百萬機(jī)組輔助調(diào)頻模式下的控制系統(tǒng)優(yōu)化

尹少勇

(廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司,廣東 惠州 516000)

水電、風(fēng)電、太陽能、核電等清潔能源機(jī)組裝機(jī)容量在電網(wǎng)中占比不斷提高，電網(wǎng)亟待增加更多的調(diào)峰、調(diào)頻容量。為構(gòu)建有效的調(diào)頻輔助服務(wù)市場機(jī)制，保障電力市場成員的合法權(quán)益，激勵(lì)發(fā)電企業(yè)提供更優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻輔助服務(wù)，保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，寧夏、廣東、甘肅建設(shè)了首批試點(diǎn)電網(wǎng)，推行電力輔助服務(wù)市場試點(diǎn)實(shí)施工作，其后東北、華北、華東電網(wǎng)及多個(gè)省級電網(wǎng)公司都發(fā)布了發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則和運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則。調(diào)頻輔助服務(wù)機(jī)組容量的主要提供者包括水電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、電池儲(chǔ)能、燃煤發(fā)電機(jī)組。其中，水電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組長期以來擔(dān)任電網(wǎng)主力調(diào)峰機(jī)組[1-3]，新增的調(diào)頻容量有限；電池儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻效果好，但需要大量投資，且調(diào)頻容量有限；燃煤發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)總裝機(jī)容量中占比達(dá)到60%以上，通過對機(jī)組控制系統(tǒng)優(yōu)化來增加電網(wǎng)調(diào)頻容量，是一種投資省、見效快的調(diào)頻容量快速增加方式，可作為電力企業(yè)增加機(jī)組調(diào)頻容量的主要方式。

1 存在的問題

在調(diào)頻模式下，機(jī)組負(fù)荷變化幅度大(40%～100% Pe)，變化速率高(1.5%～2% Pe/min)，加劇了機(jī)組的非線性影響[4-6]，對機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提出了更高要求，同時(shí)機(jī)組設(shè)備改造、煤質(zhì)變化也會(huì)造成機(jī)組動(dòng)態(tài)特性較大程度變動(dòng)，加大機(jī)組協(xié)調(diào)控制任務(wù)難度，汽溫、壓力等參數(shù)波動(dòng)較大。為提升火電機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制性能，專家、學(xué)者提出了諸如智能控制[7-9]、預(yù)測控制[10-11]、模糊控制[12-14]和魯棒控制[15]等多種先進(jìn)控制方法，但能在實(shí)際工程中得到實(shí)施應(yīng)用的仍占少數(shù)。

針對調(diào)頻模式中的過程難控，本文先構(gòu)造一種新型控制器，并在此基礎(chǔ)上，加入一種智能前饋策略，實(shí)踐表明，新方法的應(yīng)用有效克服了調(diào)頻模式下機(jī)組超溫超壓的問題。

2 先進(jìn)控制技術(shù)及策略

通過超前觀測，可以提前獲取系統(tǒng)響應(yīng)的信息，可以極大提高過程控制的性能，常見的形式有微分器、比例微分、相位超前校正等。接下來構(gòu)造一種具有較高相位超前效率的高性能超前觀測器(HPLO)。通過一種高增益PI控制器,實(shí)現(xiàn)了ASWF的逆變換。對逆變換的輸出進(jìn)行1階濾波，得到HPLO，如圖1所示。

圖1 HPLO示意圖

在高性能PI控制器(HPPI)和高性能超前觀測器(HPLO)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造出一種新型基礎(chǔ)控制器(NFC)，如圖2所示。

圖2 NFC示意圖

為了更好地將NFC用于實(shí)際，仿真實(shí)驗(yàn)的過程對象采用某電廠鍋爐主控模型，外擾耦合模型為1階慣性環(huán)節(jié)，外擾為-1，具體表達(dá)式為

分別對NFC和PID進(jìn)行參數(shù)整定[19]，得到階躍響應(yīng)如圖3所示。

圖3 NFC與PID控制特性仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，對于大延遲、大慣性的控制對象，NFC的響應(yīng)速度和抗干擾能力明顯快于傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)。

同時(shí)，考慮到鍋爐側(cè)相對汽機(jī)側(cè)慣性大的特點(diǎn)，為了加快機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度，除了先進(jìn)控制器，還加入智能前饋策略：鍋爐主控指令變負(fù)荷前饋修正、壓力偏差前饋修正、減溫水流量擾動(dòng)前饋修正。如邏輯框圖4、圖5所示。

圖4 鍋爐主控指令增加變負(fù)荷前饋修正

圖5 鍋爐主控指令增加壓力偏差前饋修正

3 實(shí)際應(yīng)用

某電廠1#機(jī)組為上海電氣集團(tuán)的百萬超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。為提高機(jī)組AGC綜合調(diào)頻能力，以先進(jìn)控制器NFC為核心，輔以智能前饋策略，采用PLC外掛系統(tǒng)方式，對鍋爐主控、汽機(jī)主控、一級過熱汽溫、二級過熱汽溫回路實(shí)施控制。

先進(jìn)控制器和智能前饋策略均通過PLC實(shí)現(xiàn)。采用1路串口通信方式(RS485)將外置的PLC硬件與DCS控制柜相連，完成PLC與DCS的信息交互。即，PLC所需的現(xiàn)場信息通過DCS通信模件從DCS控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中獲得。與此同時(shí)，PLC中運(yùn)算結(jié)果通過DCS通信模件通信至DCS，并更新相應(yīng)AO輸出，操縱現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖6、圖7分別是以NFC為核心的鍋爐主控和汽機(jī)主控原理結(jié)構(gòu)圖。

圖6 鍋爐主控原理結(jié)構(gòu)圖

圖7 汽機(jī)主控原理結(jié)構(gòu)圖

表1所示為1#機(jī)組于2020年9月2日16:00—24:00第3次進(jìn)行的連續(xù)8 h的輔助調(diào)頻性能指標(biāo)。其中調(diào)頻綜合K值(見表1)最低0.62(由于該時(shí)段機(jī)組接近滿負(fù)荷運(yùn)行汽機(jī)高壓調(diào)門全開或接近，全開，無調(diào)節(jié)裕量)，最高1.68，8 h平均1.24，調(diào)頻綜合性能良好。

表1 連續(xù)8 h調(diào)頻綜合K值(日期：2020年9月2日)

4 結(jié)論

火電機(jī)組熱工過程控制對象的動(dòng)態(tài)特性為大延遲、大慣性、時(shí)變性、耦合性和非線性，調(diào)頻模式的出現(xiàn)加劇了這些影響，對機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提出了更高要求。通過構(gòu)造一種新型控制器和智能前饋策略，有效克服了調(diào)頻模式下機(jī)組超溫超壓的問題，提高了燃煤發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻性能。本方法的成功應(yīng)用，一方面顯著提高了發(fā)電企業(yè)在電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場的競爭力，為發(fā)電企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面，在大規(guī)模消納清潔能源、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面發(fā)揮了重要作用。