CN103437838A - 一种有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法，该方法步骤为：⑴发电机组负荷控制回路通过函数f1(x)对实际负荷指令下机组所需的大致燃料量进行快速估算；⑵根据锅炉制粉系统的具体形式进行函数f1(x)的适当调整；⑶在发电机组负荷控制回路中加入微分模块，调整实际负荷指令的微分作用强度和微分作用时间；⑷将机前压力的偏差信号引入锅炉主控的前馈回路和汽轮机主控回路中，同时改变锅炉的燃料量和汽轮机发电机组的出力。本发明有效补偿机组变负荷过程中锅炉蓄热量的变化，补偿了燃煤锅炉的非线性特性，提高发电机组快速适应外界负荷的能力。

Description

一种有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法

技术领域

本发明属于自动发电控制技术领域，特别是一种有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法。

背景技术

电力系统的主要特点是发电和用电同步完成，因此为了向用户连续提供质量合格的电能，必须保证发电机组出力随时与外界用电负荷保持平衡，这就需要发电机组必须具备快速响应外界负荷变化的能力。

目前发电机组出力与外界用电负荷保持平衡的方法为，如图1所示，锅炉指令经过超前/滞后功能模块后，再同时输入到高选模块，通过高选模块后输出与热量信号同时输送给偏差计算模块，偏差计算模块计算偏差后输入PID控制模块进行PID运算，PID控制模块的控制信号输出给锅炉主控；同时，另一路的偏差计算模块接收机组负荷指令及机组实际负荷反馈，偏差计算模块计算偏差后输入PID控制模块，PID控制模块的控制信号输出给汽机主控。其中PID控制模块的数学描述式是 $Y\left(s\right)=(\mathrm{Kp}+\frac{1}{\mathrm{Ti}*S}+\frac{\mathrm{Kd}*\mathrm{Td}*S}{\mathrm{Td}*S+1})E\left(s\right)+\mathrm{FF}\left(s\right)$ 式中Kp为比例放大系数，Ti为积分时间单位为秒，Kd为微分放大系数，Td为微分作用时间单位为秒，FF为前馈变量。

原控制方法中锅炉主控采用单回路PID控制算法调节锅炉燃煤量，汽机主控调节机组发电负荷。锅炉主控没有引入实际负荷指令的前馈信号，不能根据机组外界实际负荷指令的变化直接快速调整燃料量，另外没有考虑锅炉的非线性特性，不能补偿机组变负荷过程中锅炉蓄热量的变化，无法解决锅炉、汽轮机之间对外界负荷要求响应速度差异的矛盾。此外原控制方法中没有将机前压力的偏差信号同时引入机主控的负荷给定回路中和锅炉主控的前馈回路中，以使汽轮机主控和锅炉主控共同稳定机前压力，提高发电机组快速响应外界负荷变化的能力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法，该方法包括：锅炉指令经过超前/滞后功能模块后，再同时输入到高选模块，通过高选模块后输出与热量信号同时输送给偏差计算模块，偏差计算模块计算偏差后输入PID控制模块进行PID运算，PID控制模块的控制信号输出给锅炉主控；同时，另一路的偏差计算模块接收机组负荷指令及机组实际负荷反馈，偏差计算模块计算偏差后输入PID控制模块，PID控制模块的控制信号输出给汽机主控。其中PID控制模块的数学描述式是 $Y\left(s\right)=(\mathrm{Kp}+\frac{1}{\mathrm{Ti}*S}+\frac{\mathrm{Kd}*\mathrm{Td}*S}{\mathrm{Td}*S+1})E\left(s\right)+\mathrm{FF}\left(s\right),$ 式中Kp为比例放大系数，Ti为积分时间单位为秒，Kd为微分放大系数，Td为微分作用时间单位为秒，FF为前馈变量。该方法进一步包括的步骤如下：

⑴发电机组负荷控制回路通过函数f1(x)对实际负荷指令下机组所需的大致燃料量进行快速估算；

⑵根据锅炉制粉系统的具体形式进行函数f1(x)的适当调整；

⑶在发电机组负荷控制回路中加入微分模块，适当调整实际负荷指令的微分作用强度和微分作用时间；

⑷将机前压力的偏差信号作为压力偏差回拉信号分别引入锅炉主控的前馈回路和汽轮机主控的负荷给定回路中，同时改变锅炉的燃料量和汽轮机发电机组的出力。

而且，所述步骤⑴中快速估算，是指通过试验找出发电机组负荷对应燃料量关系曲线，然后经过函数f1(x)拟合出该曲线，将机组的负荷指令进行函数f1(x)工程变换，转化为锅炉所需要加入的大致煤量。

而且，所述步骤⑵适当调整所采用的具体方法为在函数f1(x)的输出端再乘以一个系数，适当改变函数f1(x)的输出强度。

而且，所述系数针对发电机组锅炉制粉系统结构形式不同取值略有不同，对于超临界锅炉而言该系数取值为0.8，对于循环流化床锅炉该系数取值为1.2。

而且，所述步骤⑶适当调整实际负荷指令的微分作用强度和微分作用时间的具体方法为：在发电机组负荷控制回路中加入微分模块，以实际负荷指令作为其输入信号对其进行微分运算，微分模块输出经高/低限模块限幅处理后与函数f1(x)叠加，同时进行叠加求和的还包括机前压力的偏差信号函数f2(x)，叠加的结果作为前馈信号，通过锅炉主控输出调整燃料。

而且，所述步骤⑷偏差回拉信号将压力拉回的作用死区放宽至±0.8MPa，即机前压力偏差在大于±0.8MPa后通过函数f3(x)的输出改变汽机主控的机组负荷指令给定值，改变机组的出力以稳定机前压力。

本发明的优点和积极效果是

1.本发明包括在发电机组负荷控制回路采用实际负荷指令的PID前馈模块，强度能对实际负荷指令下所需的燃料量进行大致估算，形成机网协调大闭环控制策略。

2.本发明包括还在发电机组负荷控制回路采用实际负荷指令的微分信号，有效补偿机组变负荷过程中锅炉蓄热量的变化，补偿了燃煤锅炉的非线性特性。

3.本发明还包括适当降低负荷控制回路中压力回拉作用，充分利用燃煤锅炉蓄热大的特性，提高发电机组快速适应外界负荷的能力。

附图说明

图1为目前发电机组出力与外界用电负荷保持平衡的方法示意图；

图2为本发明发电机组出力与外界用电负荷保持平衡的方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法，如图1或2所示，锅炉指令经过超前/滞后功能模块后，再同时输入到高选模块，通过高选模块后输出与热量信号同时输送给偏差计算模块，偏差计算模块计算偏差后输入PID控制模块进行PID运算，PID控制模块的控制信号输出给锅炉主控；同时，另一路的偏差计算模块接收机组负荷指令及机组实际负荷反馈，偏差计算模块计算偏差后输入PID控制模块，PID控制模块的控制信号输出给汽机主控。其中PID控制模块的数学描述式是 $Y\left(s\right)=(\mathrm{Kp}+\frac{1}{\mathrm{Ti}*S}+\frac{\mathrm{Kd}*\mathrm{Td}*S}{\mathrm{Td}*S+1})E\left(s\right)+\mathrm{FF}\left(s\right)$ 式中Kp为比例放大系数，Ti为积分时间单位为秒，Kd为微分放大系数，Td为微分作用时间单位为秒，FF为前馈变量，该方法进一步包括的步骤如下：

⑴进行工程变换并得到锅炉所需要大致煤量：发电机组负荷控制回路采用实际负荷指令的PID前馈模块，通过函数f1(x)对实际负荷指令下机组所需的燃料量进行快速估算；

其中，所述快速估算，即将机组的负荷指令进行工程变换，转化为锅炉所需要加入的大致煤量，具体工程变换的方法为：通过试验找出发电机组负荷对应燃料量关系曲线，然后经过函数f1(x)拟合出该曲线。其中f1(x)为分段函数由6个坐标点（0，0）；（10，20）；（30，60）；（40，80）；（50，100）；（60，120）；拟合。

⑵根据锅炉制粉系统的具体形式进行函数f1(x)的适当调整；

所述适当调整所采用的具体方法为在函数f1(x)的输出端再乘以一个系数，适当改变函数f1(x)的输出强度，该系数针对发电机组锅炉制粉系统结构形式不同取值略有不同，一般都是通过动态在线试验取得，具体来说，对于超临界锅炉而言由于锅炉金属部件结构相对简单，锅炉惯性和迟延相对较小，所以该系数一般取值为0.8左右；而对于循环流化床锅炉而言，锅炉燃烧滞后大，锅炉汽水系统金属结构部件复杂，其惯性和迟延相对于亚临界直吹式锅炉更大，所以该系数一般取值为1.2左右。以补偿锅炉不同制粉系统的延迟和惯性。

⑶在发电机组负荷控制回路中加入微分模块，适当调整实际负荷指令的微分作用强度和微分作用时间；

由于锅炉制粉及燃烧系统的迟延和惯性，锅炉表现为强烈的非线性特性，在机组大范围快速变负荷过程中，随着机组变压运行，锅炉大型金属部件及其内部的饱和水，需要大量蓄热或释放能量，导致锅炉吸收的能量与输出至汽轮发电机组的能量不匹配，适当调整微分作用强度和微分作用时间，基本可以补偿机组变负荷过程中锅炉蓄热量的变化，显著改善锅炉的非线性特性；

其中，调整微分作用强度和微分作用时间具体是指，所述函数f1(x)近似为线性函数，但由于锅炉表现为强烈的非线性特性，所以在发电机组负荷控制回路中再加入微分模块，其对应的传递函数为：Y(S)=(Kd*S/(1+Td*S))*X(s)，式中Kd为微分增益，Td为微分时间，单位为秒。本方案中微分增益一般设定为3～5倍，微分时间一般在5～6秒为宜。以实际负荷指令作为其输入信号对其进行微分运算，由于微分计算的结果容易剧烈变化，所以微分模块的输出要经高/低限模块限幅处理，将其限制在±5范围内，高/低限模块的输出与函数f1(x)叠加，同时进行叠加求和的还包括机前压力的偏差信号函数f2(x)，叠加的结果作为前馈信号，通过锅炉主控输出调整燃料。其中f2(x)分段函数的6个坐标点为（-1.5，1）；（-1.0，0.5）；（-0.5，0）；（0.5，0）；（1.0，0.5）；（1.5，1）。

作为前馈信号，通过锅炉主控输出调整燃料，通过试验适当调整微分作用的强度和微分作用时间，基本可以补偿机组变负荷过程中锅炉蓄热量的变化，显著改善锅炉的非线性特性。

⑷将机前压力的偏差信号作为压力偏差回拉信号分别引入锅炉主控的前馈回路和汽轮机主控的负荷给定回路中，同时改变锅炉的燃料量和汽轮机发电机组的出力；

在提高发电机组响应电网负荷变化控制过程中，有时会造成机组机前压力偏差增大，不利于机组安全运行，机组协调控制系统主要是对具有大惯性、大迟延的锅炉和响应速度较快的汽轮机之间的控制指令进行协调，为了在机组响应电网负荷控制过程中尽可能保证机前压力的稳定，保障机组安全运行，在协调控制方式下，将机前压力的偏差信号分别引入锅炉主控的前馈回路和汽轮机主控的负荷给定回路中，同时改变锅炉的燃料量和汽轮机发电机组的出力，以使汽轮机和锅炉共同稳定机前压力，即通过短时改变机组的出力，维持机炉之间的能量平衡，但这会降低机组对负荷指令的调节精度，在机组响应负荷指令的动态过程中，机前压力的合理波动是正常的，通过主蒸汽压力的合理波动可以提高机组对负荷指令的响应速度和调节精度，因此可以将偏差回拉信号将压力拉回的作用死区放宽至±0.8MPa，即机前压力偏差在大于±0.8MPa后通过函数f3(x)的输出改变汽机主控的机组负荷指令给定值，通过改变机组的出力以稳定机前压力。其中f3(x)分段函数的6个坐标点为（-2.0，20）；（-1.5，10）；（-0.8，0）；（0.8，0）；（1.5，10）；（2.0，20）。

只有在压力偏差大于±0.8MPa后通过函数f3(x)的输出改变汽机主控的机组负荷指令给定值，改变机组的出力以稳定机前压力，但考虑到机组负荷调节的精度，该作用不宜太强。

Claims (6)

1.一种有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法，该方法包括：锅炉指令经过超前/滞后功能模块后，再同时输入到高选模块，通过高选模块后输出与热量信号同时输送给偏差计算模块，偏差计算模块计算偏差后输入PID控制模块进行PID运算，PID控制模块的控制信号输出给锅炉主控；同时，另一路的偏差计算模块接收机组负荷指令及机组实际负荷反馈，偏差计算模块计算偏差后输入PID控制模块，PID控制模块的控制信号输出给汽机主控。其中PID控制模块的数学描述式是 $Y\left(s\right)=(\mathrm{Kp}+\frac{1}{\mathrm{Ti}*S}+\frac{\mathrm{Kd}*\mathrm{Td}*S}{\mathrm{Td}*S+1})E\left(s\right)+\mathrm{FF}\left(s\right),$ 式中Kp为比例放大系数，Ti为积分时间单位为秒，Kd为微分放大系数，Td为微分作用时间单位为秒，FF为前馈变量。其特征在于：该方法进一步包括的步骤如下：

⑴发电机组负荷控制回路通过函数f1(x)对实际负荷指令下机组所需的大致燃料量进行快速估算；

⑵根据锅炉制粉系统的具体形式进行函数f1(x)的适当调整；

⑶在发电机组负荷控制回路中加入微分模块，适当调整实际负荷指令的微分作用强度和微分作用时间；

⑷将机前压力的偏差信号作为压力偏差回拉信号分别引入锅炉主控的前馈回路和汽轮机主控的负荷给定回路中，同时改变锅炉的燃料量和汽轮机发电机组的出力。

2.根据权利要求1所述的有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法，其特征在于：所述步骤⑴中快速估算，是指通过试验找出发电机组负荷对应燃料量关系曲线，然后经过函数f1(x)拟合出该曲线，将机组的负荷指令进行函数f1(x)工程变换，转化为锅炉所需要加入的大致煤量。

3.根据权利要求2所述的有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法，其特征在于：所述步骤⑵适当调整所采用的具体方法为在函数f1(x)的输出端再乘以一个系数，适当改变函数f1(x)的输出强度。

4.根据权利要求3所述的有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法，其特征在于：所述系数针对发电机组锅炉制粉系统结构形式不同取值略有不同，对于超临界锅炉而言该系数取值为0.8，对于循环流化床锅炉该系数取值为1.2。

5.根据权利要求2所述的有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法，其特征在于：所述步骤⑶适当调整实际负荷指令的微分作用强度和微分作用时间的具体方法为：在发电机组负荷控制回路中加入微分模块，以实际负荷指令作为其输入信号对其进行微分运算，微分模块输出经高/低限模块限幅处理后与函数f1(x)叠加，同时进行叠加求和的还包括机前压力的偏差信号函数f2(x)，叠加的结果作为前馈信号，通过锅炉主控输出调整燃料。

6.根据权利要求2所述的有效提高发电机组快速响应外界负荷变化的方法，其特征在于：所述步骤⑷偏差回拉信号将压力拉回的作用死区放宽至±0.8MPa，即机前压力偏差在大于±0.8MPa后通过函数f3(x)的输出改变汽机主控的机组负荷指令给定值，改变机组的出力以稳定机前压力。

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