火電廠功率低頻振蕩的預(yù)防與解除研究

張建輝，劉友寬，阮玖圣，李曉嬌，高東磊

(1.云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650217;2.華北電力大學(xué) 控制與計算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

近年來，隨著高放大倍數(shù)快速勵磁的廣泛采用，電網(wǎng)的運行趨于穩(wěn)定極限，由此產(chǎn)生的低頻振蕩將會造成電力系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。例如:在西南、華北、東北等電力系統(tǒng)中，多次記錄到電力系統(tǒng)低頻振蕩，甚至在很多時候危及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1]。電力系統(tǒng)是由電網(wǎng)和電廠構(gòu)成的整體，電廠鍋爐的動態(tài)特性和汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直接影響發(fā)電機(jī)的出力，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。目前研究低頻振蕩往往局限在電網(wǎng)層面，是假定電廠出力不變來孤立地研究電氣系統(tǒng)。但是發(fā)電廠的出力是時刻變化的，如果汽輪機(jī)系統(tǒng)的蒸汽壓力長時間脈動，當(dāng)脈動頻率達(dá)到電力系統(tǒng)的固有頻率時，則將產(chǎn)生大幅的低頻振蕩，誘使保護(hù)誤動作，危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。文獻(xiàn)[2～3]指出，擾動源可能存在于汽輪機(jī)環(huán)節(jié)中，控制閥和主蒸汽壓力如果發(fā)生周期性的波動，有可能會導(dǎo)致汽輪機(jī)輸出功率發(fā)生同頻率波動，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生大幅度的強(qiáng)迫功率振蕩，誘使保護(hù)誤動作，危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

本文從理論角度分析了火電廠原動機(jī)側(cè)存在的幾種振蕩源;針對存在的這兩種振蕩源，分別提出了閥門非線性校正和考慮主汽壓力擾動的功率適應(yīng)控制這兩種方案來預(yù)防功率振蕩[4];并且在云南巡檢司電廠MAXDNA的DCS控制系統(tǒng)上對上述方案的正確性與可行性進(jìn)行了現(xiàn)場試驗驗證。另外，本文還在DCS系統(tǒng)上編制功率振蕩判據(jù)程序，用來實時地監(jiān)測汽輪機(jī)實發(fā)功率和功率設(shè)定值信號，當(dāng)機(jī)組功率發(fā)生低頻振蕩時可以及時地發(fā)出報警信號并切斷機(jī)組功率閉環(huán)控制，進(jìn)而快速消除振蕩。

1 高調(diào)門的非線性校正

1.1 研究背景

在巡檢司進(jìn)行的閥門試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)組運行在單閥方式下時，實際流量、跟蹤流量指令的線性度較好;但順閥方式下，實際流量與流量指令存在著很大的偏差，這說明需要對順閥工作模式下的流量指令分配程序進(jìn)行線性化優(yōu)化，從而保證閥門管理的流量指令與汽輪機(jī)實際流量輸出具有較好的線性度。

1.2 配汽原理

流量指令可在機(jī)組負(fù)荷控制時手動給定或由功率調(diào)節(jié)器運算產(chǎn)生。流量背壓修正函數(shù)F(X1)是機(jī)組流量需求與流量指令的修正函數(shù)[5]。由汽輪機(jī)的自身特性所決定，流量比例偏置 (K+B)和GV流量修正函數(shù)F(X2)確定各高壓調(diào)節(jié)門在順序閥控制方式下，調(diào)門的開啟順序、重疊度及流量指令。單閥方式下，流量指令均分至4只高壓調(diào)節(jié)閥上;順序閥運行時，汽輪機(jī)的流量指令 (FDEM)經(jīng)過背壓修正、比例偏置修正、GV流量修正、GV流量開度函數(shù)修正后，產(chǎn)生各個GV的開度指令。配汽過程如圖1所示。

圖1 閥門管理程序

1.3 配汽曲線的辨識與校正

將圖1所示的配汽過程當(dāng)做“黑箱”，其輸入為流量指令X，輸出為4個高調(diào)門的開度Y。試驗過程分別在單閥和順閥方式下進(jìn)行，由熱控人員從0給定流量指令X，以遞增方式強(qiáng)制至100，并記錄4個高調(diào)門的閥位反饋Y。試驗數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 閥門數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)

將表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到單閥、順閥方式下的配汽曲線，如圖2所示。

前文已經(jīng)提到，單閥的配汽程序不需要優(yōu)化，順閥的配汽程序需要優(yōu)化，具體的優(yōu)化過程如下所示。

圖2 單閥/順閥配汽曲線

流量指令X按如下方式分配，形成4個高壓調(diào)節(jié)閥的流量指令Xi(0≤Xi≤100，i=1，2，3，4):

流量指令Xi經(jīng)過閥門開度流量修正曲線F(X3)(圖2左圖的單閥配汽曲線)后得到順閥方式下4個閥門的開度指令Yi。

單、順閥切換過程中的閥門開度指令Yi計算過程如下:

流量指令X同時送到單閥控制回路和順序閥控制回路，兩個回路都進(jìn)行計算，分別得到純單閥和純順閥方式下的閥門開度指令Yi單和Yi順。

經(jīng)過上述的配汽程序優(yōu)化后，順閥方式下的新的配汽曲線辨識結(jié)果如圖3所示。

圖3 非線性校正后的閥門配汽曲線辨識

1.4 現(xiàn)場應(yīng)用

云南巡檢司電廠采用的是兩臺300 MW循環(huán)流化床鍋爐，其DCS平臺為上自儀的MAXDNA控制系統(tǒng)。試驗過程在其控制系統(tǒng)上進(jìn)行，對閥門工作在不同模式下進(jìn)行上述方案的驗證，如圖4～7所示。試驗結(jié)果表明，對閥門原有的閥門配汽程序進(jìn)行線性優(yōu)化之后，主蒸汽流量跟蹤流量指令的效果很好，實現(xiàn)了流量指令與實際流量的線性化，進(jìn)而避免了負(fù)荷波動。試驗結(jié)果如圖6～7所示 (流量指令用流量參考值表示，實際流量用線性化綜合閥位來表示)。

圖5 單切順 (優(yōu)化前)

圖6 順閥 (優(yōu)化前)

圖7 順閥 (優(yōu)化后)

試驗結(jié)果分析:

(1)單閥的綜合閥位指令變化與閥位線性化高度一致，如圖4所示。

(2)在原DEH算法下，單閥切換為順序閥時，功率產(chǎn)生較大擾動，如圖5所示。

(3)在原DEH算法下，順序閥方式時，流量參考值與線性化綜合閥位存在偏差，如圖6所示。

(4)原DEH算法優(yōu)化后，順序閥方式時，流量參考值Y與線性化綜合閥位高度一致，如圖7所示。

2 考慮主蒸汽壓力擾動的功率自適應(yīng)PID控制

2.1 主汽壓對機(jī)組功率的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[6～7]可知，對于凝汽式中間再熱汽輪機(jī)組，主蒸汽壓力變化引起的機(jī)組功率的相對變化量的計算式為:

式中:P0為主汽壓MPA;Pi為功率，MW;v0為主蒸汽比容，m3/kg;Pgp為高壓缸排氣壓力，MPA;K為過熱絕熱指數(shù)，對于過熱蒸汽有K=1.3;Pz為排汽壓力，MPa。

為了定量地獲得由主蒸汽壓力變化引起的機(jī)組功率的變化相對量，這里假定機(jī)組的額定功率為330 MW且工作在90%額定工況下，其中間量的近似取值:P0為16.6MPa;Pgp為3.7MPa;Pz為0.009MPa

將上述取值代入到式 (3)中，就可以得到330 MW機(jī)組工作在90%額定工況下及運行在300 MW時，由主蒸汽壓力變化引起的機(jī)組功率的變化相對量，公式如下:

因為ΔPi=300-Pi，ΔP0=16.6-P0，所以可以簡為:

至此，近似得到了330 MW機(jī)組工作在90%額定工況下，主汽壓和實發(fā)功率的單值對應(yīng)關(guān)系，如式 (5)所示。

2.2 考慮主汽壓力擾動的功率自適應(yīng)PID建模仿真

為了驗證功率自適應(yīng)PID控制能否有效抑制主汽壓力擾動對功率的影響，首先在Matlab/Simulink軟件里對汽輪機(jī)功率控制回路建立整體模型，并且將對功率影響較大的主汽壓力因子按照式 (5)加入到控制回路里，同時在常規(guī)PID控制回路的基礎(chǔ)上添加PID參數(shù)自適應(yīng)控制策略，于是得到了一個考慮主汽壓力擾動的功率自適應(yīng)PID控制回路模型 (如圖8所示)。

圖8 基于PID參數(shù)自適應(yīng)控制的汽輪機(jī)功率控制回路模型

由于此模型考慮了主汽壓力擾動因子，所以在仿真中可以進(jìn)行主汽壓力擾動下的功率常規(guī)PID控制和PID自適應(yīng)控制兩種控制方案的調(diào)節(jié)效果對比分析，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 PID參數(shù)自適應(yīng)控制下的功率輸出

從圖9可以看出，當(dāng)300～500 s之間存在主汽壓擾動時，功率輸出趨于穩(wěn)定，并沒有產(chǎn)生大的幅值變化。經(jīng)過放大圖片后可以發(fā)現(xiàn)，幅值在295～302 MW之間連續(xù)變化，上下幅值差只有7 MW，比常規(guī)PID控制時的70 MW的幅值波動小了很多，回路的抗干擾能力大大增加，功率輸出平穩(wěn)，機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性顯著增強(qiáng)。

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

試驗之前，首先在DCS控制系統(tǒng)中將常規(guī)的功率調(diào)節(jié)PID替換為PID參數(shù)自適應(yīng)控制器。改進(jìn)后的控制器可以實時地檢測主汽壓力的變化情況，從而進(jìn)行自身參數(shù)的調(diào)整改變，最終使功率輸出平穩(wěn)。試驗過程在單閥方式運行，由運行人員將ADS目標(biāo)負(fù)荷從270 MW降至120 MW，滑壓方式下主汽壓力從16.7 MPa降至7.14 MPa，伴隨著主汽壓力的大幅擾動，觀察功率的輸出情況，如圖10所示。

圖10 自適應(yīng)PID控制下的功率輸出

將功率自適應(yīng)PID控制器還原為原有常規(guī)的PID控制器后，進(jìn)行單閥方式下的升負(fù)荷試驗，試驗過程與上述降負(fù)荷過程相反，同理，伴隨著主汽壓力的大幅擾動觀察功率的輸出情況，如圖11所示。

圖11 常規(guī)PID控制下的功率輸出

試驗結(jié)果表明，常規(guī)PID控制下的升負(fù)荷試驗中，功率發(fā)生振蕩，振蕩周期為2.75 s，幅值波動為-43～36 MW。而功率自適應(yīng)PID控制能夠抑制主汽壓力擾動對功率的影響，保證功率輸出平穩(wěn)。

3 功率振蕩判據(jù)

3.1 算法原理

首先，周期性地檢測實發(fā)功率P和功率設(shè)定值 P_set的最大最小值 P_max，P_min，P_set_max，P_set_min，用特征值Y表示方法為:Y=(P_max-P_min)-(P_set_max-P_set_min)，門檻值記為X(具體數(shù)值由熱控人員設(shè)定)。如果檢測周期內(nèi)Y≥X，則觸發(fā)計數(shù)器的置位端，計數(shù)器輸出1，否則觸發(fā)復(fù)位端，計數(shù)器輸出置0。如果連續(xù)3個周期滿足Y≥X，則計數(shù)器輸出累加到3，程序判斷為功率發(fā)生振蕩，此時由程序輸出保護(hù)動作信號，切除相應(yīng)的機(jī)組功率控制回路，快速消除振蕩。算法原理圖如圖12所示。

圖12 功率振蕩判據(jù)原理

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

按照上述算法原理，在巡檢司電廠MAXDNA的DCS控制系統(tǒng)上編程組態(tài)，完成振蕩判據(jù)的DCS實現(xiàn)。為防止程序漏報或誤報，組態(tài)過程中編制了兩套程序，一套用于小周期檢測，一套用于大周期檢測，當(dāng)其中任何一套程序輸出報警時，程序則判斷出現(xiàn)了功率振蕩;當(dāng)兩套程序均未輸出報警時，程序則判斷功率未發(fā)生振蕩。試驗過程和結(jié)果如下。

加入功率自適應(yīng)PID控制，功率測量回路的濾波時間常數(shù)設(shè)置為6 s。通過不斷地改變功率PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)KP，使實發(fā)功率發(fā)生臨界等幅振蕩，期間功率設(shè)定值恒定不變。判據(jù)的實現(xiàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 功率設(shè)定值恒定時的功率振蕩判據(jù)實現(xiàn)

強(qiáng)制轉(zhuǎn)速偏差信號1轉(zhuǎn)和11轉(zhuǎn)數(shù)十次，模擬多次一次調(diào)頻動作幅度為±18 MW的振蕩，觀察功率輸出是否較好的跟蹤設(shè)定值的變化。實現(xiàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 功率設(shè)定值變化時的功率振蕩判據(jù)實現(xiàn)

從圖13可以看出，振蕩判據(jù)程序能及時地檢測出功率發(fā)生振蕩，輸出報警信號;從圖14可以看出，當(dāng)添加一次調(diào)頻動作，功率設(shè)定值發(fā)生±18 MW振蕩時，功率能夠較好地跟隨設(shè)定值的變化，判據(jù)未發(fā)出報警信號。綜上所述，試驗證明了振蕩判據(jù)的有效性與可靠性。

4 結(jié)論

針對近些年火電廠多次發(fā)生的低頻功率振蕩現(xiàn)象，本文從電廠原動機(jī)側(cè)找到了可能引發(fā)電網(wǎng)發(fā)生低頻功率振蕩的兩種擾動源，分別是閥門非線性和主蒸汽壓力的周期性脈動;在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了閥門非線性校正和功率的自適應(yīng)PID控制的研究，從而有效地降低了功率發(fā)生低頻振蕩的概率。當(dāng)預(yù)防措施失效，功率最終還是發(fā)生低頻振蕩時，為了解除振蕩，本文編制了功率振蕩判據(jù)，以實時地檢測功率變化情況;當(dāng)功率發(fā)生低頻振蕩時及時地輸出報警信號，切斷汽輪機(jī)功率控制回路，快速消除振蕩。經(jīng)過現(xiàn)場的多次試驗驗證，本文中提到的方案具備可行性，在功率低頻振蕩的研究中具有一定的指導(dǎo)意義。

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