陈昭　黄启昆

摘 要：本文介绍了三菱M701F4燃气轮机组一次调频控制系统现状，并着重阐述了一次调频在线测试系统改造的设计、功能、实现过程、操作方式以及静态试验和各个负荷段下的动态试验过程。结果表明，本次改造能有效实现三菱M701F4燃气轮机组的一次调频在线测试功能，使电网实时掌握发电机组的一次调频性能，符合设计要求，更好地保障了电网安全，对燃气轮机组，特别是同类型联合循环机组的一次調频测试、改进或优化等工作具有较大的参考意义。

关键词：燃气轮机;一次调频;静态试验;动态试验

中图分类号：TM611.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）31-0040-03

Transformation of Primary Frequency Modulation Test Function

of M701F4 Gas Turbine Unit

CHEN Zhao HUANG Qikun

（Hangzhou Huadian Jiangdong Thermal Power Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000）

Abstract： This paper introduces the current situation of primary frequency regulation control system of Mitsubishi M701f4 gas turbine unit， and focuses on the design， function， implementation process， operation mode， static test and dynamic test process under each load section. The results show that this transformation can effectively realize the primary frequency modulation on-line test function of Mitsubishi M701f4 gas turbine unit， make the power grid master the primary frequency modulation performance of generator unit in real time， meet the design requirements， and better ensure the safety of power grid The work of improvement or optimization has great reference significance.

Keywords： gas turbine;primary frequency modulation;static test;dynamic test

电网频率变动范围是电力质量三个指标中最重要的指标，关系着国家经济发展全局[1]。随着我国电网特高压建设的不断推进，直流闭锁故障时有发生，一旦发生闭锁故障，受端电网输入功率严重缺失，将会给电网运行带来巨大冲击[2]，使电网频率出现较大波动。而处在本地电网的发电厂侧，参与调节电网频率最快、最直接的手段是发电机组的一次调频。因此，一次调频直接关系到电网对频率突变工况的调节能力。为了提高调节能力、迅速克服频率波动，保证各发电机组的一次调频性能就显得尤为重要。基于此，各发电厂逐步开展了一次调频测试功能改造，使电网调度具备对并网机组一次调频性能开展实时测试的能力。某电厂机组为日本三菱M701F4型燃气轮机组，作为电网统一部署改造工作中的首批燃气轮机组，实施了一次调频控制系统的改造，并开展了相关试验。结果表明，改造效果及机组一次调频功能符合设计要求。

1 机组一次调频控制现状

1.1 机组控制模式

根据三菱设计，机组在稳定负荷区间运行时，可通过功率控制（Load Limit）或转速控制（Governor）方式对机组负荷进行控制，转速控制为有差调节，功率控制为无差调节[3]，负荷控制模式是与转速控制模式互斥的模式[4]，转速控制的负荷响应速率远大于功率控制，满足电网对机组一次调频性能的要求。而当叶片通道温度（Blade Passage Temperature，BPT）或燃机排气温度（Exhaust Gas Temperature，EXT）超过温控基准线时，机组会自动进入温控模式。M701F机组温度控制模式分为叶片通道温度控制和排气温度控制两种，用于防止过高的透平进气温度[5]。当机组进入温控模式后，机组升负荷被限制，降负荷也需要先待温度缓慢下降至温控线以下、燃机脱离温控模式后才能下降，过程比较缓慢，无法满足一次调频性能要求。因此，为满足电网对一次调频性能的要求，一般将机组置于转速控制模式下运行。

1.2 一次调频回路

机组的主要控制均在三菱燃机控制系统（Turbine Control System，TCS）中实现。机组在稳定负荷区间运行时，汽机各主汽调门始终处于全开位，不参与机组负荷的调节。因此，一次调频功能就是依靠燃机的负荷调节能力来实现的。控制中，在机组负荷指令（Unit Load Command，CSO）上直接叠加一次调频负荷增量，相加后通过机组主控回路分别作用于各燃气调阀。当机组处于转速控制模式时，机组主控能迅速调整燃料量，使机组负荷快速响应，从而达到设计的调频能力。

一次调频控制的相关参数设置在燃机控制系统，在机组基建调试或检修改造结束后，将进行一次调频试验。试验报告上报电网，电网将依据报告判断机组性能是否符合要求。但在正常生产中，若机组的一次调频参数或性能出现变动，电网就无法及时掌握机组一次调频的实际状况，增加电网整体调频能力的不确定性。因此，本次改造旨在实现一次调频性能的在线测试功能，使电网调度能实时掌握机组的调频能力，更好地保障电网安全。

2 机组一次调频改造

2.1 硬件通道改造

电网与机组控制之间新增的各个信号，先通过电厂侧的机组测控装置，再通过硬接线的方式接入燃机控制系统中。

新增电网调度至机组控制的信号有一次调频进入/退出测试指令（开关量）、测试扰动频率（模拟量）等。新增机组控制至调度的信号为一次调频测试允许信号（开关量）、一次调频进入/退出测试返回（开关量）、机组有功功率（模拟量）、测试扰动频率返回值（模拟量）、一次调频负荷变动指令（模拟量）等。另外，燃机控制系统与分散控制系统（Distributed Control System，DCS）之间用于监视、操作而新增的信号有一次调频进入/退出测试、允许测试人工投退、一次调频动作报警、测试扰动频率等。

2.2 逻辑控制改造

2.2.1 新增测试回路。原设计的一次调频回路中，由实测转速转换频率与50 Hz计算得出的频差经过一次调频特性函数计算后直接叠加在机组负荷指令上再作用于机组CSO回路。此次改造是在实测频差进入一次调频特性函数之前，增加一个选择模块，由调度来的一次调频测试状态信号和加入机组综合判断后的信号进行选择。在测试模式下，进入一次调频特性函数的实测频差将切换至调度来的测试频差，以此实现对运行机组一次调频特性函数及机组调频性能的实时验证。另外，测试频差进入主回路前还需要经过量程转换及限幅函数的转换限制。改造后的控制逻辑如图1所示。

2.2.2 允许、闭锁及报警。当机组处于某些特殊工况时，若进行一次调频扰动测试，将影响机组的安全稳定，因此设计机组综合判断条件具体包括设置转速故障、手动退出、测试扰动频率信号质量、机组负荷不在50%～100%额定负荷等条件。测试过程中，若出现判断条件中的任一情况，则自动退出测试模式并报警。在测试开始前，若判断条件中任一触发或机组处于温控模式，控制系统将闭锁测试回路投入且将“一次调频测试允许信号（开关量）”自动置0，电网调度收到该信号状态则无法投入测试，避免机组在不正常状态时进行试验。

此外，手动退出按钮设置在操作员站画面中，若操作员发现机组出现异常，则不宜开展测试或继续进行测试，可操作手动退出按钮。手动退出状态下，系统将闭锁测试投入或自动撤出测试状态，并将允许信号0位送至调度。

3 一次调频测试试验

3.1 静态试验

静态测试在机组停运状态下进行。试验开始前，对系统回路及参数进行检查。用信号模拟的方法确认允许条件、报警等组态的正确性。用离线和在线对照的方法检查一次调频频差死区、转速不等率、负荷调节限幅等值是否与设计值一致。

电厂对机组组态及参数检查完成后，与电网共同开展信号静态试验。电厂侧与电网调度对新增通信信号依次联调，确认状态、量程等正确，模拟量误差在允许范围内。

3.2 动态试验

当机组未投入自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）且负荷稳定在额定负荷的75%左右（370 MW）时，进行一次调频测试并做好相关记录。试验过程包括以下几个步骤：第一，机组负荷稳定运行于370 MW左右，确认未进入温控模式、未投入自动增益控制、一次调频功能投入;第二，确认机组叶片通道温度、燃机排气温度、燃料阀位、机组振动、主汽压力、主汽温度、再热汽温度等各项参数在正常范围内且保持稳定;第三，操作员投入一次调频测试允许;第四，电网调度投入机组一次调频测试;第五，调度将机组测试频差由0 Hz设置为0.067 Hz，并持续不少于1 min后复归，现场监视机组功率及其他参数响应情况，直至参数稳定;第六，依次开展±0.067 Hz、±0.100 Hz、±0.183 Hz频差在线扰动测试试验;第七，调度退出机组一次调频测试，采集相关测试数据、曲线并恢复设备状态，试验结束。

选取试验中0.183 Hz的响应曲线，如图2所示。对动态试验中±0.067 Hz、±0.100 Hz、±0.183 Hz频差的各个测试曲线、数据进行计算，结果如表1所示。

电网关于机组一次调频的响应时间要求小于3 s，一次调频稳定时间要求小于1 min，燃气轮机一次调频动作时达到90%目标负荷时间要求小于15 s。对动态试验中±0.067 Hz，±0.100 Hz、±0.183 Hz频差给定的各个测试曲线、数据开展统计分析并与电网标准比对，机组一次调频性能满足电网机组一次调频要求。

4 结语

经改造验证，机组已实现一次调频在线测试功能，改造设计符合电网要求，使电网调度能实时测试机组一次调频性能，有效掌握克服频率波动的能力，达到设计效果。分析试验曲线并对照电网要求，M701F4燃气轮机组在转速控制模式下的一次调频各项响应能力皆符合要求。

参考文献：

[1]张宝.浙江电网火电机组一次调频功能的应用[J].華东电力，2007（3）：55-59.

[2]韩冰，姚建国，於益军，等.负荷主动响应应对特高压受端电网直流闭锁故障的探讨[J].电力系统自动化，2016（18）：1-5.

[3]潘蕾.重型燃气轮机发电系统一次调频控制策略及电网调度的仿真研究[J].汽轮机技术，2003（6）：368-371.

[4]吴志方.某电厂M701DA型燃气轮机一次调频功能分析及改进[J].燃气轮机技术，2013（1）：67-72.

[5]席亚宾，李洪涛，马永光.M701F燃机控制系统分析[J].燃气轮机技术，2009（3）：21-26.