基于“兩個細(xì)則”考核的燃煤機組自動發(fā)電控制系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用

張鳳忠，弭尚文，張 華，馮紹偉

(1.國家電投集團(tuán)東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110500；2.中電投東北能源科技有限公司，遼寧 沈陽 110015； 3.朝陽燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧 朝陽 122099)

1 存在問題

煤炭資源短缺一直是全球面臨的問題。如何對現(xiàn)有資源合理化利用，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前亟需解決的問題。一方面對現(xiàn)有不可再生能源進(jìn)行科學(xué)分配，另一方面要大力發(fā)展新能源發(fā)電技術(shù)。以燃煤發(fā)電為主，結(jié)合風(fēng)電、水電、核電、太陽能發(fā)電和垃圾發(fā)電等各種新能源發(fā)電技術(shù)，實現(xiàn)穩(wěn)中求進(jìn)的電力資源整合發(fā)展。各種新能源發(fā)電技術(shù)存在各自制約，水電、風(fēng)電受地域影響較大；太陽能發(fā)電與垃圾發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率較低，無法形成大規(guī)模穩(wěn)定供電；核電發(fā)展前景較好，但無法普遍應(yīng)用。我國東北區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，具有天然的風(fēng)力發(fā)電地理優(yōu)勢。近年來，隨著大量風(fēng)力發(fā)電在東北區(qū)域新建，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益成熟，可以承擔(dān)一部分發(fā)電工作，但受風(fēng)力風(fēng)量不穩(wěn)定的影響，大量風(fēng)力發(fā)電的介入對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定造成了不小沖擊。

在此情況下，為保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，需要燃煤機組具備更快響應(yīng)速度，提高機組調(diào)頻調(diào)峰能力。國家電力監(jiān)管委員會東北監(jiān)管局詳細(xì)分析了東北區(qū)域電力運行存在的問題，頒布了《東北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細(xì)則》和《東北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細(xì)則》[1]。

“兩個細(xì)則”規(guī)范了東北區(qū)域的電力調(diào)度行為，對電網(wǎng)涉網(wǎng)參數(shù)考核設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)，同時也提高了發(fā)電企業(yè)參與輔助服務(wù)的積極性。對燃煤機組涉網(wǎng)安全方面提出新要求，現(xiàn)在大容量、高參數(shù)的燃煤機組存在的普遍問題是一次調(diào)頻頻繁動作時，AGC考核指標(biāo)會受到影響，尤其是對AGC的響應(yīng)時間影響最為嚴(yán)重。

2 原因分析

“前饋+反饋”的一次調(diào)頻控制策略被目前大多數(shù)電廠采用。一次調(diào)頻動作特點是快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性[2]，其中為了保證“兩個細(xì)則”中“調(diào)整幅度偏差β3”的考核要求，一次調(diào)頻需要在協(xié)調(diào)側(cè)增加頻差對應(yīng)的一次調(diào)頻函數(shù)，該函數(shù)作用是保證調(diào)速側(cè)前饋作用工作時，汽輪機主控的PID不會將一次調(diào)頻的負(fù)荷變化當(dāng)作擾動消除。一次調(diào)頻功能原理如圖1所示。

圖1 一次調(diào)頻功能原理

一次調(diào)頻的考核時間最大為1 min，當(dāng)一次調(diào)頻動作超過1 min后，一次調(diào)頻不參與電網(wǎng)考核，同時一次調(diào)頻如果與AGC動作的方向相反，就會影響到AGC響應(yīng)時間的考核[3]。

為了解決一次調(diào)頻對AGC響應(yīng)時間的影響，常規(guī)方法是在進(jìn)入汽輪機主控的負(fù)荷指令中增加1路AGC負(fù)荷增量前饋。實現(xiàn)的功能為當(dāng)一次調(diào)頻動作持續(xù)超過65 s后，機組AGC負(fù)荷指令減去當(dāng)前一次調(diào)頻對應(yīng)的負(fù)荷值[4]。具體邏輯如圖2所示。

圖2 AGC負(fù)荷增量前饋邏輯

加入該邏輯后，AGC響應(yīng)時間考核問題有所改善，但經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)荷反調(diào)的問題。分析一次調(diào)頻與AGC的動作方向可知，一共有以下4種情況。

a.當(dāng)一次調(diào)頻為負(fù)值時，AGC指令發(fā)出降負(fù)荷指令，此時實際負(fù)荷變化趨勢為先上升再下降(同向)。

b.當(dāng)一次調(diào)頻為負(fù)值時，AGC指令發(fā)出升負(fù)荷指令，此時實際負(fù)荷變化趨勢為上升(反向)。

c.當(dāng)一次調(diào)頻為正值時，AGC指令發(fā)出降負(fù)荷指令，此時實際負(fù)荷變化趨勢為下降(反向)。

d.當(dāng)一次調(diào)頻為正值時，AGC指令發(fā)出升負(fù)荷指令，此時實際負(fù)荷變化趨勢為先下降再上升(同向)。

由4種情況可知，當(dāng)一次調(diào)頻與AGC的動作方向相反時，實際負(fù)荷變化趨勢正常；當(dāng)一次調(diào)頻與AGC的動作方向相同時，實際負(fù)荷變化趨勢為先反向調(diào)節(jié)再正向調(diào)節(jié)，造成AGC響應(yīng)時間考核不合格。

汽輪機主控PID的負(fù)荷指令構(gòu)成[5]如下：①AGC指令經(jīng)上下限幅、速率限制后得到機組負(fù)荷指令LDCOUT；②一次調(diào)頻理論負(fù)荷值；③AGC負(fù)荷增量前饋；④壓力拉回邏輯。

以一次調(diào)頻為負(fù)值，AGC降負(fù)荷的工況為例，暫時不考慮壓力拉回邏輯。穩(wěn)態(tài)時，AGC負(fù)荷增量前饋為零，實際負(fù)荷為LDCOUT與一次調(diào)頻理論負(fù)荷值的和；降負(fù)荷發(fā)生后，AGC負(fù)荷增量前饋將一次調(diào)頻的理論負(fù)荷值抵消，實際負(fù)荷則趨于LDCOUT，因此出現(xiàn)負(fù)荷先升后降的現(xiàn)象。

3 解決方案

當(dāng)AGC動作時，在負(fù)荷指令上增加AGC負(fù)荷增量前饋將一次調(diào)頻理論負(fù)荷抵消的方法并不能保證AGC響應(yīng)時間的考核，所以需要對AGC負(fù)荷增量前饋邏輯進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)一次調(diào)頻與AGC的動作方向相反時負(fù)荷變化趨勢正常，所以該部分邏輯功能保留；當(dāng)一次調(diào)頻與AGC的動作方向相同時，負(fù)荷變化趨勢無法滿足AGC響應(yīng)時間考核，該邏輯刪除。解決該問題的關(guān)鍵是根據(jù)一次調(diào)頻與AGC的動作方向詳細(xì)劃分不同工況，針對同向與反向的不同工況設(shè)計不同的控制策略[6]。具體邏輯如圖3所示。首先通過轉(zhuǎn)速差的變化趨勢確定此時一次調(diào)頻的動作方向，轉(zhuǎn)速差由額定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速相減得到。用轉(zhuǎn)速差與其1 s前的轉(zhuǎn)速差(通過延時模塊得到)進(jìn)行比較，當(dāng)輸出大于0時，此時一次調(diào)頻是升負(fù)荷。以實際轉(zhuǎn)速由3005 r/min變化到3003 r/min為例，轉(zhuǎn)速差由-5 r/min變化到-3 r/min。轉(zhuǎn)速差的變化趨勢為-3 r/min與-5 r/min的差，得到輸出為2，大于0，需要一次調(diào)頻升負(fù)荷[7]；同理，當(dāng)其輸出值小于0時，此時一次調(diào)頻降負(fù)荷。其次通過比較不含一次調(diào)頻的負(fù)荷指令與負(fù)荷目標(biāo)值來確定AGC指令的動作方向，進(jìn)而得到升負(fù)荷狀態(tài)與降負(fù)荷狀態(tài)[8]。

圖3 頻率偏差校正邏輯

當(dāng)一次調(diào)頻動作超過65 s后，一次調(diào)頻動作信號未消失，頻率偏差修正邏輯開始起作用，此時機組的考核重點已經(jīng)由一次調(diào)頻優(yōu)先轉(zhuǎn)為AGC響應(yīng)時間考核優(yōu)先[9]。首先判斷當(dāng)前負(fù)荷狀態(tài)為升負(fù)荷還是降負(fù)荷；然后判斷當(dāng)前一次調(diào)頻的動作方向與AGC負(fù)荷指令動作方向是否一致。以升負(fù)荷狀態(tài)為例，若二者動作方向一致，則保持升負(fù)荷狀態(tài)下的頻率偏差修正輸出不變；若二者動作方向相反，則在升負(fù)荷過程中，一次調(diào)頻動作需要實際降負(fù)荷，需要對一次調(diào)頻理論動作負(fù)荷值進(jìn)行彌補[10]，一次調(diào)頻理論動作負(fù)荷值為頻率偏差修正的輸出。

一次調(diào)頻理論負(fù)荷值一般由轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過函數(shù)轉(zhuǎn)換得到。在1 min內(nèi)轉(zhuǎn)速變化一般呈劇烈針尖式振蕩曲線型，轉(zhuǎn)速在極短的時間內(nèi)反復(fù)振蕩，作用在AGC負(fù)荷指令上的頻率偏差修正前饋邏輯無法準(zhǔn)確判斷當(dāng)前輸出的負(fù)荷值是否就是一次調(diào)頻動作的理論負(fù)荷值[11]。同時該邏輯需要進(jìn)入汽輪機主控PID進(jìn)行反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)，本身存在滯后性。該邏輯主要目的是解決一次調(diào)頻與AGC的動作方向相反時保證AGC響應(yīng)時間的考核[12]，當(dāng)一次調(diào)頻與AGC的動作方向相反時，通過延時時間模塊將一次調(diào)頻動作升負(fù)荷的輸出進(jìn)行離散取樣。當(dāng)一次調(diào)頻動作方向不變的持續(xù)時間大于0.5 s時，頻率偏差修正以每個掃描周期累加固定值的方式進(jìn)行輸出；當(dāng)一次調(diào)頻動作方向不變的持續(xù)時間小于0.5 s時，頻率偏差修正輸出不變。

4 結(jié)語

本文基于火電燃煤機組的運行特點，針對“兩個細(xì)則”制定的關(guān)于火電燃煤機組AGC及一次調(diào)頻的考核要求，設(shè)計了AGC與一次調(diào)頻的解耦邏輯，縮短了AGC響應(yīng)時間，解除了影響機組安全運行的隱患。新的控制策略理念成熟、功能可靠、運行穩(wěn)定，節(jié)能減排效果明顯。