摘要：結(jié)合國內(nèi)火力發(fā)電工程飛速發(fā)展的現(xiàn)狀，說明了火力發(fā)電機(jī)組調(diào)頻應(yīng)用技術(shù)功能，提出機(jī)組調(diào)頻、電網(wǎng)調(diào)頻、頻率異常的控制功能分類，分析大容量直流鍋爐的調(diào)頻控制方式，供火力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)參考。
一、概述
火力發(fā)電機(jī)組調(diào)頻功能是指電網(wǎng)發(fā)電有功功率與供電負(fù)荷不平衡時(shí)，人工或自動(dòng)的通過發(fā)電機(jī)組功率控制系統(tǒng)，根據(jù)電網(wǎng)頻率變化的偏差（△f）*、限速率的調(diào)節(jié)增、減發(fā)電機(jī)組有功出力，維持電網(wǎng)供電頻率的穩(wěn)定。
二、調(diào)頻功能
火力發(fā)電機(jī)組鍋爐、汽機(jī)是慣性較大的熱動(dòng)力設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性控制的特征是鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)的能量平衡。其負(fù)荷的調(diào)節(jié)量及速度主要受限于鍋爐負(fù)荷的可調(diào)速度及范圍，可調(diào)速度通常為機(jī)組額定負(fù)荷的3%～5%ecr/min?；鹆Πl(fā)電機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)按調(diào)頻負(fù)荷目標(biāo)值的控制方式及控制過程不同而稱為機(jī)組調(diào)頻（一次）和電網(wǎng)調(diào)頻（二次）控制功能。
火力發(fā)電機(jī)組調(diào)頻控制功能（一次調(diào)頻）是指機(jī)組汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)無人工干預(yù)，自動(dòng)參與電網(wǎng)頻率變化控制功率的調(diào)節(jié)過程。頻率調(diào)節(jié)的靈敏度（死區(qū)）、功率調(diào)節(jié)的速度及幅度是預(yù)先設(shè)定的。根據(jù)電網(wǎng)頻率變化自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷或汽機(jī)進(jìn)汽量，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的調(diào)頻控制。機(jī)組輸出功率調(diào)節(jié)與電網(wǎng)負(fù)荷變化的方向相反，維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。因其根據(jù)頻差（△f）自動(dòng)生成指令的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)過程而稱為機(jī)組一次頻率調(diào)節(jié)。從電網(wǎng)大系統(tǒng)來看，是電源點(diǎn)的頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)響應(yīng)，稱為機(jī)組調(diào)頻控制。
一次調(diào)頻負(fù)荷指令根據(jù)頻差（△f）產(chǎn)生，動(dòng)態(tài)的疊加在機(jī)組的給定負(fù)荷指令中。機(jī)組一次調(diào)頻功能、性能與機(jī)組汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)及其特性有關(guān)。與采用純液壓調(diào)速系統(tǒng)相比，機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)deh、高壓調(diào)節(jié)油系統(tǒng)eh后，使機(jī)組的一次調(diào)頻功能實(shí)現(xiàn)方式已有所不同，控制性能有所提高，其一次調(diào)頻控制功能技術(shù)特點(diǎn)：1）一次調(diào)頻控制功能在機(jī)組數(shù)字電液調(diào)速系統(tǒng)deh中實(shí)現(xiàn)，數(shù)字化，可在線切、投。為電網(wǎng)運(yùn)行頻率穩(wěn)定控制的實(shí)時(shí)調(diào)度方式提供了良好的基礎(chǔ)條件；2）一次調(diào)頻性能參數(shù)可在線、準(zhǔn)確的設(shè)定，為電網(wǎng)運(yùn)行頻率穩(wěn)定控制調(diào)度按頻率偏差△f分級(jí)方式提供了基本條件。死區(qū)的設(shè)置是為了避免機(jī)組輸出功率的頻繁調(diào)節(jié)抖動(dòng)，死區(qū)可設(shè)定為零。純液壓調(diào)速系統(tǒng)的死區(qū)zui小值則是固有的?？稍诰€設(shè)定機(jī)組一次調(diào)頻功能可投的負(fù)荷范圍、負(fù)苘調(diào)節(jié)范圍及速度。3）一次調(diào)頻性能參數(shù)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度的遠(yuǎn)程通訊設(shè)定（通過采用計(jì)算機(jī)通訊建立的agc通道）及一次調(diào)頻功能的遠(yuǎn)程通訊切、投，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)頻自動(dòng)化提供基礎(chǔ)條件。4）火力發(fā)電機(jī)組因鍋爐、汽機(jī)能量特性差異較大，平衡困難，調(diào)頻需保證鍋爐、汽機(jī)能量平衡，要對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性影響小，因而其一次調(diào)頻功率調(diào)節(jié)幅度、速度受限。國內(nèi)火力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量在電網(wǎng)中比例較大，因而火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行的頻率穩(wěn)定，提高電能質(zhì)量的作用是極其重要的。5）根據(jù)頻差（△f）的機(jī)組一次調(diào)頻控制是有差調(diào)節(jié)過程，需通過電網(wǎng)調(diào)頻控制（即二次調(diào)頻）消除頻差（△f）。
火力發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)調(diào)頻控制功能（二次調(diào)頻）是指機(jī)組在人工干預(yù)（電網(wǎng)調(diào)度/運(yùn)行人員）或自動(dòng)（電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)指令）改變機(jī)組的負(fù)荷給定值，參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的過程，即通常稱為電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制的agc功能。二次調(diào)頻功能通過電網(wǎng)調(diào)度的調(diào)頻負(fù)荷指令或日負(fù)荷曲線，調(diào)整發(fā)電機(jī)有功出力跟蹤電網(wǎng)供電負(fù)荷變化，以求電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)所有發(fā)電機(jī)組有功功率輸出總和與電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的所有用電設(shè)備消耗負(fù)荷相等，從而控制電網(wǎng)頻率在規(guī)定的范圍內(nèi)，保證供電的電能質(zhì)量。二次調(diào)頻agc負(fù)荷指令具有人工或?qū)崟r(shí)控制的雙重特征，而日負(fù)荷曲線則是負(fù)荷的預(yù)測(cè)控制。火力發(fā)電機(jī)組接受電網(wǎng)調(diào)度/運(yùn)行人員調(diào)頻負(fù)荷指令，通過機(jī)組功率自動(dòng)回路改變鍋爐或汽機(jī)的負(fù)荷給定值，調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷。因其調(diào)頻負(fù)荷指令來自電網(wǎng)/運(yùn)行人員而稱為機(jī)組二次頻率調(diào)節(jié)。從電網(wǎng)大系統(tǒng)來看，是電網(wǎng)供求負(fù)荷平衡的頻率開環(huán)或閉環(huán)調(diào)節(jié)過程，可稱為電網(wǎng)調(diào)頻控制。
目前，國內(nèi)機(jī)組二次調(diào)頻（agc）負(fù)荷指令大多是電網(wǎng)調(diào)度根據(jù)負(fù)荷平衡預(yù)測(cè)計(jì)算（在線實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的），確定或機(jī)組運(yùn)行人員根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度下達(dá)日負(fù)荷曲線確定。其調(diào)節(jié)過程是非全自動(dòng)閉環(huán)、實(shí)時(shí)完成的。當(dāng)然，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)通過電網(wǎng)頻率的實(shí)時(shí)采集及電網(wǎng)供、用電負(fù)荷平衡的實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算、分配電網(wǎng)調(diào)頻控制負(fù)荷量，實(shí)時(shí)自動(dòng)選定調(diào)頻機(jī)組（agc功能遠(yuǎn)程切、投），實(shí)現(xiàn)機(jī)組調(diào)頻負(fù)荷指令自動(dòng)實(shí)時(shí)生成，通訊下傳，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全自動(dòng)的、實(shí)時(shí)閉環(huán)的機(jī)組二次調(diào)頻功能控制。機(jī)組二次調(diào)頻控制（agc）功能可在線切投、設(shè)定負(fù)荷上下限值及升降速率。也可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度的遠(yuǎn)程通訊設(shè)定（agc通道）二次調(diào)頻性能參數(shù)及遠(yuǎn)程自動(dòng)切投，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度調(diào)頻運(yùn)行的全自動(dòng)化。
機(jī)組一次調(diào)頻和電網(wǎng)二次調(diào)頻控制的基本功能原理見附圖。
三、一次調(diào)頻功能控制應(yīng)用
技術(shù)參數(shù)（600mw機(jī)組典型值）：1）頻差死區(qū)：50hz±0.033hz（±2rpm）；2）調(diào)節(jié)比率：≤4mw/rpm；3）一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍：±4%額定負(fù)荷，負(fù)荷可調(diào)在±24mw范圍內(nèi)（額定負(fù)荷600mw）；4）一次調(diào)頻控制功能可投負(fù)荷范圍：50%～105%（300mw～630mw）。技術(shù)參數(shù)均可在線修改設(shè)定，參數(shù)設(shè)定值應(yīng)由電網(wǎng)調(diào)度下文確定或遠(yuǎn)程通訊設(shè)定。deh系統(tǒng)應(yīng)有調(diào)度設(shè)定數(shù)據(jù)的限幅處理功能。一次調(diào)頻控制負(fù)荷特性曲線：
一次調(diào)頻控制特性：電網(wǎng)頻率偏差△f在死區(qū)內(nèi)（±0.033hz），即機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差在2rpm以內(nèi)時(shí)，一次調(diào)頻負(fù)荷指令輸出為0，機(jī)組不參加調(diào)頻控制。電網(wǎng)頻率偏差超出死區(qū)范圍，機(jī)組根據(jù)△f進(jìn)行機(jī)組負(fù)荷調(diào)整，機(jī)組負(fù)荷以±24mw為上、下限調(diào)整范圍，即zui大調(diào)頻控制負(fù)荷量。電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移0.1hz（頻率偏差△f=0.067hz，機(jī)組轉(zhuǎn)速約4rpm）時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻的調(diào)整功率為16mw。電網(wǎng)頻率偏差超出±0.132hz，即機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差超出±8rpm時(shí)，機(jī)組維持24mw的調(diào)頻負(fù)荷量保持不變。
機(jī)組一次調(diào)頻功能切、投及其負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度應(yīng)由電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一根據(jù)機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)及電網(wǎng)運(yùn)行方式綜合確定。需考慮機(jī)組負(fù)荷的控制精度（通常為±1mw）；同時(shí)，應(yīng)協(xié)調(diào)機(jī)組調(diào)頻特性的差異（如水、火電機(jī)組），防止機(jī)組調(diào)頻控制產(chǎn)生過激振蕩。一臺(tái)機(jī)組投入一次調(diào)頻功能，zui大調(diào)頻控制負(fù)荷量為±4%額定負(fù)荷，600mw機(jī)組典型值為24mw。因此，一次調(diào)頻的負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性影響較小，利用鍋爐的蓄熱即可滿足機(jī)組一次調(diào)頻的負(fù)荷變動(dòng)量。電網(wǎng)內(nèi)投入一次調(diào)頻功能的機(jī)組臺(tái)數(shù)，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式及用電負(fù)荷潮流實(shí)測(cè)/預(yù)測(cè)分析確定。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)區(qū)域用電負(fù)荷潮流特性，確定投入一次調(diào)頻控制功能的機(jī)組布點(diǎn)，使電網(wǎng)一次調(diào)頻負(fù)荷潮流分布合理。應(yīng)是定周期實(shí)時(shí)的、預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)切、投控制過程?？赏ㄟ^已實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)電網(wǎng)調(diào)度通訊的agc通道，實(shí)現(xiàn)機(jī)組一次調(diào)頻功能的遠(yuǎn)程切、投。
四、電網(wǎng)頻率異?？刂?br>互聯(lián)電網(wǎng)大容量（占電網(wǎng)供或用電負(fù)荷10%以上）、重要的聯(lián)絡(luò)線事故解列時(shí)，互聯(lián)雙方電網(wǎng)的頻率大幅度變動(dòng)，達(dá)到±0.5hz以上時(shí)，火力發(fā)電機(jī)組的一、二次調(diào)頻功能因其控制響應(yīng)實(shí)時(shí)性能的限制，對(duì)于電網(wǎng)頻率波動(dòng)初期（10s內(nèi)）無有效的穩(wěn)定控制作用。電網(wǎng)頻率異?？刂频拇胧┦牵?）互聯(lián)供電側(cè)電網(wǎng)頻率高，通過安全穩(wěn)定裝置，采用按△f偏差分級(jí)的遠(yuǎn)方切機(jī)控制信號(hào)，切除預(yù)定的并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組?？紤]減小機(jī)組啟動(dòng)恢復(fù)供電的過程時(shí)間，通常，分級(jí)的原則是先切水力發(fā)電機(jī)組、再切火力發(fā)電機(jī)組。2）互聯(lián)受電側(cè)電網(wǎng)頻率低，通過安全穩(wěn)定裝置，采用按△f偏差分級(jí)的遠(yuǎn)方減載控制信號(hào)，切除預(yù)定的用電負(fù)荷。通過電網(wǎng)頻率異常的初期切機(jī)、減載控制，電網(wǎng)頻率很快的恢復(fù)到一定的范圍內(nèi)，其后，通過機(jī)組一、二次調(diào)頻功能調(diào)整電網(wǎng)頻率恢復(fù)穩(wěn)定、正常。
五、直流鍋爐調(diào)頻功能
一次調(diào)頻要求機(jī)組有較快的負(fù)荷調(diào)節(jié)響應(yīng)速度，維持電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。國內(nèi)直流鍋爐目前所采用的tf（機(jī)跟爐）協(xié)調(diào)控制方式：機(jī)組升、降負(fù)荷，先調(diào)節(jié)鍋爐給水量、給煤量，待鍋爐的蒸汽流量發(fā)生變化后，再調(diào)整汽機(jī)調(diào)門開度改變機(jī)組的實(shí)發(fā)功率。特點(diǎn)是：鍋爐、汽機(jī)能量平衡，機(jī)前壓力的變化較小，沒有利用鍋爐的蓄熱，導(dǎo)致機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度較慢，調(diào)峰能力較差，一次調(diào)頻性能較差。對(duì)基于tf方式的協(xié)調(diào)控制，負(fù)荷的響應(yīng)速度取決于鍋爐側(cè)的響應(yīng)，大滯后、大慣性是鍋爐能量的特性，控制系統(tǒng)無法改變。即使直流鍋爐的蓄熱能力較差，利用直流鍋爐的蓄熱仍是加快直流鍋爐機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度的重要途徑。
調(diào)頻控制優(yōu)化：1）采用bf（爐跟機(jī)）協(xié)調(diào)控制方式，根據(jù)汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力和機(jī)前壓力的調(diào)頻動(dòng)態(tài)變化情況控制鍋爐負(fù)荷指令，減小機(jī)前壓力動(dòng)態(tài)偏差。同時(shí)，加快鍋爐給水量和給煤量動(dòng)作速度，以彌補(bǔ)鍋爐的慣性和滯后。給水量和給煤量調(diào)節(jié)動(dòng)作速度加快時(shí)，常規(guī)pid控制的快速性與穩(wěn)定性之間產(chǎn)生矛盾，會(huì)造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使給水量和給煤量控制振蕩；反之，若要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定，即給水量和給煤量的調(diào)節(jié)平穩(wěn)，則機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度慢，一次調(diào)頻控制性能較差。解決鍋爐側(cè)控制快速性與穩(wěn)定性的矛盾，應(yīng)采用先進(jìn)的控制策略和控制方案。通過內(nèi)模（動(dòng)態(tài)補(bǔ)償）控制策略補(bǔ)償鍋爐慣性，使補(bǔ)償后的鍋爐等效對(duì)象具有較好的動(dòng)態(tài)特性，即等效對(duì)象具有較小的慣性、滯后。在加快鍋爐給水量和給煤量控制速度，利用鍋爐蓄能的前提下，保持機(jī)前壓力相對(duì)穩(wěn)定。2）采用tf協(xié)調(diào)控制方式，根據(jù)機(jī)組功率指令、機(jī)組實(shí)發(fā)功率及頻差校正后的一次調(diào)頻信號(hào)計(jì)算機(jī)組壓力定值的動(dòng)態(tài)校正信號(hào)。調(diào)頻控制時(shí)，動(dòng)態(tài)修正機(jī)組的壓力設(shè)定值，使汽機(jī)調(diào)門調(diào)節(jié)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，適時(shí)利用機(jī)組蓄能，加快機(jī)組的負(fù)荷變動(dòng)響應(yīng)速度，改善機(jī)組一次調(diào)頻控制性能。
動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償功能可改變鍋爐的大慣性、滯后動(dòng)態(tài)特性，補(bǔ)償后的鍋爐等效控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性具有較小的慣性，使鍋爐具有較快的負(fù)荷調(diào)節(jié)速度，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定，這對(duì)于直流鍋爐實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能是非常關(guān)鍵的。一次調(diào)頻控制利用鍋爐蓄熱時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)前壓力波動(dòng)較大，為獲得機(jī)組快速的負(fù)荷響應(yīng)速度和平穩(wěn)的壓力變化，調(diào)節(jié)鍋爐給水流量及汽機(jī)調(diào)門利用直流鍋爐蓄熱時(shí)，應(yīng)加快鍋爐煤量調(diào)節(jié)：1）前饋動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)磨煤機(jī)一次風(fēng)流量，應(yīng)用磨煤機(jī)內(nèi)存粉；2）采用預(yù)測(cè)控制技術(shù)，預(yù)測(cè)鍋爐熱能，超前調(diào)節(jié)給煤量，加快鍋爐負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，補(bǔ)償鍋爐慣性。