设置与机组的稳定性密切相关，频差死区越大，δ越大，机组越稳定，但是对电网一次调频的贡献也越小。一次调频因子的设置应兼顾机组稳定性和一次调频快速响应的指标。
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2一次调频参数的设置及其对协调控制系统稳定性的影响
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δ的数值确定之后，频差的变化和一次调频因子的数值的关系就是线性的，可以有多种方法来完成一次调频参数的设置。应用较广泛的是利用函数发生器f（x）进行一次调频参数的设置方法。以下对河北南网火电机组出现的一次调频参数的设置情况及对协调控制系统的影响进行分析。
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2.1带死区、不带限幅的一次调频参数的设置
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以一台300 MW机组为例，如果要求频差死区为±5 r/min，δ为5%，则函数发生器的参数设置如表1所示，其函数关系如图2所示。
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2.2不带死区、不带限幅的一次调频参数的设置
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一次调频参数的设置除了没有频差死区以外，其它与2.1中的相同，其函数关系如图3所示。
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这种设置方法仅见于石家庄热电厂八期扩建工程的2×200 MW机组，其汽轮发电机组和DEH系统均从德国ALSTOM公司进口。由于欧洲电网容量和电网稳定性均优于国内，因此，上述一次调频参数的设置并不适用于国内机组的运行情况。只要汽轮机转速与给定值有偏差，汽轮机调门就会动作，使协调控制系统叠加的扰动过于频繁，从而影响了系统的稳定性。
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2.3带死区但不改变δ、不带限幅的一次调频参数的设置
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比较图2和图3可以看出，频差设置了死区以后，实际上小幅度地改变了δ，而且越接近死区，改变越大。因此参考文献［1］提出了既能够保留频差死区，又不改变δ的办法，即在死区之外仍旧应用原来的δ的设置方法。
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仍然以一台300 MW机组为例，如果要求频差死区为±5 r/min，δ为5%，则不改变函数发生器的参数设置如表2所示，其函数关系如图4所示。
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这种一次调频参数的设置方法虽然既考虑了频差死区，又对因为频差死区设置而造成的δ的变化做了修正，但是对协调控制系统的稳定性却造成了很大影响。首先，从图1可以看出，一次调频因子没有经过任何速率限制直接加到DEH的有功功率给定值上，从图4又可看出，当频差在超过和回落到死区的过程中，一次调频因子的变化是一个阶跃过程，整体的调节后果会导致汽机调门的突然开大或者关小，在协调控制系统投入的情况下，会导致燃料量的大幅度波动，从而引起汽包水位、炉膛压力、主汽压力和主汽温度自动调节的不稳定，而这种对δ的修正量对电网一次调频的贡献量是非常小的，因此这种设置方法总体上是弊大于利，应该摈弃。
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2.4带死区、带限幅的一次调频参数的设置
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从图1可看出，如果DEH功率回路没有投入，则一次调频作用为纯比例调节，有功功率变化的数值与一次调频因子不可避免地存在偏差，偏差量与当时机组的运行工况有关。根据20010610河北南网一次调频试验的结果，河北南网6台300 MW机组在电网甩660 MW负荷后，单机负荷增长与理论计算量的偏差为35%～＋57%，所以为了防止一次调频动作时机组出现过负荷的情况，最好对一次调频因子进行幅值的限制，如图5所示。
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除了上述双向幅值限制以外，还可以进行单向的幅值限制，在一次调频因子增的方向进行限幅，减的方向不进行限制。
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3DEH与协调控制系统对一次调频功能的联合调整
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从图1可以看出，在DEH一次调频功能投入后，如果有频差出现时，一次调频因子直接叠加在DEH的有功功率的给定值上，通过调节DEH的调门使机组有功功率快速响应一次调频的需求。但是如果此时协调控制系统投入，协调控制系统的负荷给定值没有改变而机组有功功率发生了变化，协调控制系统的功率控制回路就会发出和一次调频作用方向相反的汽轮机调门指令，不仅从一定程度上抵消了一次调频的效果，而且对于协调控制系统相当于增加了外部扰动量。对于协调控制系统和DEH遥控指令是开关量脉冲传输形式的系统来讲，由于DEH遥控指令有一定的速率限制，这种抵消作用还弱一些，如果协调控制系统和DEH遥控指令是通过模拟量传输的，由于DEH的调门变化速率不受限制，不仅将一次调频效果马上抵消，而且容易引起协调控制系统振荡，从而降低协调控制系统的稳定性。为使一次调频达到最佳的调节效果，需要将一次调频因子引入协调控制系统的负荷给定值回路，如图6所示。
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