CN106300442A - 一种火力发电机组响应电网低频故障调节的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火力发电机组响应电网低频故障调节的控制方法。在应对电网出现的低频故障时，火力发电机组的一次调频功能就受到巨大的影响。本发明包括获得电网频率差信号，判断电网频率偏差是否低于低频故障支援阈值；若是，则依据频差低于低频故障支援阈值的隶属区间，对发电机组当前的低频支援能力进行评估，并依据评估结果对机组的可调节抽汽和非可调节抽汽的高压加热器实施快速、分级切除，同时通过负荷控制手段提升机组锅炉指令至目标值，完成电网大频差下机组的快速响应；若否，则采用常规模式进行机组的一次调频。本发明既不影响机组常规一次调频的功能，又能够解决在电网低频故障时快速、稳定、持久的提供电源支撑。

Description

一种火力发电机组响应电网低频故障调节的控制方法

技术领域

本发明涉及火力发电控制领域，特别是一种电网低频故障(频率偏差低于-20r/min)时，火力发电机组通过快切高加技术快速提升负荷，响应电网低频故障调节的控制方法。

背景技术

目前，火力发电机组在实施基本辅助服务一次调频过程中，电力调度考核要求的一次调频能力最大为±11r/min。随着电网特高压建设的不断深化，火电机组单机容量不断扩大，尤其是特高压的受电端，对于电网出现瞬间大幅度的电能缺失，导致电网出现低频故障，超出火电机组一次调频最大能力范围的情况下，电网的频率调节能力存在以下不足：

1)电网低频故障超出了火力发电机组的调节能力范围，按照机组最大调频的能力，也不足以弥补电网电能的缺口。

2)对于大型火力发电机组一般多为超(超)临界直流机组，有着无汽包，蓄热小，滑压运行，主机调门开度较大的特点，在低频到来前，往往伴随有小频差的一次调频动作，释放了机组的大量蓄热，导致在大频差到来时，机组蓄热不足，严重影响一次调频能力。因此一般地，在应对电网出现的低频故障时，火力发电机组的一次调频功能就受到巨大的影响，使得机组无法在短时间内对电网频率的稳定起到支撑作用。

为了能够保证特高压受电端电网主干框架的坚强程度，电能品质的优良，火力发电机组如何能够既保持安全经济运行，又能在电网出现低频故障时，尤其是在重特大节点保供电的情况下，提供快速、大幅度的电量支援，弥补火力发电机组一次调频功能在应对该工况下能力不足的情况，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种火力发电机组快切高加技术响应电网低频故障的控制方法，其既可以满足一次调频标准范围内调节；又可以在电网出现巨大的电能缺口，电网频率出现低频故障时，火力发电机组能够提供快速、稳定、持久的功率支援。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种火力发电机组响应电网低频故障调节的控制方法，其步骤如下：

获取电网频率差信号；

判断电网频率偏差是否低于火力发电机组的低频故障支援阈值，若是，则依据电网频率偏差低于低频故障支援阈值的隶属区间，对火力发电机组当前的低频支援能力进行评估，并依据评估结果对机组的可调节抽汽和非可调节抽汽的高压加热器实施快速、分级切除，同时通过负荷控制手段提升机组锅炉指令至目标值，完成电网频率故障下火力发电机组的快速响应；

若否，则按照火力发电机组响应±11r/min最大调频能力范围，进行常规模式下的一次调频。

本发明首先需要获取电网频率偏差幅度，当电网低频的幅度不低于-11r/min，依靠机组常规一次调频完成电网频率调节，当电网低频的幅度低于-11r/min，甚至低于-20r/min以上，根据低频的幅度确定机组功率提升的目标值，结合机组实际带载能力与目标值的关系，获得对机组提供低频支援的能力评价，进而对可调节抽汽的高压加热器和非可调节抽汽的高压加热器实施分级快切，高压加热器切除后，抽汽量迅速减少，瞬时大幅增加了高压缸的通流量，由于全部高压加热器快切后对功率5-10％的瞬时提升能力。

优选地，判断电网频率偏差是否低于火力发电机组低频故障支援阈值，其包括：依据电网对火力发电机组±11r/min最大调频能力要求，获取机组当前实际负荷并确定当前负荷下低频故障支援阈值。

优选地，依据电网频率偏差低于低频故障支援阈值的隶属区间，其包括：依据电网频率低于-11r/min的偏差量，获得火力发电机组提供功率支撑的目标值和对应的可调节抽汽及非可调节抽汽的高压加热器切除级数。

优选地，对火力发电机组当前的低频支援能力进行评估，其包括：

1)获得机组实际负荷和当前工况下机组最大带载能力

在电网频率出现低频故障时，根据实际负荷和当前机组燃料量的带载能力，并依据机组带载能力对功率支援的目标值进行评估，获得机组实施低频调节的门槛值和调节幅度；

2)获得机组高压加热器的切除级数

依据1)中确定的低频调节的门槛值，判断各级高压加热器是否参与低频差调节控制；

若是，则根据汽机厂对机组具备的可调节抽汽及不可调节抽汽的高压加热器各个负荷段抽汽量设计值和各负荷段下高压加热器性能试验的结果，确定当前功率支援目标下，可调节抽汽阀的快关幅度及不可调节抽汽高加切除的级数，对于拥有双列高加的机组还需考虑切除单列高压加热器的方式，进一步细化调节功能；

若否，各级高压加热器不参与电网大频差的调节控制，可调节抽汽阀不动作，各级高压加热器不解列。

优选地，本发明还包括：判断当前机组实际功率超越响应电网大频差调节的上限、机组实际带载能力无提升机组负荷能力和高压加热器未投入的情况下；

若是，则不允许投入机组低频故障调节功能。

优选地，依据评估结果对机组的可调节抽汽和非可调节抽汽的高压加热器实施分级切除，包括：机组根据电网低频的隶属区间、生成的功率提升目标值及机组对功率支援的能力评估，对各级可调节抽汽的高压加热器，关闭抽汽阀至目标开度；对不可调节抽汽的高压加热器实施分级切除，通过排挤高压加热器的抽汽，来完成机组功率的短期的快速提升。

优选地，通过负荷控制手段提升机组负荷至目标值，其包括：高压加热器切除后时，需要按照设计速率配合提升锅炉指令至目标值，对应增加锅炉燃料量、给水、风量至目标值。

优选地，本发明还包括，高压加热器切除后，锅炉燃料和给水的配比发生了变化，省煤器进口温度快速下降，但机组对于省煤器热容的利用，减缓了省煤器出口给水温度降低时间。因此需要利用机组高加快切试验确定出系后燃料量和给水量的修正函数和修正速率，以保证机组在高压加热器出系后，系统能够稳定、快速的提升负荷。

优选地，本发明还包括：依据电网低频偏差，实施有计划的高压加热器出系，实现机组负荷快速提升方案，还包括实施过程中，判断是否出现省煤器进出口温度降速率越限，温度降幅超出温度阈值及其他边界闭锁条件；若是，则撤出方案实施，保持当前机组负荷，运行人员进行合理的干预。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种全新的电网瞬时电能缺失时，快速提升火力发电机组负荷的思想和方案，机组通过负荷控制手段将燃料量和给水提升至低频支援的负荷目标值，从而为电网提供快速、稳定、持久的功率支援。

本发明深入挖掘了火力发电机组功率提升能力和锅炉省煤器蓄热能力，是除了汽机调门之外一种全新的快速提升机组负荷的方案，提升了火力机组在特高压受电端稳定电网频率的能力。

本发明提供了一种控制手段，通过把握锅炉蓄热释放的情况和燃料量与水量的重新匹配，能够确保在高压加热器出系后机组稳定、快速、持久的负荷提升，弥补了常规的一次调频手段在超出-11r/min的调节范围功率提升能力不足和机组蓄热频繁释放对一次调频能力大幅度削弱的弊端，有力的支援了电网的频率调节能力，尤其是在重大节点保供电模式下，电网出现电能缺口时，火力发电机组能够提供强有力的电源支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式的流程图。

图2为本发明一种具体实施方式中对电网低频隶属区间的判定示意图。

图3为本发明一种具体实施方式所提供的机组负荷提升能力评估示意图。

图4为本发明一种具体实施方式所提供的方法触发后，机组负荷控制回路提升功率指令至目标值示意图。

图5为本发明一种具体实施方式所提供的方案实施中紧急中断示意图

具体实施方式

本发明的核心是提供一种火力发电机组快速响应电网低频故障调节的控制方法，既不影响机组常规一次调频的功能，又能够解决在电网低频故障时快速、稳定、持久的提供电源支撑。

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1，图1为本发明一种具体实施方式所提供的火力发电机组快速响应电网低频故障调节的控制方法流程图。

本发明的一种具体实施方式包括：

S1：获取机组实时频率偏差。

S2：判断当前工况下电网频率偏差是否低于低频支援阈值，若是，获得电网频率偏差的隶属区间并生成负荷提升目标。

S3：若否，则采用常规的一次调频方式。

S4：获得当前机组负荷提升能力评估,判断是否实施对电网低频支援方案。

S5：若是，则按照规约实施高压加热器(简称高加)动作并提升机组负荷至目标值。

S6：若否，则系统不动作。

首先需要获取低频的幅度，当电网低频的幅度不低于-11r/min，依靠机组一次调频完成电网频率调节，当电网低频的幅度低于-11r/min，甚至低于-20r/min以上，根据低频的幅度确定机组功率提升的目标值，结合机组实际带载能力与目标值的关系，获得对机组提供低频支援的能力评价，进而对可调节抽汽的高加和非可调节抽汽的高加实施分级的措施，高加出系后，抽汽量迅速减少，瞬间大幅增加了高压缸的通流量，由于全部高加切除后拥有对功率5-10％的瞬时提升能力，因此该发明提供了一种全新的电网瞬时电能缺失时，快速提升火力发电机组负荷的思想和方案，在高加切除后，机组通过负荷控制手段将燃料量和给水提升至低频支援的负荷目标值，从而实现为电网提供快速、稳定、持久的功率支援。这一发明弥补了常规的一次调频手段在超出11r/min的调节范围功率提升能力不足和机组蓄热频繁释放对一次调频能力大幅度削弱的弊端，大幅提升了火力发电机组为特高压受电端电网提供频率调节的能力。

需要说明的是，一次调频指的是通过各原动机、调速器来调节各发电机组转速，以使驱动转矩随系统频率而变动。所谓的高压加热器指的是利用汽轮机的部分抽气对给水进行加热的装置。电网大频率偏差是指电网频率低于-11r/min，甚至更低，超出了常规火电机组最大调频能力的频率偏差。

在本发明的一种实施方式中，以某一1000MW火电的设计方案为例进行说明，该系统包括#0高压加热器至3#高压加热器四个高压加热器，且四个高压加热器依次串联，3#高压加热器背离2#高压加热器的一端连接除氧器，#0高压加热器背离1#高压加热器的一端连接省煤器，而给水旁路一端连接在2#高压加热器和3#高压加热器的公共端，给水旁路的输出端连接省煤器。其中各级加热器均为单列布置，#0加热器为可调节抽汽高压加热器，其余均为非可调节抽汽加热器。

本实施方式中，通过频差的隶属区间对各级高加的分级快切，屏蔽高压加热器的抽汽，使原本加热给水的高品质蒸汽直接用于汽轮机做功，达到快速响应电网低频偏差的调节要求。在方案实施过程中，由于给水温度会发生巨大变化，使撤出高加后燃料和给水的配比发生变化，因此需要对燃料和给水进行重新修正，确保机组平稳过度至新常态，保证机组减少高加撤出后的稳定运行。同样由于高加撤出后机组运行效率降低，在撤出后一段时间后，实际功率会下降，因此需要配合在高加切除后采用机组负荷控制手段，提升燃料量和给水量至负荷目标值，从而为电网频率恢复提供持久的功率支撑。

请参考图2，图2为本发明的一种实施方式中对电网低频偏差隶属区间的判定示意图。

获得机组实际负荷和电网频率差，根据预先设定的偏差值对应功率函数，获得该频差下机组需要提升的负荷目标值。本实施方式中，当电网频差低于LOW1值，获得隶属区间中负荷提升理论值LOAD1(注释：负荷的理论提升值由各负荷段汽机厂的抽汽量设计和性能试验结果获得的对应关系F2(x)与频差对应的功率提升值F1(x)取小获得)，判断是否满足#0高加的负荷提升条件，若是，则实施关闭#0高加抽汽阀，若否则系统不动作；当电网频率低于LOW2值时，获得获得隶属区间中负荷提升理论值LOAD2，判断当前机组是否满足高加出系条件，若是，则实施#1-#3高加加热器解列,其中F3(x)为各负荷段下高加投入后的给水温度底限边界值用于表征高加是否投入。

对于本实施方式，需要依据汽机厂对#0-#3各负荷段下抽汽量的设计和性能试验中对各级高加抽汽量试验评估结果确定准确的频差对应的功率控制目标值，并通过试验获得高加快速切除允许条件及切除后机组稳定运行的边界条件。

(1)#0高加抽汽调阀能力试验

机组AGC和协调模式撤出，一次调频撤出，使得锅炉和汽轮机均处于手动状态，机组负荷稳定运行在500MW，等待系统稳定后，直接关闭#0高压加热器抽汽调阀，观察并记录负荷响应幅度及速率,重复在其余各负荷段下该试验。

对#0高加的抽汽试验，需要获得关闭#0抽汽阀后，#0高加加热器液位变化，如果存在压力变化导致的水位波动，需要屏蔽#0液位高解列全部高加的逻辑。

(2)高加出系试验

机组处于CCS运行模式，实际功率低于机组90％额定工况，各级高压加热器已投入运行状态，由运行人员手动切快速切除高压加热器汽侧，各级抽汽阀关闭，机组切换至TF模式(汽机跟随)，省煤器进口给水温度迅速下降，等待省煤器出口给水温度发生明显降幅时，运行人员缓慢降低给水指令，尽量保持主汽温度稳定，使机组平稳过渡至新常态。

试验记录负荷上升幅度，速率，省煤器进出口给水温度降幅，降速，记录高加出系至省煤器出口给水温度发生明显变化的时间，记录过程中运行人员对给水和燃料干预的数值等数据。

请参考图3，图3为本发明一种实施方式所提供的机组负荷提升能力评估示意图。

本实施方式采用高加切除的同时，机组负荷控制回路配合提升燃料量和给水量至目标负荷，由于高加加热器切除后，机组效率降低且为保持主汽温度降低过快还需要一定的给水量来平衡未投入高加时的水煤配比，若如果保持原有工质不变，机组负荷在瞬时提升后会比原有的功率更低，为了保证功率提升持续和稳定，该实施方式设计下列控制方法：

首先，通过获得当前实际负荷和火电机组磨组、油枪等燃料状态，计算出当前运行工况机组最大带载能力。机组最大带载能力与当前负荷的差值为负荷提升空间。

其次，通过机组负荷的提升空间W1与实际频差隶属区间对应的期望负荷提升值W2的差值W1-W2＝W得出评估结果，若负荷地提升值W2小于W1(即W<0)，则按照LOAD2目标值快切高加，并且提升机组负荷W2；若否，则判断W是否在隶属区间[0,S]内(其中S为当前负荷下该实施方式最小负荷提升值，如图中的LOW值))若否，则快切高加，并且提升机组负荷至W1；若是，则机组无负荷提升空间，闭锁该方式实施。

请参考图4，图4为本发明一种实施方式所提供的快切及高加技术实施后，机组负荷控制回路提升功率指令至目标值示意图。

本实施方式中，为保证机组在快切高加后能平稳过渡至负荷提升状态，需要进行高加出系后的负荷提升试验。

1)快切高加出系后的负荷提升试验

试验状态同高加出系试验状态一样，机组处于CCS模式，实际功率小于90％额定功率，高加投入，系统稳定后快速切除高压加热器，同时手动提升负荷至目标值，负荷提升速率按照实际机组升降负荷速率，燃料线和给水线按照升负荷的标准，根据上文中高加出系试验得出的结论出系后给水设定的自动修正同时进行。机组在随后的升负荷中，由运行通过设置燃料、给水偏置，调整负荷和压力提升速率等方式保证机组压力、主气温、再热气温等参数保持平稳。等待机组负荷稳定后，记录燃料、给水、负荷和压力变化速率等数据，得出在高加快切后，机组升负荷的稳定参数。

本次实施方式中：F1(x)、F2(x)为高加快速切除后基础给水线和燃料线的修正函数；F3(x)为高加解列后，由于对给水的修正量及修正速率函数，用于平衡方案实施前后的燃水的匹配；TD_ON为高加快速切除后给水修正的时间，即上述高加出系试验获得的修正时间常数。机组切换至汽机跟随模式，DEH切换至初压方式，机组通过负荷控制回路经过速率限制调整锅炉主控指令至目标值，机组压力控制回路调整压力设定之变化速率至目标值，燃料主控指令和给水主控指令切换至根据试验获得的修正后的燃料线和给水线。

图5为本发明一种实施方式所提供的方案实施中紧急中断示意图。

本实施方式中设计了方案的紧急中断条件,其中图中RS为RS触发器，复位优先。在快切高加后，省煤器进出口温降温升非常大，系统不稳定性增加，若出现RB、超温、省煤器进出口温降超过预期等工况，继续提升负荷不仅会加剧系统不稳定，同时会造成到水冷壁，省煤器等材料应力增大，造成金属疲劳，因此通过对工况的自动判断和运行人员的人工判断，设置自动切除方案实施和主动切除方案实施的功能，方案切除后，机组保持当前负荷，控制权交付运行人员。

综上所述，本发明提供了一种火力发电机组快速响应电网低频故障的控制方法，实现了火力发电机组在电网出现频率故障时，最大一次调频能力外的调频能力的获取。

首先，该方法特点在于：通过快速切除机组高压加热器的方式，闭锁了高压加热器的抽汽用于做功，充分利用机组锅炉热容，实现短期快速负荷提升，在电网出现故障频率时，有效的配合了机组一次调频，使电网能够获得标准调频能力外的功率支援。其优势在于1)能够弥补常规一次调频模式调频范围不能够满足电网在频率故障状态下的频率调节支援。2)能够弥补大型火力发电机组在多次调频后蓄热的释放导致的常规一次调频能力不足的缺点。

其次，该方法适用特点在于对于电网出现不可预知的电能缺口，导致的出现故障频率(一般的低于-20r/min)时，接受电网低频支援请求时适用。由于高压加热器是火力发电机组的重要的加热设备，其快速切除会对高加汽水侧的管束产生巨大应力，造成给水温度大幅度下降，次数较少的解列对机组影响不大，但频繁的快切会导致省煤器、水冷壁金属材料疲劳，同时解列后后对机组工质配比产生影响，如果调节不当还会导致燃水失衡。该方法通过对电网频率低于-11r/min时的工况进行调研和试验，确定了方法实施的合适的频率区间，及高加快切后机组稳定的负荷提升策略。

以上对本发明所提供一种火力发电机组快切高加技术响应电网低频故障调节的控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种火力发电机组响应电网低频故障调节的控制方法，其步骤如下：

获取电网频率差信号；

判断电网频率偏差是否低于火力发电机组的低频故障支援阈值，若是，则依据电网频率偏差低于低频故障支援阈值的隶属区间，对机组当前的低频支援能力进行评估，并依据评估结果对机组的可调节抽汽和非可调节抽汽的高压加热器实施快速、分级切除，同时通过负荷控制手段提升机组锅炉指令至目标值，完成电网低频故障下火力发电机组的快速响应；

若否，则按照火力发电机组响应±11r/min最大调频能力范围，进行常规模式下的一次调频。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取电网频率差信号，判断电网频率偏差是否低于火力发电机组的低频故障支援阈值，其包括：

依据电网对火力发电机组±11r/min最大调频能力要求，获取火力发电机组当前实际负荷并确定当前负荷下低频故障支援阈值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，依据电网频率偏差低于低频故障支援阈值的隶属区间，其包括：

依据电网频率低于-11r/min的偏差量，获得火力发电机组提供功率支撑的目标值和对应的可调节抽汽及非可调节抽汽的高压加热器切除级数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对机组当前的低频支援能力进行评估，其包括：

1)获得火力发电机组实际负荷和当前工况下机组最大带载能力

在电网频率出现低频故障时，根据实际负荷和当前机组燃料量的带载能力，并依据机组带载能力对功率支援的目标值进行评估，获得机组实施低频故障调节的门槛值和调节幅度；

2)获得机组高压加热器的切除级数

依据1)中确定的低频调节的门槛值，判断各级高压加热器是否参与低频差调节控制；

若是，则根据汽机厂对机组具备的可调节抽汽及不可调节抽汽的高压加热器各个负荷段抽汽量设计值和各负荷段下高压加热器性能试验的结果，确定当前功率支援目标下，可调节抽汽阀的快关幅度及不可调节抽汽高压加热器切除的级数，对于拥有双列高压加热器的机组还需考虑切除单列高压加热器的方式，进一步细化调节功能；

若否，各级高压加热器不参与电网频率调节控制，可调节抽汽阀不动作，各级高压加热器不解列。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

判断当前机组实际功率超越响应电网大频差调节的上限、机组实际带载能力无提升机组负荷能力和高压加热器未投入的情况下；

若是，则不允许投入机组低频故障响应调节功能。

6.权利要求1所述的方法，其特征在于，依据评估结果对机组的可调节抽汽和非可调节抽汽的高压加热器实施快速、分级切除，其包括：机组根据电网低频的隶属区间、生成的功率提升目标值及机组对功率支援的能力评估，对各级可调节抽汽的高压加热器，迅速关闭抽汽阀至目标开度；对不可调节抽汽的高压加热器实施快速切除，通过屏蔽高压加热器的抽汽，来完成机组功率的短期的快速提升。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过负荷控制手段提升火力发电机组锅炉指令至目标值，其包括：

高压加热器切除后时，需要按照设计速率配合提升锅炉指令至目标值，对应增加锅炉燃料量、给水、风量至目标值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，高压加热器切除后，锅炉燃料和给水的配比发生了变化，省煤器进口温度快速下降，但机组对于省煤器热容的利用，减缓了省煤器出口给水温度降低时间；因此需要利用机组高压加热器出系试验确定出系后燃料量和给水量的修正函数和修正速率，以保证机组在高压加热器出系后，系统能够稳定、快速的提升负荷。

9.根据权利要求1至7任一项权利要求所述的方法，其特征在于，依据电网低频偏差，实施有计划的高压加热器出系，实现机组负荷快速提升方案，还包括实施过程中，判断是否出现省煤器进出口温度降速率越限，温度降幅超出温度阈值及其他边界闭锁条件；若是，则撤出方案实施，保持当前机组负荷，运行人员进行合理的干预。