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劉志剛 （1971-）
男，湖南益陽人，高級工程師，主要從事火力發電廠熱控技術研究。

摘要：汽輪機組在順序閥方式運行時，投入一次調頻后，在閥門行程重疊度范圍有時會引起閥門大幅晃動。本文根據DEH邏輯及參數分析了閥門晃動的根本原因，提出在重疊度范圍略微減弱流量-閥位曲線斜率較大的閥門一次調頻能力，在總體上保證一次調頻的幅度和精度滿足電網要求。仿真試驗結果表明，在CCS＋DEH聯合調頻方式下，優化后可大大降低閥門晃動幅度，提高了汽輪機組的安全穩定性。

關鍵詞：一次調頻；重疊度；順序閥；晃動；仿真；流量

Abstract: The governing valve will bring the big fluctuation after enabling primary
frequency regulation when the turbine generators are running at sequence valve. By 
analyzing the basic reason of fluctuation based on DEH logic and parameters, the paper 
presents an optimal scheme, which by adjusting the valve of large slope of flow-position curve to reduce its value, the fluctuation can be eliminated efficiently. Depth 
and precision of primary frequency regulation is satisfied with power system as a whole. 
The result of simulation test shows that the method can greatly reduce valve fluctuation 
and improve safety and stabilization of turbine generators.

Key words: Primary Frequency Regulation; Overlap; Sequence valve; fluctuation; emulation;
 flow

    電力系統運行的主要任務之一是對頻率進行監視和控制，而發電機組的一次調頻功能對維持電網頻率的穩定至關重要。文^[1][2]中反映在電網頻率的波動事件中，一次調頻能力離設計值相差甚遠，很多裝備有快速數字電液調速器的機組沒有參與一次調頻。文_^[3]中，對一次調頻引起EH油管振動問題提出了在每個高壓調門的進油管路增加了蓄能器，并對管束支撐進行了加固的處理措施，并取得效果。在國內文獻中，沒有從軟件優化的角度來消除一次調頻引起EH油管振動的文章。本文以某種135MW亞臨界機組為例，從DEH系統邏輯上分析了一次調頻功能在重疊度區容易引起閥門大幅晃動，甚至引起EH油管振動的原因，并提出優化措施。經過仿真試驗證明此方案是可行的。作者認為這種思路對目前所有參與一次調頻的汽輪機組具有一定的參考價值。

1 一次調頻原理

    一次調頻普遍采用CCS+DEH聯合調頻方式，根據汽輪機的轉速不等率和額定轉速與實際轉速差，計算出負荷修正量（也稱“調頻量”），如表1所示。由DEH完成一次調頻的快速反應，CCS閉環完成負荷修正量（稱之為二次調頻^[4] ）。在DEH邏輯中，調頻量直接疊加在給定值（REFDMD）上，如圖1所示，圖中函數F0（x）是負荷指令修正函數，如表2所示；F(x)是閥門流量特性曲線函數，GV1和GV2相同，GV3和GV4相同，如表3所示；常數0.744是最佳閥位系數；K是單閥系數，單閥控制時為1，順序閥時為0；G(x)是順序閥閥門管理函數，四個閥門各不相同，G1(x)=2.976x，G2(x)= 2.976x-100，G3(x)= 2.976x-200，G4(x)= 2.976x-300；Fg(x)為順序閥時的流量轉換函數，GV*SPO是閥門的開度指令。

                                表1   一次調頻轉速-負荷修正量（轉速不等率=5%）

                                  圖1   DEH一次調頻原理圖

2 閥門大幅波動原因分析

    文[4]中描述電網系統負荷可以看作由以下3種具有不同變化規律的變動負荷所組成，其中第1種是變化幅度較小，變化周期較短（一般為10s以內）的隨機負荷分量。現實中，經常有電網的頻差信號在±0.05Hz（對應轉速差為±3 r/min）頻繁變化，引起汽輪機閥門的大幅波動。根據圖1，可以計算出REFDMD與閥門開度的數據關系，如表5所示，圖形化后如圖2所示。可以直觀看出，重疊度區間前個閥門開啟的斜率很大。例如，當REFDMD=122時，轉速差在低過死區（±2r/min）1r/min時，一次調頻正好在GV3和GV4的重疊度范圍作用， GV3從80.7％開到93.9％，GV4從6.2％開到7.2％。可見GV3開度有13.2％變化。所以機組在此工況下一次調頻有效時，汽機閥門大幅快速晃動會經常發生，甚至會導致EH油管的振動。

                                       圖2   順序閥方式時閥門管理曲線

3 處理措施

    從表5可以看出，GV3的閥點[5]是51.0%，GV3通流能力已到95％，可見GV3在與GV4的重疊度范圍內，調頻能力已非常有限。綜合考慮汽輪機的安全和調頻性能，可以考慮在重疊度區減弱GV3調頻幅度，保持GV4調頻能力不變，優化后原理圖如圖3所示。

                                      圖3   優化后DEH一次調頻原理圖

    圖3中，K1為斜率修正系數，取K1＝0.1，lag為慣性環節，時間常數可取1～2秒，“119.6<REFDMD+調頻量<123.3”表示GV3和GV4在順序閥方式時的重疊度，作為GV3調頻優化的切換開關，切換開關“Y”與“N”相互切換時的數據的變化速率可設為1%/s。根據邏輯可以計算出，當REFDMD=122時，若頻差超出死區－1r/min時，GV3從80.7％僅開到82.0％，GV4仍舊從6.2％開到7.2％，完成一次調頻量。顯然，GV3波動幅度大幅降低。

4 整體分析

    一次調頻是通過DEH和CCS聯合實現，DEH完成快速響應部分，是有差開環調節，就是以上所介紹的；CCS實現無差閉環調節，保證一次調頻的持續性和精度，最終達到調頻量，聯合調頻原理如圖4所示。

                                         圖4   聯合調頻原理圖

    圖4中虛線左側為CCS中汽輪機控制邏輯，結合圖3可以看出，優化后的邏輯，對CCS閉環調節沒有影響，發電機功率會穩定在目標功率與調頻量之和。CCS中汽輪機的控制指令REFDMD對調頻量一般具有6～15秒的慣性環節特性，此特性可以避免CCS的二次調頻和DEH的一次調頻的重疊而引起調頻量超調太多，也體現了CCS與DEH側一次調頻作用時序上的互補性[6]。取慣性時間8秒時，當REFDMD=122時，頻差超出死區－1r/min波動時，通過仿真可以得到圖5曲線，GV3波動幅度大幅降低。

                                 1：GV3是優化后調頻曲線     2：GV3是優化前調頻曲線

                                         圖5   GV3閥門優化前后的仿真曲線

    另外，在上述優化邏輯中，只是抑制了重疊區晃動大的閥門，當然，也可以把因此減少的調頻量通過重疊區的另一個閥門用類似方法來補償，這樣DEH的邏輯就要作更大的變動。對廣東電網來說，參與一次調頻的機組有一百多臺，每臺機組閥門的重疊度不超過行程的16％，優化后電網總調頻性能損失是很小的，但大幅提高了機組運行的穩定性。

5 結論

    通過優化重疊度范圍一次調頻邏輯后，大大降低了閥門的晃動幅度，提高了機組的安全運行，同時也穩定了電網的頻率。消除了電廠對全程一次調頻引起機組不穩定的顧慮，可以減少甚至杜絕文[1][2]中為了機組安全而切除一次調頻或做假一次調頻投入信號的現象。對各種類型汽輪機組，無論是超（超）臨界還是亞臨界機組，在順序閥方式時，都可以借鑒以上的優化策略。

    目前，廣東省內參與一次調頻的汽輪機組，一次調頻的邏輯僅考慮了一次調頻能力，對機組的全程調頻和順序閥方式時的閥門大幅晃動很少采用避免措施。作者希望此文能起拋磚引玉作用，共同研討出更好措施，消除一次調頻功能給機組帶來的安全隱患。

參考文獻

[1] 張毅明，羅承廉，孟遠景等. 河南電網頻率響應及機組一次調頻問題的分析研究[J]. 中國電力，2002，35(7): 35-38.

[2] 陳亮，陳慧坤. 廣東電網發電機組一次調頻性能分析[J]. 廣東電力，2008，21(8): 8-12.

[3] 陳旭偉，王旺，趙松烈. 東芝600MW機組一次調頻功能的改進[J]. 浙江電力，2007，39(4): 39-42.

[4] 張斌.自動發電控制及一次調頻控制系統[J]. 北京: 中國電力出版社，2005.

[5] 朱大林，曾孟雄. 汽輪機組調節系統的重疊度與節流損失[J]. 三峽大學學報(自然科學版)，2001，23(2): 155-158.

[6 ] 尹峰.CCS參與的火電機組一次調頻能力試驗研究[J]. 中國電力，2005，38(3): 74-76.