AGC模式下火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究

張龍

摘要：在本研究中我們針對火力發(fā)電廠的自動發(fā)電控制系統(tǒng)原理及其構(gòu)成進行了分析。針對電網(wǎng)負荷時段上的特殊變化能夠提出AGC機組手段協(xié)調(diào)控制的具體模式及采用不同火電模式進一步重組進行排序，利用AGC機組，能夠在負荷預(yù)測以及經(jīng)營某種計劃模式下跟蹤省內(nèi)負荷情況。AGC機組聯(lián)絡(luò)線和頻率變化，能夠為大型火電廠調(diào)節(jié)機制提供參考，通過運行結(jié)果發(fā)現(xiàn)火電廠采用協(xié)調(diào)控制架構(gòu)體系能夠從一定程度上適用于目前的電網(wǎng)現(xiàn)有的調(diào)度方式。

Abstract： In this study， we analyzed the principle and composition of an automatic power generation control system for a thermal power plant. According to the special changes in the grid load period， the specific mode of AGC unit means coordinated control can be proposed and different thermal power modes are used to sort the further reorganization. The AGC unit can be used to track the provincial load situation under load forecasting and operating a certain planning mode. The contact line and frequency change of the AGC unit can provide reference for the regulation mechanism of large thermal power plants. Through the operation results， it is found that the coordinated control architecture system of the thermal power plant can be applied to the existing dispatching mode of the current power grid to some extent.

關(guān)鍵詞：AGC;火電機組;協(xié)調(diào)控制;系統(tǒng);優(yōu)化

Key words： AGC;thermal power unit;coordinated control;system;optimization

中圖分類號：TP273;TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）35-0161-03

0? 引言

截至2018年，該地電網(wǎng)總裝機量達到118GW，AGC火電機組裝機量51GW，可調(diào)節(jié)的容量為3.1GW，燃氣機組中AGC機組容量為6.1GW，可調(diào)容量3GW。從這個數(shù)據(jù)上來看，火電機組和燃氣機組調(diào)節(jié)容量基本能夠達到平衡狀態(tài)。根據(jù)有關(guān)研究表明，以區(qū)域作為功率總調(diào)節(jié)機制控制目標(biāo)的CPS策略，目前AGC應(yīng)用策略已經(jīng)獲取良好的應(yīng)用效果。尤其對于大型火電廠來說，由于調(diào)節(jié)容量相對較大，而且調(diào)節(jié)速度快，在短期時間內(nèi)響應(yīng)較短等特點，在調(diào)節(jié)容量的條件下能夠滿足頻率以及攻略相應(yīng)的控制要求。然而處于用電高峰期時不能充分利用電、燃氣資源，AGC機組調(diào)節(jié)能力顯著降低，AGC火電機組無法進行有效控制，進一步會導(dǎo)致出現(xiàn)較多CPS不合格的問題，影響整體基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)性能，一直以來由于煤質(zhì)的困擾，對于火電機組投入比例和調(diào)節(jié)效果，相比燃氣技術(shù)來說，并不理想，無法實現(xiàn)有效的AGC調(diào)節(jié)。根據(jù)研究表明，利用短期負荷預(yù)測，開展AGC超前控制策略，其思路較好，但由于沒有考慮到火電燃氣協(xié)調(diào)控制，雖然后續(xù)研究學(xué)者提出并用火電燃氣機組聯(lián)合調(diào)整，然而，并沒有從整體去考慮，根據(jù)火電燃氣機組的特性，對目標(biāo)進行解耦，從一定程度上也影響了火電技術(shù)的調(diào)節(jié)性。從上述情況上來看，結(jié)合該地的電網(wǎng)實際發(fā)展情況，需要對現(xiàn)有的AGC機組控制策略進行有效調(diào)整，能夠利用現(xiàn)有的這一資源協(xié)調(diào)控制，使火電機組能夠快速適應(yīng)CPS的考核要求。

在本研究中針對該地電網(wǎng)負荷時段中的具體變化情況，提出適應(yīng)于火電網(wǎng)AGC機組的有效控制策略。

1? AGC協(xié)調(diào)控制材料分析

首先從短期負荷預(yù)測上來看。火電機組能夠結(jié)合短期負荷預(yù)測性能，開展超前控制策略，并能夠獲得良好的工作效果。從短期符合預(yù)測上來看，能獲得出預(yù)計所需的負荷增量，交換計劃增量等扣除。機組預(yù)測處理和最終能夠得到下一時間段內(nèi)再分配的發(fā)電偏差量，結(jié)合陡降和爬坡的急緩程度，對短期負荷預(yù)測的大小進行實時調(diào)整，最終根據(jù)調(diào)整的結(jié)果，火電機組出力能夠跟蹤該地區(qū)，負荷變動形式充分調(diào)節(jié)火電機組的可調(diào)節(jié)容量。針對電廠計劃控制來看，在處于電廠計劃控制模式下，對于同一部分機組，不同機構(gòu)可以結(jié)合其調(diào)節(jié)方向，用于考核比例分配的調(diào)節(jié)量。在本研究中將負荷增加作為研究對象，機組分配出力定義為機組損失?！?/p>

機組能夠接受的調(diào)節(jié)變化量用達到p表示，機組i所屬的計劃值變化量用Pi表示，機組能夠調(diào)節(jié)的容量用Psche表示，參與這種控制條件下的火電機組數(shù)量用n表示，參與該模式控制下，機組變化頻率較低，并且具有良好的跟蹤進度，能夠有利于機組實現(xiàn)穩(wěn)定運行。根據(jù)協(xié)調(diào)工作策略上來看，結(jié)合電網(wǎng)的負荷變化情況以及火電機組AGC資源特點，進一步提出了火電機組協(xié)調(diào)控制模式，在處于該模式下，利用系統(tǒng)相對較好的火電機組能夠用于短期負荷預(yù)測跟蹤，而對于部分基礎(chǔ)性能較差，但多數(shù)采用相對平衡的計劃值進行運行。從整體上來看，我們發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)負荷和聯(lián)絡(luò)線負荷變化具有下列特點，首先不同時間段內(nèi)負荷變化趨勢存在差異，系統(tǒng)波峰和波谷存在明顯的幅度變化。結(jié)合系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線和負荷變化情況，可以將其分為5個時間段。分別為，第一時間段，00：00～6：00是負荷平衡狀態(tài)，6：00～11：30為長時間爬坡狀態(tài)，此時系統(tǒng)的負荷處于單向增加狀態(tài)。11：30～12：40為第三時段，屬于系統(tǒng)負荷降低狀態(tài)，12：40到20：25為第四時間段。測試系統(tǒng)，負荷比較平穩(wěn)，第五時間段為20：25～24：00，此時負荷有一定程度的降低。結(jié)合上述特點，我們發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的電網(wǎng)水火電機組協(xié)調(diào)控制，采用分時間段的方式，消耗不同火電燃氣模式條件下進行重組排序，擺脫過去分擔(dān)因子分配出力的方式，進一步按照調(diào)節(jié)速度，機組容量作為分類依據(jù)，能夠?qū)⒛壳霸撾娋W(wǎng)所擁有的火電燃氣機組分別分為燃氣一組，一節(jié)燃氣二組、火電一組，一節(jié)是火電2組。其中小燃氣AGC機組設(shè)為燃氣一組，大型燃氣機組為燃氣二組，此外，其調(diào)節(jié)性能較好的火電機組為火電一組，調(diào)節(jié)性能較差的為火電二組。編排控制主要是充分利用火電機組，在短期負荷預(yù)測和計劃值模式下，用于省內(nèi)負荷跟蹤，中小型燃氣機組頻率變化以及跟蹤聯(lián)絡(luò)線變化形式，大型燃氣廠可參與這一調(diào)節(jié)過程。

2? 火電燃氣機組的協(xié)調(diào)控制實驗分析

為進一步研究燃氣和火電機組在處于協(xié)調(diào)配合狀態(tài)下的工作效果，滿足電網(wǎng)運行條件下進行一段時間內(nèi)的測試，由于第三和第四階段的控制策略是比較相似的。而第四和第一階段相似，因此在本研究中主要分析第3階段和第四階段的火電燃氣機組協(xié)調(diào)控制及相關(guān)策略，具體來看在處于第三時段時，由于第3階段屬于負荷變化的重要拐角點，因此該斷內(nèi)聯(lián)絡(luò)線呈現(xiàn)快速下降的趨勢，且由于該階段屬于單向調(diào)節(jié)，在這種控制條件下中小型燃氣機組，主要用于系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線波動功率的調(diào)節(jié)變化，而對于大型火電廠來說，在ACE偏差較大時可直接參與調(diào)節(jié)。目前該電網(wǎng)所有火電機組能夠結(jié)合短期負荷預(yù)測結(jié)果進一步參與機組的集群控制。比如對兩天內(nèi)某一時間段，電廠分別采用不同的工作模式，EMS中下發(fā)調(diào)節(jié)命令曲線，根據(jù)果我們發(fā)現(xiàn)在處于AUTOS條件下，電廠調(diào)節(jié)頻率和調(diào)節(jié)幅度有顯著降低，具體來看，在沒有頻繁參與調(diào)節(jié)的條件下，變成機組出力，基本處于平衡狀態(tài)，在這一時間段內(nèi)中小型火電調(diào)節(jié)容量可滿足當(dāng)?shù)?天電網(wǎng)的調(diào)節(jié)需求，而在第3階段火電機組能夠全部運用于LDFCO模式，結(jié)合運行結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)整體火電機組調(diào)節(jié)性能較好，雖然不同電網(wǎng)出力變化對于整體火電機組有影響，但整體來看，全網(wǎng)火電機組出力在處于第三階段時能夠顯著降低，進一步緩解燃氣機組的調(diào)節(jié)壓力。從CPS曲線可以發(fā)現(xiàn)，相比原有的控制模式基本是保持一致的，我們認為主要是由于該火電機組使用的燃煤煤質(zhì)不好，因此調(diào)節(jié)范圍和響應(yīng)速度都受到一定限制，在整個網(wǎng)內(nèi)負荷下降是比較快的，因為中小型燃氣在調(diào)節(jié)上，能夠滿足系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線的變化，但燃氣集群調(diào)節(jié)速度政策不齊，進一步會影響整體的燃氣調(diào)節(jié)速率。從第四時段的控制時間上來看，在整個第4時間段內(nèi)負荷曲線逐漸呈現(xiàn)緩慢爬坡狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制，重組排序結(jié)果如下：對于中小型燃氣機組以及性能較好的火電，機組控制條件保持不變的情況下。大型燃氣廠改帶基本負荷，性能相對較差的火電機組能夠結(jié)合日前計劃進行跟蹤，由于計劃控制條件下的命令，周期持續(xù)為5分鐘，對于機組響應(yīng)速率低，進而確保煤質(zhì)較差的火電機組能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運行。通過運行我們發(fā)現(xiàn)參與超前控制火電機組數(shù)量相對減少，處于滯后控制，然而基本可滿足國內(nèi)負荷波動的相關(guān)需求，基于這種控制條件下中小型燃氣機組，在處于聯(lián)絡(luò)線攻略波動下，基本可滿足CPS控制要求，而對于大型燃氣廠來說，已經(jīng)推出頻率和聯(lián)絡(luò)線的有效控制，由于大型燃氣廠沒有直接參與調(diào)節(jié)，因此明顯減少棄水。并且該時間段內(nèi)的機組編排策略是比較節(jié)能的。

從其運行效果上來看，通過對該電網(wǎng)一段時間內(nèi)的火電燃氣機組協(xié)調(diào)控制進行測試研究，進一步發(fā)現(xiàn)，該電網(wǎng)采取燃氣機組協(xié)調(diào)控制這一條件是可行的，在電網(wǎng)頻率和聯(lián)絡(luò)線頻率變化較大的條件下，可以采用分時段進行控制，首先，對于負荷變化較快的時間段?？梢砸揽克谢痣姍C組采用LDFCO條件進行超前控制，同時結(jié)合中小型燃氣機組的系統(tǒng)頻率，聯(lián)絡(luò)線功率波動，進行有效調(diào)整，而對于大型燃氣廠來說，其參與的頻率、聯(lián)絡(luò)線控制情況較少，因此這種控制策略，需要滿足CPS的性能并針對全網(wǎng)快速變化，能夠有效應(yīng)用火電資源減少大型燃氣機組的出力。而在負荷區(qū)域平緩的時間段內(nèi)，釆用性能條件好的火電機組，執(zhí)行LDFCO模式，而對于性能較差的火電機組可以執(zhí)行SCHEO模式，在整個調(diào)節(jié)過程中，大型燃氣機組沒有參與聯(lián)絡(luò)線和頻率控制，而對于中小型燃氣企業(yè)來說，其控制目標(biāo)是不變的。這種控制策略，能夠考慮火電機組不同的性能差異。盡管目前電網(wǎng)或電機組處于滯后控制，但這種調(diào)節(jié)質(zhì)量沒有受到較多干擾，也有利于火電機組實現(xiàn)有效運行，同時大型燃氣廠處于較高的出力條件，而減少煤炭消耗量。

首先從AGC系統(tǒng)概念上來看火電機組AGC主要是由傳輸通道、機組控制系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)、遠程終端控制系統(tǒng)等多種系統(tǒng)功能構(gòu)成的，能夠?qū)㈦姀S的實際運行情況傳輸?shù)秸{(diào)度中心，由調(diào)度系統(tǒng)對這些收集的數(shù)據(jù)進行分析處理，進一步能夠?qū)痣姍C組負荷進行有效分配，發(fā)出指令之后能夠?qū)⑵鋫鬏數(shù)诫姀S，而RTU裝置中具體傳輸過程如下：AGC指令申請和當(dāng)前的電網(wǎng)頻率穩(wěn)定要求一切負荷需求，每隔幾秒鐘進行一次機組的運行，并且先負荷設(shè)定，因此產(chǎn)生相應(yīng)的信號，AGC指令是由負荷分量和調(diào)節(jié)分量共同構(gòu)成的，其中負荷量是在短期預(yù)測中確定日負荷。發(fā)電量和調(diào)節(jié)分量是在負荷系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前幾分鐘內(nèi)負荷變化情況進一步預(yù)測，下一時間內(nèi)的負荷調(diào)節(jié)量，火電機組通過分散控制的方式能夠利用機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進一步完成AGC指令響應(yīng)。記錄儀協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括汽機跟隨、鍋爐跟隨等多種方式。無論機組采用哪種記錄控制方式，最終都是通過協(xié)調(diào)機組燃燒和調(diào)門的開度，能夠在短時間內(nèi)響應(yīng)AGC的指令。

從控制對象的特點上來看，該電廠有三期兩臺機組能夠協(xié)調(diào)控制，投運之后可以滿足流動系統(tǒng)AGC的指令響應(yīng)要求，然而再處于燃料擾動和負荷升降條件下，主蒸汽壓力溫度會發(fā)生較大波動變化，并且在負荷條件發(fā)生變化之后，機組的響應(yīng)速度比較慢，很難滿足調(diào)度中心，對源于AGC投運的相關(guān)要求，調(diào)動中心對于AGC投運要求其出力，調(diào)整延遲時間低于30秒，負荷調(diào)節(jié)速率應(yīng)當(dāng)高于機組額定處理1.2%。在處于機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)克服大滯后、純時延對于控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的相關(guān)影響，能夠強化鍋爐側(cè)動態(tài)響應(yīng)，使給水量和燃料量保持平衡，在鍋爐跟隨協(xié)調(diào)工作方式下，鍋爐的主控維持機前壓力、汽機主控機組負荷。該控制模式下系統(tǒng)具有良好的精確控制要求，并且負荷響應(yīng)時間較短，因此采用這種鍋爐跟隨的控制模式?？梢詫⑦M組投入AGC運行，但研究也是基于此實現(xiàn)機組的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化等。

除上述之外，由于火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要設(shè)計輸入輸出復(fù)雜系統(tǒng)，在調(diào)試中存在多種問題，對系統(tǒng)增加變參數(shù)設(shè)置以及非線性函數(shù)設(shè)置，可以適當(dāng)提升機組對于煤種變化、負荷變化的干擾適應(yīng)性。首先從改變?nèi)剂狭控摵汕闆r上來看，對該電廠臨界機組在升負荷條件下，發(fā)現(xiàn)鍋爐蓄熱性能降低，針對這種問題，可以在系統(tǒng)增加變負荷指令前饋，虛假煤位使燃燒調(diào)節(jié)相對滯后，在整個系統(tǒng)中可以適當(dāng)增加每煤量前饋，記錄處于不同負荷條件下的燃料量，進一步得到鍋爐靜態(tài)前饋相關(guān)參數(shù)，在機組負荷變動條件下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其函數(shù)很難滿足機組變負荷條件下對于系統(tǒng)的運行要求，因此需要結(jié)合負荷偏差特點，能夠?qū)θ剂狭壳梆佋黾觿討B(tài)可變，前饋回路裝置。在符合指令條件下，與實際負荷存在較大偏差，這種情況下，機組增負荷可以通過函數(shù)公式對燃料主控前饋進行調(diào)整，適當(dāng)增加鍋爐的燃料量等，機組減負荷狀態(tài)是可以通過函數(shù)公式對其主控前饋進行修正，適當(dāng)減少燃料量，在技術(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)下。沒有發(fā)生顯著變化時，此時該回路失效，在壓力閉鎖條件下該回路也無法發(fā)揮效用，因此會有原CCS控制進行閉鎖調(diào)節(jié)。預(yù)加減燃料，可以通過這種方式克服主蒸汽壓力產(chǎn)生的貫性影響，在蒸汽壓力活動中適當(dāng)加一路預(yù)加減燃料前饋回路裝置，可以實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)合實際負荷需求，相應(yīng)的增加或者減少燃料量，該回路在整個系統(tǒng)中，主要是處于系統(tǒng)負荷變化開始時，增加主蒸汽壓力，能夠顯著克服主蒸汽壓力產(chǎn)生的關(guān)系，影響進一步強化負荷變化率。增加機組對于煤質(zhì)變化產(chǎn)生的適應(yīng)力，當(dāng)前由于鍋爐煤質(zhì)無法調(diào)整，質(zhì)量保證，機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和AGC投入質(zhì)量將會從一定程度上受到煤質(zhì)影響，在機組負荷變化較大的情況下，系統(tǒng)能夠為技術(shù)提供快速響應(yīng)，利用較強的前饋作用，在該作用條件下，機組負荷會出現(xiàn)較大超調(diào)，當(dāng)燃料量出現(xiàn)較大變化時，系統(tǒng)對前饋環(huán)節(jié)做出修正，能夠顯出減小超調(diào)程度，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，以及對于負荷變化的響應(yīng)效率，結(jié)合高調(diào)門流量和重疊度數(shù)據(jù)要求進一步優(yōu)化。DEH系統(tǒng)高調(diào)門單閥和順序閥流量曲線，而今該曲線趨于線性，經(jīng)優(yōu)化之后該機組能夠快速準(zhǔn)確的響應(yīng)指令確保并提升AGC的投入質(zhì)量。經(jīng)過優(yōu)化之后，我們對該電廠機組進行AGC系統(tǒng)性能檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有良好的負荷響應(yīng)性，當(dāng)機組處于升負荷或者下降負荷條件下，其運行速率均高于12MW每分鐘，基本能夠滿足調(diào)度中心對于AGC跟蹤指令相關(guān)要求，機組在投運AGC后，其系統(tǒng)的運行狀態(tài)比較穩(wěn)定，各模擬量控制子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能相對較好，在處于雙負荷狀態(tài)下，機組各項參數(shù)運行結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)在處于火電機組交互條件下，機組的實際負荷與AGC指令偏差最高為4MW，主蒸汽壓力最高0.6MPa，給水量也能夠結(jié)合負荷變化情況發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，其他參數(shù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)該機組運行基本能夠滿足電網(wǎng)AGC以及系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行的要求。

3? 小結(jié)

在本研究中通過對某電網(wǎng)負荷，時間段中的變化要求，指出了燃氣火電機組采用分時段協(xié)調(diào)控制模式并進行運行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)火力燃氣機組協(xié)調(diào)控制模式具有良好的性能，能夠適用于該電網(wǎng)現(xiàn)有調(diào)度方式。同時結(jié)合機組的特點和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，采取適應(yīng)機組的控制策略，使系統(tǒng)優(yōu)化后的快速投運可滿足系統(tǒng)中心相關(guān)要求。

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