摘要：对于燃气-蒸汽联合循环机组来说，有其特殊的协调控制模式，为了提升整套联合循环机组的效率，蒸汽轮机采用滑压运行的方式，不具备一次调频功能，所以燃气轮机需要承担更多的调频任务。通过分析，确定目前机组的调频能力与电网要求的差距，并设计了几项用于提升机组调频能力的软件优化方案。
关键词：联合循环；一次调频；速度变动率；燃烧调整
一、并网机组一次调频功能的要求
众所周知，电网中的电能是不能进行储存的，需要实时调整供应侧与负荷侧的平衡，否则可能会引起电网周波的波动，电能质量不佳可能会引起用户设备的损坏，甚至造成诸如2003年美国东北部大停电、2006年欧洲大停电等恶性的电网事故。
对于网频平衡的调节，一次调频是最基本也是最有效的方式，能够根据网频的实时波动情况，使每台并网机组均进行贡献，向网频波动相反的方向增加或减少机组出力，起到平衡电网周波的作用，以华北电网为例，要求所有并网机组均具备一次调频功能，且不能退出，同时还对一次调频的限幅、动作死区、增益、稳定时间、贡献电量等指标进行了明确的要求。
目前我国对于火电燃煤机组一次调频功能的研究已趋于成熟，但是对于燃气轮机组的一次调频的研究开展的还比较浅，主要原因是，燃气轮机均为外国进口产品，在国外通常用于单机运行快速调峰，所以单独的一次调频参数设置能够满足相关要求，但是在国内，通过联合循环的方式，引入了蒸汽轮机，这在无形中增加了整套机组的负荷总量，相当于单台燃气轮机需要承担更多的调频任务。
二、联合循环机组一次调频现状
华北电网区域内的联合循环机组普遍由三大主机厂的燃气轮机垄断，燃气轮机与国内主机厂合作生产的蒸汽轮机配合组成联合循环机组。一次调频功能是一项电网与电厂相互博弈的功能，对于电网来说，希望所有并网机组都能够在网频发生波动时做出贡献，向着反方向进行调节，这样有利于电网的稳定，有助于电能质量的提升。但对于并网机组来说，希望参与到一次调频的量越少越好，过度频繁的波动，会造成燃气调节阀、锅炉受热面、汽机叶片等部件的老化加速，所以有些电厂会限制一次调频的动作幅度与动作速率，甚至通过逻辑造假的方式退出一次调频功能。
电网意识到各并网机组的一次调频贡献度均不大后，引入了“两个细则”考核，将一次调频作为其中的一项考核指标，即在全月的考核点上，进行机组一次调频动作情况的统计，如果全月的动作正确率高于80%，不予考核，如果低于80%，将接受考核，且考核量随着动作正确率的降低而升高。这项指标下发后，并网的各个机组的一次调频功能的投入率得到了较大的提升，但是一次调频的贡献量仍然不大。
三、蒸汽-燃气联合循环机组一次调频实际性能与指标对比
通过对华北电网关于一次调频功能的性能指标要求的解读，以某电厂一拖一机组为例，对该套机组的一次调频指标进行了对比，寻找差距，作为逻辑及控制方式的优化的方向。详见下表2-1。
表1 某厂一拖一机组实际一次调频性能与指标对比
GE-9FB级重型燃气轮机一次调频功能优化
跟随GE机组的出厂设置，具备一次调频功能，简称PFR，这个功能包含了在预选负荷、外部负荷的功控模式下，当网频超过预设置的死区后，通过改变转速基准，来提升或降低负荷。
燃气轮机改变负荷是通过改变燃料量来实现的。当速度探头检测到偏差时,说明网频距离中心频率50Hz存在了偏差，当这个偏差大于动作死区后，一次调频功能动作。燃料基准的计算公式详见（3-1）、（3-2）
FSR=FSRN= FSKNG * (TN_ERR) （3-1）
TN_ERR=TNRL–TNH = (TNR+DWATT*DWKDG) （3-2）
其中FSKNG=10, DWKDG=0.013277656, TNH为实际转速的百分数, DWATT是实际的负荷(MW), TN_ERR的转速死区TNKEDB=TNKEDBWF=0, 所以通过当前的逻辑设置，一次调频没有死区。
该设置具有系统稳定、参数可调的特点，其中用于指示机组响应速度的量，使用TNR来表示。
四、对一次调频逻辑进行优化-增加转速不等率可调节的功能
机组当前的转速不等率设置为4%，为了满足电网要求，需要通过逻辑的设置，使转速不等率实现在机组正常运行的过程中可以在线调整，在调整的过程中，应保证机组的正常燃烧功能稳定，且需要设置安全区，当电网存在较大波动时，转速不等率恢复到安全范围内，不要因为过度的贡献导致燃烧不稳定，甚至熄火。
4.1基于上述理念，对一次调频的逻辑功能进行修改
图1 典型的重型燃气轮机一次调频设置
原一次调频逻辑中的转速不等率使用常数量表示，对应的常数为DWKDG=0.013277656，该常数的计算是根据机组的额定负荷与目标转速不等率计算得到的，如某电厂一拖一机组的燃气轮机额定负荷为301.258MW，若以4%为目标转速不等率，则DWKDG的计算应满足公式（3-3）。
DWKDG=Droop/Pe=4%/301.258MW=0.013277656%/MW（3-3）
如果不进行逻辑修改，以满足电网要求进行反推，一拖一整套机组的额定负荷为301.258MW+157.5MW=458.758MW，如果按照下限要求5%计算，需要DWKDG的设置满足公式（3-4）
DWKDG=Droop/Pe=5%/458.758MW=0.0101089899%/MW（3-3）
设置了投退开关L43VDROOP_EN,当禁用该功能时，转速不等率=KDROOP4=4%，当投入该功能后，转速不等率=VDROOP_N，通过理论计算的目标值为3.25%。该数值可以在线无扰进行调整，且在逻辑中进行了幅度限制，当网频高于TNKNL6或低于TNKNL7时，转速不等率恢复到KNLDROOP_L或KNLDROOP_H。经过对华北电网近年来极端运行情况的数据查询，并对机组的整体稳定性能进行考量，初步确定以下参数设置。
VDROOP_N=3.25%
TNKNL6=100.4%
TNKNL7=99.6%
KNLDROOP_H=4%
KNLDROOP_L=4%
图2 未设计反向功率闭锁功能的负荷响应 图3 设计反向功率闭锁功能的负荷响应
4.2增加负荷调节的反向闭锁功能
对一次调频的性能指标要求进行分析后发现，在新的考核办法中，对于15秒贡献电量，30秒贡献电量，考核期内的积分电量均有严格的要求。在以往的一次调频逻辑中，仅关注动作的正确率，对动作后的性能情况不进行考核，在这种特定条件下，很多机组为了在保证一次调频动作准确率的前提下，降低贡献电量，通常未设置负荷调节的反向闭锁功能。
机组在正常运行中通常维持在预选负荷或AGC模式控制下，即通过给定的负荷值，控制机组的燃料量。该给定的负荷值即可通过操作员直接给定，也可以通过电网AGC曲线输出。假设机组维持在180MW的初负荷，由于电网波动，导致一次调频动作，机组需要下调5MW来稳定网频，对于未设计反向功率闭锁功能的曲线详见图2，设计了反向功率闭锁功能的动作曲线详见图3。
从曲线中可以明显看出，两种设计之间存在的性能差异，当网频波动后，两种方式都能够快速的进行响应，由于此时的有功负荷指令还维持在原始值，若未设计反向功率闭锁功能，机组的实际负荷会出现回调的现象，即原始负荷为180MW，当网频波动+4rpm时，负荷应相应的降低到175MW并保持，但是由于此时的负荷设定值仍然在180MW，所以会将机组的实际负荷向着180MW的方向进行回调，极大的影响一次调频效果。
根据上述逻辑中的问题，设计了功率反向闭锁的逻辑，以更好的适应电网对于一次调频指标的要求。
论文作者:王旭
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：机组论文; 负荷论文; 电网论文; 功能论文; 燃气轮机论文; 转速论文; 逻辑论文; 《电力设备》2018年第24期论文;