火力發(fā)電廠一次調(diào)頻閉環(huán)控制策略研究與應(yīng)用

王玉國(guó) 李 達(dá)

（國(guó)家能源集團(tuán)河北公司滄東電廠，河北 滄州 061113）

0 引言

隨著新能源電力的快速發(fā)展，風(fēng)光發(fā)電的不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了不利影響。為維持電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，電網(wǎng)對(duì)火力發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻性能提出了更高的要求。現(xiàn)在，大型火力發(fā)電廠一次調(diào)頻采用的是頻率差函數(shù)發(fā)生器開(kāi)環(huán)控制策略，這種控制策略反應(yīng)迅速，能夠快速消除電網(wǎng)頻率差，但是其準(zhǔn)確性無(wú)法保證，影響了一次調(diào)頻的性能?；诖?，展開(kāi)對(duì)一次調(diào)頻閉環(huán)+開(kāi)環(huán)控制策略的深入研究，并提出解決方案，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

1 火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作過(guò)程

圖1為機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作過(guò)程評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算說(shuō)明圖。以火電機(jī)組為例，從頻率偏差超出死區(qū)開(kāi)始（即自A0時(shí)刻起），單臺(tái)機(jī)組開(kāi)始快速響應(yīng)頻率的變化，按照各自靜特性相應(yīng)增大出力，隨著全網(wǎng)機(jī)組出力的增加，頻率逐漸穩(wěn)定并開(kāi)始上升，直至頻率偏差恢復(fù)到死區(qū)范圍內(nèi)。

從圖1可以看出，從A0時(shí)刻起一次調(diào)頻開(kāi)始動(dòng)作，理論出力與實(shí)際出力存在較大的偏差。雖然實(shí)際出力在最高點(diǎn)時(shí)與理論出力的偏差減小，能夠滿足一次調(diào)頻15s出力響應(yīng)指數(shù)和30s出力響應(yīng)指數(shù)，但在機(jī)組調(diào)頻持續(xù)時(shí)間（A0—B0）內(nèi)，由于實(shí)際出力和理論出力整體存在較大的偏差，在此期間機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際貢獻(xiàn)電量占理論貢獻(xiàn)電量的百分比（電量貢獻(xiàn)指數(shù)）無(wú)法滿足要求[1]。

圖1 一次調(diào)頻動(dòng)作過(guò)程

2 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制原理[2]

2.1 開(kāi)環(huán)控制

開(kāi)環(huán)控制是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程，按這種方式組成的系統(tǒng)特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響，不具備自動(dòng)修正的能力。圖2為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖。

圖2 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

2.2 閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)、參與控制的控制方式，也稱為反饋控制。其特點(diǎn)是系統(tǒng)自身利用負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系統(tǒng)恢復(fù)到期望值上?？梢?jiàn)，閉環(huán)控制具有較強(qiáng)的抗干擾能力和消除偏差的能力。圖3為閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

3 一次調(diào)頻閉環(huán)控制

本次一次調(diào)頻閉環(huán)控制的研究，要解決的是由發(fā)電機(jī)組實(shí)際出力與理論出力的偏差導(dǎo)致的一次調(diào)頻性能指標(biāo)不合格問(wèn)題。將采用開(kāi)環(huán)+閉環(huán)的復(fù)合控制，在一次調(diào)頻函數(shù)發(fā)生器的基礎(chǔ)上增加閉環(huán)控制進(jìn)行修正，來(lái)提高系統(tǒng)的控制精度。

3.1 閉環(huán)控制設(shè)定值

在華北電網(wǎng)《一次調(diào)頻綜合指標(biāo)計(jì)算及考核度量方法》性能指標(biāo)計(jì)算過(guò)程中，一次調(diào)頻的起始功率為一次調(diào)頻動(dòng)作開(kāi)始時(shí)刻的前10s平均功率，計(jì)算公式如下：

式中：PN為一次調(diào)頻起始功率；P0為實(shí)時(shí)功率；P10為前10s功率。

在電網(wǎng)頻率發(fā)生改變、一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，統(tǒng)計(jì)動(dòng)作開(kāi)始后10s內(nèi)的最大頻率差，根據(jù)一次調(diào)頻功率發(fā)生器對(duì)應(yīng)的功率值，計(jì)算閉環(huán)控制設(shè)定值，計(jì)算公式如下：

式中：Ps為閉環(huán)控制設(shè)定值；x為10s內(nèi)最大頻率差；f（x）為一次調(diào)頻發(fā)生器函數(shù)。

閉環(huán)控制設(shè)定值控制邏輯如圖4所示。

圖4 閉環(huán)控制設(shè)定值生成邏輯圖

3.2 閉環(huán)控制投退與自動(dòng)控制

在華北電網(wǎng)《一次調(diào)頻綜合指標(biāo)計(jì)算及考核度量方法》中規(guī)定，只有在電網(wǎng)存在頻率差的持續(xù)時(shí)間大于12s后才統(tǒng)計(jì)為一次調(diào)頻動(dòng)作。在電網(wǎng)頻率持續(xù)時(shí)間小于12s的情況連續(xù)出現(xiàn)時(shí)，一次調(diào)頻閉環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一次調(diào)頻功率連續(xù)比上次高的情況，導(dǎo)致閉環(huán)控制的功率發(fā)散，控制系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定。為避免此類現(xiàn)象，需要增加閉環(huán)控制自動(dòng)投退控制方案[3]。具體方法為：（1）在電網(wǎng)頻率差維持時(shí)間小于10s時(shí)，閉環(huán)控制輸出乘系數(shù)，系數(shù)為0；（2）在電網(wǎng)頻率差持續(xù)時(shí)間大于10s時(shí)，閉環(huán)控制輸出乘系數(shù)，系數(shù)為1；（3）當(dāng)一次調(diào)頻結(jié)束（一次調(diào)頻動(dòng)作持續(xù)時(shí)間大于60s）或者一次調(diào)頻不動(dòng)作的情況下，閉環(huán)控制系統(tǒng)跟蹤值為1。具體控制邏輯如圖5所示[4]。

圖5 閉環(huán)控制投退與自動(dòng)控制邏輯圖

4 應(yīng)用效果

以河北某電廠660MW亞臨界機(jī)組一次調(diào)頻為例，原控制邏輯為以一次調(diào)頻函數(shù)發(fā)生器為指令的開(kāi)環(huán)控制+壓力函數(shù)和負(fù)荷函數(shù)修正。未采用開(kāi)環(huán)控制+閉環(huán)控制方案進(jìn)行優(yōu)化前，電網(wǎng)8月性能考核數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 優(yōu)化前一次調(diào)頻性能指標(biāo)數(shù)據(jù)

增加一次調(diào)頻閉環(huán)回路修正后，機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)有了質(zhì)的提升。電網(wǎng)10月考核數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后一次調(diào)頻性能指標(biāo)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)8月和10月一次調(diào)頻電網(wǎng)考核數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻性能指標(biāo)整體上全面提高，特別是電量貢獻(xiàn)指標(biāo)，合格率達(dá)到80%，較優(yōu)化前提升70%，能夠很好地滿足華北電網(wǎng)一次調(diào)頻性能要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)火力發(fā)電機(jī)組存在的一次調(diào)頻動(dòng)作中準(zhǔn)確率不高并導(dǎo)致電量貢獻(xiàn)指標(biāo)合格率低的情況，本次通過(guò)對(duì)一次調(diào)頻實(shí)際動(dòng)作情況和《一次調(diào)頻綜合指標(biāo)計(jì)算及考核度量方法》進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻在實(shí)際動(dòng)作過(guò)程中，實(shí)際出力無(wú)法達(dá)到理論出力的期望值是重要因素。為此，利用閉環(huán)控制能夠消除偏差的功能，對(duì)原一次調(diào)頻函數(shù)發(fā)生器輸出值進(jìn)行閉環(huán)控制修正，并通過(guò)自動(dòng)投退功能，保證閉環(huán)修正的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，一次調(diào)頻動(dòng)作的準(zhǔn)確性和電量貢獻(xiàn)指標(biāo)合格率有了明顯提升，改善了一次調(diào)頻的整體性能。本次對(duì)一次調(diào)頻閉環(huán)+開(kāi)環(huán)控制策略的深入研究，為一次調(diào)頻的優(yōu)化提供了新的方案和思路，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。