摘要：結合國內火力發電工程飛速發展的現狀，說明了火力發電機組調頻應用技術功能，提出機組調頻、電網調頻、頻率異常的控制功能分類，分析大容量直流鍋爐的調頻控制方式，供火力發電機組控制系統工程應用設計參考。
　　
　　一、概述
　　
　　火力發電機組調頻功能是指電網發電有功功率與供電負荷不平衡時，人工或自動的通過發電機組功率控制系統，根據電網頻率變化的偏差（△f）*、限速率的調節增、減發電機組有功出力，維持電網供電頻率的穩定。
　　
　　二、調頻功能
　　
　　火力發電機組鍋爐、汽機是慣性較大的熱動力設備，其運行穩定性控制的特征是鍋爐、汽輪發電機的能量平衡。其負荷的調節量及速度主要受限于鍋爐負荷的可調速度及范圍，可調速度通常為機組額定負荷的3%～5%ECR/min。火力發電機組的頻率調節按調頻負荷目標值的控制方式及控制過程不同而稱為機組調頻（一次）和電網調頻（二次）控制功能。
　　
　　火力發電機組調頻控制功能（一次調頻）是指機組汽機調速系統無人工干預，自動參與電網頻率變化控制功率的調節過程。頻率調節的靈敏度（死區）、功率調節的速度及幅度是預先設定的。根據電網頻率變化自動調節鍋爐負荷或汽機進汽量，實現機組負荷的調頻控制。機組輸出功率調節與電網負荷變化的方向相反，維持電網頻率的穩定。因其根據頻差（△f）自動生成指令的實時調節過程而稱為機組一次頻率調節。從電網大系統來看，是電源點的頻率自動調節響應，稱為機組調頻控制。
　　
　　一次調頻負荷指令根據頻差（△f）產生，動態的疊加在機組的給定負荷指令中。機組一次調頻功能、性能與機組汽機調速系統的原理結構及其特性有關。與采用純液壓調速系統相比，機組調速系統采用計算機數字電液調節DEH、高壓調節油系統EH后，使機組的一次調頻功能實現方式已有所不同，控制性能有所提高，其一次調頻控制功能技術特點：1）一次調頻控制功能在機組數字電液調速系統DEH中實現，數字化，可在線切、投。為電網運行頻率穩定控制的實時調度方式提供了良好的基礎條件；2）一次調頻性能參數可在線、準確的設定，為電網運行頻率穩定控制調度按頻率偏差△f分級方式提供了基本條件。死區的設置是為了避免機組輸出功率的頻繁調節抖動，死區可設定為零。純液壓調速系統的死區zui小值則是固有的。可在線設定機組一次調頻功能可投的負荷范圍、負苘調節范圍及速度。3）一次調頻性能參數可實現電網調度的遠程通訊設定（通過采用計算機通訊建立的AGC通道）及一次調頻功能的遠程通訊切、投，為實現電網運行調頻自動化提供基礎條件。4）火力發電機組因鍋爐、汽機能量特性差異較大，平衡困難，調頻需保證鍋爐、汽機能量平衡，要對機組運行穩定性影響小，因而其一次調頻功率調節幅度、速度受限。國內火力發電機組的發電量在電網中比例較大，因而火力發電機組一次調頻對電網正常運行的頻率穩定，提高電能質量的作用是極其重要的。5）根據頻差（△f）的機組一次調頻控制是有差調節過程，需通過電網調頻控制（即二次調頻）消除頻差（△f）。
　　
　　火力發電機組電網調頻控制功能（二次調頻）是指機組在人工干預（電網調度/運行人員）或自動（電網調度系統指令）改變機組的負荷給定值，參與電網頻率調節的過程，即通常稱為電力系統自動發電控制的AGC功能。二次調頻功能通過電網調度的調頻負荷指令或日負荷曲線，調整發電機有功出力跟蹤電網供電負荷變化，以求電網系統內所有發電機組有功功率輸出總和與電網系統內的所有用電設備消耗負荷相等，從而控制電網頻率在規定的范圍內，保證供電的電能質量。二次調頻AGC負荷指令具有人工或實時控制的雙重特征，而日負荷曲線則是負荷的預測控制。火力發電機組接受電網調度/運行人員調頻負荷指令，通過機組功率自動回路改變鍋爐或汽機的負荷給定值，調節機組負荷。因其調頻負荷指令來自電網/運行人員而稱為機組二次頻率調節。從電網大系統來看，是電網供求負荷平衡的頻率開環或閉環調節過程，可稱為電網調頻控制。
　　
　　目前，國內機組二次調頻（AGC）負荷指令大多是電網調度根據負荷平衡預測計算（在線實時或非實時的），確定或機組運行人員根據電網調度下達日負荷曲線確定。其調節過程是非全自動閉環、實時完成的。當然，調度自動化系統通過電網頻率的實時采集及電網供、用電負荷平衡的實時測量，實時自動計算、分配電網調頻控制負荷量，實時自動選定調頻機組（AGC功能遠程切、投），實現機組調頻負荷指令自動實時生成，通訊下傳，可實現電網全自動的、實時閉環的機組二次調頻功能控制。機組二次調頻控制（AGC）功能可在線切投、設定負荷上下限值及升降速率。也可實現電網調度的遠程通訊設定（AGC通道）二次調頻性能參數及遠程自動切投，實現電網調度調頻運行的全自動化。
　　
　　機組一次調頻和電網二次調頻控制的基本功能原理見附圖。

　　
　　三、一次調頻功能控制應用
　　
　　技術參數（600MW機組典型值）：1）頻差死區：50Hz±0.033Hz（±2rpm）；2）調節比率：≤4MW/rpm；3）一次調頻負荷調節范圍：±4%額定負荷，負荷可調在±24MW范圍內（額定負荷600MW）；4）一次調頻控制功能可投負荷范圍：50%～105%（300MW～630MW）。技術參數均可在線修改設定，參數設定值應由電網調度下文確定或遠程通訊設定。DEH系統應有調度設定數據的限幅處理功能。一次調頻控制負荷特性曲線：

　　
　　一次調頻控制特性：電網頻率偏差△f在死區內（±0.033Hz），即機組轉速偏差在2rpm以內時，一次調頻負荷指令輸出為0，機組不參加調頻控制。電網頻率偏差超出死區范圍，機組根據△f進行機組負荷調整，機組負荷以±24MW為上、下限調整范圍，即zui大調頻控制負荷量。電網頻率發生偏移0.1Hz（頻率偏差△f=0.067Hz，機組轉速約4rpm）時，機組一次調頻的調整功率為16MW。電網頻率偏差超出±0.132Hz，即機組轉速偏差超出±8rpm時，機組維持24MW的調頻負荷量保持不變。
　　
　　機組一次調頻功能切、投及其負荷調節幅度應由電網調度統一根據機組一次調頻參數及電網運行方式綜合確定。需考慮機組負荷的控制精度（通常為±1MW）；同時，應協調機組調頻特性的差異（如水、火電機組），防止機組調頻控制產生過激振蕩。一臺機組投入一次調頻功能，zui大調頻控制負荷量為±4%額定負荷，600MW機組典型值為24MW。因此，一次調頻的負荷調節幅度對機組穩定性影響較小，利用鍋爐的蓄熱即可滿足機組一次調頻的負荷變動量。電網內投入一次調頻功能的機組臺數，應根據電網運行方式及用電負荷潮流實測/預測分析確定。同時，應根據區域用電負荷潮流特性，確定投入一次調頻控制功能的機組布點，使電網一次調頻負荷潮流分布合理。應是定周期實時的、預測動態的實時切、投控制過程。可通過已實現計算機電網調度通訊的AGC通道，實現機組一次調頻功能的遠程切、投。
　　
　　四、電網頻率異常控制
　　
　　互聯電網大容量（占電網供或用電負荷10%以上）、重要的聯絡線事故解列時，互聯雙方電網的頻率大幅度變動，達到±0.5Hz以上時，火力發電機組的一、二次調頻功能因其控制響應實時性能的限制，對于電網頻率波動初期（10s內）無有效的穩定控制作用。電網頻率異常控制的措施是：1）互聯供電側電網頻率高，通過安全穩定裝置，采用按△f偏差分級的遠方切機控制信號，切除預定的并網發電機組。考慮減小機組啟動恢復供電的過程時間，通常，分級的原則是先切水力發電機組、再切火力發電機組。2）互聯受電側電網頻率低，通過安全穩定裝置，采用按△f偏差分級的遠方減載控制信號，切除預定的用電負荷。通過電網頻率異常的初期切機、減載控制，電網頻率很快的恢復到一定的范圍內，其后，通過機組一、二次調頻功能調整電網頻率恢復穩定、正常。
　　
　　五、直流鍋爐調頻功能
　　
　　一次調頻要求機組有較快的負荷調節響應速度，維持電網的頻率穩定。國內直流鍋爐目前所采用的TF（機跟爐）協調控制方式：機組升、降負荷，先調節鍋爐給水量、給煤量，待鍋爐的蒸汽流量發生變化后，再調整汽機調門開度改變機組的實發功率。特點是：鍋爐、汽機能量平衡，機前壓力的變化較小，沒有利用鍋爐的蓄熱，導致機組的負荷響應速度較慢，調峰能力較差，一次調頻性能較差。對基于TF方式的協調控制，負荷的響應速度取決于鍋爐側的響應，大滯后、大慣性是鍋爐能量的特性，控制系統無法改變。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組負荷響應速度的重要途徑。
　　
　　調頻控制優化：1）采用BF（爐跟機）協調控制方式，根據汽機調節級壓力和機前壓力的調頻動態變化情況控制鍋爐負荷指令，減小機前壓力動態偏差。同時，加快鍋爐給水量和給煤量動作速度，以彌補鍋爐的慣性和滯后。給水量和給煤量調節動作速度加快時，常規PID控制的快速性與穩定性之間產生矛盾，會造成控制系統的不穩定，使給水量和給煤量控制振蕩；反之，若要求控制系統穩定，即給水量和給煤量的調節平穩，則機組的負荷響應速度慢，一次調頻控制性能較差。解決鍋爐側控制快速性與穩定性的矛盾，應采用*的控制策略和控制方案。通過內模（動態補償）控制策略補償鍋爐慣性，使補償后的鍋爐等效對象具有較好的動態特性，即等效對象具有較小的慣性、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，保持機前壓力相對穩定。2）采用TF協調控制方式，根據機組功率指令、機組實發功率及頻差校正后的一次調頻信號計算機組壓力定值的動態校正信號。調頻控制時，動態修正機組的壓力設定值，使汽機調門調節快速動態響應，適時利用機組蓄能，加快機組的負荷變動響應速度，改善機組一次調頻控制性能。
　　
　　動態特性補償功能可改變鍋爐的大慣性、滯后動態特性，補償后的鍋爐等效控制對象的動態特性具有較小的慣性，使鍋爐具有較快的負荷調節速度，且動態響應穩定，這對于直流鍋爐實現一次調頻功能是非常關鍵的。一次調頻控制利用鍋爐蓄熱時，會導致機前壓力波動較大，為獲得機組快速的負荷響應速度和平穩的壓力變化，調節鍋爐給水流量及汽機調門利用直流鍋爐蓄熱時，應加快鍋爐煤量調節：1）前饋動態調節磨煤機一次風流量，應用磨煤機內存粉；2）采用預測控制技術，預測鍋爐熱能，超前調節給煤量，加快鍋爐負荷的動態響應，補償鍋爐慣性。