发电机组在电网中一次调频功能应用研究讲座.ppt

发电机组在电网中一次调频功能应用的研究科技项目介绍,项目完成单位,华北电力调度局华北电力科学研究院有限责任公司,项目来源 近年来新投产的大型火电机组几乎都采用电液调速系统（DEH），而且原有的液调机组也在逐步改造成为电液调速系统，由于电液调速系统与液调系统在原理和控制方式上的不同以及设计、制造等方面缺乏统一规范，造成了火电机组一次调频功能投入存在较多问题。其表现为，当电网出现频率波动时，参与一次调频的机组越来越少，负荷越来越小。为此，华北电力集团公司于2002年初立项，项目名称为火电机组在电网中一次调频功能应用的研究，后考虑到京津唐电网中存在的水电机组也必须投入一次调频，将项目名称更改为发电机组在电网中一次调频功能应用的研究。项目委托华北电力调度局和华北电力科学研究院有限责任公司进行。2002年5月项目全面启动，开始对京津唐电网火电机组一次调频进行调研、试验和研究工作，项目于2004年1月完成，04年2月17日完成了由华北电网公司组织的项目评审工作。,研究报告简介,目 录概述一次调频的基本概念京津唐电网发电机组一次调频现状投入指标及控制逻辑的研究改进后的系统投入情况有关标准及管理方面的问题结论附表：京津唐电网主要发电机组一次调频情况一览表附件：华北电网发电机组一次调频运行管理规定（试行）,发电机组在电网中一次调频功能应用的研究研究报告,1概述 华北电力集团公司针对京津唐电网一次调频存在的问题提出以下研究课题：参加一次调频的机组占电网机组的比例和容量；不同容量机组应具备的一次调频容量；不同容量机组在一次调频中负荷与周波的关系；解决各机组一次调频中的问题，及如何对一次调频机组进行管理；为网内不同容量和类型机组的一次调频功能投入提供指导，为全网编制参加一次调频机组的管理办法提供依据。通过一年多的时间，我们对京津唐电网火电机组一次调频进行了深入地调研工作，掌握了电网火电机组一次调频投入现状，同时对一次调频投入中存在的问题、技术指标及控制逻辑进行了深入地研究，查阅了部分国内外设备图纸技术资料，进行了大量有关的试验工作。通过上述大量工作，我们基本上对网内乃至全国火电机组一次调频功能投入中存在的问题、有关的技术指标及控制逻辑等有了比较清晰的认识，这对于今后指导发电厂火电机组一次调频功能的投入以及对投入一次调频之后机组的管理将起到积极作用。,2.一次调频基本概念,2.1.汽轮机液压调节系统的静态指标 机组在稳态运行时，汽轮机功率或油动机行程随自身转速变化的关系，称为调节系统的静态特性。右图是一个调节系统典型的静态特性曲线。图中两条平行线间的区域，反映了调速系统对转速的不确定性。系统的速度变动率和迟缓率（、）是反映调节系统静态特性的重要指标。,2.1.1.速度变动率=(01)e100%速度变动率越小汽轮机对系统的调频能力就越强，但自身的稳定性也就越差。一般取值 36%。水轮机调速系统的永态转差率在本质上等同于汽轮机调速系统的速度变动率，一般水轮机组的取值为26%。对大机组为了防止机组甩负荷后转速飞升过高，一般将取值在4.5%左右。,2.1.2.汽轮机液压调节系统的迟缓率 迟缓率是调节系统在其工作范围内对转速的迟滞/磁滞反应。=e100%,2.1.3.汽轮机电液调节系统的转速死区 转速死区，是特指系统在额定转速附近对转速的不灵敏区。为了在电网周波变化较小的情况下，提高机组运行的稳定性，一般在电调系统设置有转速死区。值得注意的是迟缓率与转速死区的概念并不相同。,系统死区 系统磁滞,图3 转速死区与迟缓率的区别,2.电力系统的一次调频 稳定运行的电力系统，其电源和负荷功率必须是动态平衡的。当电源功率或负荷发生变化造成变化时（以功率不足为例），系统的频率就会随之降低，系统中的负荷设备会因为频率下降而影响其有功的吸收。与此同时，系统中运行的同步发电机组，也会按照其调速系统的静态特性增加调门开度，弥补系统中功率的不足。,在这个过程中，系统功率负荷的动态平衡完全是自己随动完成的，不需要人工干预，动态平衡的结果是系统稳定在了一个较低的频率水平。这个过程即为电力系统的一次调频过程。可以看到电力系统的一次调频，是由同步发电机组和负荷设备共同来完成的。,右图为电网的调频调整示意图。其中a点为系统变化前电网的功率负荷平衡点。当电网中的负荷从L1增加到L2时，系统的功率负荷平衡点将开始沿调速系统的静态特性线P1下滑，直到系统的功率负荷达到一个新的平衡,b点。在这个过程中汽轮机调速系统根据电网频率的变化情况，按照其自身的静态特性来自动调整所发功率，来满足电网负荷变化的过程,即为机组参与系统的一次调频过程。,图4 电网的调频调整示意图,3京津唐电网发电机组一次调频现状 见附表：京津唐电网大型发电机组一次调频功能一览表归纳主要有以下几个方面：,3.1电调机组一次调频死区设置 大部分电调机组一次调频死区设置在0.083Hz0.5Hz（5r/min30r/min）之间，基本上失去了一次调频功能；3.2电调机组速度变动率 调研中发现除个别机组速度变动率设置为10、12，基本上失去了一次调频功能。大部分机组速度变动率都在45之间，基本上能满足要求。,3.3一次调频功能设计问题 频差函数引入的位置，这对于一次调频的主要指标影响较大。很多机组的DEH和DCS中的一次调频回路还设计为可由运行人员随意投切的方式。大部分都在切除状态，这些机组等于完全失去了一次调频功能。,3.4 DCS频率校正回路 一些机组DEH的一次调频功能正常，而DCS中的一次调频校正回路处于切除状态，使机组不能正常发挥一次调频功能。,4.投入指标及控制逻辑的研究4.1 调速系统速度变动率一次调频负荷调整量可按下式计算：或其中：N为单位转速（频率）一次调频负荷调整量（MW/r/min）或（MW/Hz）Ne为机组额定负荷（MW）为机组速度变动率（%）ne为机组额定转速（r/min）f 为机组额定转速下的频率（Hz）例如：某300MW机组，速度变动率为5，该机组一次调频负荷调整量为或2MW/r/min相当于1.2MW/0.01Hz。对于一般机组都设计为36之间，目前京津唐电网多数火电机组实际设置为45，我们认为此指标没有必要规定为同一数值，只要在45之间即可。当然，小于4对于一次调频是有利的，但容易造成机组的不稳定。水电机组速度变动率（永态转差率）可小一些，为34；另外，一些机组在非正常运行工况时，为保证机组稳定，自动增大速度变动率也是允许的。,4.2 调速系统迟缓率根据汽轮机调节控制系统试验导则（DL/T7111999）中规定调速系统迟缓率如下：机械、液压调节型机组容量100MW，迟缓率要求小于0.4；机组容量100 MW 200 MW（包括200 MW），迟缓率要求小于0.2；机组容量200MW，迟缓率要求小于0.1；电液调节型机组容量100MW，迟缓率要求小于0.15；机组容量100 MW 200 MW（包括200 MW），迟缓率要求小于0.1；机组容量200MW，迟缓率要求小于0.06；,4.3 频率死区设为2 r/min（0.034Hz）较为合适。主要考虑如下：1）电网频率偏移500.034Hz开始调整，距地区电网要求的500.1Hz还有较大裕量；2）火电机组负荷调整精度低，小范围调整负荷准确性差，允许有一定的偏差；3）转速测量、频率测量数据存在一定的误差和不确定性，设置死区可避开；4）减少机组不必要的负荷波动。,4.4 响应滞后时间及稳定时间图中t为响应滞后时间；图中t1为稳定时间。,4.5 负荷变化幅度（1）额定负荷200MW及以下的火电机组，限制幅度不小于机组额定负荷的10；（2）额定负荷220350MW的火电机组，限制幅度不小于机组额定负荷的8；（3）额定负荷500MW及以上的火电机组，限制幅度不小于机组额定负荷的6；水电机组参与一次调频的负荷变化幅度不应加以限制。,4.6 对控制系统的要求 根据对京津唐电网一次调频投入情况的调研，我们归纳了与一次调频有关的控制系统主要分为两大类型，见研究报告图20、图21所示。根据下页图9也可说明。一类是一次调频功能由DEH实现。即将频差信号叠加在汽轮机调速汽门指令处的设计方法，以保证一次调频的响应速度。同时在DCS中投入频率校正回路，即当机组工作在机组协调或AGC方式时，由DEH、DCS共同完成一次调频功能。如DCS不投入校正回路，则会出现负荷反调现象。另一类是频差函数叠加在功率调节器入口（见图中DEH部分虚线）。当DEH功率调节器切除，且协调系统在手动状态时，机组将失去一次调频功能。另一方面影响了响应速度，特别是当功率调节器采用串级控制方式时，问题更为突出。,f(x),Hz,V,LDC,AGC 操作员设定,功率调节器,A,A,A,速率限制设定,上限负荷设定,下限负荷设定,一次调频函数,f(x),r/min,V,负荷给定,功率调节器,A,A,A,速率限制设定,上限负荷设定,下限负荷设定,操作员设定,一次调频函数,T,PI,PI,MW,MW,切换单元,汽机调门指令,DCS-CCS,DEH,指令直接叠加在调门上,T,手动方式,协调方式,阀位限制,CCS控制,DEH控制,图9 一次调频控制原理示意图,图10 DCS频率校正回路对一次调频的影响,DCS频率校正回路对一次调频的影响 当机组运行在AGC或机组协调控制方式时，不投入频率校正回路将出现负荷反调现象，电网频率还未恢复正常，机组的一次调频能力已消失。,图10 DCS频率校正回路对一次调频的影响,图11 未投入DCS校正回路的一次调频曲线,图12 未投入DCS校正回路的一次调频曲线,图13 投入DCS校正回路的一次调频曲线,图14 投入DCS校正回路的一次调频曲线,一次调频控制逻辑对负荷响应快速性的影响 电液调速系统（DEH）工作在阀位控制方式，当电网频率变化时负荷的响应最快一般在12秒内机组负荷发生变化（见图15）。而只由DCS的协调系统完成一次调频，受到影响的因素较多，负荷响应较慢，如图16所示的试验，需12秒时间。,图15 阀位方式下的一次调频负荷响应,火电机组主蒸汽压力对一次调频的影响 主蒸汽压力以及调速汽门特性对一次调频也会产生影响。火电机组一般都按定滑定方式运行，既满足调整负荷的要求，又可保证经济性。当火电机组主蒸汽压力变化时，对一次调频会产生较大影响。这主要是目前汽轮机电调系统的频差函数指令是按综合阀位叠加在汽机调速汽门上，而调速汽门的线性化是按额定压力整定，偏离额定参数可能产生较大的偏差。看下面图1721，主汽压力为14MPa时，综合阀位变化4.9相当于汽机转速变化8r/min(不包括死区），负荷从192.3MW变为196.8MW，增加了4.5MW。主汽压力为16MPa时综合阀位同样变化4.9，负荷从185.09MW变为196.95MW，负荷增加了11.86MW。可见主汽压力对运行在阀位方式的机组一次调频影响较大，但从图21可见，当投入频率校正回路时，机组一次调频负荷受到主汽压力的影响较小。,图17 主汽压力14MPa的一次调频曲线（一）,图18 主汽压力14MPa的一次调频曲线（二）,图19 主汽压力16MPa的一次调频曲线（一）,图20 主汽压力16MPa的一次调频曲线（二）,图21 投入DCS校正回路的一次调频曲线,频差函数叠加位置对一次调频的影响 频差函数叠加在速率限制之后，负荷指令迅速上升。叠加在速率限制之前负荷指令缓慢变化，影响一次调频效果。,4.7 京津唐电网火电机组一次调频负荷总量 京津唐电网以火力发电为主，容量为90MW以上的机组共计74台总容量17050MW。其中包括8台水电机组，总容量1220MW。各机组有关一次调频的详细情况见附表。,5改进后的系统投入情况 通过对秦皇岛电厂、托克托电厂、京能热电厂、华能北京热电厂、三河电厂、华能杨柳青电厂等机组的试验及投入情况看，效果良好。机组能够快速地随电网频率变化负荷，对机组安全也没有造成影响。图2326是秦皇岛电厂#2机组、三河电厂#2机组，托克托电厂#1机组、盘山电厂#1机组一次调频投入曲线。,图23 秦皇岛电厂#2机组一次调频曲线,图24 三河电厂#2机组一次调频曲线,图25 托克托电厂#1机组一次调频曲线,图26 盘山电厂#1机组一次调频曲线,6有关标准及管理方面的问题6.1 技术标准有待解决6.2 管理规范化问题 各发电厂应根据有关条款与制造厂、科研单位深入研究，完善机组的一次调频功能。在新机组订货、老机组改造时也应特别注意满足有关条款要求。电网管理部门可通过并网协议、并网安全性评价等形式对各发电机组的一次调频投入情况进行监督管理。6.3 运行机组的监督管理 提高技术手段，EMS目前刷新时间周期是46s，对一次调频投入的监视不利。考虑改进：刷新时间1s、分辨率0.1MW的有功功率数据，发电机频率信号分辨率0.001Hz。考虑编制电网频率机组有功功率趋势曲线（见图28）。,f N,t,N,f,50.034 50.000 49.966 负荷指令,图28 调度监视曲线,发电机频率（转速）曲线,机组功率曲线,华北电网发电机组一次调频运行管理规定的编制 根据本项目的试验研究结果，并广泛征求意见。于2003年5月正式颁布了华北电网发电机组一次调频运行管理规定（试行）。,谢谢2004.02,华北电力科学研究院有限责任公司 NORTH-CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE CO.LTD,