火電廠XXX機組一次調(diào)頻控制優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用

1、 火電廠XXX機組一次調(diào)頻控制優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用摘 要 針對以上存在的問題，本文以某廠300MW火力發(fā)電機組一次調(diào)頻系統(tǒng)為原型，首先闡述了火力發(fā)電機組一次調(diào)頻相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)，繼而建立火力發(fā)電機組一次調(diào)頻控制模型，研究分析了影響一次調(diào)頻性能的各種因素，在此基礎(chǔ)上綜合分析了目前國內(nèi)火力發(fā)電廠各種一次調(diào)頻方案，提出了DEH+DCS一次調(diào)頻方式。最后，在大量運行數(shù)據(jù)分析支持下，對一次調(diào)頻系統(tǒng)進行以下優(yōu)化設(shè)計：采用DEH+CCS一次調(diào)頻方式；取消一次調(diào)頻人為切投按鈕；DEH 在轉(zhuǎn)速控制方式或主汽壓力控制方式時一次調(diào)頻不投入關(guān)鍵詞: 一次調(diào)頻、CCS+DEH、PID、優(yōu)化設(shè)計、擾動試驗 Abstract

2、Thermal power generating units of primary frequency modulation function can decrease rapidly due to various reasons caused by the frequency fluctuation of power system, improve power system anti-interference ability and the quality of electric energy, improve power can quality and safety operation l

3、evel plays a pivotal role in. In order to ensure the safe and stable operation of power grid and thermal power generating units, the relevant provisions of the electric power industry requirements of power grid in grid a FM, and the primary frequency modulation function is perfect as the important c

4、ontent of the unit safety evaluation.At present, a FM system in domestic thermal power generating units mainly has the following problems:primary frequency action, the control system can not be stable, large disturbance on the combustion system and main steam pressure, affect the safe operation of a

5、 business unit, FM investment enthusiasm is not high;primary frequency action will produce a large number of unqualified power, affecting the unit production efficiency;the set of primary frequency modulation system with artificial cut - throw button can not meet the requirements of the power grid o

6、n primary frequency regulation; a slow frequency modulation action is slow, the index does not meet the requirements of the power grid; In view of the existence of the above problems, this paper in a 300 MW thermal power generating units, a FM system as the prototype. Firstly, the paper introduces t

7、he thermal power generating units, a FM related basic theory and technology, then set up thermal power unit primary frequency control model, research and analysis of the effect of a frequency modulation of the various factors, on the basis of comprehensive analysis of the current domestic coal-fired

8、 power plants is a frequency modulation scheme. DEH+DCS primary frequency modulation mode is presented. Finally, under the support of a large number of operational data analysis, the following optimization design of primary frequency modulation system is carried out: using DEH+CCS primary frequency

9、modulation mode;to cancel a frequency modulation of the human cut to vote button, set the automatic cutting;DEH in the speed control mode or the main steam pressure control mode, to avoid affecting the stability of unit operation, a frequency input; automatically limit the primary frequency, load, l

10、oad exceeds the set range of a FM release, reduce the consumption of qualified; the adjustment of primary frequency control system logic block execution order, the primary frequency of fast action, stable operation parameter;to adjust the PID parameter of the control system, the unit PID quick adjus

11、tment, stable and accurate; Finally, on this basis, the optimization of primary frequency control system were to 180MW load near several representative disturbance test points of test and comprehensive analysis of the test data that optimized DEH+CCS primary frequency modulation scheme is safe and m

12、eets the requirements of unit primary frequency modulation function for power.Keywords:Primary frequency modulation, CCS+DEH, PID, optimization design, disturbance test目錄1 緒論11.1研究意義與背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 本文研究目的和研究內(nèi)容31.3.1 研究目的31.3.2 研究內(nèi)容31.4 本章小結(jié)42 火力發(fā)電機組一次調(diào)頻原理52.1 電網(wǎng)中負荷的功率頻率特性52.2 發(fā)電機組的功率頻率特性62.3 一次調(diào)

13、頻特性曲線82.4 一次調(diào)頻基本指標(biāo)92.4.1 轉(zhuǎn)速不等率9功率補償量92.4.3 遲緩率10調(diào)頻死區(qū)102.4.5 響應(yīng)滯后時間102.4.6 穩(wěn)定時間102.5 一次調(diào)頻技術(shù)要求102.6 本章小結(jié)113 火力發(fā)電廠一次調(diào)頻系統(tǒng)組成123.1 一次調(diào)頻系統(tǒng)簡介123.2 信號采集環(huán)節(jié)133.3 邏輯控制環(huán)節(jié)133.3.1 DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)側(cè)一次調(diào)頻功能實現(xiàn)方式133.3.2 DEH側(cè)一次調(diào)頻功能實現(xiàn)方式13一次調(diào)頻函數(shù)發(fā)生器F（X）參數(shù)設(shè)置133.3.4 PID控制器153.4 執(zhí)行系統(tǒng)環(huán)節(jié)163.4.1 VP卡16電液伺服閥173.4.3 線性位移傳感器(LVDT）183.4.4 油

14、動機193.4.5 EH供油系統(tǒng)203.5 DEH閥門管理程序20汽輪機閥門控制種類20閥門控制的功能21閥門控制新策略213.6 本章小結(jié)234 一次調(diào)頻方案對比分析264.1 DEH一次調(diào)頻方案26方案A264.1.2.方案B274.2 DCS側(cè)一次調(diào)頻方案284.2.1.方案A284.2.2. 方案B284.3 一次調(diào)頻運行方式294.4 本章小結(jié)305 300MW機組一次調(diào)頻優(yōu)化315.1 300MW機組一次調(diào)頻原理圖315.2 300MW機組一次調(diào)頻系統(tǒng)優(yōu)化325.3 本章小結(jié)376 一次調(diào)頻系統(tǒng)試驗及結(jié)論376.1 試驗?zāi)康?76.2 300MW機組一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)376.3 技術(shù)

15、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)范376.4 試驗條件38現(xiàn)場環(huán)境條件386.4.2 試驗對象條件386.5 安全管理措施386.5.1對危險點（源）的辨識和預(yù)控386.5.2 安全措施396.6 試驗儀器及人員分工406.6.1試驗儀器406.6.2 人員分工406.7 試驗方案40負荷工況的選擇406.7.2 擾動量的選擇406.7.3 數(shù)據(jù)采集406.8一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗步驟416.9 試驗分析41第一次擾動試驗（頻差階躍+0.07Hz）416.9.2 第二次擾動試驗（網(wǎng)頻階躍+0.1HZ）436.9.3 第三次擾動試驗（網(wǎng)頻階躍-0.07HZ）446.9.4 第四次擾動試驗（網(wǎng)頻階躍-0.1HZ）456.1

16、0 試驗結(jié)論46致 謝47參考文獻481 緒論1.1研究意義與背景進入21世紀(jì)以來，國內(nèi)經(jīng)濟飛速發(fā)展，尤其是電力負荷增長速度更快，從而導(dǎo)致非線性和沖擊性負荷也在繼續(xù)增長，這些擾動負荷對整個電網(wǎng)的供電品質(zhì)也產(chǎn)生了嚴重的影響，與此同時，由于現(xiàn)代高度自動化和智能化的工業(yè)越來愈多，其用電設(shè)備也對供電質(zhì)量提出了更高的要求，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，其運行的特征也賦予了電能質(zhì)量新的內(nèi)涵及意義。整個電力系統(tǒng)頻率、電力系統(tǒng)諧波、電力系統(tǒng)電壓、電力系統(tǒng)三相平衡以及電壓波動與閃變是業(yè)已制定的五項電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)。在整個電力系統(tǒng)運行以及工業(yè)生產(chǎn)過程，這對電能質(zhì)量的要求也在不斷的擴大和深化，不斷提高電能的質(zhì)量已成為確保供、用

17、電系統(tǒng)安全運行的一項最為基本的要求。對于發(fā)電廠而言，獲得優(yōu)質(zhì)供電也與企業(yè)自身不斷提高競爭力以及電力市場占有率有著密不可分的關(guān)系，同時涉及到了發(fā)電企業(yè)自身的生存與發(fā)展。其中，頻率作為電能質(zhì)量最重要的控制指標(biāo)之一，對電網(wǎng)機組實施一次調(diào)頻也是發(fā)電廠確保供電質(zhì)量的一項重要手段，電網(wǎng)的外界負荷變化也會導(dǎo)致電網(wǎng)自身頻率發(fā)生改變，發(fā)電廠按照電網(wǎng)頻率變化利用汽輪機調(diào)節(jié)閥改變機組的進汽流量實現(xiàn)變機組負荷的改變，以使其能夠在一定程度上滿足電網(wǎng)負荷的需要1。在當(dāng)前的很多火力發(fā)電機組中，采用的一次調(diào)頻功能的作用會在很大程度上保證電能質(zhì)量，以確保整個電力系統(tǒng)的安全運行水平。為了更好的確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需快速找到引

18、起電力系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素，以更好的提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。并將一次調(diào)頻作為發(fā)電機組考核的重要指標(biāo)，直接影響火力發(fā)電機組經(jīng)濟效益。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，在我國的電網(wǎng)系統(tǒng)中，火力發(fā)電系統(tǒng)機組的發(fā)電容量已由開始的300MW升級轉(zhuǎn)變?yōu)?00和1000MW等大容量系統(tǒng)。電力系統(tǒng)中的各項運行參數(shù)對于其監(jiān)控能力要求也變得比較高，這對整個電路系統(tǒng)的智能控制水平的要求也變得非常重要。一方面，由于電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)本身對于計算機技術(shù)的依賴性也變的越來越強。發(fā)展最為可靠的DCS系統(tǒng)，所采用的熱工控制方法以及復(fù)雜的控制方案都已經(jīng)為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了一定的基礎(chǔ)。與此同時，在電力系統(tǒng)中，設(shè)計了一種信息設(shè)

19、計理論對于發(fā)展的大面積電網(wǎng)，已形成一個非常重要的過程，發(fā)電機組的本身的協(xié)調(diào)能力對整個機組控制功能也變得越來越重要。另外，隨著當(dāng)前發(fā)電技術(shù)的進步，越來越多的火力發(fā)電單元自身的裝機容量也變得非常的強大，且對整個電力系統(tǒng)中存在的沖擊性負荷要求變得也越來越高，越來越多的企業(yè)用電設(shè)備對輸電穩(wěn)定性的要求也變得較高。與此同時，火力發(fā)電系統(tǒng)中的單機組用負荷對整個電網(wǎng)本身所產(chǎn)生的沖擊也是非常的大，同時我國大電網(wǎng)建設(shè)要求的提出，需要將國內(nèi)許多條電網(wǎng)進行合并，這樣的方案改進，對于對各地方電網(wǎng)的電力系統(tǒng)頻率提出了更高的要求，在電力系統(tǒng)中采用一次調(diào)頻功能可以使發(fā)電機組在整個電網(wǎng)系統(tǒng)本身存在一定的問題時，能夠充分的利用系

20、統(tǒng)中的鍋爐蓄熱進而快速反應(yīng)，改變系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，以在一定程度上彌補電力系統(tǒng)中的負荷，起到穩(wěn)定電網(wǎng)頻率的作用2。電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性主要是由一次調(diào)頻功能對其進行改善的。由于大型智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，也給國內(nèi)的很多區(qū)域電網(wǎng)以及更多的并網(wǎng)運行機組提出了一個很高的要求。進而在一定程度上降低發(fā)電機組對于整個電網(wǎng)所造成的沖擊。在機組進行調(diào)頻時，機組調(diào)速系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)一次調(diào)頻。工程師按照整個發(fā)電機組的設(shè)計性能對各項動作參數(shù)進行不斷的調(diào)整。以確保整個電力系統(tǒng)一次調(diào)頻能夠正常工作，在整個機組成功并網(wǎng)之后，電力系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的往往頻率進行自動的調(diào)節(jié)2。在當(dāng)前的電路系統(tǒng)中，對于電網(wǎng)一次調(diào)頻功能，要對汽輪

21、機、鍋爐、發(fā)電機和電網(wǎng)內(nèi)部之間的關(guān)系產(chǎn)生很大的影響，一次調(diào)頻控制系統(tǒng)，要求其不但能夠快速實現(xiàn)一次調(diào)頻，還要整體協(xié)調(diào)。汽輪機快速響應(yīng)外界負荷、頻率的變化，鍋爐跟隨汽輪機的進行快速響應(yīng)，以保證汽輪機的工作要求。當(dāng)電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定時，電源和負荷功率需要保持在動態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)電源功率或負荷發(fā)生故障造成變化時，當(dāng)功率不足時，電網(wǎng)系統(tǒng)的固有頻率就會降低，導(dǎo)致接入電力系統(tǒng)中的負荷也會因為頻率的下降影響其有功的吸收，同時，在系統(tǒng)中運行的其他同步發(fā)電機組，也同樣會依據(jù)其調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性加大其調(diào)門開度，以便于更好的彌補系統(tǒng)中功率的不足3。 隨著當(dāng)前4C技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，越來越多的汽輪機都采用了DEH控制系統(tǒng)

22、，使整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式開始由之前的液調(diào)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前我們所熟悉的DEH純電調(diào)方式，并且能夠確保一次調(diào)頻控制功能通過DCS軟邏輯進行實現(xiàn)，雖然目前很多的國內(nèi)機組本身所具有的協(xié)調(diào)控制及其AGC等功能都已有了很大的投入，為一次調(diào)頻提供了基礎(chǔ)，但一次調(diào)頻系統(tǒng)仍然存在不少缺陷，具體如下：（1） 發(fā)電企業(yè)自身受限于理論水平，無法更加細致的對一次調(diào)頻功能進行研究分析，進而導(dǎo)致很多的企業(yè)內(nèi)部制定的一些針對一次調(diào)頻管理的辦法以及要求，與國家電網(wǎng)本身的實際需要不相符合，如在整個的電力系統(tǒng)中，設(shè)置的一次調(diào)頻速率限制比較大、整個機組的一次調(diào)頻負荷補償量比較小，產(chǎn)生的死區(qū)太大，使得機組本身其無法滿足系統(tǒng)中各項機組的一次

23、調(diào)頻潛力。（2）一次調(diào)頻動作過程中，主汽壓力波動比較大，其中最主要的原因是新建機組在協(xié)調(diào)設(shè)計中，沒有注意到一次調(diào)頻動作會導(dǎo)致機組的負荷發(fā)生很大的改變，導(dǎo)致鍋爐燃燒受到影響，這也很容易造成機組非停。（3）一次調(diào)頻的功能所具有的響應(yīng)速度無法達到電網(wǎng)本身的要求。（4）一次調(diào)頻功能人為設(shè)置切投按鈕，其中各機組也過分的關(guān)注本機組運行安全，機組在正常運行時大經(jīng)常投入這一功能，導(dǎo)致電網(wǎng)頻的率頻繁超限。（5）不合格電量的影響。在文中針對不合格電量方面的研究，選擇了某發(fā)電企業(yè)的300MW機組作為本文的主要研究案例，以便于對整個電廠實現(xiàn)一次調(diào)頻、存在的缺陷、改進方法，為國內(nèi)一次調(diào)頻系統(tǒng)功能完善提供借鑒。1.3 本

24、文研究目的和研究內(nèi)容1.3.1 研究目的作為汽輪發(fā)電機組并網(wǎng)運行的基本特性之一一次調(diào)頻，主要是指在電網(wǎng)的頻率發(fā)生改變時，機組本身會在整個控制系統(tǒng)的作用下自動地進行增加（電網(wǎng)頻率下降時）或減小(電網(wǎng)頻率升高時)自身所具有的功率，進一步限制電網(wǎng)頻率變化特性。其中一次調(diào)頻功能也是按照調(diào)節(jié)汽輪機調(diào)門開度，采用機組的蓄熱實現(xiàn)快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率所產(chǎn)生的變化。目前大機組基本都是選擇的DEH控制系統(tǒng)對汽輪機轉(zhuǎn)速以及有功功率的進行控制的。在對一次調(diào)頻參數(shù)及控制邏輯進行設(shè)置時，如果設(shè)置不合理，就會影響機組的安全運行，有時可能會導(dǎo)致非計劃停機事故。本課題探討影響一次調(diào)頻準(zhǔn)確快速和穩(wěn)定的因素及如何合理設(shè)置一次調(diào)頻參數(shù)、

25、控制邏輯，使其既能滿足電網(wǎng)頻率快速響應(yīng)要求，又能兼顧機組安全穩(wěn)定性要求,并為解決目前國內(nèi)火電機組一次調(diào)頻存在的問題提供一定借鑒。1.3.2 研究內(nèi)容本課題選擇某廠600MW火力發(fā)電機組一次調(diào)頻系統(tǒng)為研究對象，介紹了發(fā)電機組一次調(diào)頻系統(tǒng)及相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)，結(jié)合一次調(diào)頻系統(tǒng)中所遇到的一些比較實際的問題，研究并分析當(dāng)前在電力系統(tǒng)中的一次調(diào)頻過程所存在的一些問題以及由于這些問題所產(chǎn)生的一些影響因素，進而制定出一定的解決方案，在此基礎(chǔ)上對一次調(diào)頻控制邏輯及參數(shù)設(shè)置進行一系列優(yōu)化改進。參考理論與工程的實際情況,將完成以下工作：（1） 研究火力發(fā)電機組一次調(diào)頻控制系統(tǒng)的背景、發(fā)展現(xiàn)狀。（2）分析火力發(fā)電機

26、組一次調(diào)頻控制系統(tǒng)基本原理、常用的控制方法，分析影響一次調(diào)頻準(zhǔn)確快速和穩(wěn)定的因素。 (3)對實際火力發(fā)電機組一次調(diào)頻控制系統(tǒng)組成以及相關(guān)組成中傳感器進行描述和分析。 (4)對比國內(nèi)外各種主流一次調(diào)頻方案，綜合分析優(yōu)缺點。 (5)針對某廠600MW機組一次調(diào)頻存在的問題，進行優(yōu)化設(shè)計。 (6)一次調(diào)頻系統(tǒng)調(diào)試，對比一次調(diào)頻方案優(yōu)化前后系統(tǒng)控制情況，分析結(jié)果，得出結(jié)論。課題首先，廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料和成果，深入了解火力發(fā)電機組一次調(diào)頻控制系統(tǒng)及方法。其次，認真對實際一次調(diào)頻過程進行觀察和分析，積累相關(guān)工程經(jīng)驗。最后，通過對實際的一次調(diào)頻系統(tǒng)進行分析，探討系統(tǒng)影響因素、方案對比、參數(shù)優(yōu)化和對比

27、分析，最終得出結(jié)論。1.4 本章小結(jié)本章主要介紹了火力發(fā)電機組一次調(diào)頻控制的背景、國內(nèi)外的發(fā)展情況以及本文的研究目的和主要研究內(nèi)容。 2 火力發(fā)電機組一次調(diào)頻原理在火力發(fā)電系統(tǒng)中，針對火力發(fā)電系統(tǒng)本身采用的一次調(diào)頻特性能夠?qū)ζ啺l(fā)電機組的并網(wǎng)運行產(chǎn)生一定的影響，并能夠在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化之后，將發(fā)電機組本身的功率進行自動地增加（電網(wǎng)頻率下降時）或減小(電網(wǎng)頻率升高時)，從而導(dǎo)致對電網(wǎng)的頻率變化。一次調(diào)頻功能是利用調(diào)節(jié)汽輪機調(diào)門開度，通過機組的蓄熱對電網(wǎng)頻率的變化實現(xiàn)快速響應(yīng)，目前大機組都是選擇的DEH控制系統(tǒng)來對汽輪機轉(zhuǎn)速和有功功率進行控制4在整個電力系統(tǒng)中，許多的電機組在實施并網(wǎng)運行時，需要要

28、求汽輪機的轉(zhuǎn)速和整個電網(wǎng)的頻率保持在同樣的頻率。如果系統(tǒng)的外界用電負荷產(chǎn)生一定的變化，整個電網(wǎng)的頻率也會隨之而變化，對于整個電網(wǎng)中并列運行所有機組也會自動的依據(jù)系統(tǒng)本身的靜態(tài)特性改變自身的負荷，進而改變系統(tǒng)的頻率。其主要是經(jīng)過運行人員對其功率進行設(shè)定5。因為汽輪發(fā)電機組通常是選的有差調(diào)節(jié)，所以，在一次調(diào)頻中，無法精確地維持電網(wǎng)頻度穩(wěn)定，只可以緩和電網(wǎng)系統(tǒng)頻度變化的程度。當(dāng)電網(wǎng)容量越大時，其中電網(wǎng)中并列運行的機組數(shù)量就會越多，且單機容量也會越大，電網(wǎng)的特性也會越平。當(dāng)電負荷變化時，分配到每一臺機組的負荷變動就會比較小，響應(yīng)的電網(wǎng)頻率變動就會比較小。所以，在整個的電力系統(tǒng)中很多的電網(wǎng)容量也變的越來

29、越大。由于在電力系統(tǒng)中，很多的并列運行機組擁有比較小的不均勻度，而其頻率的改變也在不斷的發(fā)生變化。反之，如果整個電網(wǎng)越小，其內(nèi)部的并列運行機組的不均勻度就會變得越大，就會導(dǎo)致電網(wǎng)中的頻率波動的可能性就越大5。 一次調(diào)頻主要有以下三個方面的特點：(1)汽輪的發(fā)電機組在進行并網(wǎng)運行過程中，能夠自動參與一次調(diào)頻；(2)一次調(diào)頻主要是一種有差調(diào)節(jié)，其本身無法將頻率拉回到其應(yīng)有的原值，只是能夠在很小的范圍內(nèi)降低頻率的變化； （3）一次調(diào)頻是暫態(tài)的，也就是說在整個電網(wǎng)的負載發(fā)生變化后，其自身的二次調(diào)頻還無法保證電網(wǎng)內(nèi)部的有功功率的平衡，并且只能夠?qū)ζ溥M行一次調(diào)頻，以確保頻率變化對電網(wǎng)的危害降到最低，當(dāng)在進

30、行二次調(diào)頻之后，其內(nèi)部的頻度恢復(fù)正常，此時的一次調(diào)頻作用也將會被取消6。2.1 電網(wǎng)中負荷的功率頻率特性 電力系統(tǒng)的負荷功率PL跟隨隨電網(wǎng)系統(tǒng)頻率改變,即 PL= F(f) （2.1） 理論上稱有功負荷會按照頻率改變的特性為負荷的功率頻率特性，是負荷的靜態(tài)頻率特性，也將其稱為負荷的調(diào)節(jié)效應(yīng)。負荷的功率頻率特性曲線如下： (2.2)上式中：為電網(wǎng)的額定頻率 為整個電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率為f時的有功負荷 為電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率為額定值時的有功負荷 為上述的各類負荷占的比例系數(shù) 將上式除以，則得表示形式，即由此，可得電網(wǎng)頻率-負荷曲線，如圖2.1所示 圖2.1電網(wǎng)頻率負荷曲線 Fig. 2.1 power gri

31、d frequency load curve2.2 發(fā)電機組的功率頻率特性 發(fā)電機組轉(zhuǎn)速的調(diào)整是由汽輪機的DEH系統(tǒng)來實現(xiàn)的。其控制原理如圖2.2所示。 圖2.2 DEH控制回路原理Fig. 2.2 principle of DEH control circuit發(fā)電機組的頻率調(diào)差系數(shù) （2.3） 負號表示發(fā)電機輸出功率的變化和頻率的變化符號相反。調(diào)差系數(shù)R的標(biāo)幺值表示為 （2.4） 式（2.3）又稱為發(fā)電機組的靜態(tài)調(diào)節(jié)方程。由此可得發(fā)電機組功率頻率特性曲線如圖2.3所示。 圖2.3 發(fā)電機組功率頻率特性曲線Fig. 2.3 power frequency characteristic cur

32、ve of generating set2.3 一次調(diào)頻特性曲線 對于電網(wǎng)中的一次調(diào)頻特性，是指汽輪發(fā)電機組在并網(wǎng)運行過程中所體現(xiàn)出來的特性，火力發(fā)電系統(tǒng)采用的一次調(diào)頻特性能夠?qū)ζ啺l(fā)電機組的并網(wǎng)運行的產(chǎn)生一定的影響，并能夠在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化之后，將發(fā)電機組本身的功率進行自動地增加（電網(wǎng)頻率下降時）或減小(電網(wǎng)頻率升高時)，進一步對電網(wǎng)的頻率變化產(chǎn)生一定的影響。傳統(tǒng)意義上的一次調(diào)頻特性定義為靜態(tài)時的汽輪機和汽輪機轉(zhuǎn)速之間的所具有的關(guān)系曲線，又被稱為汽輪機控制系統(tǒng)靜態(tài)特性，如圖2.4所示。實際的靜態(tài)特性曲線因為系統(tǒng)中各組成部分所存在遲緩率，通?？煞譃樯闲泻拖滦袃蓷l非線性的曲線。如果在電網(wǎng)的周波在

33、整個的機組靜態(tài)特性的一些不靈敏的區(qū)域內(nèi)發(fā)生變化，對于機組產(chǎn)生的變化也是隨機的。機組內(nèi)部調(diào)速系統(tǒng)的不等率也表示其整體在運行的過程中一次調(diào)頻的特性，在一定的范圍內(nèi)反映發(fā)電機組的汽輪機功率變化和整個電網(wǎng)周波之間所存在的一定的靜態(tài)關(guān)系7。 圖 2.4 一次調(diào)頻特性曲線 Fig. 2.4 characteristic curve of primary frequency modulation 在圖2.4中，PT 為汽輪機頻率-功率特性線，PG為電網(wǎng)負荷-頻率特性線。交叉運行點a為系統(tǒng)平衡運行點。假設(shè)系統(tǒng)中的負載增加P，則電網(wǎng)負荷-頻率特性變?yōu)镻G1。 （1）當(dāng)所有機組均不參與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)時，在電網(wǎng)中發(fā)電

34、機組本的輸入功率需要有一個恒定值PT，并且要求其值與PL相等，此時電力系統(tǒng)的頻率就會下降，電力系統(tǒng)中負載的有功功率也會逐漸的減小。依靠負荷調(diào)節(jié)效應(yīng)(有功隨頻率變化的關(guān)系)，達到新的平衡，運行點移到b 點，頻率穩(wěn)定值為f3，負載消耗的有功功率仍然為原來的PL 值，此時，頻率偏差值f 決定于PL 值的大小，一般很大7。 （2）當(dāng)原動機參與調(diào)節(jié)時，負載增加，頻率下降，調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作，增加電力系統(tǒng)中各內(nèi)部機組PT。當(dāng)其值穩(wěn)定以后，此時的系統(tǒng)就會維持在c 點運行，這時的電網(wǎng)的頻率值就為f2 ，要求系統(tǒng)的負載所選擇的功率為PL2，當(dāng)其值小于設(shè)定的額定頻率時所需的功率為PL1，頻率偏差f 比調(diào)節(jié)系統(tǒng)不工作時要

35、小得多，調(diào)速器的這種調(diào)節(jié)作用就是一次調(diào)頻7。 （3）要使其所選擇的頻率處于額定值，則需要移動原動機的頻率特性，改變機組的負荷指令，使c 點移動到d 點， 使得f0 ，這種調(diào)節(jié)稱為二次調(diào)頻?？捎蓹C組運行人員控制，也可以是AGC 的控制7。2.4 一次調(diào)頻基本指標(biāo)2.4.1 轉(zhuǎn)速不等率轉(zhuǎn)速不等率主要是指機組在整個的控制系統(tǒng)中按照其給定值變，整個發(fā)電機組的功率都會從由0直至額定值本身所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量（n）與其自身的額定轉(zhuǎn)速（n0）的比值，采用百分數(shù)的形式進行表示。 （2.5） 對于整個的發(fā)電機組而言，汽輪機的調(diào)速系統(tǒng)的一些靜態(tài)特性曲線需要按照一定的理論條件進行推導(dǎo)，調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性曲線是負荷和轉(zhuǎn)

36、速之間存在成反比的曲線，其整體的斜率需要按照其轉(zhuǎn)速不等率進行推算。是電力系統(tǒng)中的一次調(diào)頻系統(tǒng)的重要指標(biāo)，其主要的反映出了電力系統(tǒng)一次調(diào)頻能力的大小，值越小機組的一次調(diào)頻能力就會越強，但是對于整個機組的穩(wěn)定性就會越差；相反，越大機組的一次調(diào)頻能力就會越弱，進而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得越強。依據(jù)這一調(diào)頻管理方案要求，在電力系統(tǒng)中，火電機組的轉(zhuǎn)速不等率需要選擇4%5%。在火電發(fā)電機組中的一次調(diào)頻折算函數(shù)中，選擇的需要根據(jù)其自身存在的函數(shù)，當(dāng)超出死區(qū)之后，需要按照所得的直線斜率進行計算。 在電力系統(tǒng)中對于其內(nèi)部的基本負荷的機組，選擇的其不等率比較大，當(dāng)減小電網(wǎng)周波產(chǎn)生的變化時，其本身也會產(chǎn)生一定的擾動，由

37、于發(fā)電機組本身的作用，當(dāng)在安全工況下進行運行時；需要承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻得負荷的機組，其本身的不等率要求小一點，在整個電網(wǎng)內(nèi)部其主要的周波變化后，能夠多分擔(dān)一些其變動負荷8。功率補償量對于機組的功率補償量，需要對機組進行一次調(diào)頻實施功率補償量(P)：其主要是針對機組的轉(zhuǎn)速不等率以及機組的電網(wǎng)頻率偏差（可轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速偏差n）進行計算的，公式如下： (2.6)式(2.5)中 為機組的額定轉(zhuǎn)速， 為額定功率。如：當(dāng)機組的額定容量為時、其自身的轉(zhuǎn)速不等率為機組的5%，如果其轉(zhuǎn)速偏差為n=-6轉(zhuǎn)（電網(wǎng)頻率偏差為f=-0.10HZ），計算這一機組的一次調(diào)頻功率補償量P，具體如公式2.7所示： (2.7)2.4.3

38、遲緩率所謂的機組的遲緩率主要是指因為調(diào)速器、機組的傳動部分的放大機構(gòu)以及機組本身所配備的機構(gòu)部件之間存在磨擦和空隙等問題，導(dǎo)致輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間存在一定的遲緩現(xiàn)象，這種遲緩作用是，將機組控制系統(tǒng)設(shè)置在一定的范圍n之內(nèi)，確保整個的發(fā)電機組自身的功率是不變的。機組本身的遲緩率所用到的主要的公式如下： =(n/ )*100% (2.8) 在上式(2.8)中：為機組的額定轉(zhuǎn)速。調(diào)頻死區(qū) 發(fā)電機組一次調(diào)頻死區(qū)，是指機組的控制系統(tǒng)在其額定轉(zhuǎn)速附近對轉(zhuǎn)速的不靈敏區(qū)，為了更好的確保整個電網(wǎng)的頻率變化保持在一定的可控范圍，需一般在一次調(diào)頻系統(tǒng)設(shè)置有相應(yīng)的調(diào)頻死區(qū)。2.4.5 響應(yīng)滯后時間 在整個電網(wǎng)中所具有

39、的電網(wǎng)頻率與整個電網(wǎng)本身的作用處于一個比較穩(wěn)定的值，在一定的時間范圍之內(nèi)系統(tǒng)進行一次調(diào)頻負荷響應(yīng)所滯后的時間，該時間應(yīng)小于3s。2.4.6 穩(wěn)定時間機組在一次調(diào)頻過程中，當(dāng)整個電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定后，整個機組的負荷就會達到穩(wěn)定時所需時間，其中主要是一次調(diào)頻穩(wěn)定時間，其值要小于1分鐘，當(dāng)主要的機組協(xié)調(diào)系統(tǒng)進行自動發(fā)電（AGC）運行時，此時的穩(wěn)定時間需要剔除其引起負荷指令變化的一些主要原因。2.5 一次調(diào)頻技術(shù)要求 在火力發(fā)電過程中，針對一次調(diào)頻技術(shù)要求，所選擇的一些主要的技術(shù)指標(biāo)主要有：死區(qū)、機組速度變動率、機組的功率補償量以及其整體的響應(yīng)時間等。依照2006華中電網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻技術(shù)管理規(guī)定(試行

40、)中所規(guī)定的，300 Mw的機組一次調(diào)頻技術(shù)的具體的指標(biāo)如下： (1)設(shè)置其死區(qū)控制需要維持在0033 Hz(2 rmin)以內(nèi)。 (2)機組速度變動率要設(shè)置為5%。 (3)功率補償量要設(shè)置為機組額定負荷的8% ，即設(shè)置的最大負荷調(diào)整限幅為24 Mw； (4)調(diào)速系統(tǒng)的遲緩率值，設(shè)置時需要小于006 。（5）對于一次調(diào)頻負荷響應(yīng)，需要滯后時間應(yīng)小于4 S。（6）一次調(diào)頻的負荷調(diào)整幅度需要設(shè)置在15 S范圍之內(nèi)，并且達到理論計算最大值的90 。（7） 在電網(wǎng)頻率變化超出一次調(diào)頻死區(qū)時的45 S內(nèi)，此時設(shè)置的機組實際功率與機組所對應(yīng)的響應(yīng)目標(biāo)值偏差平均值需要設(shè)置在理論計算值的5% 內(nèi)。2.6 本章

41、小結(jié) 本章通過介紹電網(wǎng)頻率-負荷特性曲線、發(fā)電機組功率頻率特性曲線及由以上兩種特性曲線構(gòu)成的單元機組一次調(diào)頻特性曲線，闡述了火力發(fā)電機組一次調(diào)頻原理，在此基礎(chǔ)上，給出了并網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)及要求，主要有六點，分別是：功率補償量、速度變動率、一次調(diào)頻負荷相應(yīng)滯后時間、遲緩率、穩(wěn)定時間、調(diào)頻死區(qū)。 3 火力發(fā)電廠一次調(diào)頻系統(tǒng)組成3.1 一次調(diào)頻系統(tǒng)簡介 圖3.1為某火力發(fā)電廠一次調(diào)頻系統(tǒng)總體框圖： 圖3.1為某火力發(fā)電廠一次調(diào)頻系統(tǒng)總體框圖 Fig. 3.1 diagram of primary frequency modulation system for a thermal power

42、 plant 該控制系統(tǒng)由信號采集、邏輯控制、執(zhí)行系統(tǒng)等三個部分組成，其中信號采集環(huán)節(jié)包括電網(wǎng)頻率、頻差信號采集；邏輯控制包括頻差函數(shù)、折算函數(shù)、幅度限制、DEH側(cè)一次調(diào)頻邏輯、DCS側(cè)一次調(diào)頻邏輯、PID控制器等主要部分。執(zhí)行系統(tǒng)包括VP卡、電液伺服閥、油動機、LVDT（線性位移傳感器）、EH油（高壓抗燃油）系統(tǒng)。3.2 信號采集環(huán)節(jié) 在對電力系統(tǒng)進行信號采集的過程中，機組的一次調(diào)頻控制過程，通常是使用汽輪機中數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）中所安裝的轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)速卡采集進行機組的轉(zhuǎn)速信號采集之后將采集到的信息通過DCS的“發(fā)電機出口主變出口、出口母線頻率”發(fā)送信號。在控制系統(tǒng)中，如果整個汽輪機的轉(zhuǎn)

43、速及網(wǎng)頻信號測量到的精度之間存在一定的范圍，就會導(dǎo)致整體的信號精度處于0.2RPM以上12。3.3 邏輯控制環(huán)節(jié)3.3.1 DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)側(cè)一次調(diào)頻功能實現(xiàn)方式在機組的一次調(diào)頻過程中，選擇的DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)側(cè)的一次調(diào)頻功能組成為：汽機轉(zhuǎn)速信號與電網(wǎng)頻率信號比較，算出頻差信號，經(jīng)一折算函數(shù)，得到一次調(diào)頻負荷與實際負荷LDC指令輸出相加，從而實現(xiàn)DCS側(cè)一次調(diào)頻。3.3.2 DEH側(cè)一次調(diào)頻功能實現(xiàn)方式 在機組的一次調(diào)頻過程中，選擇的DEH系統(tǒng)的一次調(diào)頻的功能是比較強的，其本身對于速率沒有要求，整個的DEH系統(tǒng)一次調(diào)頻所需要的負荷會對機組的汽輪機調(diào)門產(chǎn)生一定的作用，當(dāng)機組進行一次調(diào)頻時，不產(chǎn)

44、生動作，調(diào)頻負荷為0，當(dāng)轉(zhuǎn)速在死區(qū)范圍以外時，一次調(diào)頻負荷按不等率隨轉(zhuǎn)速變化而變化。一次調(diào)頻函數(shù)發(fā)生器F（X）參數(shù)設(shè)置在研究火電廠的機組控制過程中，選擇某廠中所具備的4300MW機組中的DEH系統(tǒng)進行分析，主要是研究其高壓純電調(diào)方式。需要按照要求四川電網(wǎng)發(fā)電機組和一次調(diào)頻運行管理規(guī)定中的規(guī)定對整個電路進行函數(shù)發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置，“電液型汽輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的火電機組死區(qū)控制需要設(shè)置在2RPM，其最大高速系統(tǒng)所需的速度變動率：速度變動率為4% 5%之間。根據(jù)機組實際狀態(tài)，發(fā)電機組的速度的變動率均需要設(shè)置為5%12。在當(dāng)前，四川電網(wǎng)發(fā)電機組和次調(diào)頻運行管理規(guī)定中所規(guī)定的機組的一次調(diào)頻負荷限幅是“火電

45、機組限制幅度不小于機組額定負荷的8%，也就是24MW?！币陨纤鱿到y(tǒng)中的負荷控制范圍能夠順利的實現(xiàn)，按照以上要求對DCS側(cè)一次調(diào)頻功能函數(shù)F（X）調(diào)整參數(shù)如下表3.1。一次調(diào)頻功能函數(shù)參數(shù) 表3.1轉(zhuǎn)速（rpm）頻率（Hz）理論負荷修正298649.7666724298749.7833322298849.820298949.4166718299049.8333316299149.8514299249.8666712299349.8833310299449.98299549.916676299649.933334299749.952300350.05-2300450.06667-4300550.

46、83333-6300650.1-8300750.11667-10300850.13333-12300950.15-14301050.166667-16301150.18333-18301250.2-20301350.21667-22301450.23333-24其負荷變化率曲線如圖3.2所示。MW24MW49.77Hz2986rpm49.97Hz2998rpm3014rpm50.23HZ3002rpm50.03HZ-24MW 圖3.2 轉(zhuǎn)速/負荷變化關(guān)系曲線 Fig. 3.2 curve of speed / load3.3.4 PID控制器在工程實際中，比例、積分、微分控制是目前應(yīng)用最為廣泛

47、的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，即PID控制。PID控制器產(chǎn)生于70多年前。隨著自動化設(shè)備的不斷發(fā)展，采用比例、積分以及微分控制已經(jīng)越來越受到人們的歡迎，在當(dāng)前很多的電氣控制過程中都采用這一控制方式，PID控制器的應(yīng)用也變得越來越廣泛，其主要的作用就是被用作調(diào)節(jié)器，即PID控制，其本特點是結(jié)構(gòu)簡單，運行情況穩(wěn)定，工作性能可靠等，在對整個電路進行控制的過程中其主要的功能已經(jīng)應(yīng)用到了工業(yè)控制領(lǐng)域。對于任何人而言如果不了解一個自動控制系統(tǒng)及被控對象并且無法獲得關(guān)于該系統(tǒng)的一些最為主要的測試方式及整個系統(tǒng)的參數(shù)時，就需要選用PID控制技術(shù)。PID控制器的主要作用就是能夠依照系統(tǒng)中的參數(shù)之間的運算誤差，自動的進行比例

48、、積分以及微分計算，進而進一步得到系統(tǒng)中被控量 9。（1）比例（P）控制在自動控制系統(tǒng)中，比例控制是一種最簡單的控制方式，這種控制方式要求控制器的輸出與輸入的信號之間具有比例關(guān)系。當(dāng)只有比例控制時，此時的系統(tǒng)輸出就會有一定的穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。（2）積分（I）控制 在自動控制系統(tǒng)的積分I控制中，控制器本身的輸出與輸入誤差信號之間具有正比例關(guān)系。進入穩(wěn)態(tài)后會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，這個控制系統(tǒng)就會存在穩(wěn)態(tài)誤差，其簡稱為有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了降低穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中需要有“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積

49、分項本身也會變大。如此，即使是誤差非常小，控制器的積分項也會依照時間增加逐漸變大，它推動控制器之間的輸出增大使得穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小到0。所以，實現(xiàn)比例+積分(PI)控制器控制，能夠去除控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)后不會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差10。（3）微分（D）控制在自動控制系統(tǒng)中的微分控制過程中，系統(tǒng)的控制器內(nèi)部的輸出和輸入誤差信號之間進行的微分計算。能夠使得自動控制系統(tǒng)在一定的范圍之內(nèi)對系統(tǒng)的現(xiàn)振蕩信號進行調(diào)節(jié)，防止在運行過程出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。其主要的工作原理是通過較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或者是有滯后(delay)組件，對誤差就具有一定的抑制作用，這種變化總是落后于誤差本身的變化。解決方式是使抑制誤差作用的變化“超前”，

50、也就是讓誤差幾乎等于零時，抑制誤差的作用應(yīng)該也是零。在控制器中需要增加的是“微分項”，它的作用是對誤差變化趨勢驚喜預(yù)測，確保它可以提前使抑制誤差的控制作用為零，或者是負值，從而降低被控量的嚴重超調(diào)發(fā)生的概率。自動控制系統(tǒng)的變化使得系統(tǒng)總是落后于誤差自身所產(chǎn)生的變化。因此，對于有較大慣性或滯后的被控對象，采用比例+微分(PD)控制器能在很大程度上改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中所體現(xiàn)的動態(tài)特性11。（4)PID控制器的參數(shù)整定 在進行PID控制器的參數(shù)整定過程中，選擇的控制器的控制系統(tǒng)的調(diào)試是一項非常重要的內(nèi)容。主要是依據(jù)系統(tǒng)控制的特點，確定整個控制器的比例系數(shù)，控制器自身的積分時間以及其內(nèi)部的微分時間。在

51、PID控制器參數(shù)整定的過程中，一般要選取臨界比例法進行控制。采用比例控制器參數(shù)整定的步驟主要有三點，分別是：（1）首先要先選定一個比較短的采樣周期，使其確定整個系統(tǒng)的正常工作；（2）通過比例控制部分一直到其輸入階躍響應(yīng)的臨界振蕩；（3）當(dāng)選擇的控制器的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時需通過計算公式計算出其主要的性能參數(shù)。目前，很多的火力發(fā)電廠使用最多的是DCSPLC系統(tǒng)，該系統(tǒng)本身攜帶了多種PID控制器，且具有很強的工作性能，其使用方法也是非常的方便12。3.4 執(zhí)行系統(tǒng)環(huán)節(jié)3.4.1 VP卡 伺服卡是為全電調(diào)控制系統(tǒng)DEH配套而專門設(shè)計的，該卡采用了單片機和高性能的可編程邏輯陣列CPLD構(gòu)成控制核心。

52、伺服卡的工作原理是通過采集LVDT的測量值與控制系統(tǒng)發(fā)出的給定值構(gòu)成比較環(huán)節(jié)，然后通過PI運算，最終輸出調(diào)節(jié)電流控制調(diào)節(jié)閥門的運動，使閥門的開度到達給定期望到達的位置電液伺服閥 轉(zhuǎn)換器、液壓放大器和反饋裝置組成了電液伺服閥。具體組成情況如圖3.8所示。電動液壓伺服閥又名電液伺服閥,其在工作過程中會按照接收的模擬信號進行相應(yīng)的指令控制，從而使電磁閥控制輸出相應(yīng)的流量及壓力。電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)中最重要的控制元件之一，它的工作性能的好壞，直接影響到整個控制系統(tǒng)的控制精度及速度。電液伺服閥一旦出現(xiàn)問題也會對整個操作系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，更甚者會對操作系統(tǒng)本身的可靠性和壽命產(chǎn)生一定的影響13。 圖3

53、.3電液伺服閥的組成 Fig.3.3 The composition of elector-hydraulic servo valve 電液伺服閥通過控制流體壓力與流量從而控制汽輪機高中壓調(diào)門開度實現(xiàn)對發(fā)電機組功率調(diào)節(jié)。 本課題中，某廠使用的電液伺服閥為美國MOOG電液伺服閥,具體工作原理如下： (1)在沒有控制信號輸入的情況下，伺服閥力矩馬達的銜鐵處于平衡位置，擋板停在兩噴嘴中間。液體壓力油自油口流入，經(jīng)油濾后分四路流出。其中兩路流經(jīng)左、右固定節(jié)流孔，到閥芯左、右兩端，再經(jīng)左、右噴嘴噴出，匯集在流溢腔內(nèi)，然后經(jīng)回油節(jié)流孔從回油口流出。另外兩路高壓油分別流到閥套上被閥芯左、右兩凸肩蓋住的窗口處，而不能流入負載油路(與作動筒相通的油路)13。 (2)當(dāng)有控制信號輸入時，力矩馬達銜鐵帶動擋板組件偏轉(zhuǎn)一個角度，致使閥芯偏離中間位置(如向右移動)。結(jié)果閥芯的右凸肩將窗孔打開，使高壓油與作動筒進油管路接通，閥芯的中間凸肩左端將回油窗口打開，使之與作動筒的回油接通，這樣，伺服閥就可控制作動筒運動13。 (3)控制信號改變極性，則伺服閥控制的負載油路的高壓油路和回油路對換，使作動筒運行改變方向。3.4.3 線性位移傳感器(LVDT） LinearityVariableDiffer