快动缓回一次调频策略_沈丛奇

快动缓回一次调频策略 沈丛奇 归一数 程际云 王念龙 上海明华电力技术工程有限公司 上海市 摘要 针对传统一次调频策略普遍存在调频能力不足且容易引起调频装置剧烈振荡的问题 提出 了基于频率偏差判断闭锁反向调节作用的 快动缓回 及 快动慢回 一次调频改进策略 该策略通 过闭锁或限制与电网频率偏差反向的调频作用为电网贡献更多的调频电量 使一次调频更好地与 二次调频 自动发电控制 相结合 从而更快地消除电网的频率偏差 提高电网频率的控制 品质 通过合理设置调频增益等控制参数 对该方法在应用中易出现的功率过调或功率跳变问题 给出了初步的解决办法 最后 将传统的一次调频策略与快动缓回一次调频策略分别应用于 台 燃煤机组 并进行了试验 试验结果表明 所提的快动缓回一次调频策略既可为电网贡献更多的调 频电量 又能减少发电机组的调频磨损 可达到 网源双盈 的效果 关键词 一次调频 频率控制 辅助服务 二次调频 快动缓回 快动慢回 收稿日期 修回日期 引言 电网频率是电能质量的主要指标之一 是衡量 发电功率与用电负荷平衡的标志 一次调频是 指电网频率偏离额定值时 电网中发电机组自动控 制其有功功率的增减 限制电网频率变化 使电网频 率维持稳定的自动控制过程 国内外专家及学者对一次调频模型 一次调 频投运方式 一次调频调节品质的提高方法 等展开了大量的研究 自 年控制性能评价标 准 成为中 国电网控制标准以来 一次调频技术有了较快的发 展 并形成了相关的评价和考核标准 在电力监管 委员会制订的考核细则中 将实际调频电量与要求 调频电量之比作为一次调频性能的评价依据 目前 传统一次调频方法的调频能力普遍不足 通过对传统一次调频控制系统及其实际动作情 况的分析可知 传统的一次调频控制系统是一种有 差频率比例调节系统 会残留频率静态偏差 传 统的一次调频控制系统只能限制电网频率变化 最 终通过二次调频 自动发电控制 缓慢地消 除频率偏差 更多的调频电量有助于电网频率恢 复 但一次调频的比例调节作用制约了调频功率的 持续变化 此外 随着电网频率的快速变化 调频过 程中发电机组的调频装置将出现剧烈振荡 功率也 将出现大幅度的快速波动 不利于电网的稳定 而 调频装置的剧烈振荡将造成设备磨损增加 严重时 甚至会损坏设备 影响机组的安全运行 针对该问题 本文提出了基于频率偏差判断闭 锁反向调节作用的 快动缓回 及 快动慢回 一次调 频改进策略 通过闭锁或限制与电网频率偏差反向 的调频作用贡献更多的调频电量 更好地与二次调 频相结合 从而更快地消除电网的频率偏差 提高电 网频率的控制品质 快动缓回和快动慢回一次调频控制策略 原理 图 为常规的发电机组一次调频原理图 图 中 为比例 积分 微分环节 为 指令 值 为发电机功率 为一次调频要求值函 数 其输入量为频率偏差量 输出量为一次调频 的负荷增 减量要求值 的取值如图 所 示 基于该函数的调频可视为一种带死区的比例控 制方法 即当 超过死区时 在调频限值内按比例 改变机组的有功功率 目前 国内电网一般要求一 次调频死区不超过 图 常规一次调频原理 第 卷 第 期 年 月 日 图 一次调频要求值函数 由图 可见 当 超出死区范围 时 发电机组一次调频动作 此时其功率指令 为 与 之和 发电机组通过调频前馈等方法 快速改变其调频装置 但实际功率变化量与 间 仍存在偏差 如实际功率变化量小于 将由 环节继续改变调频装置 使功率变化量达到要 求值 如功率变化量超出 则 将进行反向 调节 使功率变化满足要求值 由于发电机组应以最快的速度参与电网的一次 调频 因此 图 中的调频前馈是必要的 调频前馈 的强度应正确设置 不能单依靠 环节使功率变 化量达到要求值 快动 是一次调频的首要法则 在整个调频过程 调频装置按要求变化至最大值后 快动缓回策略要求调频作用继续保持 直至电网频 率得到恢复 在频率恢复过程中 快动慢回策略要求 调频作用以较慢速率随频率偏差恢复 快动缓回和 快动慢回策略通过频率恢复过程中的保持和减速提 供更多的调频电量 同时避免了调频装置随频率而 出现往复变化 相比于快动慢回策略 快动缓回策略能贡献更 多调频电量 因而对燃煤发电机组更为有效 这是 因为即使燃煤发电机组的调频装置 即调门 变化后 保持不变 其功率也会自然返回 如图 所示 在调 频作用随频率偏差减小的过程中 调频功率的变化 量低于要求值 快动慢回及快动缓回调频策略可单 独或联合使用 在两者联合使用时 一次调频动作 将在调频装置按要求达到最大值后保持不变 而在 频率偏差恢复至较小值后 调频作用将以较慢速度 随频率偏差恢复 当电网出现较大扰动时 将超出一次调频动 作死区 发电机组一次调频动作 限制电网频率变 化 常规一次调频的有差调频性能使电网频率偏差 达到较小的值 而快动缓回和快动慢回策略较常规 一次调频方法提供了更为持续的调频功率变化 相 当于二次调频功率变化的前置替代 因而能够更快 地消除电网的频率偏差 在电网调度将调频功率变 化转移至 指令后 一次调频平稳退出 电网的 发电功率保持不变 达到一次调频与二次调频的无 缝结合 从而有效提高了电网的频率控制品质 图 常规一次调频动作情况 但过大的调频作用会引起频率过调 导致电网 失稳 因此 机组调频的增益应适当 快动缓回策略 的调频恢复值和快动慢回策略的调频恢复速率应根 据电网特性确定 通过对以上参数的合理设置并与 有机结合 能快速消除电网的频率偏差 并可 有效避免频率过调 快动缓回一次调频策略的实施方法 在图 所示的常规调频回路中增加 快动缓回 功能 可构成一个带方向闭锁的一次调频控制系统 如图 所示 当 超出一次调频动作死区时 可 通过调频前馈及 环节快速改变发电机组的功 率 从而尽快达到频率偏差所对应的功率变化要求 值 图 快动缓回一次调频原理 快动缓回 通过方向闭锁 禁止或限制与频率 恢复反向的调节作用 即使机组的调频功率变化量 超出要求值 或机组处于电网频率恢复过程中 也不 会产生与频率偏差减小反向的调节作用 并且保持 到电网频率偏差小于恢复值才结束 从而贡献了更 多的调频电量 并有效避免了调频装置的往复变化 沈丛奇 等 快动缓回一次调频策略 达到快动缓回调频效果 图 列举了一种具体的实施方法 其中 频率 偏差判断环节用于判断电网频率的高低 设一次调 频动作死区为 恢复值为 则当电 网频率低于 时 频率偏差判断产生低频 闭减信号 此时 控制器输出闭锁减小 而当电 网频率恢复至高于 时 闭锁减 作用解 除 当电网频率高于 时 频率偏差判断环 节产生高频闭增信号 此时 控制器输出闭锁增 大 当电网频率恢复至低于 时 闭锁增 作用解除 图 为改进后的一次调频实际动作过程 当电 网频率下降至 时 一次调频动作 机组功 率 快 速 增 加 按 计算出的理论功率为 而实际功率增加到了 功率变化 量超过了要求值 但并未出现减小功率的调节作用 功率继续保持 而当电网频率回升时 也没有减小功 率 此外 在电网频率恢复过程中 尽管电网频率存 在振荡 调频作用依然没有变化 当电网频率回升 至 时 一次调频动作退出 机组功率回到 原值 图 智能一次调频动作情况 由图 可见 快动缓回一次调频功能充分发挥 了发电机组的调频性能 为电网贡献了更多的调频 电量 提高了电网的安全性和频率质量 同时 也有 效消除了发电机组在调频过程中因电网频率振荡造 成的调频装置剧烈变化 减少了设备磨损 延长了设 备寿命 有效地解决了常规一次调频动作的缺陷 快动慢回一次调频策略的实施方法 在图 所示的常规调频回路中增加 快动慢回 环节 可得如图 所示的快动慢回一次调频原理图 图中 快动慢回环节的输 入量为 输出量为 为速率限制或惯性控制环节 其输出 滞后于 输入 变化 为频率判断模块 用于判断频率 值的高低 和 均为切换开关 当低频一次 调频动作时 通过 选择 高选 的输出 在 频率下降过程中 增加 调频作用 快速增加到功率变化要求值 在频率回升过程中 调频作用以较慢的速率恢复 当高 频一次调频动作时 通过 选择 低选 的 输出 减小 调频作用快速减小至 功率变化要求值 在频率回降过程中 调频作用以较慢的速率恢复 由此可见 快动 慢回策略不仅保证了一次调频的 快动 性能 且在 频率的恢复过程中 通过速率限制或惯性控制使调 频作用较慢地随频率偏差恢复 从而提供了更多调 频电量 减缓了调频装置的振荡 图 快动慢回一次调频原理图 对比试验与分析 为检验快动缓回一次调频策略的有效性 选择 台 超临界机组进行对比试验 其中 号机组采用传统的一次调频策略进行调频 号机 组采用快动缓回一次调频策略 对 台燃煤机组进 行 次较为显著的一次调频 相应的动作情况如附 录 图 所示 在一次调频动作过程中 号机组协调控制系 统的调门控制指令 有关小的调节作用 这是 由于 号机组协调控制系统的瞬间实际功率高于功 率指令造成的 抑制了 号机组的调频性能 而 号 机组的快动缓回低频闭关功能保证其调门控制指令 只增不减 使调门维持为调频时的最大开度 直至频率偏差低于 时才恢复 其调门指令 为一个调频方波 如附录 图 所示 台机组 对应的一次调频参数如表 所示 结合附录 图 和表 可知 在第 次及第 工程应用 次一次调频动作中 号机组 侧的调频前馈 使调门随调频理论值变化 由于频率频繁波动 使得 调门动作次数多达 次 功率也随之振荡 而对于 号机组 由于快动缓回一次调频策略将其 侧 的调频前馈作用移至 的 控制器内 因此 调门仍具有快速调频性能 同时 由于快动缓回策略 的低频闭关功能有效避免了调门的往复变化 调门 仅动作了 次 功率也未出现波动 表 台机组一次调频性能比较 调频动 作序号 机组 理论调频 幅度 实际调频 幅度 理论调频电 量 实际调频电 量 调频贡献 度 调频持续 时间 调频动 作次数 调门动作 幅度 号 号 号 号 号 号 号 号 由表 可知 尽管 号机组的调门动作幅度和 实际调频幅度均高于 号机组 但 号机组的实际 调频电量和调频贡献度均高于 号机组 且 号机 组的第 次及第 次调频的调频贡献度不到 不合格 由此可见 号机组依靠调门的大幅变 化来达到电网的调频要求 而 号机组则通过快动 缓回的控制策略 在保证电网调频要求的基础上提 供了更多的调频电量 此外 号机组的调频动作 次数和调门动作幅度均远高于 号机组 因而 号 机组的设备磨损程度较大 且稳定性较差 而 号机 组则以更低的代价为电网贡献了更多的调频电量 结语 针对传统一次调频策略普遍存在调频贡献不足 且容易引起调频装置剧烈振荡的问题 提出了基于 频率偏差判断闭锁反向调节作用的快动缓回及快动 慢回一次调频改进策略 该策略可通过闭锁或限制 与电网频率偏差反向的调频作用为电网贡献更多的 调频电量 且可更快地消除电网的频率偏差 提高电 网频率的控制品质 对比试验结果表明 所提的快 动缓回及快动慢回一次调频策略不仅能贡献更多的 调频电量 也可有效地消除一次调频所引起的调频 装置振荡 从而有效减少发电机组的调频磨损 延长 设备的使用寿命 此外 也可更快地消除电网的频率 偏差 提高电网频率控制品质 因此 该策略既有利 于电网又有利于发电机组 可较好地达到 网源双 盈 的调频效果 附录见本刊网络版 参 考 文 献 沈丛奇 单英雷 超临界机组一次调频研究和实施技术 华东 电力 杨建华 华中电网一次调频考核系统的研究与开发 电力系 统自动化 马鸿杰 苏凡 沈丛奇 等 发电机组一次调频性能在线测试的开 发和实施 华东电力 刘晓强 王西田 考虑主蒸汽压力变化的机组一次调频动态特性 热能动力工程 都亮 刘俊勇 肖兰 等 基于电力网络一次调频动态模型建立及 仿真 电力自动化设备 余达仁 毛志位 徐基豫 汽轮发电机组的一次调频动态特性 中国电机工程学报 沈丛奇 等 快动缓回一次调频策略 韩英昆 孟祥荣 牟琳 火电机组 一次调频控制 方式应用与探讨 华东电力 周甬 和 协同一次调频的运用 华东电力 陈小强 项谨 魏路平 等 机组一次调频性能优化 中国电力 杨振勇 李卫华 骆意 火力发电机组一次调频问题研究 华 北电力技术 高宗和 滕贤亮 涂力群 互联电网 分层控制与 控制 策略 电力系统自动化 贾燕冰 高翔 高伏英 等 关于华东电网实行 的探讨 电力系统自动化 黄卫剑 张曦 陈世和 等 提高火电机组一次调频响应速度 中国电力 高翔 高伏英 杨增辉 华东电网因直流故障的频率事故分析 电力系统自动化 沈丛奇 男 通信作者 高级工程师 主要研究 方向 电厂自动控制 归一数 男 高级工程师 主要研究方向 电厂 自动控制 程际云 男 高级工程师 主要研究方向 电厂 自动控制 编辑 钱梦骄 顾晓荣 工程应用