CN111429010A - 一种基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统 - Google Patents

一种基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统包括负荷需求预测模块、第一内模预测控制模块、第二内模预测控制模块及直接能量平衡模块，第一内模预测控制模块还用于根据负荷需求变化量，计算燃料需求变化量，第二内模预测控制模块用于预测因锅炉压力变化产生的燃料需求变化量，实现了火力发电机组自动发电控制系统的滑压运行，提高了自动发电控制系统的爬坡率K1，稳定调节精度K2，减小响应时间K3，达到了优化控制参数Kp的目的，自适应火力发电机组协调控制的控制范围，增强火力发电机组深度调峰调频能力，减轻了操作强度，增加了火电发电机组的灵活性。

Description

一种基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统。
背景技术
随着国民经济水平的提高，对于电网公司和耗电用户，对电能质量有着越来越高的要求，这就需要火力发电机组具备优良的负荷跟踪能力，从电网侧看，协调控制系统起着连接发电机组和电网的作用，在自动发电控制(Automatic Generating Control，AGC)系统中扮演发电侧执行者的角色，也是电网具较全面自动化能力的根本。
但是近些年来，由于火力发电机组装机容量一直处于提升趋势，传统协调控制系统无法满足在维持自身稳定运行的情况下，根据电网需求进行调频、调峰，因此，需要寻求更先进的优化控制方案来保证机组的安全经济运行。
目前的发电机组协调控制系统通常采用常规的直接能量平衡协调控制策略，导致发电机组协调控制系统适应负荷变化的能力较差，主要表现在变负荷时主汽压偏差大，风、水、煤量各项控制参数也波动频繁，主汽温随之波动剧烈，负荷变化速率也因此受限，发电机组只能通过人工滑压运行，导致发电机组效率受到影响，月度自动发电控制考核电量较大。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明实施例提供了一种基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统，该系统包括：
负荷需求预测模块，用于根据当前负荷需求量、火电发电机组实际产生的负荷量、火力发电机组工作频率，预测下一时刻的负荷需求量；
第一内模预测控制模块，用于根据当前负荷需求量及预测下一时刻的负荷需求量，计算负荷需求变化量；
第一内模预测控制模块，还用于根据所述负荷需求变化量，计算燃料需求变化量；
第二内模预测控制模块，用于预测因锅炉压力变化产生的燃料量需求变化量；
直接能量平衡模块，用于保持火电发电机组汽轮机侧的能量和火电发电机组锅炉侧的能量匹配。
优选地，所述系统还包括：
校正模块，用于根据标准煤电比值与火力发电机组稳态工况下的实时煤电比值，校正所述第一内模预测控制模块预测的燃料需求变化量。
优选地，所述校正模块还用于根据标准煤电比值与火力发电机组稳态工况下的实时煤电比值，校正所述第二内模预测控制模块预测的燃料需求变化量，保证火力发电机组运行时锅炉侧和汽轮机侧的能量保持平衡。
优选地，所述负荷需求预测模块还包括限制单元，所述限制单元用于控制当前负荷需求量与预测得到的下一时刻的负荷需求量之间的差值处于设定的范围内。
本发明实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统，具有以下有益效果：
(1)利用人工智能建模技术和现代先进控制技术，实现了火力发电机组多模型工况自适应切换；
(2)可在满足各项安全约束与生产需求的条件下，满足一次调频控制品质，提高自动发电控制系统的爬坡率，稳定调节精度，减小响应时间，从而达到优化调节性能的方式；
(3)提高火力发电机组在电网中的竞争力，使火力发电机组具有更宽更低的负荷调节能力，满足新形势下的深度调峰和灵活性改造的需要，除积极获取电网的发电补偿，对减少机组因调峰停运次数和低负荷下节油运行也极为有利；
(4)与外挂第三方优化产品相比，相对简单，投资比例小，见效快，安全等级高，比较适合于现场快速应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统的第一内模预测控制模块内部结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统的第二内模预测控制模块内部结构示意图；
图4为采用本发明实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统得到的效果示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示，本发明提供的实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统，该系统包括负荷需求预测模块、第一内模预测控制模块、第二内模预测控制模块、直接能量平衡模块及校正模块，其中：
负荷需求预测模块，用于根据当前负荷需求量、火电发电机组实际产生的负荷量、火力发电机组工作频率，预测下一时刻的负荷需求量。
第一内模预测控制模块，用于根据当前负荷需求量及预测下一时刻的负荷需求量，计算负荷需求变化量。
第一内模预测控制模块，还用于根据负荷需求变化量，计算燃料需求变化量。
第二内模预测控制模块，用于预测因锅炉压力变化产生的燃料需求变化量。
其中，图2中的一阶惯性函数模型需根据高、中、低负荷工况下煤量阶跃扰动试验获得，图3中的一阶惯性函数模型只需根据中负荷工况下煤量阶跃扰动试验即可获得。
直接能量平衡模块，用于保持火电发电机组汽轮机侧的能量和火电发电机组锅炉侧的能量匹配。
可选地，该系统还包括：
校正模块，用于根据标准煤电比值与火力发电机组稳态工况下的实时煤电比值，校正所述第一内模预测控制模块预测的燃料需求量。
可选地，校正模块还用于根据标准煤电比值与火力发电机组稳态工况下的实时煤电比值，校正第二内模预测控制模块预测的燃料需求变化量，保证火力发电机组运行时锅炉侧和汽轮机侧的能量保持平衡。
其中，校正模块的创建过程包括：
从电厂分布式控制系统中，获取火力发电机组负荷相关测点设定时间段内的历史运行数据；
对所述历史运行数据进行均值、平滑和滤波处理；
利用EXCEL数据透视表，从所述历史运行数据中获取火力发电机组稳态工况下的电机组负荷与燃料量；
采用最小二乘估计法，确定电机组负荷与燃料量之间的线性关系式Y＝aX+b，并计算出标准煤电比值Rce0＝10/a，其中，X代表燃料量，Y代表负荷量，a表示每产生一兆瓦负荷量需要的燃料量；
实时计算机组运行稳态工况下的实时煤电比值Rce；
根据燃料量阶跃扰动试验，得到相应的试验数据并根据所述试验数据，得到火力发电机组高、中、低工况下的负荷动态特性函数F1、变压蓄热锅炉动态特性函数F2；
根据负荷动态特性函数F1，创建第一内模预测控制模块，包括：
将锅炉主控和汽机主控切到手动开环控制，分别进行高、中、低负荷阶段燃料量扰动阶跃试验并记录试验数据；
根据燃料量扰动阶跃试验得到的曲线并辨识曲线，利用最小二乘法分别高、中、低负荷的动态函数模型；
利用基于ISTE准则下的PID参数整定方法，分别识别高、中、低负荷动态函数模型的控制参数KP(比例系数)、Tt(积分时间)及Td(微分时间)；
利用参数寻优工具软件，对控制参数KP、Tt及Td进一步寻优，分别得到高、中、低负荷动态函数模型的控制参数KP、Ti及Td的函数值；
根据控制参数KP、Ti及Td的函数值，利用插值法，创建第一内模动态预测函数G(T)；
根据公式Y1＝G(T)×Rce/Rce0，得到第一内模预测控制模块。
同理，将上述方法作用于变压蓄热锅炉动态特性函数F2，得到第二内模动态预测函数H(t)；
根据公式Y2＝H(T)×Rce/Rce0，得到第二内模预测控制模块。
其中，考虑当第一内模预测控制模块及第二内模预测控制模块失配比较严重时，通过使用一阶滤波器来调节其鲁棒性，所以在大惯性、大时滞、强耦合过程控制中具有良好的效果。
可选地，负荷需求预测模块还包括限制单元，限制单元用于将当前负荷需求量与预测得到的下一时刻的负荷需求量之间的差值控制在设定的范围内。
其中，通过直接能量平衡模块确定锅炉侧燃料量需求信息和汽机燃料量需求信息，其中，第一内模预测控制模块预测得到的燃料量需求为Y1+DEB，第二内模预测控制模块预测得到的燃料量需求为Y2，得到锅炉侧燃料量总需求为Y1+DEB+Y2，其中，DEB为校正模块计算得到的燃料量。
将锅炉侧主控和汽机侧主控切到手动开环控制，分别进行燃料量扰动阶跃试验和汽机调门开度阶跃扰动试验，利用最小二乘法，得到锅炉主控热量信息变化模型、能量信息动态变化模型和汽轮机调门负荷动态变化模型；
锅炉主控热量信息变化模型、能量信息动态变化模型和汽轮机调门负荷动态变化模型，对校正模块进行优化。
下面通过实验验证本发明实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统产生的效果：
在全天负荷变化幅度为165MW，在同样的变负荷速率情况下，由图4可知，实际控制压力为-0.44～+0.42MPa。采用本发明实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统所产生的效果明显好于历史火力发电机组协调控制系统。历史火力发电机组协调控制系统由于负荷变化、压力波动大，在压力波动有时超过±1.5MPa的情况下，运行经常退出自动发电控制方式，火力发电机组滑压也一直未能投入，每月受到电网考核也多；采用本发明实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统后，压力波动明显减小，机组滑压稳定运行，相应地避免了部分电网考核，甚至获得部分电网的补偿奖励。
本发明实施例提供的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统包括负荷需求预测模块、第一内模预测控制模块、第二内模预测控制模块及直接能量平衡模块，其中，负荷需求预测模块用于根据当前负荷需求量、火电发电机组实际产生的负荷量、火力发电机组工作频率，预测下一时刻的负荷需求量，第一内模预测控制模块用于根据当前负荷需求量及预测下一时刻的负荷需求量，计算负荷需求变化量，第一内模预测控制模块还用于根据负荷需求变化量，计算燃料需求变化量，第二内模预测控制模块用于预测因锅炉压力变化产生的燃料需求变化量，直接能量平衡模块用于保持火电发电机组汽轮机侧的能量和火电发电机组锅炉侧的能量匹配，在满足各项安全约束与生产需求的条件下，满足一次调频控制品质，实现了火力发电机组自动发电控制系统的滑压运行，提高了自动发电控制系统的爬坡率K1，稳定调节精度K2，减小响应时间K3，达到了优化控制参数Kp的目的，自适应火力发电机组协调控制的控制范围，增强火力发电机组深度调峰调频能力，减轻了操作强度，增加了火电发电机组的灵活性。本发明可通过常规分散控制系统组态实现其功能，大大缩减了常规协调控制系统的现场调试、过多调整控制参数投运时间，提高了自动发电协调控制系统的品质，广泛适用于分散控制系统中火力发电机组的自动发电协调控制系统的优化。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
此外，存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统，其特征在于，包括：
负荷需求预测模块，用于根据当前负荷需求量、火电发电机组实际产生的负荷量、火力发电机组工作频率，预测下一时刻的负荷需求量；
第一内模预测控制模块，用于根据当前负荷需求量及预测下一时刻的负荷需求量，计算负荷需求变化量；
第一内模预测控制模块，还用于根据所述负荷需求变化量，计算燃料需求变化量；
第二内模预测控制模块，用于预测因锅炉压力变化产生的燃料量需求变化量；
直接能量平衡模块，用于保持火电发电机组汽轮机侧的能量和火电发电机组锅炉侧的能量匹配。
2.根据权利要求1所述的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统，其特征在于，所述系统还包括：
校正模块，用于根据标准煤电比值与火力发电机组稳态工况下的实时煤电比值，校正所述第一内模预测控制模块预测的燃料需求变化量。
3.根据权利要求1所述的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统，其特征在于，所述校正模块还用于：
根据标准煤电比值与火力发电机组稳态工况下的实时煤电比值，校正所述第二内模预测控制模块预测的燃料需求变化量，保证火力发电机组运行时锅炉侧和汽轮机侧的能量保持平衡。
4.根据权利要求1所述的基于内模控制结构的火力发电机组协调控制系统，其特征在于，
所述负荷需求预测模块还包括限制单元，所述限制单元用于将当前负荷需求量与预测得到的下一时刻的负荷需求量之间的差值控制在设定的范围内。
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CN112330189A (zh) * 2020-11-19 2021-02-05 贵溪发电有限责任公司 一种基于试验信息的火电机组agc动态特性评估方法
CN112330189B (zh) * 2020-11-19 2024-05-07 贵溪发电有限责任公司 一种基于试验信息的火电机组agc动态特性评估方法

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