LSTM預(yù)估補(bǔ)償下的超臨界大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻控制算法

黃海濱

(國(guó)能蚌埠發(fā)電有限公司,安徽,蚌埠 233000)

0 引言

經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)勢(shì)必伴隨著能源消耗的升高,近年來(lái)我國(guó)電網(wǎng)的用電負(fù)荷急速增加,由此導(dǎo)致的我國(guó)電網(wǎng)供電質(zhì)量問(wèn)題日益凸顯。為了保證電網(wǎng)供電質(zhì)量,我國(guó)電力系統(tǒng)采用“兩個(gè)細(xì)則”考核辦法,其考核指標(biāo)是根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差值,計(jì)算出機(jī)組功率偏差量,并將功率偏差量作為考核機(jī)組的基本依據(jù)。但是由于電網(wǎng)負(fù)荷頻率的隨機(jī)性和波動(dòng)性,負(fù)荷變化時(shí),機(jī)組功率偏差也會(huì)隨之變化。這就導(dǎo)致了電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的需求和難度越來(lái)越大[1-2]。為此,在電力系統(tǒng)運(yùn)行中,機(jī)組一次調(diào)頻是指汽輪機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)等設(shè)備在電網(wǎng)頻率變化時(shí)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)的能力。針對(duì)當(dāng)前我國(guó)的電力情況,很多一次調(diào)頻控制算法都被應(yīng)用到了實(shí)際的電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的調(diào)頻方法中,主要使用 PID (比例—積分—微分)控制器來(lái)進(jìn)行一次調(diào)頻控制。在該控制方式下,系統(tǒng)對(duì)鍋爐電液伺服系統(tǒng)、汽輪機(jī)電液伺服系統(tǒng)以及燃料量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。由于在進(jìn)行一次調(diào)頻時(shí)需要對(duì)煤量、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,因此會(huì)增加系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間以及調(diào)節(jié)難度。針對(duì)超臨界大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程中,因存在多個(gè)頻率信號(hào)的隨機(jī)波動(dòng)和非線性,如果負(fù)荷變化速率過(guò)快的話,導(dǎo)致負(fù)荷響應(yīng)滯后嚴(yán)重,在這種情況下會(huì)影響一次調(diào)頻效果。因此本文基于LSTM預(yù)估補(bǔ)償,設(shè)計(jì)一種針對(duì)超臨界大容量火電機(jī)組的一次調(diào)頻控制算法。在此過(guò)程中,首先通過(guò)對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)以及頻率特性進(jìn)行處理分析,然后建立 LSTM模型并預(yù)測(cè)出負(fù)荷變化速率與煤量變化速率之間的關(guān)系,最后對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償控制來(lái)提高一次調(diào)頻效果。

1 超臨界大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻控制算法設(shè)計(jì)

1.1 分析超臨界大容量火電機(jī)組頻率特性

本文采用的超臨界大容量火電機(jī)組,其控制系統(tǒng)由電液伺服控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)、鍋爐電液伺服控制系統(tǒng)等組成[4-5]。在正常的運(yùn)行過(guò)程中,電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)交流電的頻率也是整個(gè)電力系統(tǒng)的頻率,其計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,p為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù),n為同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[6]。發(fā)電機(jī)的角速度ω與頻率之間存在的關(guān)系為

(2)

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,則存在:

(3)

式(3)中,Te為汽機(jī)側(cè)的輸入扭矩,Tl為電磁側(cè)的輸出扭矩,即電負(fù)荷。根據(jù)功率與扭矩之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,式(3)可以變化為

(4)

式(4)中,Pe為有功功率,Pl為電負(fù)荷。通過(guò)式(4)可知,發(fā)電機(jī)功率與電負(fù)荷相同時(shí),保證發(fā)電機(jī)的加速度不變,電網(wǎng)頻率才能保證在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)[7-10]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求和設(shè)備情況來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程中,首先由汽輪機(jī)電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速,其根據(jù)機(jī)組負(fù)荷需求以及汽輪機(jī)的特性曲線來(lái)進(jìn)行計(jì)算,并將頻率信號(hào)進(jìn)行融合,通過(guò)對(duì)一次調(diào)頻過(guò)程的調(diào)整,使得汽輪機(jī)能夠快速的響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。在此過(guò)程中,可將鍋爐電液伺服系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí),鍋爐電液伺服系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)地對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,并通過(guò)相應(yīng)的邏輯關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。在此過(guò)程中,通過(guò)對(duì)燃料量的合理控制以及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化的合理調(diào)節(jié),使得汽輪機(jī)能夠快速地響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。

1.2 建立LSTM預(yù)估補(bǔ)償控制器

利用 LSTM建立機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程中負(fù)荷與調(diào)節(jié)閥開(kāi)度之間的預(yù)估補(bǔ)償控制模型,如圖1所示。

圖1 LSTM預(yù)估補(bǔ)償控制器模型

在該模塊中,t-1時(shí)刻模塊接收上一個(gè)時(shí)間步的負(fù)荷和調(diào)節(jié)閥開(kāi)度數(shù)據(jù),然后通過(guò)門(mén)控機(jī)制來(lái)控制當(dāng)前時(shí)間步的信息傳遞和狀態(tài)更新。利用LSTM模型對(duì)當(dāng)前時(shí)間步t的狀態(tài)信息進(jìn)行處理,然后根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)間步t+1中的輸出值,即負(fù)荷指令與調(diào)門(mén)開(kāi)度之間的偏差。

1.3 一次調(diào)頻控制算法優(yōu)化

在機(jī)組一次調(diào)頻控制中,汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度與 AGC指令間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系[11-12]。以 AGC指令為基準(zhǔn),機(jī)組負(fù)荷指令隨著機(jī)組的運(yùn)行不斷改變,但汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度卻不會(huì)隨之改變。當(dāng)一次調(diào)頻任務(wù)發(fā)生時(shí),調(diào)門(mén)開(kāi)度也就是汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度在短時(shí)間內(nèi)會(huì)跟隨 AGC指令的變化而發(fā)生改變。控制策略示意圖如圖2所示。

圖2 一次調(diào)頻控制策略

根據(jù)LSTM預(yù)估補(bǔ)償控制器的結(jié)構(gòu),其中的x(t)存在:

x(t)=[x1,x2,…,xn]

(5)

式(5)中,n為數(shù)據(jù)的數(shù)量。

此外,LSTM算法還能通過(guò)不斷調(diào)整模型參數(shù),使其始終保持在最佳狀態(tài)。因此,本文采用基于 LSTM預(yù)估補(bǔ)償控制方法對(duì) AGC指令與機(jī)組負(fù)荷指令進(jìn)行雙向預(yù)測(cè)。在控制過(guò)程中,需要調(diào)整參數(shù)的學(xué)習(xí)率。與學(xué)習(xí)率相關(guān)參數(shù)調(diào)整公式為

mt=β1mt-1+(1-β1)gt

(6)

式(6)中,mt為調(diào)整過(guò)程中第t次迭代的一階矩,β1為一階矩估計(jì)衰減率,一般取值為0.9,gt為迭代的預(yù)測(cè)誤差。在上述計(jì)算下,能夠得到第t次迭代的二階矩:

vt=β1mt+(1-β2)gt

(7)

式(7)中,β2為二階矩的估計(jì)衰減率,一般取值為0.999,對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)率調(diào)整公式為

(8)

式(8)中,η為補(bǔ)充參數(shù),一般取值為0.0001,ε為常數(shù),保證分母有意義。在以上計(jì)算下,能夠獲取學(xué)習(xí)率。該方法首先對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí),建立起 AGC與負(fù)荷指令之間的非線性關(guān)系模型。最后,通過(guò)不斷調(diào)整 AGC指令與負(fù)荷指令之間的非線性關(guān)系模型,使其始終保持在最佳狀態(tài),實(shí)現(xiàn)超臨界大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻控制。

2 算法性能測(cè)試

2.1 算例情況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于LSTM預(yù)估補(bǔ)償下的超臨界大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻控制算法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性,在本章以某火電機(jī)組作為研究對(duì)象,聯(lián)合仿真軟件,在Simulink平臺(tái)中搭建超臨界大容量火電機(jī)組的一次調(diào)頻模型,驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的一次調(diào)頻控制算法的有效性。搭建的超臨界大容量火電機(jī)組的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 算例結(jié)構(gòu)示意圖

在以上的算例下,為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制算法的有效性,選用了300 MW火電機(jī)組作為實(shí)驗(yàn)樣本,相關(guān)的算例參數(shù)如表1所示。

表1 算例參數(shù)

在上述的算例情況下,設(shè)置不同的負(fù)荷變化,并分別使用本文設(shè)計(jì)的LSTM預(yù)估補(bǔ)償下的超臨界大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻控制算法、傳統(tǒng)的基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能的一次調(diào)頻控制算法和基于超速減載的一次調(diào)頻控制算法對(duì)該算例進(jìn)行控制,將得到的結(jié)果進(jìn)行比較與分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

在上述的算例中設(shè)置不同時(shí)間下的負(fù)荷突變,分析不同一次調(diào)頻控制算法的控制效果。在初始過(guò)程中,火電機(jī)組正常運(yùn)行,在10 s時(shí)負(fù)荷增加0.3 pu,得到的3種一次調(diào)頻控制算法的頻率變化量和火電機(jī)組出力情況如圖4所示。

(a) 火電機(jī)組頻率變化量

從圖4可以看出,火電機(jī)組在不同的控制算法下,火電機(jī)組頻率和出力的變化量都存在一定的差異。在基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和基于超速減載的一次調(diào)頻控制算法下,火電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于最大功率的跟蹤控制狀態(tài),出力增量較大。在負(fù)荷突增后,系統(tǒng)的頻率偏差較大。在本文設(shè)計(jì)的一次調(diào)頻控制算法下,頻率偏差更小,出力變化增量較小,比較穩(wěn)定,在這樣的工況下,能夠提升電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性。這是因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)存儲(chǔ)和釋放電能來(lái)調(diào)整火電機(jī)組的出力,從而對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)可以向系統(tǒng)注入額外的電能,以幫助火電機(jī)組應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化,并降低頻率下降的速度。相反,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷減少時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)釋放儲(chǔ)存的電能來(lái)補(bǔ)償火電機(jī)組的出力,從而減緩頻率上升的速度。并且本文設(shè)計(jì)的一次調(diào)頻控制算法中,通過(guò)LSTM預(yù)估補(bǔ)償控制器提前預(yù)測(cè)負(fù)荷變化并進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了更好的調(diào)頻效果。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在負(fù)荷變化過(guò)程中能夠快速跟蹤電網(wǎng)頻率變化,實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)頻率的快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié),保證了電網(wǎng)頻率的安全穩(wěn)定運(yùn)行,能夠使超臨界大容量火電機(jī)組在電網(wǎng)頻率變化時(shí)獲得更高的調(diào)節(jié)速率和更好的穩(wěn)定性。在未來(lái)的研究中會(huì)考慮選用更多種類和規(guī)模的火電機(jī)組作為實(shí)驗(yàn)樣本。通過(guò)將更多真實(shí)的數(shù)據(jù)納入研究中,可以更全面地驗(yàn)證控制算法的有效性,并提供更廣泛的適用性。針對(duì)超臨界大容量火電機(jī)組一次調(diào)頻控制算法,可以在實(shí)際火電機(jī)組上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)與傳統(tǒng)的一次調(diào)頻算法進(jìn)行對(duì)比,評(píng)估新算法在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的性能和表現(xiàn),從而驗(yàn)證其可行性和實(shí)用性。