吕爱国，陈卫华，黄伟军

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

核电厂调频实现方案研究

吕爱国，陈卫华，黄伟军

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

频率是发电厂的一个重要运行参数，但是在发电领域，对于一次调频与二次调频的概念却有不同的理解。澄清了机组调频的概念，介绍了一次调频与二次调频的物理意义。分析了目前世界上主流汽轮发电机组的调频控制方案，对其优缺点进行了定性分析。对今后汽轮发电机厂优化设计以及运行人员操作机组具有借鉴意义。

一次调频；二次调频；核电厂；汽轮发电机组；功率控制；频率控制

0 引 言

频率是电网的重要运行参数之一。为提高电网运行的稳定性，提高电网负荷变化时的频率响应能力，保持系统的频率在允许范围内，有必要对发电机组的调频功能进行分析。由于核电机组特有的安全性，再加上系统复杂、建设周期长、投资大等特点，研究核电机组的调频功能，对电网的稳定性，意义更为重大[1]。

频率调整，又称频率控制，是电网维持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保证电网的频率稳定[2-3]。按照调整范围和调节能力的不同，频率调整可分为一次调频、二次调频和三次调频。

一次调频是指当系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自动反应，由发电机组调速系统改变汽轮机调节阀的开度的调节过程，调整有功出力以维持电力系统频率稳定。一次调频的特点是响应速度快，直接改变蒸汽需求量的大小，但是只能做到有差控制[4]。

二次调频是指发电机组提供足够的可调整容量及一定的调节速率，在允许的调节偏差下实时跟踪频率，以满足系统频率稳定的要求。需要运行人员手动或者自动操作调速器，使发电机的频率特性平行地上下移动，进而调整负荷，使频率保持不变。二次调频直接改变发电机组的功率设定值，进而引起反应堆功率的变化。二次调频可以做到频率的无差调节。

三次调频即有功功率经济分配，其实质是完成在线经济调度，其目的是在满足电力系统频率稳定和系统安全的前提下合理利用能源和设备，以最低的发电成本或费用获得更多的、优质的电能[5]。

本文将根据核电机组的特性，分析一次调频与二次调频功能在核电厂的实现方案，并分析其优缺点，三次调频不作分析。

1 电网频率控制特性

要确定电力系统的负荷变化引起的频率变化，需要同时考虑负荷及汽轮发电机组的频率特性[6-8]。图1所示表示电力系统综合的功率-频率静态特性。负荷的频率特性是指电力系统全部有功负荷与频率的关系，如曲线L1或L2所示，负荷随频率上升而上升。汽轮发电机组的频率特性是电力系统全部发电有功功率与频率的关系，如曲线G0、G1或G2所示，发电有功功率随频率下降而增加。

用电负荷与发电功率平衡时，负荷特性曲线L1与发电特性曲线G0相交于a点，整个系统频率为f0=50 Hz，发电功率(负荷功率)为P0。当电网出现扰动时，如电力负荷增加，负荷特性曲线从L1变化到L2，汽轮发电机组的特性曲线仍为G0，由曲线L2与G0共同作用，使电网的稳态运行点由a移至b，此时系统频率下降Δf1。这就是电网自然频率特性。

如果电网中的汽轮发电机组根据电网频率，改变发电机出力，如图1所示，使并网汽轮发电机组在电网频率下降时，增加出力，上升时，减小出力，则汽轮发电机组的这种调节作用称为一次调频。在一次调频的作用下，发电特性曲线变为G1。当电网负荷从L1增加到L2的同样扰动时，汽轮发电机组的特性曲线G1与负荷特性曲线L2共同作用，使电网的稳态运行点由a移至c，此时系统频率下降Δf2。可见，在一次调频作用下，电网频率变化的幅度由Δf1下降到Δf2，因此，汽轮发电机组的一次调频作用能有效减少电网出现扰动时的频率变化幅度。

如果改变汽轮发电机组的功率，即改变汽轮发电机组的特性曲线，使G1平移到G2，这一调节作用称为二次调频。这时G2可以与L2相交于d点，电网的频率可以恢复到f0=50 Hz。

图1 电网频率控制的静态特性

在电网出现扰动时，电网的频率会快速发生变化，此时的电网频率变化过程主要取决于负荷和汽轮发电机组的频率特性，如图1所示，负荷从L1变化到L2时，电网频率快速由a点向b点变化，在汽轮发电机组一次调频作用下，电网频率回到c点，最后在二次调频作用下，恢复到d点，即f0(50 Hz)。

2 Alstom核电机组控制方案

Alstom设计的汽轮发电机组在核电厂的调频功能是在汽轮机调节系统中实现的。该系统通过调节汽轮机调节阀的进汽量对机组实施功率控制、频率控制、压力控制和应力控制等，使机组可以安全和经济地运行于各种工况，满足供电的质量要求。

由于调频功能与功率控制密不可分，因此本文仅讨论调频控制回路与功率控制回路，其原理如图2所示。

图2 Alstom机组调频原理图

从图2可以看出，Alstom的方案分为两个回路。一个转速控制回路，一个负荷控制回路。转速控制回路的设定值nset是1 500 r/min或3 000 r/min (因机组而异)，测量值nm是汽轮机的实际转速。转速偏差如果累加在负荷定值中，则参与二次调频，累加在蒸汽需求中，则参与一次调频。

负荷控制回路中，功率设定值Pset是由操纵员给定的，功率测量值Pm是发电机的实际功率，该回路构成了一个负反馈。

为防止发电机机组在电网频率微小波动时，汽轮机调节阀频繁动作，控制回路中设置了死区，二次调频死区在“Dead Band”中进行设置，两个回路通过计算，最终形成了蒸汽需求，转化为调开阀的开度信号，从而控制调节阀的开度。

优点：一次调频、二次调频功能比较清晰，投切方便。

缺点：由于一次调频的信号值不是设定转速与实测转速的偏差，而是实测转速与调节系统上一时刻的转速偏差，因此对于一次调频分量来说，控制上精度比较低。

3 Siemens核电机组控制方案

Siemens设计的汽轮发电机组在核电厂的调频功能是在汽轮机调节系统中实现的。该系统通过调节汽轮机调节阀的进汽量对机组实施功率控制、速度控制，使机组可以安全和经济地运行于各种工况，满足供电的质量要求。如图3所示。

图3 Siemens机组调频原理图

从图3看出，Siemens与Alstom的方案基本相同，也分为一个转速控制回路，一个负荷控制回路。相同部分不再重述。其不同点是，一次调频与二次调频可以分别设置死区，另外，一次调频分量的信号值是设定值与转速实测值的偏差，因此该方案在频率控制上精度比较高。

优点：一次调频、二次调频功能比较清晰，投切方便。一次调频精度相对较高。负荷控制回路为了使系统响应迅速，在回路中增加了一个前馈环节，增加了系统的响应速度。

4 Mitsubishi核电机组控制方案

Mitsubishi设计的汽轮发电机组在核电厂的调频功能是在汽轮机调节系统中实现的。该系统通过调节汽轮机调节阀的进汽量对机组实施功率控制、速度控制，使机组可以安全和经济地运行于各种工况，满足供电的质量要求。如图4所示。

图4 Mitsubishi机组调频原理图

虽然Mitsubishi与Siemens、Alstom的方案相比，也分为一个转速控制回路，一个负荷控制回路，但由于转速偏差(频率偏差)并没有直接引入的负荷控制回路中，因此Mitsubishi汽轮发电机组的控制方案有其独特之处。下面进行详细介绍。

图5 G模式

图6 P模式

Mitsubishi控制方案在设计上分为两种工作模式，即调节器模式与负荷限制器模式。其中，调节器模式，即转速回路控制，简称G模式，负荷限制器模式，即负荷回路控制，简称P模式。在原理图中，以小选器为界，第一个输入回路为G模式，第二个回路为P模式。这两种模式可以根据网频的大小互相无扰切换。为做到无扰切换，这两种控制模式具有自动跟踪对方功能，即这两种控制模式的设定值可以互相跟踪对方的设定值和跟踪带宽D的和，如图5、图6所示。P模式控制的阀位指令和G模式控制的阀位指令始终做“小选”逻辑，通过选择最小阀位输出指令来完成工作模式的切换，如图4所示。

机组在运行时，G模式与P模式同时投入，但初始状态需由操纵员选定，两个模式的定值相互跟踪，以便可以实现无扰切换。

如图5所示，机组运行在G模式，此时P模式的定值P2需在G模式的定值基础之上P1增加D，即P2=P1+D。从图中可以看出，在“de”的区间段内，频率可调。即机组参与调频。

如图6所示，机组运行在P模式，此时G模式的定值P2需在P模式定值的基础之上P1增加D，即P2=P1+D。从图中可以看出，在“Ob”的区间段内，频率不可调，即机组不参与调频。

从原理图中看出，当采取G模式运行时，机组参与调频，但没有死区限制，而采取P模式运行时，机组不参与调频。

但由于该设计采取了相互跟踪的策略，并且在控制回路中设置了小选模块，当机组由P模式控制运行时，一旦频率超过b点，G模式的限值起作用，相当于调频投入，而在b点之前，没有调频，相当于调频死区。这样该方案也巧妙地实现了调频作用。由于该方案调频分量直接增加在蒸汽需求上，因此可以称为一次调频。

由于跟踪宽度D可以调整，改变D的值，频率死区便可以调整。

优点：调频控制通过算法与运行模式，巧妙地运用在一起，调频功能简洁明了。

缺点：如果仅采用负荷控制模式即P模式运行，系统没有调频功能；由于负荷回路中没有引入频率偏差，导致缺少二次调频，对电网响应不利；如果采用G模式，负荷控制无法引入。

5 结束语

根据以上分析，Siemens的调频控制方案简洁明了，易于设计人员与运行人员理解，该方案在核电厂实际运行中，控制指标均正常。Alstom方案在核电厂运行中，也运行良好。而Mitsubihsi方案，由于在国内核电机组中，还没有运行业绩，其控制效果，还有待于运行考验。

文中对Alstom，Siemens，Mitsubishi三个主流厂家调频方案优缺点的对比结果，希望对今后厂家优化控制回路设计、指导运行人员更好地操作机组起到一定的借鉴意义。

[1] 展晓磊，吕爱国，王旭峰. 核电厂机组频率控制实现方案研究[J]. 核科学与工程，2011,31(增2)：63-67.

[2] 高翔. 现代电网频率控制应用技术[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

[3] 张斌. 自动发电控制及一次调频控制系统[M]. 北京：中国电力出版社，2005.

[4] 李阳坡，龙云，王坚. 南方电网发电机组一次调频性能评价方法分析与改进[J] 南方电网技术，2010,4(增1)：28-31.

[5] 赵旋宇，李鹏，汪皓. 南方电网调频模式研究[J]. 南方电网技术 2010,4(3)：28-32.

[6] 张瑛，赵芳，李全意. 电力系统自动装置[M] 北京：中国电力出版社，2006.

[7] 李先彬. 电力系统自动化[M] 北京：中国电力出版社，2007.

[8] 何常胜，董鸿魁，翟鹏. 水电机组一次调频与AGC典型控制策略的工程分析及优化[J]. 电力系统自动化，2015，31(3)：146-151.

Implementation Study on Frequency Modulation in Nuclear Power Plant

Lyu Aiguo, Chen Weihua, Huang Weijun

(China Nuclear Power Design Co., Ltd., (Shen Zhen), Shenzhen Guangdong 518172,China)

Frequency is an important operating parameter of the power plant, but in the field of power generation there is a different comprehension for primary FM and secondary FM. This paper clarifies the FM concept and gives an introduction on the physical meaning of primary FM & secondary FM. It also presents an analysis of the FM control schemes currently adopted by the world's major turbine generators with a qualitative analysis of its advantages and disadvantages in an attempt to provide a reference for future optimum design of designing of turbo generator plant and for unit operators.

primary FM ；secondary FM ；nuclear power plant ；turbogenerator set ；power control ；frequency control

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.027

TM764.2

A

1000-3886(2016)05-0086-03

吕爱国(1972-)，男，山东人，硕士生，高级工程师，主要从事核电厂仪控设计研究。

定稿日期: 2016-04-20