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摘要：針對大型機組進入小網控制出現的頻率波動等特點，本文基于NT6000DCS控制系統上提出一種機爐優化控制策略，通過理論分析和在舟山電廠實驗，協調機爐負荷和頻率控制以及提高調速控制回路速度，優化DEH硬件，能夠滿足機爐對小網控制的要求。
關鍵詞：小網控制；NT6000DCS控制系統；優化控制策略；DEH
ABSTRACT: To the characteristic of the frequency fluctuations appeared the large Units into the isolated power network, Base on the NT6000 Distributed Control System, the paper propose a new boiler-turbine optimal control strategy. After theoretical analysis and experimentation in ZhouShan plant, By coordination of boiler load and turbine frequency control, and improve the speed control loop speed, optimize the DEH hardware, we can meet the requirement for the isolated power network control.
KEY WORDS: the isolated power network control; NT6000 Distributed Control System; optimal control strategy; DEH
0 引言
隨著中國經濟的長期高速發展，中國電力工業也向著現代化和大型化發展，在小型電網中備受關注的孤網和小網控制問題已經較少被人提及。2008年南方雪災中的電網故障引發大面積停電，造成重大損失的嚴重后果，向我們敲醒了警鐘，在大型電網中，孤網和小網控制問題仍然是保障電力工業安全的重要技術支撐。
舟山是我國的第四大島，是一個由群島組成的城市。島上的用電主要由舟山發電廠提供，同時有跨海電纜與大陸電網相連。這樣特殊的電網結構決定了舟山發電廠的技術裝備要求方面，對孤網和小網控制有著更加現實的需求。
所謂小網，一般泛指對脫離大電網的小容量的電網。在電力建設規程中規定，電網中單機容量應小于電網總容量的8%，以保證當單機甩負荷時不影響電網的正常運行。關于電網的頻率偏差，國家標準中規定，裝機容量在 3000MW及以上電力系統，頻率允許偏差為  Hz；裝機容量在 3000MW以下電力系統，頻率允許偏差為  Hz。
小網控制，最突出的特點，是由負荷控制轉變為頻率控制，要求調速系統具有符合要求的靜態特性、良好的穩定性和動態響應特性，以保證用戶負荷變化的情況下自動保持電網頻率的穩定[2]。因此，小網控制應具有一次調頻能力。同時，一次調頻是有差調節，為了維持小網頻率在額定頻率附近，還應要求機組調速系統具有二次調頻能力。對單臺機組在從滿負荷狀態下，甩負荷到廠用電，還應保證其最高轉速小于ETS（Emergrncy Trip System，汽輪機緊急跳閘系統）保護動作值。
本文基于NT6000DCS（Distributed Control System，分散控制系統）控制系統，設計了一種機爐協調優化控制策略，提高調速控制回路速度，優化設計DEH硬件，通過理論分析和在舟山電廠中的實踐，表明該控制方案能提高小網頻率的穩定性和動態響應特性，滿足小網控制的要求。
1 小網控制調頻原理
小網的頻率直接反映了小網有功功率供求關系是否平衡，當供大于求時，小網的頻率會升高，反之會降低。發電機組可以通過分析小網的特征，優化機組的靜態和動態特性，來維持小網頻率的穩定和準確。小網的調頻特性，包括靜態調頻和動態調頻，是小網負荷變化所引起的電網頻率變化的傳遞關系。
1.1一次調頻原理
一次調頻，是機組在保證安全的前提下，適當利用機組的蓄熱快速改變調門開度，調節機組的負荷，使小網頻率穩定在靜態特性規定的偏差范圍內。
現代廣義的電網一次調頻功能，需要考慮汽輪機、鍋爐、發電機以及電網間的相互協調問題，應當以整臺機組作為控制對象。從功能上講，汽輪機要快速響應外界負荷、頻率的變化，鍋爐側要維護主汽壓力在調頻過程中穩定。電力系統要求電源功率與負荷必須動態平衡，當電源功率或負荷發生波動時，機組的頻率也會發生相應的變化。
機組的一次調頻，屬于靜態調頻特性，一般用汽輪機調速系統的速度變動率及遲緩率表示。
速度變動率是指汽輪機由滿負荷到空負荷的轉速變化與額定轉速的比例，其計算公式如下：
 （1） 其中，  為空負荷時轉速，  為額定功率時轉速，  為額定轉速。 由于液壓調節器及液壓部分的非線性，文獻[3]中采用局部速度不等率的概念，即
 （2）
可得：
 （3）
當電網發生故障或汽輪發電機出口跳閘，汽輪機由帶滿負荷甩負荷到帶廠用電時，  ，可得  ，即  ，甩負荷后的轉速會快速飛升，造成電網頻率發生較大波動，  為滿負荷，  為帶廠用電負荷，  為滿負荷時轉速，  為帶廠用電時轉速。 進一步研究汽輪機轉子力矩平衡方程：
 （4）
 （5）
式中，J為轉子轉動慣量，  為轉子角速度，  為汽輪機蒸汽力矩，  為發電機反力矩，  為汽輪機內功率，  為蒸汽流量，  為汽輪機焓降，  為汽輪機內效率，  為汽輪機轉速。 前面分析，在機組甩負荷后，汽輪機轉速飛升，  ，又發電機反力矩 與轉速成正比例關系，一次調頻特性用來實現小網頻率穩定，即  ，由公式（5）得，通過改變蒸汽流量（定壓模式）或者汽輪機焓降（滑壓模式）來增大蒸汽力矩 實現。
一次調頻的原理如圖1所示。
圖1 一次調頻控制原理圖
1.2二次調頻原理
二次調頻主要是為了保證電網的頻率維持在恒定值，屬于動態調頻。
一次調頻是有差調頻，不能完全消除小網頻率的偏差，為此，DEH系統設計了二次調頻功能，當出現小網運行或快速減負荷（FCB）時，能迅速穩定電網周波。所謂二次調頻過程是根據電網頻率偏差，通過改變調頻機組調速系統的給定值，將電網負荷變化轉移到由調頻機組來承擔，使電網頻率回到額定值。
通常二次調頻是由網調調度來實施的，電網調度人員通過人工或自動手段，控制調頻機組調速系統給定值，完成二次調頻過程。
二次調頻采用PID控制器，其設定點為額定轉速3000r/min，反饋變量為機組實際轉速。二次調頻的輸出與當然給定值的疊加，作為一次調頻的給定值[4]。
二次調頻的原理圖如圖2。
 圖2 二次調頻控制原理圖
2 控制方案
2.1存在問題
小網控制一次調頻要求機組調速響應非常迅速，汽輪機在甩負荷過程中，每秒鐘的轉速飛升量能夠達到200r以上，對于常規的DEH控制回路如圖3所示，轉速卡一般會有20ms的延時，DCS控制周期一般在200ms左右，輸出卡和伺服卡的信號傳遞也會產生約50ms的延時，那么整個系統的控制時延在270ms左右，也就是說，會產生54r的轉速飛升，過大的時延會嚴重降低小網調頻控制品質。
 圖3 常規DEH的轉速控制回路
一次調頻動作主要是由汽輪機側完成，時間短，速度快，而汽輪機和鍋爐的響應特性不同，鍋爐的響應慢，鍋爐的能量信號  （  表示汽機調節級壓力，  表示主蒸汽壓力，  表示主汽壓力）隨汽輪機閥門開度發生劇烈變化，同時會造成鍋爐燃燒工況出現極大擾動，甚至導致鍋爐滅火。
另一方面，甩負荷后轉速迅速飛升，達到原DEH系統中OPC動作的設定點103%，從而造成OPC在3090r/min時動作。OPC動作后，調門全部關閉，機組出力小于小網上的電負荷，汽機轉速下降，OPC消失，調門打開，機組負荷又迅速上升，如此反復，使得小網頻率反復震蕩，最終可能導致小網崩潰[5]。
2.2鍋爐側控制方案
針對小網運行時，一次調頻會經常動作汽輪機閥門，導致鍋爐主汽壓力經常波動，同時主汽壓力不穩定反過來又會影響一次調頻的調節品質。文獻[6]指出，一次調頻特性在較高頻段受主汽壓力變化影響不大，而在低頻段考慮主蒸汽壓力變化后一次調頻增益明顯偏小，會出現一定時間之后一次調頻出力回落、偏離理想設計性能。
在鍋爐側，NT6000DCS系統設計如下控制方案。
（1）充分利用鍋爐蓄熱，消除機組一次調頻對鍋爐側主汽壓力等參數的影響。
（2）為了提高調頻性能，引入CCS側一次調頻邏輯，自動調節主汽壓力。
（3）在鍋爐側主控輸入增加速率限制模塊，減小由于汽輪機閥門開度過頻變化引起的鍋爐主控指令過快變化，同時要考慮對其他工況的影響。
（4）加強對主要參數的監控及調整，及時跟蹤，當出現主汽壓力等參數波動過大，超出設定限制，引入輔機故障減負荷(RB)邏輯。
2.3汽機側控制方案
針對汽機側一次調頻存在的問題，NT6000DCS系統設計了改進后的控制策略，方案如下。
（1）優化DEH控制邏輯。在DEH中引入小網運行控制狀態，當轉速偏差超過一定范圍時，DEH自動進入小網控制狀態。這種設計能夠同時適應并網運行和孤網運行的要求。用戶正常時并入大電網，當大電網發生故障時，會脫離大電網進入小網控制狀態。
（2）設計快速一次調頻回路。DEH中將與一次調頻相關的轉速采樣，轉速三值優選，一次調頻計算，調速指令輸出都設置為快速運行，運行周期小于50ms，轉速采樣和模擬量輸出模塊采用高速硬件，使控制周期小于100ms，提供DEH一次調頻的控制速度。
（3）設計智能OPC卡。在進入小網控制時，采用轉速加速度計算預估的轉速最高值，當預估的轉速最高值高于OPC設定值時，提前動作OPC。由于OPC動作回路比調節閥動作回路要快200ms左右，這種設計將大大減小轉速飛升。在進入小網控制后，將103%OPC動作值抬高。
（4）減小DEH控制周期，在NT6000DCS系統中，設計直接接在IO總線上的伺服卡，省去了輸出卡的環節，改進后如圖4所示，控制器的控制周期減小到50ms，轉速卡的測量時延減小到1ms，整個系統的時延在51ms內，由此產生的轉速飛升減少80%以上。
 圖4 改進后的轉速控制回路
綜上所述，圖5，為改進后的小網控制原理圖。
圖5 改進后的小網控制原理圖
3 系統應用
舟山朗熹發電有限責任公司（舟山發電廠）作為“九五”期間浙江省重點工程，現有裝機容量為260MW，是舟山電網主力發電廠，目前發電量占電網總發電量的80%以上，現裝有1*300MW機組，采用NT6000DCS控制系統，正常情況下熱電廠接入電網系統，但在故障情況下，集團與大網的進線會斷開，則要求熱電廠在故障過程中，能夠完成從并入大電網到脫離大電網進入小網控制的切換，維護小網的穩定運行。
根據小網控制以及在舟山電廠實驗的情況，NT6000DCS系統還進行如下優化設計。
（1）優化NT6000控制器性能。NT6000DCS控制器型號為KM940，采用PowerPC8247芯片技術，支持精簡指令集（RISC），主頻400MHz，相當于Pentinum400MHz芯片的運算能力。在冗余狀態下以50ms的控制周期運行，控制器負荷不超過15%。
（2）高速轉速卡設計。NT6000DCS系統轉速卡型號為KM523，在機組高速運行過程中，轉速卡連續記錄60個脈沖的時間，通過線性回歸得出轉速值，在額定轉速3000r/min下，60個脈沖的時間為20ms，為了進一步提高測量速度，不必等到60個脈沖全部被更新才進行轉速計算，只要有一個脈沖被更新，就能得到當前最新的60個脈沖數據，這樣計算的結果，是轉速卡中的轉速測量周期減小到1/3ms。
（3）先進伺服卡設計。NT6000DCS的伺服卡型號為KM522，一般DCS沒有專門的伺服卡，采用第三方設備，需要通過通用的模擬量輸出卡(AO)將調門指令送到伺服卡。為了提高速度，NT6000在I/O總線上設計了伺服卡，省去了中間環節，伺服卡的控制調節周期小于15ms。
另外，NT6000DCS還采用了先進的控制策略與靈活的組態邏輯，通過在舟山電廠經行小島運行控制實驗，從汽輪機脫網，甩部分負荷以及甩全部負荷，均能在允許的時間內實現小網頻率的穩定，滿足小網控制的要求。
4 結論
上述理論分析和實驗結果表明，采用具有快速運算能力的NT6000控制器實現小網控制能夠取得良好的效果，并優于其他調速方式。
基于NT6000的小網控制模式，邏輯設計靈活，能夠完成功能完善的小網控制邏輯，其較小的遲緩率和較好的控制靈敏度不僅有利并網控制品質的提高，而且有利于小網控制品質的提高。
參考文獻
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[4] 王宏偉，姚玉雁.火電廠小網運行功能的應用[J].華中電力，2007,20(1)：45-47.
[5] 劉曉強，王西田.考慮主蒸汽壓力變化的機組一次調頻動態特性[J].熱能動力工程，2008,23(2)：140-143..
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