[摘 要] 通过数值模拟和实际机组实验实现了DEH系统中的一次调频、二次调频，配合硬件OPC，在实际应用中完成了机组在甩大网负荷、带孤立电网的功率和频率调节。证明了孤立电网控制系统是恢复电网故障、解决黑启动问题的有效途径。
[关键词]小岛运行；调频；系统控制
Abstract: This paper achieved the primary frequency modulation, secondary frequency modulation of DEH system by numerical simulation and real units experiment .With the hardware OPC, we complete load-rejection in the large network ,as well as the power of isolated grids and frequency regulation load in actual application. It proves that the isolated network control system is effective method to restore the fault of power grids, and to solve the problem of black-start.
Key word: island operation; frequency modulation; system control.
1 　引 言
　　现代社会对电力的依赖程度越来越强。同时电力网的结构和系统运行方式越来越复杂，对电力供应的安全性、经济性和质量要求也越来越高。这就要求电网和电力设备具有很高的供电可靠性，在出现短暂的事故后，具有较快的恢复能力。针对电网安全问题，国内各大电网公司、发电公司、各科研院校，以及相关电力设备制造厂都投人了大量人力、物力，积极开展提高电力系统安全稳定性的研究，黑启动是电网事故后不得已而采取的自救手段[1]，其经济损失巨大，而小岛运行则是防患于未然的积极预防措施，小岛运行的机组具有抵抗电网事故的能力，可以在出现电网事故的情况下，利用这些机组立即接带负荷，往电网供电，可以大大缩短整个电力系统的恢复时间，减少经济损失。因此，研究汽轮发电机组与电网在正常和事故状态下的行为，提高带厂用电情况下机组稳定运行的能力，对于保证电网与电厂安全，维护工农业生产，保障人民生活正常秩序，具有十分重要的经济价值和社会价值。
2　小岛运行的控制
　　目前，国内外的汽轮发电机组控制系统，无论采用液压调节系统或数字电液控制系统，对于转速和频率的控制均仅限于一次调频，即根据机组转速的变化，按照机组设定的不等率、调频范围等静态特性控制汽轮机阀门的开度。这种经典的控制方法对于机组在大电网中运行时是可以满足电网频率调节要求的。但是一次调频不能使电网的频率回复到额定值，而是和所发的功率有一个固定的关系。要达到频率的无差调节必须对频率进行二次调整。对于大电网而言，这一工作由电网调度中心完成。而一旦某个电厂或电厂中的某台机组，与大电网解列，仅靠一次调频是无法维持频率的稳定的。因为大电网的特性与地区小电网的特性，包括负载的性质、电网的刚度、备用余量等是有很大区别的[2]。小电网稳定性差，而且出现小岛运行往往是大电网出现事故之后，这时，机组的负荷大幅度波动，对小网的扰动冲击大，极易造成小网崩溃。本文在研究汽轮机和小网动态模型的基础上，在DEH（Digital Electro-Hydraulic Control System,简称DEH控制系统）系统中增加二次调频功能，采用一次调频和二次调频相结合等方式实现小岛运行的控制思想。
2．1 一次调频
　　一次调频要求机组在保证机组安全的前提下，适当利用机组的蓄热快速变化机组的负荷，使电网频率稳定。一次调频对机组会有一些负面作用，所以一次调频的动作不易过大和过频[3]，一次调频的参数应根据电网的模型特性、频率指标、并结合机组的情况综合制订。
　　机组一次调频性能，是指电网频率发生偏离额定值的变化时，机组出力与电网频率的相关性，传统上用汽机调速系统的速度变动率（调差系数）及迟缓率（死区）表示。当频差或转速差超过死区值时一次调频开始动作，速度变动率（调差系数）是指令一次调频动作的比例，其值越大，一次调频的负荷变化越小，反之就越大。一次调频功能分别设置在DEH和CCS（协调控制系统）侧，DEH侧的一次调频代替原液调系统的功能，但其控制的性能有了很大的提高，而且一次调频的参数可能方便精确地设置。DEH侧的一次调频控制逻辑如图2-1、图2-2所示。DEH按图2-3所示,一次调频曲线设置F2(X),机组并网后，汽机转速与电网频率是一致,DEH中普遍使用汽机转速信号代表电网频率。DEH一次调频是换算成电负荷当量的调门指令= F2(△转速)，但由于此换算存在着一定的偏差，而且是开环控制，所以DEH实际一次调频的负荷响应和一次调频的负荷要求是有偏差的，而且由于机组的蓄热只能维护一段时间，所以后期负荷又回到原值。[4]

　　　　　　　　　图1 炉跟机为基础的协调控制的一次调频框图
　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　图2 一次调频变负荷特性
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　图3 DEH一次调频曲线F2(X)
　　当电网事故发生时，首先是有功功率出现波动，幅度逐渐加大，频率开始上升，一次调频开始起作用，不断减小功率给定值。当转速超过3090rpm时，DEH系统的OPC（OVER SPEED CONTROL,超速保护控制系统）动作。同时，由于OPC的作用，调节汽门迅速关闭，第一次转速最高达到3114rpm,#1机组出力随着阀门的关闭迅速减小到约14M W，频率则迅速下降到3090rpm以下。当转速低于3090rpm时，OPC信号释放，阀门重新开启，使得功率和频率再次上升。如此反复，转速在3015到3110rpm之间，功率在13MW到31MW之间快速震荡。如图4所示。
　　　
　　　　　　　　　　图4 事故发生时某电厂60MW机组小网运行曲线
　　　　
　　　　　　　　　　　图5 某电厂60MW机组并网运行曲线
　　在操作人员切除一次调频回路，并且手动降低负荷给定，又投入一次调频回路，转速依然波动，但OPC动作次数减少；后尝试增加负荷给定，转速波动加剧，OPC动作次数增加。油开关解列后负荷还有5.6MW，为带厂用电运行，DEH转入转速控制回路，目标转速3000rpm，转速控制开始时稳定，后来在干扰作用下，产生等幅震荡，转速在2973－3026rpm间波动。机组于再次并网，(并入大网)，实际负荷为19 .27M W，逐渐升负荷至50MW运行，机组运行正常，系统稳定。如图2-5所示。可以看出，仅仅采用一次调频是难以稳定小网运行和厂用电运行的。必须对DEH控制系统进行改进、优化和完善
2．2二次调频
　　在小网事故中，运行人员通过调整负荷给定值，使电网频率的波动有所改善。实际上，这就相当于对小网进行了二次调频。发电机组从大电网中解列后，已经失去了与电网调度中心的联系，机组本身只具有一次调频功能。而一次调频不能完全消除频率的偏差，而且由几次电网事故证明，仅仅一次调频不能使系统稳定。为此，我们在DEH系统中设计了二次调频功能，当出现小网运行或FCB(Fast Cut Back)时，用以取代调度中心的作用。二次调频的目的是自动调整DEH的功率给定，使之逐渐与当时小网上的负荷接近，从而达到稳定电网周波的效果。
　　二次调频采用PID控制器，其设定点为额定转速3000rpm，反馈变量为机组本身的转速。二次调频控制器的输出K2与当前的给定值叠加后，作为一次调频的给定值。采用二次调频后的频率调节原理见图6。其中需要解决的问题是二次调频的投入与退出。
　　二次调频采用的PID控制器，可以调整机组的功率，消除转速的静态偏差。但是，该功能只能在确实发生小网运行的情况下投入，如果一旦机组在大电网中运行时，错误地投入了二次调频功能，将会在频率负偏差时出现该机组功率超负荷，或在频率正偏差时出现逆功率运行的情况，因此，DEH系统中加人二次调频功能具有一定的风险。经过对国内机组运行情况的调查，决定采用：当发电机出口开关闭合的情况下，电网频率波动超过额定转速±60rpm时，DEH自动投入二次调频功能；当电网频率回到额定转速±5rpm后，延时30秒，DEH自动切除二次调频功能。如图2-7所示。虽然DEH能够在发生甩负荷后，较好地稳定孤立电网的频率，但是系统频率停留在较高点上，必须采用二次调频将DEH系统的负荷给定值降下来，才能使频率回到额定值。
为验证以上观点,在MATLAB中仿真,图8和图9表示了采用二次调频，改变DEH给定值，能较好地稳定孤立电网频率。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　图6 二次调频原理图
　
　　　　　　　　　　　　　　图7 二次调频回路的投入与切除
　
　　　　　　　　　　　　　图8 二次调频的仿真系统结构图
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图9 增加了二次调频的甩负荷曲线
　　由于#4机组电气结构的限制，该机组不能直接带本地的小网负荷，所以试验是用本机组厂用电的负荷来模拟小网负荷。试验方法是将机组负荷带至预先定好的水平上，使发电机与大网脱开，由于辅助节点在试验前已短接，所以DEH侧仍然认为机组处于并网的状态。由DEH系统通过一次调频、二次调频、配合硬件OPC，将频率调整至3000rpm，从而使机组稳定地带上厂用电负荷。试验过程采取的安全措施有：主机参数达到停机标准时运行人员必须果断停机；厂用电中断后按厂用电中断标准恢复设备运行；试验过程中若发生事故，应由试验指挥负责人下令停止试验，由运行人员按规程进行处理，必要时试验人员立即撤离现场。
试验时的主要参数如下：.主汽压TP＝3.92MPa，调节级压力IM1 ＝1.0Mpa，汽机转速W S=3001转/分，.汽机功率MW=14 .06MW，高调门开度=22.16%，一次调频SPI＝1(即;一次调频已投)，.二次调频SP2I=0(即:二次调频未投)
　　电气侧解开开关时，负荷立即由5.06MW突降为0.73MW，转速随之升高，升至3060rpm时，二次调频自动投入，经二次调频的PID偏差运算后，结合一次调频的功率调节，DEH的软件部分发出减小阀门开度的指令，实际阀门开度开始减小。转速升至3090rpm时，软件里“OPC动作如并网则快减”信号动作，各个调门开度继续减小。因为此时硬件OPC未动作，而一、二次调频都是通过软件逐渐关小阀门来调节转速，调节速度相对较慢，所以阀门逐渐关小的同时，转速继续升高，直至峰值3174rpm，此时，还没到达硬件OPC的动作
值，见图11和图12。
　　随着阀门的继续关闭，转速开始下降。到峰值之后的第18秒，转速就降至3030rpm，且变化趋势趋于平缓。从甩负荷开始第9秒，系统已基本稳定，再过1分钟30秒之后，转速就稳定在3000±15rpm，再经过30秒，转速就稳定在3000rpm。在DEH调频期间，发电机功率一直稳定在3.93MW，见图2-13。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　图10 某电厂4＃机试验曲线1
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　图11 某电厂4＃机试验曲线2
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　图12 某电厂4＃机试验曲线3
3　 结论
　　实践证明采用本文中提出的控制方案，在保证大电网调频功能的基础上，增加了地区孤立电网的控制手段，充分发挥了DEH系统的优越性，基本解决了发电机组孤立电网稳定运行的问题，保证了电网频率质量，提高了电网抵抗事故的能力。
　　通过理论分析和实验可以得出如下结论：
　　a. 发电机组能够自带厂用电稳定运行是电网事故后迅速恢复电力供应的关键，可以有效避免“黑启动”，减少经济损失，可将这一功能纳入到电力安全应急预案中去。
　　b. 通过对DEH系统功能进行增强和完善，增加二次调频功能，实现孤立电网控制系统，完全可以实现发电机组带孤立电网或带厂用电的稳定运行。
　　c. 孤立电网控制系统为恢复电网故障、解决“黑启动”值题提供了一条行之有效的解决方案。
同时也应该看到，由于电力需求的不断增长，电气设备事故也随之增加，事故的种类和产生的原因也越来越复杂。本文提出的控制方案是否能够满足各种事故工况下的调频要求，还有待于进一步的验证和测试。而且，机组能够自带孤立电网和厂用电稳定运行，还需要主机和各种辅机设备的协调与配合，因此还必须研究各辅助系统、公用系统在事故工况下的行为，才能真正保证孤立电网运行的成功。
４　参考文献
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