火电厂XXX机组一次调频控制优化设计及应用.docx

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火电厂XXX机组一次调频控制优化设计及应用

火电厂XXX机组一次调频控制

优化设计及应用

摘要

针对以上存在的问题，本文以某厂300MW火力发电机组一次调频系统为原型，首先阐述了火力发电机组一次调频相关基础理论和技术，继而建立火力发电机组一次调频控制模型，研究分析了影响一次调频性能的各种因素，在此基础上综合分析了目前国内火力发电厂各种一次调频方案，提出了DEH+DCS一次调频方式。

最后，在大量运行数据分析支持下，对一次调频系统进行以下优化设计：

采用DEH+CCS一次调频方式；取消一次调频人为切投按钮；DEH在转速控制方式或主汽压力控制方式时一次调频不投入关键词:

一次调频、CCS+DEH、PID、优化设计、扰动试验

Abstract

Thermalpowergeneratingunitsofprimaryfrequencymodulationfunctioncandecreaserapidlyduetovariousreasonscausedbythefrequencyfluctuationofpowersystem,improvepowersystemanti-interferenceabilityandthequalityofelectricenergy,improvepowercanqualityandsafetyoperationlevelplaysapivotalrolein.Inordertoensurethesafeandstableoperationofpowergridandthermalpowergeneratingunits,therelevantprovisionsoftheelectricpowerindustryrequirementsofpowergridingridaFM,andtheprimaryfrequencymodulationfunctionisperfectastheimportantcontentoftheunitsafetyevaluation.

Atpresent,aFMsystemindomesticthermalpowergeneratingunitsmainlyhasthefollowingproblems:

primaryfrequencyaction,thecontrolsystemcannotbestable,largedisturbanceonthecombustionsystemandmainsteampressure,affectthesafeoperationofabusinessunit,FMinvestmententhusiasmisnothigh;primaryfrequencyactionwillproducealargenumberofunqualifiedpower,affectingtheunitproductionefficiency;thesetofprimaryfrequencymodulationsystemwithartificialcut-throwbuttoncannotmeettherequirementsofthepowergridonprimaryfrequencyregulation;aslowfrequencymodulationactionisslow,theindexdoesnotmeettherequirementsofthepowergrid;

Inviewoftheexistenceoftheaboveproblems,thispaperina300MWthermalpowergeneratingunits,aFMsystemastheprototype.Firstly,thepaperintroducesthethermalpowergeneratingunits,aFMrelatedbasictheoryandtechnology,thensetupthermalpowerunitprimaryfrequencycontrolmodel,researchandanalysisoftheeffectofafrequencymodulationofthevariousfactors,onthebasisofcomprehensiveanalysisofthecurrentdomesticcoal-firedpowerplantsisafrequencymodulationscheme.DEH+DCSprimaryfrequencymodulationmodeispresented.Finally,underthesupportofalargenumberofoperationaldataanalysis,thefollowingoptimizationdesignofprimaryfrequencymodulationsystemiscarriedout:

usingDEH+CCSprimaryfrequencymodulationmode;tocancelafrequencymodulationofthehumancuttovotebutton,settheautomaticcutting;DEHinthespeedcontrolmodeorthemainsteampressurecontrolmode,toavoidaffectingthestabilityofunitoperation,afrequencyinput;automaticallylimittheprimaryfrequency,load,loadexceedsthesetrangeofaFMrelease,reducetheconsumptionofqualified;theadjustmentofprimaryfrequencycontrolsystemlogicblockexecutionorder,theprimaryfrequencyoffastaction,stableoperationparameter;toadjustthePIDparameterofthecontrolsystem,theunitPIDquickadjustment,stableandaccurate;

Finally,onthisbasis,theoptimizationofprimaryfrequencycontrolsystemwereto180MWloadnearseveralrepresentativedisturbancetestpointsoftestandcomprehensiveanalysisofthetestdatathatoptimizedDEH+CCSprimaryfrequencymodulationschemeissafeandmeetstherequirementsofunitprimaryfrequencymodulationfunctionforpower.

Keywords:

Primaryfrequencymodulation,CCS+DEH,PID,optimizationdesign,disturbancetest

1绪论

1.1研究意义与背景

进入21世纪以来，国内经济飞速发展，尤其是电力负荷增长速度更快，从而导致非线性和冲击性负荷也在继续增长，这些扰动负荷对整个电网的供电品质也产生了严重的影响，与此同时，由于现代高度自动化和智能化的工业越来愈多，其用电设备也对供电质量提出了更高的要求，在现代电力系统中，其运行的特征也赋予了电能质量新的内涵及意义。

整个电力系统频率、电力系统谐波、电力系统电压、电力系统三相平衡以及电压波动与闪变是业已制定的五项电能质量国家标准。

在整个电力系统运行以及工业生产过程，这对电能质量的要求也在不断的扩大和深化，不断提高电能的质量已成为确保供、用电系统安全运行的一项最为基本的要求。

对于发电厂而言，获得优质供电也与企业自身不断提高竞争力以及电力市场占有率有着密不可分的关系，同时涉及到了发电企业自身的生存与发展。

其中，频率作为电能质量最重要的控制指标之一，对电网机组实施一次调频也是发电厂确保供电质量的一项重要手段，电网的外界负荷变化也会导致电网自身频率发生改变，发电厂按照电网频率变化利用汽轮机调节阀改变机组的进汽流量实现变机组负荷的改变，以使其能够在一定程度上满足电网负荷的需要[1]。

在当前的很多火力发电机组中，采用的一次调频功能的作用会在很大程度上保证电能质量，以确保整个电力系统的安全运行水平。

为了更好的确保电力系统的稳定运行，需快速找到引起电力系统不稳定的因素，以更好的提高电力系统运行的稳定性。

并将一次调频作为发电机组考核的重要指标，直接影响火力发电机组经济效益。

1.2国内外研究现状

目前，在我国的电网系统中，火力发电系统机组的发电容量已由开始的300MW升级转变为600ＭＷ和1000MW等大容量系统。

电力系统中的各项运行参数对于其监控能力要求也变得比较高，这对整个电路系统的智能控制水平的要求也变得非常重要。

一方面，由于电力系统的不断发展，系统本身对于计算机技术的依赖性也变的越来越强。

发展最为可靠的DCS系统，所采用的热工控制方法以及复杂的控制方案都已经为电力系统的稳定运行提供了一定的基础。

与此同时，在电力系统中，设计了一种信息设计理论对于发展的大面积电网，已形成一个非常重要的过程，发电机组的本身的协调能力对整个机组控制功能也变得越来越重要。

另外，随着当前发电技术的进步，越来越多的火力发电单元自身的装机容量也变得非常的强大，且对整个电力系统中存在的冲击性负荷要求变得也越来越高，越来越多的企业用电设备对输电稳定性的要求也变得较高。

与此同时，火力发电系统中的单机组用负荷对整个电网本身所产生的冲击也是非常的大，同时我国大电网建设要求的提出，需要将国内许多条电网进行合并，这样的方案改进，对于对各地方电网的电力系统频率提出了更高的要求，在电力系统中采用一次调频功能可以使发电机组在整个电网系统本身存在一定的问题时，能够充分的利用系统中的锅炉蓄热进而快速反应，改变系统的不稳定性，以在一定程度上弥补电力系统中的负荷，起到稳定电网频率的作用[2]。

电网频率稳定性主要是由一次调频功能对其进行改善的。

由于大型智能电网的不断发展，也给国内的很多区域电网以及更多的并网运行机组提出了一个很高的要求。

进而在一定程度上降低发电机组对于整个电网所造成的冲击。

在机组进行调频时，机组调速系统主要功能是实现一次调频。

工程师按照整个发电机组的设计性能对各项动作参数进行不断的调整。

以确保整个电力系统一次调频能够正常工作，在整个机组成功并网之后，电力系统中的控制系统能够对电力系统的往往频率进行自动的调节[2]。

在当前的电路系统中，对于电网一次调频功能，要对汽轮机、锅炉、发电机和电网内部之间的关系产生很大的影响，一次调频控制系统，要求其不但能够快速实现一次调频，还要整体协调。

汽轮机快速响应外界负荷、频率的变化，锅炉跟随汽轮机的进行快速响应，以保证汽轮机的工作要求。

当电力系统运行稳定时，电源和负荷功率需要保持在动态平衡状态，当电源功率或负荷发生故障造成变化时，当功率不足时，电网系统的固有频率就会降低，导致接入电力系统中的负荷也会因为频率的下降影响其有功的吸收，同时，在系统中运行的其他同步发电机组，也同样会依据其调速系统的静态特性加大其调门开度，以便于更好的弥补系统中功率的不足[3]。

随着当前4C技术的不断发展与应用，越来越多的汽轮机都采用了DEH控制系统，使整个系统的调节方式开始由之前的液调逐渐转变为当前我们所熟悉的DEH纯电调方式，并且能够确保一次调频控制功能通过DCS软逻辑进行实现，虽然目前很多的国内机组本身所具有的协调控制及其AGC等功能都已有了很大的投入，为一次调频提供了基础，但一次调频系统仍然存在不少缺陷，具体如下：

（1）发电企业自身受限于理论水平，无法更加细致的对一次调频功能进行研究分析，进而导致很多的企业内部制定的一些针对一次调频管理的办法以及要求，与国家电网本身的实际需要不相符合，如在整个的电力系统中，设置的一次调频速率限制比较大、整个机组的一次调频负荷补偿量比较小，产生的死区太大，使得机组本身其无法满足系统中各项机组的一次调频潜力。

（2）一次调频动作过程中，主汽压力波动比较大，其中最主要的原因是新建机组在协调设计中，没有注意到一次调频动作会导致机组的负荷发生很大的改变，导致锅炉燃烧受到影响，这也很容易造成机组非停。

（3）一次调频的功能所具有的响应速度无法达到电网本身的要求。

（4）一次调频功能人为设置切投按钮，其中各机组也过分的关注本机组运行安全，机组在正常运行时大经常投入这一功能，导致电网频的率频繁超限。

（5）不合格电量的影响。

在文中针对不合格电量方面的研究，选择了某发电企业的300MW机组作为本文的主要研究案例，以便于对整个电厂实现一次调频、存在的缺陷、改进方法，为国内一次调频系统功能完善提供借鉴。

1.3本文研究目的和研究内容

1.3.1研究目的

作为汽轮发电机组并网运行的基本特性之一——一次调频，主要是指在电网的频率发生改变时，机组本身会在整个控制系统的作用下自动地进行增加（电网频率下降时）或减小（电网频率升高时）自身所具有的功率，进一步限制电网频率变化特性。

其中一次调频功能也是按照调节汽轮机调门开度，采用机组的蓄热实现快速响应电网频率所产生的变化。

目前大机组基本都是选择的DEH控制系统对汽轮机转速以及有功功率的进行控制的。

在对一次调频参数及控制逻辑进行设置时，如果设置不合理，就会影响机组的安全运行，有时可能会导致非计划停机事故。

本课题探讨影响一次调频准确快速和稳定的因素及如何合理设置一次调频参数、控制逻辑，使其既能满足电网频率快速响应要求，又能兼顾机组安全稳定性要求,并为解决目前国内火电机组一次调频存在的问题提供一定借鉴。

1.3.2研究内容

本课题选择某厂600MW火力发电机组一次调频系统为研究对象，介绍了发电机组一次调频系统及相关基础理论和技术，结合一次调频系统中所遇到的一些比较实际的问题，研究并分析当前在电力系统中的一次调频过程所存在的一些问题以及由于这些问题所产生的一些影响因素，进而制定出一定的解决方案，在此基础上对一次调频控制逻辑及参数设置进行一系列优化改进。

参考理论与工程的实际情况,将完成以下工作：

（1）研究火力发电机组一次调频控制系统的背景、发展现状。

（2）分析火力发电机组一次调频控制系统基本原理、常用的控制方法，分析影响一次调频准确快速和稳定的因素。

（3）对实际火力发电机组一次调频控制系统组成以及相关组成中传感器进行描述和分析。

（4）对比国内外各种主流一次调频方案，综合分析优缺点。

（5）针对某厂600MW机组一次调频存在的问题，进行优化设计。

（6）一次调频系统调试，对比一次调频方案优化前后系统控制情况，分析结果，得出结论。

课题首先，广泛查阅国内外相关技术资料和成果，深入了解火力发电机组一次调频控制系统及方法。

其次，认真对实际一次调频过程进行观察和分析，积累相关工程经验。

最后，通过对实际的一次调频系统进行分析，探讨系统影响因素、方案对比、参数优化和对比分析，最终得出结论。

1.4本章小结

本章主要介绍了火力发电机组一次调频控制的背景、国内外的发展情况以及本文的研究目的和主要研究内容。

2火力发电机组一次调频原理

在火力发电系统中，针对火力发电系统本身采用的一次调频特性能够对汽轮发电机组的并网运行产生一定的影响，并能够在电网频率发生变化之后，将发电机组本身的功率进行自动地增加（电网频率下降时）或减小（电网频率升高时），从而导致对电网的频率变化。

一次调频功能是利用调节汽轮机调门开度，通过机组的蓄热对电网频率的变化实现快速响应，目前大机组都是选择的DEH控制系统来对汽轮机转速和有功功率进行控制[4]

在整个电力系统中，许多的电机组在实施并网运行时，需要要求汽轮机的转速和整个电网的频率保持在同样的频率。

如果系统的外界用电负荷产生一定的变化，整个电网的频率也会随之而变化，对于整个电网中并列运行所有机组也会自动的依据系统本身的静态特性改变自身的负荷，进而改变系统的频率。

其主要是经过运行人员对其功率进行设定[5]。

因为汽轮发电机组通常是选的有差调节，所以，在一次调频中，无法精确地维持电网频度稳定，只可以缓和电网系统频度变化的程度。

当电网容量越大时，其中电网中并列运行的机组数量就会越多，且单机容量也会越大，电网的特性也会越平。

当电负荷变化时，分配到每一台机组的负荷变动就会比较小，响应的电网频率变动就会比较小。

所以，在整个的电力系统中很多的电网容量也变的越来越大。

由于在电力系统中，很多的并列运行机组拥有比较小的不均匀度，而其频率的改变也在不断的发生变化。

反之，如果整个电网越小，其内部的并列运行机组的不均匀度就会变得越大，就会导致电网中的频率波动的可能性就越大[5]。

一次调频主要有以下三个方面的特点：

（1）汽轮的发电机组在进行并网运行过程中，能够自动参与一次调频；

（2）一次调频主要是一种有差调节，其本身无法将频率拉回到其应有的原值，只是能够在很小的范围内降低频率的变化；

（3）一次调频是暂态的，也就是说在整个电网的负载发生变化后，其自身的二次调频还无法保证电网内部的有功功率的平衡，并且只能够对其进行一次调频，以确保频率变化对电网的危害降到最低，当在进行二次调频之后，其内部的频度恢复正常，此时的一次调频作用也将会被取消[6]。

2.1电网中负荷的功率频率特性

电力系统的负荷功率PL跟随随电网系统频率改变,即

PL=F（f）（2.1）

理论上称有功负荷会按照频率改变的特性为负荷的功率—频率特性，是负荷的静态频率特性，也将其称为负荷的调节效应。

负荷的功率—频率特性曲线如下：

（2.2）

上式中：

为电网的额定频率

为整个电网的系统频率为f时的有功负荷

为电网的系统频率为额定值

时的有功负荷

为上述的各类负荷占

的比例系数

将上式除以

，则得表示形式，即

由此，可得电网频率-负荷曲线，如图2.1所示

图2.1电网频率负荷曲线

Fig.2.1powergridfrequencyloadcurve

2.2发电机组的功率—频率特性

发电机组转速的调整是由汽轮机的DEH系统来实现的。

其控制原理如图2.2所示。

图2.2DEH控制回路原理

Fig.2.2principleofDEHcontrolcircuit

发电机组的频率调差系数

（2.3）

负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化符号相反。

调差系数R的标幺值表示为

（2.4）

式（2.3）又称为发电机组的静态调节方程。

由此可得发电机组功率—频率特性

曲线如图2.3所示。

图2.3发电机组功率—频率特性曲线

Fig.2.3powerfrequencycharacteristiccurveofgeneratingset

2.3一次调频特性曲线

对于电网中的一次调频特性，是指汽轮发电机组在并网运行过程中所体现出来的特性，火力发电系统采用的一次调频特性能够对汽轮发电机组的并网运行的产生一定的影响，并能够在电网频率发生变化之后，将发电机组本身的功率进行自动地增加（电网频率下降时）或减小（电网频率升高时），进一步对电网的频率变化产生一定的影响。

传统意义上的一次调频特性定义为静态时的汽轮机和汽轮机转速之间的所具有的关系曲线，又被称为汽轮机控制系统静态特性，如图2.4所示。

实际的静态特性曲线因为系统中各组成部分所存在迟缓率，通常可分为上行和下行两条非线性的曲线。

如果在电网的周波在整个的机组静态特性的一些不灵敏的区域内发生变化，对于机组产生的变化也是随机的。

机组内部调速系统的不等率也表示其整体在运行的过程中一次调频的特性，在一定的范围内反映发电机组的汽轮机功率变化和整个电网周波之间所存在的一定的静态关系[7]。

图2.4一次调频特性曲线

Fig.2.4characteristiccurveofprimaryfrequencymodulation

在图2.4中，PT为汽轮机频率-功率特性线，PG为电网负荷-频率特性线。

交叉运行点a为系统平衡运行点。

假设系统中的负载增加ΔP，则电网负荷-频率特性变为PG1。

（1）当所有机组均不参与一次调频调节时，在电网中发电机组本的输入功率需要有一个恒定值PT，并且要求其值与PL相等，此时电力系统的频率就会下降，电力系统中负载的有功功率也会逐渐的减小。

依靠负荷调节效应（有功随频率变化的关系），达到新的平衡，运行点移到b点，频率稳定值为f3，负载消耗的有功功率仍然为原来的PL值，此时，频率偏差值Δf决定于ΔPL值的大小，一般很大[7]。

（2）当原动机参与调节时，负载增加，频率下降，调节系统工作，增加电力系统中各内部机组PT。

当其值稳定以后，此时的系统就会维持在c点运行，这时的电网的频率值就为f2，要求系统的负载所选择的功率为PL2，当其值小于设定的额定频率时所需的功率为PL1，频率偏差Δf比调节系统不工作时要小得多，调速器的这种调节作用就是一次调频[7]。

（3）要使其所选择的频率处于额定值，则需要移动原动机的频率特性，改变机组的负荷指令，使c点移动到d点，使得Δf＝0，这种调节称为二次调频。

可由机组运行人员控制，也可以是AGC的控制[7]。

2.4一次调频基本指标

2.4.1转速不等率

转速不等率主要是指机组在整个的控制系统中按照其给定值变，整个发电机组的功率都会从由0直至额定值本身所对应的转速变化量（Δn）与其自身的额定转速（n0）的比值，采用百分数的形式进行表示。

（2.5）

对于整个的发电机组而言，汽轮机的调速系统的一些静态特性曲线需要按照一定的理论条件进行推导，调速系统的静态特性曲线是负荷和转速之间存在成反比的曲线，其整体的斜率需要按照其转速不等率δ进行推算。

δ是电力系统中的一次调频系统的重要指标，其主要的反映出了电力系统一次调频能力的大小，δ值越小机组的一次调频能力就会越强，但是对于整个机组的稳定性就会越差；相反，δ越大机组的一次调频能力就会越弱，进而导致系统的稳定性变得越强。

依据这一调频管理方案要求，在电力系统中，火电机组的转速不等率需要选择4%～5%。

在火电发电机组中的一次调频折算函数中，选择的δ需要根据其自身存在的函数，当超出死区之后，需要按照所得的直线斜率进行计算。

在电力系统中对于其内部的基本负荷的机