可得：
（3）
當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或汽輪發(fā)電機(jī)出口跳閘，汽輪機(jī)由帶滿負(fù)荷甩負(fù)荷到帶廠用電時(shí)，，可得，即，甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速會(huì)快速飛升，造成電網(wǎng)頻率發(fā)生較大波動(dòng)，為滿負(fù)荷，為帶廠用電負(fù)荷，為滿負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速，為帶廠用電時(shí)轉(zhuǎn)速。
進(jìn)一步研究汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子力矩平衡方程：
（4）
（5）
式中，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為轉(zhuǎn)子角速度，為汽輪機(jī)蒸汽力矩，為發(fā)電機(jī)反力矩，為汽輪機(jī)內(nèi)功率，為蒸汽流量，為汽輪機(jī)焓降，為汽輪機(jī)內(nèi)效率，為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。
前面分析，在機(jī)組甩負(fù)荷后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升，，又發(fā)電機(jī)反力矩 與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，一次調(diào)頻特性用來實(shí)現(xiàn)小網(wǎng)頻率穩(wěn)定，即，由公式（5）得，通過改變蒸汽流量（定壓模式）或者汽輪機(jī)焓降（滑壓模式）來增大蒸汽力矩實(shí)現(xiàn)。
一次調(diào)頻的原理如圖1所示。
圖1 一次調(diào)頻控制原理圖
1.2二次調(diào)頻原理
二次調(diào)頻主要是為了保證電網(wǎng)的頻率維持在恒定值，屬于動(dòng)態(tài)調(diào)頻。
一次調(diào)頻是有差調(diào)頻，不能完全消除小網(wǎng)頻率的偏差，為此，DEH系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二次調(diào)頻功能，當(dāng)出現(xiàn)小網(wǎng)運(yùn)行或快速減負(fù)荷（FCB）時(shí)，能迅速穩(wěn)定電網(wǎng)周波。所謂二次調(diào)頻過程是根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差，通過改變調(diào)頻機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的給定值，將電網(wǎng)負(fù)荷變化轉(zhuǎn)移到由調(diào)頻機(jī)組來承擔(dān)，使電網(wǎng)頻率回到額定值。
通常二次調(diào)頻是由網(wǎng)調(diào)調(diào)度來實(shí)施的，電網(wǎng)調(diào)度人員通過人工或自動(dòng)手段，控制調(diào)頻機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)給定值，完成二次調(diào)頻過程。
二次調(diào)頻采用PID控制器，其設(shè)定點(diǎn)為額定轉(zhuǎn)速3000r/min，反饋?zhàn)兞繛闄C(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速。二次調(diào)頻的輸出與當(dāng)然給定值的疊加，作為一次調(diào)頻的給定值[4]。
二次調(diào)頻的原理圖如圖2。
圖2 二次調(diào)頻控制原理圖
2 控制方案
2.1存在問題
小網(wǎng)控制一次調(diào)頻要求機(jī)組調(diào)速響應(yīng)非常迅速，汽輪機(jī)在甩負(fù)荷過程中，每秒鐘的轉(zhuǎn)速飛升量能夠達(dá)到200r以上，對(duì)于常規(guī)的DEH控制回路如圖3所示，轉(zhuǎn)速卡一般會(huì)有20ms的延時(shí)，DCS控制周期一般在200ms左右，輸出卡和伺服卡的信號(hào)傳遞也會(huì)產(chǎn)生約50ms的延時(shí)，那么整個(gè)系統(tǒng)的控制時(shí)延在270ms左右，也就是說，會(huì)產(chǎn)生54r的轉(zhuǎn)速飛升，過大的時(shí)延會(huì)嚴(yán)重降低小網(wǎng)調(diào)頻控制品質(zhì)。
圖3 常規(guī)DEH的轉(zhuǎn)速控制回路
一次調(diào)頻動(dòng)作主要是由汽輪機(jī)側(cè)完成，時(shí)間短，速度快，而汽輪機(jī)和鍋爐的響應(yīng)特性不同，鍋爐的響應(yīng)慢，鍋爐的能量信號(hào)（表示汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力，表示主蒸汽壓力，表示主汽壓力）隨汽輪機(jī)閥門開度發(fā)生劇烈變化，同時(shí)會(huì)造成鍋爐燃燒工況出現(xiàn)極大擾動(dòng)，甚至導(dǎo)致鍋爐滅火。
另一方面，甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速迅速飛升，達(dá)到原DEH系統(tǒng)中OPC動(dòng)作的設(shè)定點(diǎn)103%，從而造成OPC在3090r/min時(shí)動(dòng)作。OPC動(dòng)作后，調(diào)門全部關(guān)閉，機(jī)組出力小于小網(wǎng)上的電負(fù)荷，汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降，OPC消失，調(diào)門打開，機(jī)組負(fù)荷又迅速上升，如此反復(fù)，使得小網(wǎng)頻率反復(fù)震蕩，最終可能導(dǎo)致小網(wǎng)崩潰[5]。
2.2鍋爐側(cè)控制方案
針對(duì)小網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一次調(diào)頻會(huì)經(jīng)常動(dòng)作汽輪機(jī)閥門，導(dǎo)致鍋爐主汽壓力經(jīng)常波動(dòng)，同時(shí)主汽壓力不穩(wěn)定反過來又會(huì)影響一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)品質(zhì)。文獻(xiàn)[6]指出，一次調(diào)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(diào)頻增益明顯偏小，會(huì)出現(xiàn)一定時(shí)間之后一次調(diào)頻出力回落、偏離理想設(shè)計(jì)性能。
在鍋爐側(cè)，NT6000DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下控制方案。
（1）充分利用鍋爐蓄熱，消除機(jī)組一次調(diào)頻對(duì)鍋爐側(cè)主汽壓力等參數(shù)的影響。
（2）為了提高調(diào)頻性能，引入CCS側(cè)一次調(diào)頻邏輯，自動(dòng)調(diào)節(jié)主汽壓力。
（3）在鍋爐側(cè)主控輸入增加速率限制模塊，減小由于汽輪機(jī)閥門開度過頻變化引起的鍋爐主控指令過快變化，同時(shí)要考慮對(duì)其他工況的影響。
（4）加強(qiáng)對(duì)主要參數(shù)的監(jiān)控及調(diào)整，及時(shí)跟蹤，當(dāng)出現(xiàn)主汽壓力等參數(shù)波動(dòng)過大，超出設(shè)定限制，引入輔機(jī)故障減負(fù)荷(RB)邏輯。
2.3汽機(jī)側(cè)控制方案
針對(duì)汽機(jī)側(cè)一次調(diào)頻存在的問題，NT6000DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)了改進(jìn)后的控制策略，方案如下。
（1）優(yōu)化DEH控制邏輯。在DEH中引入小網(wǎng)運(yùn)行控制狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差超過一定范圍時(shí)，DEH自動(dòng)進(jìn)入小網(wǎng)控制狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)能夠同時(shí)適應(yīng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行的要求。用戶正常時(shí)并入大電網(wǎng)，當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)脫離大電網(wǎng)進(jìn)入小網(wǎng)控制狀態(tài)。
（2）設(shè)計(jì)快速一次調(diào)頻回路。DEH中將與一次調(diào)頻相關(guān)的轉(zhuǎn)速采樣，轉(zhuǎn)速三值優(yōu)選，一次調(diào)頻計(jì)算，調(diào)速指令輸出都設(shè)置為快速運(yùn)行，運(yùn)行周期小于50ms，轉(zhuǎn)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(diào)頻的控制速度。
（3）設(shè)計(jì)智能OPC卡。在進(jìn)入小網(wǎng)控制時(shí)，采用轉(zhuǎn)速加速度計(jì)算預(yù)估的轉(zhuǎn)速最高值，當(dāng)預(yù)估的轉(zhuǎn)速最高值高于OPC設(shè)定值時(shí)，提前動(dòng)作OPC。由于OPC動(dòng)作回路比調(diào)節(jié)閥動(dòng)作回路要快200ms左右，這種設(shè)計(jì)將大大減小轉(zhuǎn)速飛升。在進(jìn)入小網(wǎng)控制后，將103%OPC動(dòng)作值抬高。
（4）減小DEH控制周期，在NT6000DCS系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)直接接在IO總線上的伺服卡，省去了輸出卡的環(huán)節(jié)，改進(jìn)后如圖4所示，控制器的控制周期減小到50ms，轉(zhuǎn)速卡的測(cè)量時(shí)延減小到1ms，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)延在51ms內(nèi)，由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速飛升減少80%以上。
圖4 改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速控制回路
綜上所述，圖5，為改進(jìn)后的小網(wǎng)控制原理圖。
圖5 改進(jìn)后的小網(wǎng)控制原理圖
3 系統(tǒng)應(yīng)用
舟山朗熹發(fā)電有限責(zé)任公司（舟山發(fā)電廠）作為“九五”期間浙江省重點(diǎn)工程，現(xiàn)有裝機(jī)容量為260MW，是舟山電網(wǎng)主力發(fā)電廠，目前發(fā)電量占電網(wǎng)總發(fā)電量的80%以上，現(xiàn)裝有1*300MW機(jī)組，采用NT6000DCS控制系統(tǒng)，正常情況下熱電廠接入電網(wǎng)系統(tǒng)，但在故障情況下，集團(tuán)與大網(wǎng)的進(jìn)線會(huì)斷開，則要求熱電廠在故障過程中，能夠完成從并入大電網(wǎng)到脫離大電網(wǎng)進(jìn)入小網(wǎng)控制的切換，維護(hù)小網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
根據(jù)小網(wǎng)控制以及在舟山電廠實(shí)驗(yàn)的情況，NT6000DCS系統(tǒng)還進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計(jì)。
（1）優(yōu)化NT6000控制器性能。NT6000DCS控制器型號(hào)為KM940，采用PowerPC8247芯片技術(shù)，支持精簡(jiǎn)指令集（RISC），主頻400MHz，相當(dāng)于Pentinum400MHz芯片的運(yùn)算能力。在冗余狀態(tài)下以50ms的控制周期運(yùn)行，控制器負(fù)荷不超過15%。
（2）高速轉(zhuǎn)速卡設(shè)計(jì)。NT6000DCS系統(tǒng)轉(zhuǎn)速卡型號(hào)為KM523，在機(jī)組高速運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)速卡連續(xù)記錄60個(gè)脈沖的時(shí)間，通過線性回歸得出轉(zhuǎn)速值，在額定轉(zhuǎn)速3000r/min下，60個(gè)脈沖的時(shí)間為20ms，為了進(jìn)一步提高測(cè)量速度，不必等到60個(gè)脈沖全部被更新才進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，只要有一個(gè)脈沖被更新，就能得到當(dāng)前最新的60個(gè)脈沖數(shù)據(jù)，這樣計(jì)算的結(jié)果，是轉(zhuǎn)速卡中的轉(zhuǎn)速測(cè)量周期減小到1/3ms。
（3）先進(jìn)伺服卡設(shè)計(jì)。NT6000DCS的伺服卡型號(hào)為KM522，一般DCS沒有專門的伺服卡，采用第三方設(shè)備，需要通過通用的模擬量輸出卡(AO)將調(diào)門指令送到伺服卡。為了提高速度，NT6000在I/O總線上設(shè)計(jì)了伺服卡，省去了中間環(huán)節(jié)，伺服卡的控制調(diào)節(jié)周期小于15ms。
另外，NT6000DCS還采用了先進(jìn)的控制策略與靈活的組態(tài)邏輯，通過在舟山電廠經(jīng)行小島運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)，從汽輪機(jī)脫網(wǎng)，甩部分負(fù)荷以及甩全部負(fù)荷，均能在允許的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)小網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，滿足小網(wǎng)控制的要求。
4 結(jié)論
上述理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用具有快速運(yùn)算能力的NT6000控制器實(shí)現(xiàn)小網(wǎng)控制能夠取得良好的效果，并優(yōu)于其他調(diào)速方式。
基于NT6000的小網(wǎng)控制模式，邏輯設(shè)計(jì)靈活，能夠完成功能完善的小網(wǎng)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(wǎng)控制品質(zhì)的提高，而且有利于小網(wǎng)控制品質(zhì)的提高。
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