CN104865925B - 一种火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法 - Google Patents
一种火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法，所述发电功率指令前馈控制逻辑是：AGC指令经过变化幅度限制环节后分为两路，一路经过变化速率限制环节后生成实际发电功率指令，另外一路依次经过线性滤波环节、变化速率限制环节和超前环节后，得到发电功率指令前馈输出。本发明通过合理利用火电机组锅炉蓄热，有效缓解了功率调节调度模式(R调度模式)下提高AGC指令响应速率和降低锅炉燃料量波动之间的矛盾。不仅能在AGC指令大幅单向变化时保证汽轮机前蒸汽压力稳定，而且可以在AGC指令小幅频繁变化时避免锅炉燃料量大幅波动。相对于传统前馈控制方案，本发明具有整定参数物理意义明确，组态、调试过程简捷方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合于采用功率调节调度模式(简称R调度模式)的火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法，属于发电技术领域。
背景技术
电能难以直接存储，电网需要调度网内各个发电机组的发电功率，使其时刻等于用电功率。电网频率是反映发电功率与用电功率是否平衡的技术指标，因此电网调度网内发电机组调整发电功率的过程也被称之为调频。调频分为一次调频和二次调频，一次调频即发电机组根据电网频率变化量直接改变自身发电功率，其特点是调节快速但属于有差调节；二次调频即电网调度中心依据发电负荷与用电负荷偏差通过指令调度各机组改变发电功率，特点是过程相对缓慢但能实现无差调节。二次调频也被称为AGC(AutomaticGeneration Control自动发电控制)。电网要求大容量火电机组必须投入一次调频和AGC功能，并对其响应时间、调节速率等指标作出严格规定。
在AGC自动模式下，火电机组的目标功率指令由基本功率指令和调节功率指令两部分相加构成。基本功率相当于计划功率，其特点是规律性强、变化幅度大但变化次数少。调节功率根据当前电网功率偏差实时计算得到，其特点是随机性强、变化幅度小但变化次数多。机组调节功率的模式分为O(Off-regulated)调度模式和R(Regulated)调度模式，O调度模式定义为任何情况下机组都不承担功率调节，机组接收到的AGC指令只包含基本功率指令；R调度模式定义为在任何需要的情况下机组都承担功率调节，机组接收到的AGC指令为基本功率指令加调节功率指令。相对于O调度模式，R调度模式更有利于电网频率稳定。
R调度模式下，AGC指令既存在规律性强、少量而大幅变化的部分，也存在随机性强、频繁而小幅变化的部分。现有火电机组协调控制系统难以适应以上存在两种特征的AGC指令。主要原因为，火电机组利用燃料量调节主蒸汽压力及发电功率的过程存在大惯性，单纯依靠反馈控制无法获得满意的控制效果，在协调控制系统中，普遍利用发电功率指令作为前馈信号，构成前馈-反馈复合控制系统，在发电功率指令前馈控制逻辑中，需要利用带有大微分作用的超前环节去“对消”被控对象的大惯性环节，以加快调节速度，提高主蒸汽压力及发电功率的控制品质，但是超前调节环节中的大微分作用会导致锅炉侧控制器输出即燃料量指令信号的变化幅度大大增加。这就造成一个“两难”的选择：增加前馈控制中微分作用强度，当AGC指令小幅频繁变化时燃料量波动大；减小微分强度，当AGC指令大幅变化时主蒸汽压力的控制品质又会变差。
在火电机组控制系统中，众多被控参数的指令信号等比例跟随燃料量指令信号变化，包括给煤量、一次风量、二次风量、直流锅炉给水流量、脱硝喷氨流量等等。燃料量指令波动将导致锅炉燃烧波动，进而造成一次风压、二次风压、氧量、炉膛压力、过热蒸汽温度、再热蒸汽温度、汽包锅炉汽包水位或直流锅炉中间点温度、NOX排放浓度等一系列主要参数的波动，对机组安全、经济、环保运行造成不利影响，并且这些参数波动最终也会影响主蒸汽压力的稳定性。当机组关键参数不稳定时，其发电功率控制指标也必然会下降。因此设计合适的发电功率指令前馈控制逻辑，是机组快速响应AGC指令并保证自身运行参数稳定的重要条件。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法，使机组能够快速响应AGC指令并保证自身运行参数的稳定。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法，所述方法的发电功率指令前馈控制逻辑是：AGC指令经过变化幅度限制环节后分为两路，一路经过变化速率限制环节后生成实际发电功率指令，另外一路依次经过线性滤波环节、变化速率限制环节和超前环节后，得到发电功率指令前馈输出。
上述火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法，所述线性滤波环节采用单位增益的低通滤波器，传递函数为：
式中：Taf为AGC指令惯性滤波时间，(s)；n为滤波阶次，无量纲，取值范围为2～4。
上述火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法，计算发电功率指令前馈输出采用的变化速率限制环节的速率限制值同计算实际发电功率指令采用的变化速率限制环节的速率限制值相一致。
本发明通过合理利用火电机组锅炉蓄热，有效缓解了功率调节调度模式(R调度模式)下提高AGC指令响应速率和降低锅炉燃料量波动之间的矛盾。不仅可以在AGC指令大幅单向变化时保证汽轮机前蒸汽压力稳定，而且可以在AGC指令小幅频繁变化时避免锅炉燃料量大幅波动。相对于传统前馈控制方案，本发明只增加一个低通滤波器，只需要调试滤波器惯性时间这一个参数，并且此参数仅与锅炉蓄热大小有关，具有整定参数物理意义明确，组态、调试过程简捷方便等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是现有发电功率指令前馈控制逻辑；
图2是本发明的发电功率指令前馈控制逻辑。
文中及图中各符号为：Gaf(s)为低通滤波器传递函数；Taf为AGC指令惯性滤波时间(s)；n为滤波阶次，无量纲；Gfc(s)为超前动态环节传递函数；K1为燃料量增益的倒数，((t/h)/MW)；Tf为超前环节的微分时间，(s)；Td为微分作用的滤波时间，(s)；s为拉氏变换的复变量，无量纲；“<>”代表信号变化幅度限制环节；“V>”代表信号变化速率限制环节。
具体实施方式
本发明针对火电机组协调控制系统在调节功率调度模式(R调度模式)AGC指令下控制品质变差的问题，提出一种协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法。该逻辑在现有前馈控制逻辑中的变化幅度限制与变化速率限制环节之间增加一个多阶惯性滤波环节。合理整定惯性滤波环节的惯性时间，可以实现下述功能：AGC指令小幅波动时，惯性滤波环节发挥主导作用，发电功率前馈控制作用小幅缓慢输出，避免燃料量指令大幅频繁波动造成燃烧扰动；AGC指令大幅变化时，变化速率限制环节起主导作用，前馈控制作用足额快速输出保证主蒸汽压力的控制品质。应用本发明可从整体上提高机组控制品质，使机组能够以高速率响应R调度模式的AGC指令。
操作的技术原理
(1)现有方案的分析
现有火电机组协调控制系统发电功率指令前馈控制逻辑结构为：AGC指令信号经过变化幅度限制环节、变化速率限制环节后，形成机组实际发电功率指令信号。机组实际发电功率指令信号再经过一个超前动态环节后，形成发电功率指令前馈控制输出信号。其逻辑结构如图1所示。
图1中Gfc(s)为超前动态环节，传递函数为：
其中：K1为燃料量增益的倒数，((t/h)/MW)，物理意义为稳态工况下单位发电功率所对应的燃料量；Tf为超前环节的微分时间，(s)，数值等于锅炉制粉系统惯性时间；Td为微分作用的滤波时间，(s)，取值在Tf的1/4～1/2之间；s为拉氏变换的复变量，无量纲。
图1所示逻辑中，火电机组正常运行状态下，变化幅度限制的高限值为机组额定发电功率，低限值为50％额定发电功率；变化速率限制值在机组额定发电功率1％～3％每分钟范围内。
对发电功率指令增加变化速率限制符合现场实际情况。以600MW机组为例说明，变化速率设置为12MW/min。当发电功率变化12MW时，在1min完成这一变化；而当发电功率变化120MW时，则在10min完成这一变化。即发电功率变化幅度越大，允许其完成这一变化的时间也越长。另外从前馈控制的角度分析，超前环节中的微分部分，其输出幅值与输入信号变化速率成正比，这意味着发电机组AGC响应速率越快，通过前馈控制动态增/减的燃料量也越多。整体而言，现有前馈控制逻辑在O调度模式下能够获得很好的控制效果。
但是在R调度模式下，当AGC指令频繁小幅变化时，此前馈逻辑存在着一个显著的缺点，即超前环节对高频信号的放大作用会导致锅炉燃料量出现剧烈波动。详细分析如下：由于超前环节中微分部分输出值与实际发电功率指令变化速率有关，当变化速率设置值比较高时，即使AGC指令小幅变化，微分部分也会输出一个幅值很大、但持续时间很短的脉冲，进而导致锅炉燃料量指令也出现大幅度、短时间的脉冲变化。以采用正压直吹式制粉系统的600MW机组为例，当变化速率设置为12MW/min时，AGC指令仅变化12MW，燃料量指令会出现一个幅值50t/h、持续时间1min的脉冲。特别当AGC指令频繁小幅正反向变化时，前馈控制逻辑会输出幅值很大、持续时间很短的正反向脉冲，造成燃料量指令大幅摆动，严重影响锅炉燃烧稳定性。
事实上由于火电机组具有很大热惯性和一定的蓄热容量，当AGC指令小幅波动时特别是小幅正反向波动时，即使燃料量不进行大幅调节，汽轮机前蒸汽压力也不会大幅度地偏离压力定值。同时，机组运行人员也允许蒸汽压力在一定范围内波动而尽量避免频繁调节燃料量。
(2)理论分析
变化速率限制环节的非线性滤波特性是造成这一现象的根本原因，通过与惯性环节对比进行说明。同惯性环节类似，变化速率限制环节也具有滤波功能。对于单位增益惯性环节，当输入阶跃变化时，在经过惯性时间4倍的响应时间后，输出值基本接近输入值；而对于变化速率限制环节，当输入阶跃变化时，在经过变化量除以变化速率得到的响应时间后，输出值变为输入值。对于不同变化幅度的输入而言，惯性环节的响应时间是不变的，而变化速率限制环节的响应时间与输入量的变化幅度有关。例如：对于变化速率设置为12MW/min的机组，当发电功率指令变化12MW时，1min完成变化过程，等效惯性时间约为15s；而当发电功率变化120MW时，则10min完成变化过程，等效惯性时间约为150s。这意味着对于变化速率限制环节，输入变化幅值越大，等效惯性时间越长，其低通滤波作用也越强。所以当AGC指令大幅变化时，变化速率限制环节的滤波作用不会使燃料量指令频繁变化。但是，当AGC指令小幅频繁变化时，变化速率限制环节则不能对其进行有效滤波，后续超前环节进一步将此干扰放大，从而导致燃料量指令大幅频繁波动。
理论上，变化速率限制环节的非线性滤波作用会造成原始信号部分有效信息成分丢失，并且此过程不可逆，因此仅仅对经过变化速率限制环节后的信号进行滤波、补偿等处理，本质上难以有效解决上述问题。
(3)改进方案
将线性滤波器放在非线性滤波器之前，理论上可以避免信号有效成分丢失的问题。无论AGC指令变化幅度大小，线性滤波器都能对其进行有效滤波。以一阶惯性线性滤波为例说明，惯性时间设置为50s，AGC变化速率设置为12MW/min。当发电功率指令变化12MW时，变化速率限制非线性滤波等效惯性时间约为15s，线性滤波惯性时间明显大于非线性滤波惯性时间，线性滤波发挥主要作用；而当发电功率变化120MW时，变化速率限制非线性滤波等效惯性时间约为150s，线性滤波惯性时间明显小于非线性滤波惯性时间，非线性滤波发挥主要作用。
本技术方案的核心即在于在非线性滤波环节之前增加一线性滤波环节，解决非线性滤波器不能对小幅变化输入信号进行有效滤波的问题。
本发明所述火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法如图2所示。AGC指令经过变化幅度限制环节后分为两路，一路经过变化速率限制环节后生成实际发电功率指令，另外一路依次经过线性滤波环节、变化速率限制环节、超前环节后，得到发电功率指令前馈输出。相对于现有控制逻辑，改进控制逻辑的核心是在发电功率指令前馈控制控制逻辑中的变化速率限制环节前增加一个线性滤波环节。为了避免影响实际发电功率指令信号计算过程，在发电功率指令前馈控制逻辑中，又增加了一个变化速率限制环节，其参数同原逻辑保持一致。
图2中，线性滤波环节Gaf(s)采用单位增益的低通滤波器，传递函数为：
式2中：Taf为AGC指令惯性滤波时间，(s)；n为滤波阶次，无量纲，取值范围在2～4之间。
对于发电功率指令前馈控制逻辑，通过设置合适的惯性滤波时间，可以实现以下功能：当AGC信号小幅变化时，变化速率限制环节的滤波作用较弱，线性滤波环节起主导作用，对输入信号进行滤波，减弱前馈输出强度避免燃料量指令大幅波动；当AGC信号大幅变化时，变化速率限制环节的滤波起主导作用，线性滤波环节基本不起作用，保证前馈信号有足够的强度避免汽轮机前蒸汽压力出现大的偏差。
本发明的实施步骤
(1)原控制逻辑确认。
实施本方案前需要对机组原协调控制系统中的发电功率指令前馈控制逻辑进行分析，确认其基本逻辑结构如图1所示。只要符合以下基本特征，AGC指令经过限制变化幅度、限制变化速率处理，经过式1类型传递函数得到负荷指令前馈输出，都可以应用本控制方案。实际机组协调控制系统中，变化幅度限制功能和变化速率限制功能需要考虑机组正常出力范围，主要辅机如风机、给水泵、磨煤机等设备运行状态，机组关键参数是否越限等众多因素。同时式1也可以衍生出多种组态方案，最为常见的是对式1进行变形处理如式3所示。另外，由于不同负荷段内单位发电功率所对应的燃料量略有不同，也可以用多点折线功能函数或多项式函数替代K1和K1(Tf-Td)，以满足不同负荷段精确控制的要求。现场实际组态逻辑往往比较复杂。但是，只要基本功能和基本流程符合以上基本特征，都可以应用本发明提供的控制方法。
(2)现场组态。
对照图2和图1所示逻辑，在机组分散控制系统(DCS)中，增加AGC指令滤波环节Gaf(s)和变化速率限制功能逻辑。其中Gaf(s)的传递函数可以采用式4，利用3个一阶惯性环节串联得到。其中变化速率限制功能逻辑中限速值同原组态逻辑限速值保持一致。
增加以上逻辑后，将原逻辑中AGC指令经过变化幅度限制功能后的输出信号，连接至AGC指令滤波环节Gaf(s)的输入端；将超前环节Gfc(s)的输入信号，由原逻辑中变化速率限制功能的输出端，更改为新增加逻辑中变化速率限制功能的输出端。即完成组态修改。原控制组态中其它逻辑及参数保持不变。
现场组态中，Gaf(s)也可以采用2阶或4阶惯性环节串联构成，设计及调试方法不变且都在此专利权利要求范围内。
(3)现场调试。
在机组运行期间对AGC指令滤波环节Gaf(s)中参数Taf进行调试。Taf值仅与锅炉蓄热大小有关，锅炉蓄热越大，Taf值越大。典型机组Taf取值范围如下：当机组负荷变化速率设置为2％额定发电负荷每分钟时，600MW亚临界汽包锅炉机组Taf值在20s-40s之间，600MW、1000MW超临界直流锅炉机组Taf值在10s-20s之间。
由于只涉及前馈控制逻辑，所以逻辑修改及参数调试不影响协调控制系统闭环稳定性。调试好Taf后，此逻辑可投入使用。
Claims (2)
1.一种火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法，其特征是，所述方法的发电功率指令前馈控制逻辑是：AGC指令经过变化幅度限制环节后分为两路，一路经过变化速率限制环节后生成实际发电功率指令，另外一路依次经过线性滤波环节、变化速率限制环节和超前环节后，得到发电功率指令前馈输出；
所述线性滤波环节采用单位增益的低通滤波器，传递函数为：
<mrow>
<msub>
<mi>G</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mi>f</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>s</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mi>f</mi>
</mrow>
</msub>
<mi>s</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>n</mi>
</msup>
</mfrac>
</mrow>
式中：Taf为AGC指令惯性滤波时间，(s)；n为滤波阶次，无量纲，取值范围为2～4。
2.根据权利要求1所述的一种火电机组协调控制系统的发电功率指令前馈控制方法，其特征是，计算发电功率指令前馈输出采用的变化速率限制环节的速率限制值同计算实际发电功率指令采用的变化速率限制环节的速率限制值相一致。
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