1、發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)中一次調(diào)頻功能應(yīng)用的研究科技項(xiàng)目介紹,項(xiàng)目完成單位,華北電力調(diào)度局 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,項(xiàng)目來源 近年來新投產(chǎn)的大型火電機(jī)組幾乎都采用電液調(diào)速系統(tǒng)（DEH），而且原有的液調(diào)機(jī)組也在逐步改造成為電液調(diào)速系統(tǒng)，由于電液調(diào)速系統(tǒng)與液調(diào)系統(tǒng)在原理和控制方式上的不同以及設(shè)計(jì)、制造等方面缺乏統(tǒng)一規(guī)范，造成了火電機(jī)組一次調(diào)頻功能投入存在較多問題。其表現(xiàn)為，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)頻率波動時(shí)，參與一次調(diào)頻的機(jī)組越來越少，負(fù)荷越來越小。為此，華北電力集團(tuán)公司于2002年初立項(xiàng)，項(xiàng)目名稱為火電機(jī)組在電網(wǎng)中一次調(diào)頻功能應(yīng)用的研究，后考慮到京津唐電網(wǎng)中存在的水電機(jī)組也必須投入一次調(diào)頻，將項(xiàng)目名稱更改為發(fā)電

2、機(jī)組在電網(wǎng)中一次調(diào)頻功能應(yīng)用的研究。項(xiàng)目委托華北電力調(diào)度局和華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司進(jìn)行。 2002年5月項(xiàng)目全面啟動，開始對京津唐電網(wǎng)火電機(jī)組一次調(diào)頻進(jìn)行調(diào)研、試驗(yàn)和研究工作，項(xiàng)目于2004年1月完成，04年2月17日完成了由華北電網(wǎng)公司組織的項(xiàng)目評審工作。,研究報(bào)告簡介,目 錄 概述 一次調(diào)頻的基本概念 京津唐電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)狀 投入指標(biāo)及控制邏輯的研究 改進(jìn)后的系統(tǒng)投入情況 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及管理方面的問題 結(jié)論 附表：京津唐電網(wǎng)主要發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻情況一覽表 附件：華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理規(guī)定（試行）,發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)中一次調(diào)頻功能應(yīng)用的研究研究報(bào)告,1概述 華北電力集團(tuán)公司

3、針對京津唐電網(wǎng)一次調(diào)頻存在的問題提出以下研究課題： 參加一次調(diào)頻的機(jī)組占電網(wǎng)機(jī)組的比例和容量； 不同容量機(jī)組應(yīng)具備的一次調(diào)頻容量； 不同容量機(jī)組在一次調(diào)頻中負(fù)荷與周波的關(guān)系； 解決各機(jī)組一次調(diào)頻中的問題，及如何對一次調(diào)頻機(jī)組進(jìn)行管理； 為網(wǎng)內(nèi)不同容量和類型機(jī)組的一次調(diào)頻功能投入提供指導(dǎo)，為全網(wǎng)編制參加一次調(diào)頻機(jī)組的管理辦法提供依據(jù)。 通過一年多的時(shí)間，我們對京津唐電網(wǎng)火電機(jī)組一次調(diào)頻進(jìn)行了深入地調(diào)研工作，掌握了電網(wǎng)火電機(jī)組一次調(diào)頻投入現(xiàn)狀，同時(shí)對一次調(diào)頻投入中存在的問題、技術(shù)指標(biāo)及控制邏輯進(jìn)行了深入地研究，查閱了部分國內(nèi)外設(shè)備圖紙技術(shù)資料，進(jìn)行了大量有關(guān)的試驗(yàn)工作。通過上述大量工作，我們基本上

4、對網(wǎng)內(nèi)乃至全國火電機(jī)組一次調(diào)頻功能投入中存在的問題、有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)及控制邏輯等有了比較清晰的認(rèn)識，這對于今后指導(dǎo)發(fā)電廠火電機(jī)組一次調(diào)頻功能的投入以及對投入一次調(diào)頻之后機(jī)組的管理將起到積極作用。,2.一次調(diào)頻基本概念,2.1. 汽輪機(jī)液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo) 機(jī)組在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)功率或油動機(jī)行程隨自身轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性。右圖是一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)典型的靜態(tài)特性曲線。圖中兩條平行線間的區(qū)域，反映了調(diào)速系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速的不確定性。 系統(tǒng)的速度變動率和遲緩率（、）是反映調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性的重要指標(biāo)。,2.1.1. 速度變動率 = (01 )e100% 速度變動率越小汽輪機(jī)對系統(tǒng)的調(diào)頻能力就越強(qiáng)，

5、但自身的穩(wěn)定性也就越差。一般取值 36% 。 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的永態(tài)轉(zhuǎn)差率在本質(zhì)上等同于汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的速度變動率，一般水輪機(jī)組的取值為26%。 對大機(jī)組為了防止機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速飛升過高，一般將取值在4.5%左右。,2.1.2. 汽輪機(jī)液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的遲緩率 遲緩率是調(diào)節(jié)系統(tǒng)在其工作范圍內(nèi)對轉(zhuǎn)速的遲滯/磁滯反應(yīng)。 =e100%,2.1.3. 汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速死區(qū) 轉(zhuǎn)速死區(qū)，是特指系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速附近對轉(zhuǎn)速的不靈敏區(qū)。為了在電網(wǎng)周波變化較小的情況下，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，一般在電調(diào)系統(tǒng)設(shè)置有轉(zhuǎn)速死區(qū)。 值得注意的是遲緩率與轉(zhuǎn)速死區(qū)的概念并不相同。,系統(tǒng)死區(qū) 系統(tǒng)磁滯,圖3 轉(zhuǎn)速死區(qū)與遲緩率的區(qū)

6、別,2. 電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻 穩(wěn)定運(yùn)行的電力系統(tǒng)，其電源和負(fù)荷功率必須是動態(tài)平衡的。當(dāng)電源功率或負(fù)荷發(fā)生變化造成變化時(shí)（以功率不足為例），系統(tǒng)的頻率就會隨之降低，系統(tǒng)中的負(fù)荷設(shè)備會因?yàn)轭l率下降而影響其有功的吸收。與此同時(shí)，系統(tǒng)中運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)組，也會按照其調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性增加調(diào)門開度，彌補(bǔ)系統(tǒng)中功率的不足。,在這個(gè)過程中，系統(tǒng)功率負(fù)荷的動態(tài)平衡完全是自己隨動完成的，不需要人工干預(yù)，動態(tài)平衡的結(jié)果是系統(tǒng)穩(wěn)定在了一個(gè)較低的頻率水平。這個(gè)過程即為電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻過程。 可以看到電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻，是由同步發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷設(shè)備共同來完成的。,右圖為電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)整示意圖。其中a點(diǎn)為系統(tǒng)變化前電網(wǎng)的功

7、率負(fù)荷平衡點(diǎn)。 當(dāng)電網(wǎng)中的負(fù)荷從L1增加到L2時(shí)，系統(tǒng)的功率負(fù)荷平衡點(diǎn)將開始沿調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性線P1下滑，直到系統(tǒng)的功率負(fù)荷達(dá)到一個(gè)新的平衡,b點(diǎn)。 在這個(gè)過程中汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化情況，按照其自身的靜態(tài)特性來自動調(diào)整所發(fā)功率，來滿足電網(wǎng)負(fù)荷變化的過程,即為機(jī)組參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻過程。,圖4 電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)整示意圖,3京津唐電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)狀 見附表：京津唐電網(wǎng)大型發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功能一覽表歸納主要有以下幾個(gè)方面：,3.1電調(diào)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置 大部分電調(diào)機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置在0.083Hz0.5Hz（5r/min30r/min）之間，基本上失去了一次調(diào)頻功能； 3.2電調(diào)

8、機(jī)組速度變動率 調(diào)研中發(fā)現(xiàn)除個(gè)別機(jī)組速度變動率設(shè)置為10、12，基本上失去了一次調(diào)頻功能。大部分機(jī)組速度變動率都在45之間，基本上能滿足要求。,3.3一次調(diào)頻功能設(shè)計(jì)問題 頻差函數(shù)引入的位置，這對于一次調(diào)頻的主要指標(biāo)影響較大。 很多機(jī)組的DEH和DCS中的一次調(diào)頻回路還設(shè)計(jì)為可由運(yùn)行人員隨意投切的方式。 大部分都在切除狀態(tài)，這些機(jī)組等于完全失去了一次調(diào)頻功能。,3.4 DCS頻率校正回路 一些機(jī)組DEH的一次調(diào)頻功能正常，而DCS中的一次調(diào)頻校正回路處于切除狀態(tài)，使機(jī)組不能正常發(fā)揮一次調(diào)頻功能。,4. 投入指標(biāo)及控制邏輯的研究 4.1 調(diào)速系統(tǒng)速度變動率 一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整量可按下式計(jì)算： 或

9、其中：N為單位轉(zhuǎn)速（頻率）一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整量（MW/r/min）或（MW/Hz） Ne為機(jī)組額定負(fù)荷（MW） 為機(jī)組速度變動率（%） ne為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速（r/min） f 為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下的頻率（Hz） 例如：某300MW機(jī)組，速度變動率為5，該機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整量為或 2MW/r/min相當(dāng)于1.2MW/0.01Hz。對于一般機(jī)組都設(shè)計(jì)為36之間，目前京津唐電網(wǎng)多數(shù)火電機(jī)組實(shí)際設(shè)置為45，我們認(rèn)為此指標(biāo)沒有必要規(guī)定為同一數(shù)值，只要在45之間即可。當(dāng)然，小于4對于一次調(diào)頻是有利的，但容易造成機(jī)組的不穩(wěn)定。水電機(jī)組速度變動率（永態(tài)轉(zhuǎn)差率）可小一些，為34； 另外，一些機(jī)組在非正常運(yùn)行工況時(shí)，為

10、保證機(jī)組穩(wěn)定，自動增大速度變動率也是允許的。,4.2 調(diào)速系統(tǒng)遲緩率根據(jù)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗(yàn)導(dǎo)則（DL/T7111999）中規(guī)定調(diào)速系統(tǒng)遲緩率如下：機(jī)械、液壓調(diào)節(jié)型機(jī)組容量100MW，遲緩率要求小于0.4；機(jī)組容量100 MW 200 MW（包括200 MW），遲緩率要求小于0.2；機(jī)組容量200MW ，遲緩率要求小于0.1；電液調(diào)節(jié)型機(jī)組容量100MW，遲緩率要求小于0.15；機(jī)組容量100 MW 200 MW（包括200 MW），遲緩率要求小于0.1；機(jī)組容量200MW，遲緩率要求小于0.06；,4.3 頻率死區(qū)設(shè)為2 r/min（0.034Hz）較為合適。主要考慮如下：1）電網(wǎng)頻率偏移

11、500.034Hz開始調(diào)整，距地區(qū)電網(wǎng)要求的500.1Hz還有較大裕量；2）火電機(jī)組負(fù)荷調(diào)整精度低，小范圍調(diào)整負(fù)荷準(zhǔn)確性差，允許有一定的偏差；3）轉(zhuǎn)速測量、頻率測量數(shù)據(jù)存在一定的誤差和不確定性，設(shè)置死區(qū)可避開；4）減少機(jī)組不必要的負(fù)荷波動。,4.4 響應(yīng)滯后時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間 圖中t為響應(yīng)滯后時(shí)間； 圖中t1為穩(wěn)定時(shí)間。,4.5 負(fù)荷變化幅度 （1）額定負(fù)荷200MW及以下的火電機(jī)組，限制幅度不小于機(jī)組額定負(fù)荷的10； （2）額定負(fù)荷220350MW的火電機(jī)組，限制幅度不小于機(jī)組額定負(fù)荷的8； （3）額定負(fù)荷500MW及以上的火電機(jī)組，限制幅度不小于機(jī)組額定負(fù)荷的6； 水電機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變

12、化幅度不應(yīng)加以限制。,4.6 對控制系統(tǒng)的要求 根據(jù)對京津唐電網(wǎng)一次調(diào)頻投入情況的調(diào)研，我們歸納了與一次調(diào)頻有關(guān)的控制系統(tǒng)主要分為兩大類型，見研究報(bào)告圖20、圖21所示。 根據(jù)下頁圖9也可說明。 一類是一次調(diào)頻功能由DEH實(shí)現(xiàn)。即將頻差信號疊加在汽輪機(jī)調(diào)速汽門指令處的設(shè)計(jì)方法，以保證一次調(diào)頻的響應(yīng)速度。同時(shí)在DCS中投入頻率校正回路，即當(dāng)機(jī)組工作在機(jī)組協(xié)調(diào)或AGC方式時(shí)，由DEH、DCS共同完成一次調(diào)頻功能。如DCS不投入校正回路，則會出現(xiàn)負(fù)荷反調(diào)現(xiàn)象。 另一類是頻差函數(shù)疊加在功率調(diào)節(jié)器入口（見圖中DEH部分虛線）。當(dāng)DEH功率調(diào)節(jié)器切除，且協(xié)調(diào)系統(tǒng)在手動狀態(tài)時(shí)，機(jī)組將失去一次調(diào)頻功能。另一方

13、面影響了響應(yīng)速度，特別是當(dāng)功率調(diào)節(jié)器采用串級控制方式時(shí)，問題更為突出。,f(x),Hz,V,LDC,AGC 操作員設(shè)定,功率調(diào)節(jié)器,A,A,A,速率限制設(shè)定,上限負(fù)荷設(shè)定,下限負(fù)荷設(shè)定,一次調(diào)頻函數(shù),f(x),r/min,V,負(fù)荷給定,功率調(diào)節(jié)器,A,A,A,速率限制設(shè)定,上限負(fù)荷設(shè)定,下限負(fù)荷設(shè)定,操作員設(shè)定,一次調(diào)頻函數(shù),T,PI,PI,MW,MW,切換單元,汽機(jī)調(diào)門指令,DCS-CCS,DEH,指令直接疊加在調(diào)門上,T,手動方式,協(xié)調(diào)方式,閥位限制,CCS控制,DEH控制,圖9 一次調(diào)頻控制原理示意圖,圖10 DCS頻率校正回路對一次調(diào)頻的影響,DCS頻率校正回路對一次調(diào)頻的影響 當(dāng)機(jī)組

14、運(yùn)行在AGC或機(jī)組協(xié)調(diào)控制方式時(shí)，不投入頻率校正回路將出現(xiàn)負(fù)荷反調(diào)現(xiàn)象，電網(wǎng)頻率還未恢復(fù)正常，機(jī)組的一次調(diào)頻能力已消失。,圖10 DCS頻率校正回路對一次調(diào)頻的影響,圖11 未投入DCS校正回路的一次調(diào)頻曲線,圖12 未投入DCS校正回路的一次調(diào)頻曲線,圖13 投入DCS校正回路的一次調(diào)頻曲線,圖14 投入DCS校正回路的一次調(diào)頻曲線,一次調(diào)頻控制邏輯對負(fù)荷響應(yīng)快速性的影響 電液調(diào)速系統(tǒng)（DEH）工作在閥位控制方式，當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)負(fù)荷的響應(yīng)最快一般在12秒內(nèi)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化（見圖15）。而只由DCS的協(xié)調(diào)系統(tǒng)完成一次調(diào)頻，受到影響的因素較多，負(fù)荷響應(yīng)較慢，如圖16所示的試驗(yàn)，需12秒時(shí)間。,

15、圖15 閥位方式下的一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng),火電機(jī)組主蒸汽壓力對一次調(diào)頻的影響 主蒸汽壓力以及調(diào)速汽門特性對一次調(diào)頻也會產(chǎn)生影響?；痣姍C(jī)組一般都按定滑定方式運(yùn)行，既滿足調(diào)整負(fù)荷的要求，又可保證經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)火電機(jī)組主蒸汽壓力變化時(shí)，對一次調(diào)頻會產(chǎn)生較大影響。這主要是目前汽輪機(jī)電調(diào)系統(tǒng)的頻差函數(shù)指令是按綜合閥位疊加在汽機(jī)調(diào)速汽門上，而調(diào)速汽門的線性化是按額定壓力整定，偏離額定參數(shù)可能產(chǎn)生較大的偏差。 看下面圖1721，主汽壓力為14MPa時(shí)，綜合閥位變化4.9相當(dāng)于汽機(jī)轉(zhuǎn)速變化8r/min(不包括死區(qū)），負(fù)荷從192.3MW變?yōu)?96.8MW，增加了4.5MW。主汽壓力為16MPa時(shí)綜合閥位同樣變化4.9

16、，負(fù)荷從185.09MW變?yōu)?96.95MW，負(fù)荷增加了11.86MW。可見主汽壓力對運(yùn)行在閥位方式的機(jī)組一次調(diào)頻影響較大，但從圖21可見，當(dāng)投入頻率校正回路時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷受到主汽壓力的影響較小。,圖17 主汽壓力14MPa的一次調(diào)頻曲線（一）,圖18 主汽壓力14MPa的一次調(diào)頻曲線（二）,圖19 主汽壓力16MPa的一次調(diào)頻曲線（一）,圖20 主汽壓力16MPa的一次調(diào)頻曲線（二）,圖21 投入DCS校正回路的一次調(diào)頻曲線,頻差函數(shù)疊加位置對一次調(diào)頻的影響 頻差函數(shù)疊加在速率限制之后，負(fù)荷指令迅速上升。疊加在速率限制之前負(fù)荷指令緩慢變化，影響一次調(diào)頻效果。,4.7 京津唐電網(wǎng)火電機(jī)組

17、一次調(diào)頻負(fù)荷總量 京津唐電網(wǎng)以火力發(fā)電為主，容量為90MW以上的機(jī)組共計(jì)74臺總?cè)萘?7050MW。其中包括8臺水電機(jī)組，總?cè)萘?220MW。 各機(jī)組有關(guān)一次調(diào)頻的詳細(xì)情況見附表。,5改進(jìn)后的系統(tǒng)投入情況 通過對秦皇島電廠、托克托電廠、京能熱電廠、華能北京熱電廠、三河電廠、華能楊柳青電廠等機(jī)組的試驗(yàn)及投入情況看，效果良好。機(jī)組能夠快速地隨電網(wǎng)頻率變化負(fù)荷，對機(jī)組安全也沒有造成影響。圖2326是秦皇島電廠#2機(jī)組、三河電廠#2機(jī)組，托克托電廠#1機(jī)組、盤山電廠#1機(jī)組一次調(diào)頻投入曲線。,圖23 秦皇島電廠#2機(jī)組一次調(diào)頻曲線,圖24 三河電廠#2機(jī)組一次調(diào)頻曲線,圖25 托克托電廠#1機(jī)組一次調(diào)頻曲線,圖26 盤山電廠#1機(jī)組一次調(diào)頻曲線,6有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及管理方面的問題 6.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待解決 6.2 管理規(guī)范化問題 各發(fā)電廠應(yīng)根據(jù)有關(guān)條款與制造廠、科研單位深入研究，完善機(jī)組的一次調(diào)頻功能。 在新機(jī)組訂貨、老機(jī)組改造時(shí)也應(yīng)特別注意滿足有關(guān)條款要求。 電網(wǎng)管理部門可通過并網(wǎng)協(xié)議、并網(wǎng)安全性評價(jià)等形式對各發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻投入情況進(jìn)行監(jiān)督管理。 6.3 運(yùn)行機(jī)組的監(jiān)督管理 提高技術(shù)手段，EMS目前刷新時(shí)間周期是46s，對一次調(diào)頻投入的監(jiān)視不利。 考慮改進(jìn)：刷新時(shí)間1s、分辨率0.