基于频率信号的火电机组一次调频改造及优化
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华能瑞金发电有限责任公司、西安热工研究院有限公司、西安理工大学的研究人员李华、陈志刚等，在2019年第2期《电气技术》杂志上撰文指出，一次调频属于发电厂需要为电网无偿提供的基本辅助服务，当一次调频不能满足电网要求时要被考核。
某些机组一次调频合格率低的原因之一是机组一次调频信号是来自机组转速信号，而电网考核一次调频采用的是频率信号，因此，信号源的差异导致一次调频性能变差。采用高精度频率源进行技术改造，同时进行了逻辑的优化，由此明显提高了一次调频的合格率，基本避免被考核情况的发生。
一次调频是指对电网中由于负荷变动所引起的周波变化，如汽轮机调节系统和机组协调控制系统根据电网频率的变化情况利用锅炉的蓄能，自动改变调门的开度，即改变发电机的功率，使之适应电网负荷的随机变动，来满足电网负荷变化的过程。
根据“两个细则”，一次调频属于为了保障电力系统安全稳定运行，保证电能质量，发电机组必须提供的基本辅助服务，当并网发电厂因自身原因不能提供基本辅助服务时，需接受考核。因此，提高发电厂一次调频的合格率，避免被调度考核，对发电厂是具有现实经济意义的。
1 一次调频的基本原理及构成
1.1 一次调频基本原理
一次调频是电网的静态调频特性，其特点是通过并网机组调速系统的静态特性，利用机组的蓄能承担电网负荷变化，最终使电网频率形成一个稳定的频率偏差。一次调频是依靠原动机调速系统自动完成的，其响应时间小于3s。在并网机组调速系统均参与一次调频时，电网负荷扰动量自动按各机组所设转速不等率分配到各机组之上，按照预设的转速不等率承担不同调频负荷。
并网机组通常按照机组额定负荷的相对比例来承担一次调频负荷量，因此各机组的转速不等率具有大致相同的数值，对于火电机组一般为4%～5%。
1.2 一次调频回路的构成
一次调频控制回路由DEH侧控制回路、CCS侧控制回路和辅助及远传考核系统构成。
1）DEH侧控制回路
采取将转速差信号经转速不等率设计函数直接叠加在汽轮机（燃机）调速汽门指令处的设计方法，同时DEH功率回路的功率指令亦根据转速不等率设计指标形成调频功率补偿，且补偿的调频功率定值部分不经过速率限制。需分别在阀位模式和DEH功率回路模式下设计一次调频控制回路。图1为一次调频实现DEH侧典型原理图，机组转速偏差经过阀位函数后直接叠加到综合阀位指令。
图1 DEH侧典型原理图
2）CCS侧控制回路
具有CCS和AGC功能的火电机组，由DEH、CCS共同完成一次调频功能，即DEH侧采取将转速差信号经转速不等率设计函数直接叠加在汽轮机（燃机）调速汽门指令处的设计方法，而在CCS中设计频率校正回路，且CCS中的校正指令不经速率限制。
图2为CCS侧（或功率回路）典型原理图，机组转速偏差或电网频率偏差经过功频函数转换为调频功率指令后，不经过负荷速率和负荷高低限制，直接叠加到功率控制器回路。一次调频修正后，功率指令与实发功率偏差，经过功率控制器回路形成输出到DEH侧的综合阀位指令信号，进而直接作用到各阀门指令之上。
图2 CCS侧（或功率回路）典型原理图
3）远传考核系统
电网调度机构根据“两个细则”对所辖电网内的并网发电厂一次调频进行考核，考核由安装在调度中心的广域动态信息监视分析保护控制系统（WAMAP）自动进行。发电厂的PMU装置，将发电机实时功率及频率信息送给WAMAP系统，由内置于其中专门的辅助服务考核系统，完成对一次调频的考核，考核结果由调度定期下发给发电厂。
1.3 存在问题
由以上介绍可见，发电机组进行一次调频控制的信号基准是转速信号，而调度对一次调频进行考核依据的是频率信号。理论上转速信号和频率信号存在着固定的换算关系，但实际上在机组动态运行过程中，转速信号和频率信号存在信号精度和传输控制回路偏差，均会造成两者时间和幅值上不同步，这是导致一次调频合格率偏低的一个重要因素。对机组进行一次调频改造，并对控制逻辑进行优化，是提高一次调频合格率的有效途径。
2 一次调频改造方案
2.1 一次调频问题分析
华能瑞金发电有限责任公司1号机组为350MW超临界发电机组；锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的HG- 1100/25.4/571/569型超临界压力变压运行直流锅炉。汽轮机为哈尔滨汽轮机厂制造的CLN350-24.2/ 566/566型超临界中间再热凝汽式汽轮机发电机组。发电机为哈尔滨电机厂有限责任公司制造的QFSN- 350-2YHG型水-氢-氢冷却汽轮发电机；DCS和DEH控制系统均为上海GE新华控制系统有限公司提供的XDPS-400E系统分散控制系统。
根据电网考核通报，1号机组一次调频合格率较低，一般为50%～60%，低于电网要求的60%的合格线，经常被考核。通过调取省调考核数据与机组实际运行数据进行分析对比，并针对现场设备运行情况进行全面的排查，发现一次调频合格率偏低有两条主要原因：①调节转速与网上频率测量上有一定的偏差；②转速测量精度不能满足一次调频考核的要求。
2.2 改造方案
1）硬件改造
本次改造采用基于数字信号处理器的一次调频高精度频率变送装置，直接从发电机电压互感器采集电压信号，测量出发电机频率后转换为4～20mA信号送给DEH。该变送器对频率信号的测量精度达到0.001Hz，测量精度大于转速信号的测量精度。
2）逻辑优化
DEH控制逻辑内对该变送器输出信号的信号品质、量值区间进行修正及与实际转速偏差进行限制判断后，代替实际转速作为触发一次调频回路的电网有效网频偏差信号。
3 一次调频改造试验
3.1 试验过程
2017年12月28日，经电网批准后进行1号机组一次调频试验，在90%Pe、75%Pe、60%Pe三个负荷工况下开展了±0.0667Hz，±0.1Hz频差扰动性能测试试验。
试验开始前，先模拟系统频率为50Hz不变，确保机组协调控制及CCS、DEH一次调频控制功能正常投入，机组各重要参数控制在正常值稳定范围之内。试验过程中，需要分别模拟系统频率以及电网实际频率阶跃变化扰动试验。试验结束后，需要将试验过程中强制的各类切换回路和模拟参数复原。
3.2 试验结果分析
依据《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》和《华中区域发电厂并网运行管理实施细则（试行）》，从一次调频动态响应指标和60s积分电量指标两方面要求，对试验机组在±0.0667Hz、±0.1Hz频差扰动下的一次调频性能进行分析评价。
1）动态响应指标
分析计算1号机组±0.067Hz、±0.1Hz频差扰动下一次调频动态响应指标见表1。
表1 典型工况下一次调频动态响应指标统计
2）电量响应指数分析
表2为典型工况下一次调频60s电量响应指数验收结果。3组典型负荷段（210MW、260MW、310MW）测试表明，机组调频响应时间、实际转速不等率和调频负荷量均满足电网要求。
表2 典型工况下一次调频60s电量响应指数验收结果
3.3 实际考核结果
表3是江西电网对本电厂改造前电网考核一次调频实际考核的合格率。表4是江西电网对本电厂改造后一次调频实际考核的合格率。与改造前相比较，合格率有了明显的改善。
表3 改造前电网考核一次调频合格率/%
表4 改造后电网考核一次调频合格率/%
频率信号与转速信号的比较。一般认为，对于并网机组来讲，频率信号与转速信号有着固定的换算关系，即当频率为50Hz时，转速为3000r/min。然而，这个关系在机组稳定运行时是成立的，而在机组负荷调节过程中时，则会出现一定的偏差。
图3为转速信号和频率信号的比较，由两者实际波形比较可见，频率信号的稳定性明显优于转速信号。转速信号在小偏差（3r/min以内）时存在波动、突变装置设备提高了电网频率信号在小量程范围（49.75～50.25Hz）内测量值的稳定和平滑。因此，采用频率信号进行一次调频，有助于减少一次调频的无效动作次数，减少机组的频率调节频次，提高机组稳定性。
图3 转速信号和频率信号的比较
根据电网调频考核数据分析，机组一次调频考核主要发生在小偏差下，因此提高采样设备精度极其重要。高精度数字变送器不仅具有较高的设备抗内外干扰能力，还提高了调频功率有效贡献率。因此，从机组有效调频贡献角度来讲，采用频率信号代替实际转速作为触发一次调频回路的电网，有效提高了机组一次调频的性能。
在电网一次调频考核中，频率的基准采用省网指定的某处或几处电网频率作为全网一次调频考核基准，或者是采用PMU采集的频率作为该机组考核 基准。因此，采用频率信号作为一次调频信号源，将调节基准与电网考核基准相统一，必将减小考核误差。
采用高精度频率变送器采集的频率信号作为火电机组一次调频信号源，同时进行逻辑的优化和完善，相较于原来的转速信号，能够明显提高一次调频动作合格率。工程实践证明，一次调频改造是提高机组一次调频性能的有效措施。