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张宝，顾正皓，等/文 浙江电科院 摘要：汽轮发电机组一次调频能力不稳定的现象较为普遍，严重的影响到电网运行的安全。结合华东电网的具体案例，分析指出造成机组一次调频能力不稳定的根本原因是汽轮机局部转速不等率差别过大；分析了影响汽轮机组局部转速不等率的主要因素，指出汽轮机局部转速不等率与需要响应的电网频差密切相关。以某600MW超临界汽轮机为例，给出配汽函数优化前后不同频差下的局部转速不等率随调节阀开度的变化曲线；研究结果可用于提升汽轮机的机网协调能力。 0 引言 现代电力系统的发展出现三个重要特点，一是电网广泛互联，单一电网的地域日渐广阔，二是光电、风电等新能源、大容量的储能设备纷纷并网运行；三是单一发电机组或线路容量巨大，远距离输电渐成常态[1]。电力系统中的设备与电网之间的相互影响日趋复杂，电网在运行时难免会受到各种突发性事件或故障的干扰，一旦出现较大功率缺额，需要它具有一定的自我调整能力[2]，此时日益稀缺的一次调频能力就十分重要。 就目前的情况看，电网的一次调频任务主要靠常规火电机组来承担，并且对于诸如华东电网等通过特高压输电而来的外来电占比较大的区域电网来说，由于特高压输电自身目前一次调频能力还明显欠缺，当地电网内火电机组的一次调频任务更加繁重，这对装机容量占比处于绝对优势的汽轮发电机组提出了更高的要求[3]。为此，各大发电厂结合自身机组特点，在使用常规调频手段深入挖掘汽轮发电机组调频潜力的同时，也纷纷采取诸如凝结水节流调频[4,5]、高加给水旁路调频[6]]等新型调频方式来提高机组的一次调频能力，取得了显著的成果。 然而，从历次区域电网中出现较大功率缺额故障时的表现看，并网运行的汽轮发电机组的一次调频能力发挥的并不稳定，调频能力时高时低，小频差下一次调频能力优秀而大频差时表现甚差者为数众多，以至于事故发生时，电网频率下降远超预想[7]，电力系统运行风险剧增。分析上述现象的原因，典型观点认为是运行参数优化后主蒸汽压力偏低导致汽轮机调节阀正常运行时开度过大、一次调频动作后主蒸汽压力下降过多导致控制系统的反向调节、机组的蓄热能力不足、一次调频逻辑不完善等[7,8]。但是，仿真计算却表明，汽轮机转速不等率对机组的动态频率响应特性影响很大，在既定的电力系统故障下，电网频率变化的极值与处于非正常区间的时长与转速不等率密切相关[9]。为此，厘清汽轮发电机组在不同频差下一次调频能力差异巨大、电力系统随机故障下机组一次调频能力发挥不稳定的真实原因，对提高电网运行的安全性有积极意义。 1 机组一次调频能力不稳定现象 汽轮发电机组实际运行中常发生一次调频能力不稳定的现象，具体表现为：一是一次调频能力在电网小频差时好而大频差时差，二是在电网在不同时刻有相同的调频需求时，同一机组各次的实际一次调频能力表现差异明显。2015年，华东电网多次因特高压直流闭锁而出现大幅功率缺额，表1是其中三次故障时电网的具体情况[7,8]，表2是当时浙江省内多台机组的一次调频动作情况（一次调频效果低于0.6为不合格）。 表1 华东电网直流闭锁典型故障情况 表1的三次故障，以9月19日的最为严重，华东电网最低频率降至49.563Hz，约6min后才恢复正常；7月13日、10月20日的两次故障负荷损失、电网频率下降相近。三次故障时电网频率下降幅度均较大，需要每台机组作出的负荷响应都超出了机组一次调频功率的上限值（一般为6%额定功率），因此理论上每台机组在三次故障时的一次调频能力表现应该是相同的，但表2表明，9月19日故障时，一次调频合格的机组很少，另两次故障时，合格机组较多，同一机组在各次故障时的表现差异较大。这些数据一方面说明了机组一次调频能力合格，的确可以有效减小电网频率下降，另一方面也说明电网中机组的一次调频能力发挥不稳定现象普遍存在。 表2 华东电网直流闭锁时部分机组一次调频响应情况 目前，多数汽轮发电机组的一次调频能力仍然主要通过快速开关汽轮机调节阀来获得，调节阀的调节特性与初始位置对一次调频能力有显著影响[10]。汽轮机的控制是依靠将调节阀的综合开度指令通过配汽函数分配到每一只调节阀来实现的，综合开度指令与通过所有调节阀的蒸汽流量这两者之间的关系被称为“汽轮机流量特性”[11]。理论上，汽轮机流量特性应为线性，若如此，机组的一次调频能力就会保持稳定，但实际上由于安装、设备老化等原因，不少机组的流量特性并非线性，调节阀不同开度时非线性程度也可能会不同[12]。 常规汽轮机组主要有定压与滑压两种运行方式，控制方式不同时，同一负荷对应的汽轮机调节阀开度也不同；即使是同一控制方式，热力系统投用、凝汽器真空变化等因素可能导致调节阀开度有差异[13]。因此，汽轮机调节阀开度的随机性与汽轮机流量特性的非线性这两者共同导致了机组一次调频能力的不稳定。汽轮机流量特性的非线性，反映到汽轮机转速不等率上，就是汽轮机调节阀不同开度下局部转速不等率差别较大。 2 汽轮机的转速不等率 汽轮机转速不等率是汽轮机及其调速系统的特征参数之一，它决定着当电网频率偏离额定值时，并网运行的各台汽轮发电机组一次调频贡献的大小，采用数字电液控制（简称“电调”）系统的汽轮机，其转速不等率由人工设定，在假定汽轮机流量特性完全线性的前提下，火电机组一般设置为3%～6%[14]。传统上，汽轮机转速不等率定义为“汽轮机空负荷与满负荷的转速差值与额定转速之比”[15]，一般记为，但严格说来，按获得转速不等率的四象限图[16]，这一定义应该修改为“汽轮机调节阀全关与全开时的转速差值与额定转速之比”，即使如此，这一定义反映的也只是汽轮机的平均转速不等率。 大型电网运行比较稳定，根本不需要并网运行的汽轮机的调节阀全开或全关来响应一次调频的要求，而更多的是要求汽轮机在某一调节阀开度下，对负荷作小范围的调整，因此，对于汽轮机发电机组的一次调频功能来说，局部转速不等率更具有实际意义。汽轮机局部转速不等率与电调系统一次调频功能中设定的转速不等率有关，不少机组为了应对日常一次调频考核，在保证平均转速不等率按规定要求设定的情况下，将小频差下的转速不等率设置的很小，这就造成了很多机组日常一次调频能力考核结果良好，而在大频差下的一次调频能力表现很差[17]，这一做法与电网对机组一次调频的要求背道而弛。 众多分析均表明，汽轮机局部转速不等率不仅仅影响到机组的一次调频能力，还影响到电力系统稳定性，有分析指出，汽轮机局部转速不等率过小，机组的功率控制容易失稳，极易诱发电力系统的低频振荡[18,19]，因此，对汽轮机转速不等率应加强重视。 3 一次调频能力与局部转速不等率 目前，汽轮机电调系统一次调频功能设置典型参数为：转速死区为[-2r/min,2r/min]，转速不等率为5%，最大调频负荷为6%额定负荷，对应最大调频转速为9r/min（除去死区外，下同）。如前所述，汽轮机局部转速不等率决定了机组的一次调频能力，机组一次调频能力不稳定根本的原因在于汽轮机各调节阀开度下局部转速不等率差别过大，图1就是上述典型设置下某汽轮机的流量特性曲线，很显然该汽轮机流量特性线性较差，下面以此为例进一步说明。 图1中，A点为一次调频动作前机组运行的一个工况点，A1点为机组响应3r/min调频转速时的工况点，A2为机组响应9r/min调频转速时的工况点；B点、B1点与B2点情况相同。依据式（3），该机组在A点响应3r/min调频转速时，局部转速不等率为1.43%，响应9r/min调频转速时，局部转速不等率为1.34%；在B点响应3r/min、9r/min的调频转速时，局部转速不等率分别为3.33%、5.17%；而调节阀综合开度指令78%到92%之间的平均转速不等率则为2.15%。这一结果证明了观点，即汽轮机流量特性线性较差时，调节阀各开度下的局部转速不等率差别较大，局部转速不等率有时会严重偏离平均转速不等率。另外，上述计算结果还表明，汽轮机的局部转速不等率与需要响应的电网频差大小有密切关系。 4 局部转速不等率与电网频差 严格地讲，汽轮机局部转速不等率与图1中流量特性曲线在各调节阀开度下的切线斜率密切相关，但就一次调频功能而言，电网频率变化往往快速到位，汽轮机调节阀开度需要阶跃式变化，因而基于电网频差来讨论汽轮机局部转速不等率更具有现实意义。 汽轮机局部转速不等率与电网频差相关，具体表现为即使调节阀在同一开度下，需要响应的电网频差不相同时，实际表现的局部转速不等率也会有差异，特别是当汽轮机流量特性线性不好时，这一差异往往是巨大的。这也可以解释为什么机组在不同的电网频差下所表现出来的一次调频能力存在显著差距。图2为某600MW超临界汽轮机响应3r/min、9r/min的调频转速时局部转速不等率随调节阀开度的变化曲线，图中实线为该汽轮机的流量特性曲线；调节阀接近全开时，机组的一次调频能力不足以满足理论上的要求，因而计算得到了局部转速不等率也会急剧变大。 该汽轮机电调系统中一次调频功能按上述典型参数设置，基本上按滑压方式运行。很显然，该汽轮机流量特性线性不佳，机组在调节阀综合开度指令86%以下滑压运行时，调频性能尚可，但易出现调节阀晃动、功率摆动现象；机组在调节阀综合开度指令86%与91%之间滑压运行时，调频能力较差，小频差时更是如此。对该机组进行流量特性试验，并优化配汽函数[20]，重新计算局部转速不等率，结果如图3[l1] 所示。 很显然，该汽轮机的配汽函数优化取得了明显效果，汽轮机局部转速不等率基本维持在5%附近，但综合流量指令在78%附近时，小频差下的局部转速不等率仍然明显偏离设定值5%，经查，该点处于阀点位置，进一步优化难度较大。虽然如此，优化后机组在各负荷点调频性能均较好，调节阀晃动、功率摆动现象基本消失。 5 结论 汽轮机转速不等率是影响机组一次调频能力最为关键的因素；汽轮发电机组一次调频能力不稳定的根本原因是汽轮机各调节阀开度下局部转速不等率差别过大。汽轮机局部转速不等率与其调节阀开度、电调系统中设定的转速不等率以及需要响应的电网频差密切相关；汽轮机流量特性不佳时，在相同的电网频差、不同的调节阀开度下，局部转速不等率不同；在相同的调节阀开度、不同的电网频差下，局部转速不等率也不同，局部转速不等率实际上是个区间概念。通过汽轮机流量特性试验、优化配汽函数，可以调整它的转速不等率，提高机组的调频性能。汽轮机转速不等率与机网协调性能密切相关，影响着电力系统的诸多方面，平时应加强参数管理与优化，确保电网与机组的安全稳定运行。
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