汽轮发电机组(漫谈汽轮发电机组的一次调频)

Posted 2023-05-31

篇首语：老骥伏枥，志在千里；烈士暮年，壮心不已。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了汽轮发电机组(漫谈汽轮发电机组的一次调频)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

汽轮发电机组(漫谈汽轮发电机组的一次调频)

之前经常有外行的朋友问我电厂发的电都存在哪里？我相信很多人之前都对此有疑问，知道最近几年“储能”这个概念被媒体和政策反复提及，很多人开始明白原来电的存储会有如此之难。有人说过，全世界的蓄电池加起来，不够上海一座城市使用。

我在之前的文章，赋能美好生活！漫谈未来能源发展新形势说过，最好的储能方式就是抽水蓄能。但是，抽水蓄能在咱们国家整体有两个特点，一是数量有限，其次是分布不均。储能这个概念，从提出伊始，就困难重重。

既然储能不是一件容易的事，我们粗暴的认为电不能存储，那么电厂发多少电又是谁决定的呢？

答案是：用户侧！

也就是说，大家需要多少电，电厂在自己力所能及的范围内，就会发多少。当然，这个过程，会牵涉到很多细节，比如电网的调度等等。在我们的电力系统中，用户侧需要多少电能，电网就会调度各个发电机组发多少电。

比如发电厂A1，电网B，用户C1，当用户需要电时，电网B就会调度发电厂A1进行发电。如果用户C1不使用电了，那么电厂也就只能停产。

那么问题来了，现在用户侧多了一个用户C2，C1和C2之间每天的用电量如果发生了变化，那么发电厂A1就要实时跟踪这种变化，然后改变自己的负荷量。

我们继续引申，加入用户C3、C4、C5，然后电网中再加入电厂A2、A3、A4，那么用户侧的变化就会更加复杂，各电厂的发电负荷也会跟着发生很多变化。

但是，用户侧的变化几乎是无时无刻的，发电厂的跟踪就要及时，为了保证这种跟踪的及时，我们就引入了一次调频的作用。

所谓一次调频，是指电网的频率一旦偏离额定值时，电网中机组的控制系统就自动地控制机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定的自动控制过程。

以我们国家的电网为例，我们的电网频率是50Hz，对应的发电机转速是3000rpm（单对极），汽轮机做功=发电机功率+转速耗能+其它。当用户侧负荷增加的时候，此时电厂侧发电负荷低于用户侧负荷，为了尽量多发电，势必会降低部分转速，此时电网频率会降低。这种情况下，电网会变的不稳定，为了维持这种稳定，一次调频会作用到汽轮发电机组，增加发电负荷，使电网频率尽快拉回50Hz。

反之，当用户侧的需求减少时，发电负荷会高于需求负荷，电网频率会升高，此时一次调频会发挥作用减少发电负荷。总之，一次调频就像一位骑手，随时将电网频率这匹野马随时拉回正常轨道。

这位骑手的纠偏能力有多少，我们引入了转速不等率（也称速度不等率，调速不等率）的概念。所谓的转速不等率，就是当电网频率这匹野马跑偏的时候，骑手最大的纠偏能力，即当汽轮发电机组的负荷由100%降到最低的时候，转速最大的变化率。

比如，一台1000MW的发电机组，速度变动率为5%，当负荷甩至0时，速度最高飞升3000rpm*5%。这是针对调频的设定区间值，负荷降低100MW，那转速飞升为3000rpm*5%*（100MW/1000MW)=15rpm，此时对应的发电频率就会变为（3000+15）rpm/60s=50.25Hz。如果我们甩100%负荷，发电频率会增加2.5Hz。

所以对于转速不等率5%而言，转速最大变化为-150rpm~150rpm，对应的频率为47.25Hz~52.5Hz。而对于这台1000MW的机组，每rpm对应的负荷变化率为[1/（3000rpm*5%）]*1000MW=6.67MW/rpm。

既然骑手拥有了相应转速不等率调频的能力，那么是不是可以再这个能力范围内为所欲为呢？首先可以清楚的是，每台机组都有高低负荷限值，机组的出力不可能超过这个限值。此外，一次调频还设计了死区的概念。

如果高低负荷限值是对机组深度调节能力的一种限制，那么死区就是对微小变化的限制。前面我们说过了，电网中存在很多电厂，也存在很多用户，所以两侧负荷的变化是时刻进行的。可以说，今天你开关了一下电视，都会对电网产生变化，哪怕是极微小的。

如果发电机组对于极微小的变化都要产生反应，一次调频动作，那么机组势必会变的不稳定。因此死区的作用就是划定一个变化的范围，比如死区设置2rpm,那么对应的频率就是2/3000*50Hz=0.033Hz，即电网频率变化在±0.033范围内，一次调频不动作。

前面我们说了高低负荷限值，这个其实与一次调频没有关系，它指的是机组允许运行的最大最小负荷。不过，对于一次调频，为了维持机组稳定，我们除了死区的设置以外，我们还设计了一次调频的负荷限幅。

比如我们设置8%的负荷限幅，那么对应一台1000MW机组，折算成转速就是8%*1000/6.67rpm=12rpm。综合转速不等率、死区和限幅三个概念，那么这台机组的最终调频能力可以描述为转速±2rpm变化范围内不动作，最高动作能力为±12rpm。

理解了上述几点，我们可以继续展开。对于汽轮发电机组，设计了两套一次调频系统，即CCS侧一次调频和DEH侧一次调频（我们以单元制机组为例）。两者的作用均是为了适应电网的变化，对当前机组做出改变。不同的是，DEH侧一次调频是将这种电网频率的变化折算成调门的开度，直接作用在调门上，是一种开环的调节。这种作用方式相对比较简单，不考虑锅炉的出力，因此调节比较迅速。

CCS侧一次调频考虑的比较多，投入CCS侧一次调频时首先要保证机组一次调频投入，负荷到了一定的范围，我们往往要求负荷在50%以上。很多机组的设计理念是，一旦CCS投入，那么CCS一次调频按钮也会自动投入。其次，CCS一次调频是闭环调节，当调频指令发出后，AGC指令与一次调频指令叠加，经过一定的处理，包括限幅、变化率等，作用到锅炉主控制器和汽机主控制器。当控制器的反馈与指令无偏差后，调节结束。

因为经过的环节比较多，因此CCS侧一次调频会相对较慢，但对于维持机组的稳定会更有优势。不过，在后来的工作中我注意到一些机组往往只投入DEH侧一次调频，对于CCS侧一次调频往往处在解除状态。虽然在整个电网中，单台机组的调频能力对于整个电网的影响微乎其微，但是从精细化管理的角度，两侧一次调频的正常投入，可以在一定程度上保障机组的安全稳定运行。

这里还需要补充的一点是，很多小机组或者是新能源机组要不要投入一次调频的问题。上段我也说了对于大的电网来说，即便是百万机组，单台对电网的影响都是很小的，因此装机更小的机组启的作用更有限。但是，我们的电网是有每个个体组合而来，因此每台机组保证调频能力是很有必要的。此外，很多地区也会对接入机组进行要求。

一次调频是机组协调控制和DEH控制的重要组成部分，一般情况下我们把转速不等率设计为3%~5%,死区设计为2rpm，负荷限幅往往不会高于8%。我还注意到部分机组的转速不等率设计为了动态变化的模式，也就是频差变化与转速不等率存在动态对应。

回到文章开始，一次调频是为了应对电网负荷的变化，而储能可以更好的稳定电网的运行。假如电网中存在足够量的储能，那么发电厂一次调频的需求就会逐步减小。发展储能不仅可以保障生产生活，对于电网和发电厂而言，也尤其重要！

2023年2月10日夜于扬州