CN105826936A - 一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法，包括：电网频率变化超过设定的大频差时，根据电网频差和机组实际出力情况确定一次调频负荷需求，以防机组调频出力超过机组当前最大实际出力能力，保障机组的稳定和安全运行；同时，根据调频负荷需求直接改变机组相应煤量、给水流量和风量，快速补偿机组能量需求，提供大频差调频所需的大幅和持续的调频功率输出，并减少机组汽温和汽压的波动。与现有技术相比，本发明在保证火电机组安全运行前提下，能够大幅提高机组大频差一次调频性能，提高机组大频差调频过程中的运行稳定性。

Description

一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法

技术领域

本发明涉及热工自动控制技术领域，涉及一种火电机组调频控制方法，尤其是涉及一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法。

背景技术

随着电网技术快速发展，跨区域电网间的电能传输功率不断增加，优化能源资源配置，促进跨区域电网间电量交易的同时，也对电网运行的安全性和可靠性提出了更高的要求。当电网出现直流系统故障等电网事故时，将对电网造成极大冲击，容易导致电网频率次生事故，电网频率出现较大频差，影响电网的完全稳定运行。火电机组作为向电网输送电能的主力类型机组，其一次调频作用是改善电网频率质量，防止频率事故恶化，帮助电网频率恢复稳定的重要措施。由于在电网频率事故的大频差工况下，电网要求火电机组的参与的一次调频负荷调节幅度较大，且调频持续时间较长，以释放锅炉储能为主的传统一次调频方法较难满足电网事故下的大频差的调频要求。

现有一次调频控制方法中一次调频负荷指令仅根据电网频差或汽机转速偏差计算得到，没有考虑机组实际出力情况，比如制粉系统出力上限，辅机故障导致的机组出力受限等。在电网大频差工况下，电网要求的调频功率较大，当机组一次调频功率输出超出机组实际出力能力时，将严重影响机组安全稳定运行。同时，传统调节汽机调门开度的一次调频控制方法主要以利用锅炉储能为主，无法满足大频差一次调频所需的大幅和持续的调频输出，且调频过程中机组汽温和汽压等主要参数波动较大，不利于机组安全稳定运行。部分一次调频技术为增加机组运行参数稳定性，根据调频负荷量或机组主汽压力变化来改变锅炉主控的输出，间接改变锅炉燃料、给水和风量，由于DCS系统中锅炉主控输出至给水和风量系统间设置了一定的惯性，特别是至给水系统的惯性较大，大频差工况下无法实现快速改变锅炉给水流量和风量，减少了机组大频差调频功率输出的动作速度和幅度，影响机组大频差一次调频性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法，解决传统一次调频控制方法忽略机组实际出力能力，没有有效处理一次调频负荷指令，机组大频差一次调频性能较差，调频过程机组主要参数波动较大等问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法，其特征在于，包括：

电网频率变化超过设定的大频差时，根据电网频差和机组实际出力情况确定一次调频负荷需求，以防机组调频出力超过机组当前最大实际出力能力，保障机组的稳定和安全运行；

同时，根据调频负荷需求直接改变机组相应煤量、给水流量和风量，快速补偿机组能量需求，提供大频差调频所需的大幅和持续的调频功率输出，并减少机组汽温和汽压的波动。

该方法具体包括以下步骤：

步骤1)，根据机组DCS系统中采集到的电网频率信号f，计算电网频差Δf；

步骤2)，若电网频差Δf＞m，则按下式计算得到电网要求的一次调频负荷指令H₁：

H₁＝-(Δf·60-2)·Pe/(n·Kc)

如电网频差Δf＜-m，则按下式计算得到电网要求的一次调频负荷指令H₁：

H₁＝-(Δf·60+2)·Pe/(n·Kc)

式中，Pe为机组额定有功出力；n为汽机额定转速；Kc为汽机转速不等率，m为设定的机组大频差定值，为负荷指令的函数：m＝f(ULD)，ULD为机组负荷指令；

步骤3)，根据机组制粉系统出力情况计算当前机组最大出力：

M₁＝k·(g_ec-g_max)·α，

式中k为当前制粉系统中磨煤机投入自动运行的台数，g_ec为单台磨煤机最大出力，g_max为投入自动运行磨煤机中输出煤量最大出力值，α为机组当前负荷煤量比；

步骤4)，计算机组一次调频负荷上下限值，其中负荷指令上限M_max按下式计算得到：

M_max＝min(M₁,6％Pe,P_max-ULD)

一次调频负荷指令下限按下式计算得到：

M_min＝max(-6％Pe,P_min-ULD)

式中，P_max为运行人员根据机组运行情况设定的机组负荷上限；P_min为运行人员设定的机组负荷下限；min为取小算式；max为取大算式；

步骤5)，根据步骤2)中计算得到的电网要求一次调频负荷指令和步骤4)中计算得到的一次调频负荷指令上下限值，计算机组实际一次调频负荷指令H：

$H=\left\{\begin{array}{cc}{M}_{max}& H_1\&GreaterEqual;M_{max}\\ H_1& M_{min}<H_1<M_{max}\\ M_{min}& H_1\&le;M_{\min }\end{array}\right.$

步骤6)，将步骤5)中计算得到的机组实际一次调频负荷指令叠加至机组负荷控制回路的负荷指令中，通过调节汽机调门开度进行负荷闭环控制；

步骤7)，根据步骤5)中计算得到的机组实际一次调频负荷指令计算锅炉燃料、给水和风量的前馈，燃料大频差一次调频前馈指令G_fuel＝H·η，给水流量大频差一次调频前馈指令G_wtr＝H·μ，风量大频差一次调频前馈指令G_air＝H·ζ，式中η，μ，ζ分别为机组单位负荷对应的燃料量、给水流量和风量；

步骤8)，将步骤7)中的锅炉燃料、给水和风量的前馈指令直接叠加至DCS中燃料控制子回路中的燃料指令、给水流量控制子回路中的给水指令和风量控制子回路中风量指令中，得到上述各控制量的总指令，由对应各控制回路快速调节进入锅炉的燃料、给水和风量。

所述的电网频差Δf计算如下：

Δf＝f-50(Hz)。

所述的汽机额定转速n取3000r/min。

所述的汽机转速不等率Kc为4％～6％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明依据火电机组磨煤机运行及出力情况、运行人员根据机组运行情况设定的机组功率出力上下限值等机组出力受限因数，计算得到机组一次调频负荷指令的上下限值，并对电网大频差工况下机组的一次调频负荷指令进行限制，以防机组大频差调频出力超出机组出力能力，影响机组的安全稳定运行。

2)同时，本发明根据机组实际一次调频负荷指令计算调频所需燃料、给水流量和风量，并直接作用于机组DCS中的燃料、给水和风量控制回路中，快速改变进入锅炉的燃料量、给水流量和风量，提供大频差调频所需的大幅和持续的调频功率输出，减少机组汽温和汽压等主要参数的波动。

3)本发明在保证火电机组安全运行前提下，大幅提高机组大频差一次调频性能，提高机组大频差调频过程中的运行稳定性。

附图说明

图1为本发明的控制方法原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法，在机组原有负荷控制回路中增加一次调频负荷指令处理，在机组燃料量指令、给水流量指令和风量指令原有计算逻辑中增加大频差一次调频前馈量，快速改变进入锅炉的燃料、给水和风量，在保证火电机组安全运行前提下，提供大频差调频所需的大幅和持续的调频功率输出，减少机组汽温和汽压等主要参数的波动。

本实施例以某660MW超临界机组的大频差一次调频试验为研究对象，通过在DCS中模拟汽机转速偏差来模拟电网大频差工况，机组试验负荷工况为361MW。下面结合该实施例，说明本发明的技术方案实施过程如下：

步骤1)，DCS中模拟汽机转速输出为2989r/min，根据机组DCS系统中采集到的电网频率信号f＝49.817Hz，计算电网频差：Δf＝f-50＝-0.183Hz；

步骤2)，电网频差Δf＜-0.085Hz，则按下式计算得到电网要求的一次调频负荷指令H₁：

H₁＝-(Δf·60+2)×660/(3000×0.05)＝39.6MW

设定的机组大频差定值m为负荷指令的函数：m＝-0.00016·ULD+0.027；

步骤3)，当前361MW负荷工况下，机组总煤量为150.1t/h，3台磨煤机投入自动运行，其中输出煤量最大值为51.5t/h，单台磨煤机最大出力设定为55t/h，根据机组制粉系统出力情况计算当前机组最大出力为：

M₁＝3×(55-51.5)×2.405＝21.4MW，

式中机组当前负荷煤量比α＝2.405MW/(t/h)；

步骤4)，计算机组一次调频负荷上下限值，其中负荷指令上限M_max按下式计算得到：

M_max＝min(M₁,6％Pe,P_max-ULD)＝min(21.4,39.6,299)＝21.4MW

一次调频负荷指令下限按下式计算得到：

M_min＝max(-6％Pe,P_min-ULD)＝max(-39.6,-31)＝-31MW

式中，P_max为运行人员根据机组运行情况设定的机组负荷上限，设定为660MW；P_min为运行人员设定的机组负荷下限，为330MW；min为取小算式；max为取大算式；

步骤5)，根据步骤2)中计算得到的电网要求一次调频负荷指令和步骤4)中计算得到的一次调频负荷指令上下限值，计算机组实际一次调频负荷指令H：

$\begin{array}{c}H=\left\{\begin{array}{cc}{M}_{max}& H_1\&GreaterEqual;M_{max}\\ H_1& M_{min}<H_1<M_{max}\\ M_{min}& H_1\&le;M_{\min }\end{array}\right.\\ =21.4MW\end{array}$

步骤6)，将步骤5)中计算得到的机组实际一次调频负荷指令叠加至机组负荷控制回路的负荷指令中，通过调节汽机调门开度进行负荷闭环控制；

步骤7)，根据步骤5)中计算得到的机组实际一次调频负荷指令计算锅炉燃料、给水和风量的前馈:

燃料大频差一次调频前馈指令G_fuel＝H·η＝8.9t/h；

给水流量大频差一次调频前馈指令G_wtr＝H·μ＝54.4t/h；

风量大频差一次调频前馈指令G_air＝H·ζ＝76.2t/h；

式中η为机组单位负荷对应的燃料量，取0.416(t/h)/MW；μ为单位负荷对应的给水流量，取2.542(t/h)/MW；ζ为单位负荷对应的风量，取3.561(t/h)/MW；

步骤8)，将步骤7)中的锅炉燃料、给水和风量的前馈指令直接叠加至DCS中燃料控制子回路中的燃料指令、给水流量控制子回路中的给水指令和风量控制子回路中风量指令中，得到上述各控制量的总指令，由对应各控制回路快速调节进入锅炉的燃料、给水和风量。

将上述设计的大频差一次调频负荷指令送至负荷控制回路中，通过调节汽机调门开度进行负荷闭环控制；并根据上述设计中的燃料、给水和风量总指令调节进入锅炉内的燃料量、给水流量和风量，快速补偿大频差调频所需的大幅和持续的调频功率输出。基于针对电网大频差的智能一次调频控制方法，在保证机组安全运行前提下，机组大频差一次调频性能大幅提高，15秒一次调频负荷响应幅度达到73.5％，30秒一次调频负荷响应幅度能够达到88.6％，满足电网要求，同时机组各项参数变化幅度减小，其中主汽压力偏离设定值在0.8MPa以内，主蒸汽温度在±7℃范围内波动，分离器出口温度在±6℃范围内变化，增加了机组运行稳定性和安全性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法，其特征在于，包括：

电网频率变化超过设定的大频差时，根据电网频差和机组实际出力情况确定一次调频负荷需求，以防机组调频出力超过机组当前最大实际出力能力，保障机组的稳定和安全运行；

同时，根据调频负荷需求直接改变机组相应煤量、给水流量和风量，快速补偿机组能量需求，提供大频差调频所需的大幅和持续的调频功率输出，并减少机组汽温和汽压的波动。

2.根据权利要求1所述的一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1)，根据机组DCS系统中采集到的电网频率信号f，计算电网频差Δf；

步骤2)，若电网频差Δf＞m，则按下式计算得到电网要求的一次调频负荷指令H₁：

H₁＝-(Δf·60-2)·Pe/(n·Kc)

如电网频差Δf＜-m，则按下式计算得到电网要求的一次调频负荷指令H₁：

H₁＝-(Δf·60+2)·Pe/(n·Kc)

式中，Pe为机组额定有功出力；n为汽机额定转速；Kc为汽机转速不等率，m为设定的机组大频差定值，为负荷指令的函数：m＝f(ULD)，ULD为机组负荷指令；

步骤3)，根据机组制粉系统出力情况计算当前机组最大出力：

M₁＝k·(g_ec-g_max)·α，

式中k为当前制粉系统中磨煤机投入自动运行的台数，g_ec为单台磨煤机最大出力，g_max为投入自动运行磨煤机中输出煤量最大出力值，α为机组当前负荷煤量比；

步骤4)，计算机组一次调频负荷上下限值，其中负荷指令上限M_max按下式计算得到：

M_max＝min(M₁,6％Pe,P_max-ULD)

一次调频负荷指令下限按下式计算得到：

M_min＝max(-6％Pe,P_min-ULD)

式中，P_max为运行人员根据机组运行情况设定的机组负荷上限；P_min为运行人员设定的机组负荷下限；min为取小算式；max为取大算式；

步骤5)，根据步骤2)中计算得到的电网要求一次调频负荷指令和步骤4)中计算得到的一次调频负荷指令上下限值，计算机组实际一次调频负荷指令H：

$H=\left\{\begin{array}{cc}{M}_{max}& H_1\&GreaterEqual;M_{max}\\ H_1& M_{min}<H_1<M_{max}\\ M_{\min }& H_1\&le;M_{\min }\end{array}\right.$

步骤6)，将步骤5)中计算得到的机组实际一次调频负荷指令叠加至机组负荷控制回路的负荷指令中，通过调节汽机调门开度进行负荷闭环控制；

步骤7)，根据步骤5)中计算得到的机组实际一次调频负荷指令计算锅炉燃料、给水和风量的前馈，燃料大频差一次调频前馈指令G_fuel＝H·η，给水流量大频差一次调频前馈指令G_wtr＝H·μ，风量大频差一次调频前馈指令G_air＝H·ζ，式中η，μ，ζ分别为机组单位负荷对应的燃料量、给水流量和风量；

步骤8)，将步骤7)中的锅炉燃料、给水和风量的前馈指令直接叠加至DCS中燃料控制子回路中的燃料指令、给水流量控制子回路中的给水指令和风量控制子回路中风量指令中，得到上述各控制量的总指令，由对应各控制回路快速调节进入锅炉的燃料、给水和风量。

3.根据权利要求2所述的一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法，其特征在于，所述的电网频差Δf计算如下：

Δf＝f-50(Hz)。

4.根据权利要求2所述的一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法，其特征在于，所述的汽机额定转速n取3000r/min。

5.根据权利要求2所述的一种针对电网大频差的火电机组智能一次调频控制方法，其特征在于，所述的汽机转速不等率Kc为4％～6％。