CN111425273B - 一种全工况燃煤机组一次调频控制方法 - Google Patents

一种全工况燃煤机组一次调频控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全工况燃煤机组一次调频控制方法，可用于燃煤机组实际运行过程中的一次调频自动控制。一方面采用闭环控制方式，根据网频偏差动态实时修正主汽压力设定值，有效避免汽机跟随方式下对一次调频的反调，确保在该方式下机组的一次调频性能同样具备快速性和精确性；另一方面，综合考虑机组AGC和一次调频控制性能，采用一次调频过程修正，整体优化一次调频动作过程的控制性能与控制目标，有针对性的满足电网日益严格的考核要求。

Description

一种全工况燃煤机组一次调频控制方法
技术领域
本发明涉及燃煤机组自动控制技术领域，尤其是一种全工况燃煤机组一次调频控制方法。
背景技术
近年来随着新能源电力和风电的大规模接入，网源结构越来越复杂。为了保证电网安全，各区域电网相继出台了“两个细则”，明确要求上网燃煤机组必须具备AGC和一次调频功能，并对机组AGC和一次调频性能进行严格考核。随着技术的不断更新与进步，各电网公司对“两个细则”的考核要求也是逐步加强，不断细化。如华北电网早期仅考核一次调频动作的正确率，而最新出台的考核细则加入了一次调频动作后期贡献电量的考核指标。再如东北电网不仅考核一次调频的快速响应，更注重一次调频的调节精度。因此，对于机组负荷控制来说，加强一次调频动作全过程控制性能的同时，还需兼顾机组AGC的控制性能，才能更好的避免调度的考核。国内学者对AGC和一次调频的控制技术均有针对性的研究，但综合考虑二者性能的研究相对较少。如中国专利《一种AGC与一次调频协调控制的电网频率调整方法》（专利申请号CN 201410700043.0）和中国专利《火电机组一次调频与AGC的协调控制方法》（专利申请号CN 201610461880.1），二者均考虑当AGC指令与一次调频增减负荷不同时闭锁机组AGC指令，这种做法虽然可短时提升机组一次调频性能，但在如今大规模新能源电力接入背景下，由于一次调频动作频繁且时间较长，长时间闭锁机组AGC指令将严重影响机组AGC调节性能，若综合考虑机组AGC和一次调频整体性能，这种方式得不偿失。
另外，出于环保考核的压力，为了增加新能源电力的接入能力，各区域电网鼓励燃煤机组具备深度调峰的能力，同时加大深度调峰的补偿力度，促使各大发电集团全面开展燃煤机组灵活性运行改造。常规的一次调频功能是在协调控制系统基础上实现的，即机组运行在协调控制方式，锅炉主控通过增减燃料量保持主汽压力稳定，汽机主控通过调节汽轮机高调门开度跟踪机组负荷指令。当网频波动超过死区时，一方面通过网频折算成功率指令叠加到负荷指令设定值上，保证一次调频动作的调整精度；另一方面则通过网频折算成汽轮机高调门开度增量叠加到综合阀位指令上，保证一次调频动作的快速性。然而，机组进入深度调峰工况时，风机、磨煤机、给水泵等重要辅机多工作在临界状态，锅炉主控往往不具备投入自动调节的条件。为了保证机组运行安全，燃煤机组多运行在汽机跟随方式，即汽机主控通过调节汽轮机高调门开度快速保持主汽压力稳定。电网对于一次调频性能的考核并不区分机组运行的方式，且要求并网后即进行一次调频考核，因此，研究设计适用机组不用运行方式的全工况燃煤机组一次调频的控制方法具有特别重要的意义。协调方式下，汽轮机高调门同时完成机组负荷和一次调频的调节功能，其调节方向是一致的，而汽机跟随方式下，由于汽轮机高调门需要维持主汽压力稳定，其调节方向与完成一次调频动作的调节方向不一致，对一次调频造成反调，这是汽机跟随方式下一次调频性能不佳的根本原因。因此有必要对汽机跟随方式下燃煤机组一次调频的控制方法进行深入研究，确保在该方式下机组的一次调频性能同样具备快速性和精确性。近些年众多研究机构和电厂对一次调频控制方法的分析研究主要集中在常规的协调控制方式下，汽机跟随方式下的一次调频控制方法鲜有报道。中国专利《火电机组压控阀控方式一次调频主汽压力自适应优化方法》（专利申请号CN 201510608556.3），首先根据各段主汽压力变化量与负荷变化量之间的关系,计算压控方式的主汽压力一次调频量；然后根据各压力段负荷变化量与综合阀位开度变化量的关系,确定阀控方式的综合阀位开度一次调频量；最后将主汽压力一次调频量、综合阀位开度一次调频量引入到压控阀控中,实现一次调频功能的主汽压力自适应控制。该控制方法通过试验得到不同主汽压力工况下压力变化量与负荷变化量的对应关系，对主汽压力设定值进行了修正，避免压控方式下对一次调频的反调，但这种修正是试验工况下取得的静态粗略修正，属于一种前馈式的开环控制，在一定程度上可以避免压控方式下一次调频的反调，但仍无法达到协调方式下一次调频的控制精度。且在实际投入使用时，实际工况不一定与试验工况相同，使得试验得到的静态参数与实际控制存在一定的偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提出一种全工况燃煤机组一次调频的控制方法，一方面采用闭环控制方式，根据网频偏差动态实时修正主汽压力设定值，有效避免汽机跟随方式下对一次调频的反调，确保在该方式下机组的一次调频性能同样具备快速性和精确性；另一方面，综合考虑机组AGC和一次调频控制性能，采用一次调频过程修正，整体优化一次调频动作过程的控制性能与控制目标，有针对性的满足电网日益严格的考核要求。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种全工况燃煤机组一次调频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在燃煤机组分散控制系统DCS的一次调频控制逻辑组态中增加一次调频负荷拉回控制逻辑，用于计算一次调频压力设定值修正量Pf；增加一次调频过程修正控制逻辑，用于计算一次调频前馈控制修正量Kf；
第二步：在燃煤机组分散控制系统DCS的一次调频控制逻辑汽机跟随控制回路组态中增加一次调频压力设定值修正量控制回路接口，并将一次调频负荷拉回控制逻辑的输出引入到此回路接口中；在一次调频控制逻辑前馈控制回路组态中增加一次调频前馈控制修正量控制回路接口，并将一次调频过程修正控制逻辑的输出引入到此回路接口中；
第三步：控制系统投入实际运行，根据实时运行曲线，在线整定一种全工况燃煤机组一次调频控制方法控制回路相关参数，最终达到预期的控制效果。
进一步的，所述一次调频压力设定值修正量Pf由PID闭环控制器计算得出；设定值为一次调频动作开始时的机组实际负荷瞬时值MWact与一次调频负荷增量指令MWf之和，被调量过程值为机组实际负荷MW；为了避免机组投入AGC时一次调频动作时间过长影响机组AGC跟踪精度，当机组投入AGC方式且一次调频连续动作切除时间T3后，一次调频负荷增量指令MWf设定为0，切除时间T3可根据机组涉网考核规则设定；出于安全考虑，计算输出经过PID控制器内部限幅后输出Pf，且Pf的投入条件为主汽压力偏差超过死区，其中上限幅值、下限幅值及主汽压力偏差死区可根据机组实际需要设定。
进一步的，所述一次调频前馈控制修正量Kf由一次调频动作时间判断条件和过程修正增益获得；Kf初始设定为启动增益K0；当一次调频连续动作启动时间T1时，Kf设定为加速增益K1；当一次调频连续动作加速时间T2时，Kf设定为稳定增益K2；其中过程修正增益K0、K1和K2以及延迟时间T1和T2可根据机组涉网考核规则设定。
进一步的，所述一次调频负荷拉回控制逻辑和一次调频过程修正控制逻辑中，机组实际负荷MW，一次调频负荷指令增量、主蒸汽压力偏差等模拟量输入信号以及AGC投入和一次调频动作等数字量输入信号均可直接从机组分散控制系统DCS实时数据库中读取；用于计算压力设定值修正量Pf的PID闭环控制器采用正作用，其参数可根据实时曲线在线整定，整定的原则是通过现有机组分散控制系统DCS一次调频控制系统，保证机组在运行过程中满足一次调频性能要求。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
（1）不需要进行大量的静态试验，采用闭环控制方式，动态实时修正主汽压力设定值，可有效避免汽机跟随方式下对一次调频的反调，确保在该方式下机组的一次调频性能同样具备快速性和精确性，满足电网考核要求。
（2）兼顾机组AGC和一次调频考核，采用一次调频过程修正，整体优化一次调频动作过程的控制性能与控制目标，有针对性的满足电网日益严格的考核要求。
（3）可有效降低运行人员的劳动强度，且控制效果不依赖于运行人员的技术水平。
（4）实时性好，现场调试过程简单，便于工程实现。
附图说明
图1是本发明实施例的工作流程框图。
图2是本发明实施例的一次调频控制逻辑图。
图3是本发明实施例的典型一次调频动作响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1，本实施例中，一种全工况燃煤机组一次调频控制方法，包括以下步骤：
第一步：在燃煤机组分散控制系统DCS的一次调频控制逻辑组态中增加一次调频负荷拉回控制逻辑，用于计算一次调频压力设定值修正量Pf；增加一次调频过程修正控制逻辑，用于计算一次调频前馈控制修正量Kf；
第二步：在燃煤机组分散控制系统DCS的一次调频控制逻辑汽机跟随控制回路组态中增加一次调频压力设定值修正量控制回路接口，并将一次调频负荷拉回控制逻辑的输出引入到此回路接口中；在一次调频控制逻辑前馈控制回路组态中增加一次调频前馈控制修正量控制回路接口，并将一次调频过程修正控制逻辑的输出引入到此回路接口中；
第三步：控制系统投入实际运行，根据实时运行曲线，在线整定一种全工况燃煤机组一次调频控制方法控制回路相关参数，最终达到预期的控制效果。
本发明一方面采用闭环控制方式，根据网频偏差动态实时修正主汽压力设定值，有效避免汽机跟随方式下对一次调频的反调，确保在该方式下机组的一次调频性能同样具备快速性和精确性；另一方面，综合考虑机组AGC和一次调频控制性能，采用一次调频过程修正，整体优化一次调频动作过程的控制性能与控制目标，有针对性的满足电网日益严格的考核要求。
本发明算法逻辑图，即本发明实施例的一次调频控制逻辑图，如图2所示。其中：
一次调频压力设定值修正量Pf由PID闭环控制器计算得出；设定值为一次调频动作开始时的机组实际负荷瞬时值MWact与一次调频负荷增量指令MWf之和，被调量过程值为机组实际负荷MW；为了避免机组投入AGC时一次调频动作时间过长影响机组AGC跟踪精度，当机组投入AGC方式且一次调频连续动作切除时间T3后，一次调频负荷增量指令MWf设定为0，切除时间T3可根据机组涉网考核规则设定；出于安全考虑，计算输出经过PID控制器内部限幅后输出Pf，且Pf的投入条件为主汽压力偏差超过死区，其中上限幅值、下限幅值及主汽压力偏差死区可根据机组实际需要设定。
一次调频前馈控制修正量Kf由一次调频动作时间判断条件和过程修正增益获得；Kf初始设定为启动增益K0；当一次调频连续动作启动时间T1时，Kf设定为加速增益K1；当一次调频连续动作加速时间T2时，Kf设定为稳定增益K2；其中过程修正增益K0、K1和K2以及延迟时间T1和T2可根据机组涉网考核规则设定。
如图2所示，一次调频负荷拉回控制逻辑和一次调频过程修正控制逻辑中，机组实际负荷MW，一次调频负荷指令增量、主蒸汽压力偏差等模拟量输入信号以及AGC投入和一次调频动作等数字量输入信号均可直接从机组分散控制系统DCS实时数据库中读取；用于计算压力设定值修正量Pf的PID闭环控制器采用正作用，其参数可根据实时曲线在线整定，整定的原则是通过现有机组分散控制系统DCS一次调频控制系统，保证机组在运行过程中满足一次调频性能要求。
下面以某300MW亚临界燃煤机组为例，介绍算法参数整定结果。
机组概况：该300MW亚临界燃煤机组并网时需要满足东北电网“两个细则”考核要求。DCS采用华电南自的TCS-3000分散控制系统，整套系统,包括数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）、炉膛安全监控系统（FSSS）等各项控制功能；汽轮机数字电液调节系统（DEH）、小汽轮机数字电液调节系统（MEH）都采用美国艾默生的OVATION控制系统。
一次调频压力设定值修正量Pf由PID闭环控制器计算得出，由于主汽压力偏差较小时，汽机主控对一次调频的反调作用较小，因此投入条件主汽压力偏差死区设置为[-0.2MPa, +0.2MPa]。修正量上、下限幅值设定为±0.5MPa。为了避免机组投入AGC时一次调频动作时间过长影响机组AGC跟踪精度，当机组投入AGC方式且一次调频连续动作切除时间T3后，一次调频负荷增量指令MWf设定为0，由于东北电网一次调频单次考核时间为60秒，因此切除时间T3适当延长，实际设定为70秒。
一次调频前馈控制修正量Kf由一次调频动作时间判断条件和过程修正增益获得。Kf初始设定为启动增益K0；当一次调频连续动作启动时间T1时，Kf设定为加速增益K1；当一次调频连续动作加速时间T2时，Kf设定为稳定增益K2。由于东北电网既考核一次调频动作前期的响应快速性，又考核一次调频动作后期的稳定精度。因此将一次调频整个动作过程分解为启动阶段、加速阶段和稳定阶段三个过程。在启动阶段，考核要求一次调频3秒内正确动作，因此启动增益K0设定为最大的系数1.6，目的是确保一次调频动作启动瞬间克服系统的迟缓率，启动时间T1设定为3秒；在加速阶段，考核要求一次调频动作15秒时调频幅度应达到理论值的90%，因此加速增益K1设定为较大的系数1.4，该值较K0略小，目的是确保一次调频正确动作后能快速达到调频要求的幅度，但又不对协调控制系统造成过大的扰动，加速时间T2设定为15秒；在稳定阶段，考核要求单次一次调频精度达到25%以内，因此稳定增益K2设定为适当的系数1.2，目的是保证一次调频后期动作平稳，满足考核精度指标。不同的涉网考核规则对一次调频动作过程的要求不尽相同，过程参数可根据实际需要设定，由以上分析可见T1<T2，K0>K1>K2。
机组实际负荷MW，一次调频负荷指令增量，主蒸汽压力偏差等模拟量输入信号以及AGC投入和一次调频动作等数字量输入信号由DCS实时数据库中读取，用于计算压力设定值修正量Pf的PID闭环控制器采用正作用，比例、积分控制律。完成一种全工况燃煤机组一次调频控制方法控制回路逻辑组态，设定相关过程修正参数，将系统投入实际运行，根据机组运行曲线，反复在线整定PID控制器参数，保证机组运行在全工况下均满足一次调频要求。现场调试过程简单，便于工程实现。
由图3可见，由于对主汽压力设定值进行了修正，一次调频动作过程中汽机主控未出现反调，机组实际负荷有效跟踪调频负荷指令；由于采用一次调频过程修正，一次调频动作过程中启动阶段动作正确及时，加速阶段幅度响应快速，稳定阶段动作平稳准确。优化结果满足电网的考核要求。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种全工况燃煤机组一次调频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在燃煤机组分散控制系统DCS的一次调频控制逻辑组态中增加一次调频负荷拉回控制逻辑，用于计算一次调频压力设定值修正量Pf；增加一次调频过程修正控制逻辑，用于计算一次调频前馈控制修正量Kf；
第二步：在燃煤机组分散控制系统DCS的一次调频控制逻辑汽机跟随控制回路组态中增加一次调频压力设定值修正量控制回路接口，并将一次调频负荷拉回控制逻辑的输出引入到此回路接口中；在一次调频控制逻辑前馈控制回路组态中增加一次调频前馈控制修正量控制回路接口，并将一次调频过程修正控制逻辑的输出引入到此回路接口中；
第三步：燃煤机组分散控制系统DCS投入实际运行，根据实时运行曲线，在线整定一种全工况燃煤机组一次调频控制方法控制回路相关参数，最终达到预期的控制效果；
所述一次调频压力设定值修正量Pf由PID闭环控制器计算得出；设定值为一次调频动作开始时的机组实际负荷瞬时值MWact与一次调频负荷增量指令MWf之和，被调量过程值为机组实际负荷MW；为了避免机组投入AGC时一次调频动作时间过长影响机组AGC跟踪精度，当机组投入AGC方式且一次调频连续动作切除时间T3后，一次调频负荷增量指令MWf设定为0，切除时间T3根据机组涉网考核规则设定；出于安全考虑，计算输出是经过PID闭环控制器内部限幅后输出的Pf，且Pf的投入条件为主汽压力偏差超过死区，其中上限幅值、下限幅值及主汽压力偏差死区根据机组实际需要设定；
所述一次调频前馈控制修正量Kf由一次调频动作时间判断条件和过程修正增益获得；Kf初始设定为启动增益K0；当一次调频连续动作启动时间T1时，Kf设定为加速增益K1；当一次调频连续动作加速时间T2时，Kf设定为稳定增益K2；其中K0、K1、K2、T1和T2根据机组涉网考核规则设定。
2.根据权利要求1所述的全工况燃煤机组一次调频控制方法，其特征在于，所述一次调频负荷拉回控制逻辑和一次调频过程修正控制逻辑中，模拟量输入信号以及数字量输入信号均直接从燃煤机组分散控制系统DCS实时数据库中读取；用于计算压力设定值修正量Pf的PID闭环控制器采用正作用，其参数根据实时运行曲线在线整定，整定的原则是通过现有燃煤机组分散控制系统DCS一次调频控制系统，保证机组在运行过程中满足一次调频性能要求。
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