CN113890053A - 一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法，包括：根据一次调频动作的转速偏差与负荷增量一关系对燃机一次调频负荷量进行调节，在燃机控制系统中实施进入2rpm死区的逻辑控制，将负荷增量叠加至负荷指令上；在转速超出预设值时，在发出的负荷指令中叠加一个门槛负荷值；在加减负荷过程中出现负荷指令与一次调频动作方向相反时，锁定实际负荷，并将此值叠加一次调频指令作为真正的燃机负荷指令；当燃机处于基本负荷时，对FSRN进行限制，闭锁增加TNR。本发明有效提高了低转速差一次调频的动作正确率、指令反向时一次调频的动作正确率。

Description

一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法及系统

技术领域

本发明涉及发电机领域，尤其涉及一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法及系统。

背景技术

2010年5月华东区域按调度管辖范围分华东、上海、江苏、浙江、安徽、福建六大考核区，全面启动了“华东区域并网发电厂辅助服务管理实施细则”和“华东区域发电厂并网运行管理实施细则”(简称“两个细则”)试运行。

“两个细则”中关于一次调频电量定义为当电网频率超出50±△fsq(机组频率控制死区)且持续时间超过20秒时，一次调频机组在电网频率超出50±△fsq时段内(最大为60秒)的实际发电出力，对于9FA燃机其频率控制死区定为0.033Hz(2rpm)，在机组投入一次调频的情况下的考核主要分为两个方面：一次调频的正确动作率和性能指标，其中正确动作率为每月一次调频正确动作次数占总动作次数的百分数，要求80％以上；性能指标以每次动作时的实际积分电量与理论(应达到)的积分电量的百分比作为考核指标，月平均值要求达到60％。

S109FA燃机在预选方式和AGC负荷控制方式下运行机组时，一次调频的月平均动作正确率在50％以下，每月的一台24小时运行机组考核电量达到200MWH，为此需要对燃机的一次调频功能进行分析并找出解决的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法及系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在对燃机进行调频时，根据一次调频动作的转速偏差与负荷增量一关系对燃机一次调频负荷量进行调节，在燃机控制系统中实施进入2rpm死区的逻辑控制，将负荷增量叠加至负荷指令上；

步骤2：在转速超出预设值(3000±2rpm)时，在发出的负荷指令中增加一个门槛负荷值，有效提高了低转速差(2rpm附近)一次调频的动作正确率；

步骤3：在加减负荷过程中出现负荷指令与一次调频动作方向相反时，锁定实际负荷，并将此值叠加一次调频指令作为真正的燃机负荷指令，提高了指令反向时一次调频的动作正确率；

步骤4：当燃机处于基本负荷时，对FSRN进行限制，闭锁增加TNR，从而确保处于基本负荷的机组在一次调频或AGC指令要求减负荷时能快速响应。

进一步的，所述门槛负荷值可以根据实际情况设置为固定值，也可设为与转速与不等率δ相关的变量，具体可包括：时间、转速不等率、当前负荷以及逻辑判断的结果。

进一步的，所述门槛负荷值取值范围为1.2MW～2MW。

进一步的，所述负荷指令具体为：根据一次调频调节的要求，期望机组负荷达到目标值的控制指令。

进一步的，所述叠加具体为：闭环的控制的方法，系统被控量与目标值的偏差，作为修正量，叠加在控制器的输出，修正输出的指令。

一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法的调频优化控制系统，所述系统包括负荷指令发送模块、负荷指令调频模块和转速监测模块；所述负荷指令调频模块分别连接负荷指令发送模块和转速监测模块；

所述负荷指令调频模块用于对燃机转速、一次调频动作方向进行分析以及燃机状态，判断是否需要将对燃机控制系统的负荷指令进行调整；

所述负荷指令发送模块用于将控制负荷发送至燃机的PLC上对燃机调整；

所述转速监测模块监测燃机的转速，并将转速数据实时传输至负荷指令调频模块。

本发明的有益效果：有效提高了低转速差(2rpm附近)一次调频的动作正确率、指令反向时一次调频的动作正确率，根据上述策略进行优化后的一次调频逻辑使每月的平均动作正确率由原来的50％以下提升至90％以上，实现了零考核的目标。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是一次调频负荷增量对应曲线图

图3是燃机负荷控制简图。

图4是一次调频负荷曲线图。

图5是一次调频与负荷指令反向示意图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中，如图1所示，一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据“两个细则”规定，将这一次调频动作时其转速偏差与负荷增量一关系(如图2所示)作为燃机一次调频的基本构架(2RPM的转速死区，即并网后系统转速偏差小于2rpm时，一次调频负荷调节量为0；偏差大于2rpm后，一次调频负荷调节量随偏差转速量增加而增加的技术方案)，在燃机控制系统(MARK VI)中实施相关逻辑，将负荷增量△P叠加至负荷指令上。

步骤2：在转速超出预设值(3000±2rpm)时，对负荷指令进行一个门槛负荷值(△Pm)的叠加，此门槛值可以根据实际情况设置固定值，也可设为与转速与不等率δ相关的变量(每次转速偏差超过2RPM时，叠加给负荷指令的修正值可以是固定值：比如机组转速无论是3000±3rpm还是3000±8rpm，负荷指令的修正值都是固定值比如±10mw；或者可以是转速不等率相关的变化值，比如3000±3rpm，计算得到的是±5mw，3000±rpm，计算得到的修正值是±15mw)。此法有效提高了低转速差(2rpm附近)一次调频的动作正确率。(原有设置是偏差负荷不设置转速死区)。

步骤3：在加减负荷过程中出现负荷指令与一次调频动作方向相反时，锁定实际负荷，并将此值叠加一次调频指令作为真正的燃机负荷指令，提高了指令反向时一次调频的动作正确率。

步骤4：当燃机处于基本负荷时，对FSRN(转速控制燃料基准)进行限制，闭锁增加TNR(转速控制基准)，从而确保处于基本负荷的机组在一次调频或AGC(自动发电控制)指令要求减负荷时能快速响应。

当燃机并网后，通常为转速控制燃料指令FSRN(非基本负荷)或温控燃料指令FSRT(基本负荷)被选择作为真正的燃料指令下发。图3为MARK VI控制系统内负荷控制的框图，其中：LK69DWDB为负荷控制死区，其值为1.2MW；全速空载FSR常数FSKRN1取值为19.6362％；瞬载负荷补偿系数TLC_CMP取值为0；转速不等率控制常数FSKRN2取值为14.1345％/％。

进一步的，所述门槛负荷值可以根据实际情况设置为固定值，也可设为与转速与不等率δ相关的变量，具体可包括：时间、转速不等率、当前负荷以及逻辑判断的结果。

进一步的，所述门槛负荷值取值范围为1.2MW～2MW。

进一步的，所述负荷指令具体为：根据一次调频调节的要求，期望机组负荷达到目标值的控制指令。

进一步的，所述叠加具体为：闭环的控制的方法，系统被控量与目标值的偏差，作为修正量，叠加在控制器的输出，修正输出的指令。

一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法的调频优化控制系统，所述系统包括负荷指令发送模块、负荷指令调频模块和转速监测模块；所述负荷指令调频模块分别连接负荷指令发送模块和转速监测模块；

所述负荷指令调频模块用于对燃机转速、一次调频动作方向进行分析以及燃机状态，判断是否需要将对燃机控制系统的负荷指令进行调整；

所述负荷指令发送模块用于将控制负荷发送至燃机的PLC上对燃机调整；

所述转速监测模块监测燃机的转速，并将转速数据实时传输至负荷指令调频模块。

根据框图3可知：FSRN＝FSKRN1+FSKRN2×(TNR-TNH)，TNR在实际负荷与指令偏差大于1.2MW时根据速率TNKR1进行增减，而转速TNH的变化直接作用于FSRN，通过改变燃料指令改变负荷，即当实际转速与额定转速3000rpm有偏差时，FSRN立即做出变化使得实际负荷做出改变。

燃机转速变化1％，FSRN变化14.1345％，而FSR变化1％对应负荷的变化为5～7MW(因燃机受大气温度变化影响较大)，按额定负荷390MW计算，转速不等率δ为4～5.5％。

因此可以得出结论，S109FA燃机具备一次调频功能，且机组并网后达到基本负荷前每时每刻都在作用。

前述“两个细则”中关于一次调频电量的定义，涉及两个非常重要的条件：死区△fsq和持续时间t，即电网要求频率超出50±0.033Hz时机组一次调频动作，并开始累积电量，当持续时间t超过20秒时，累积电量有效。用DX表征一次调频效果，DX＝Qs/Qj，DX>0，一次调频动作方向正确，否则不正确，DX的月算术平均值作为一次调频性能考核指标。

图4表示了在负荷指令固定不变时，实际负荷随电网频率发生改变的情况。第一种情况是机组在预选负荷或AGC负荷控制方式下，频率发生变化时虽然负荷也会发生变化，但是由于实际负荷与负荷指令是一个闭环的状态，虽然由于转速TNH变化(FSRN随之改变)引起实际负荷改变，但其与负荷指令产生偏差，立即引起TNR的改变，从而将实际负荷拉回至负荷指令附近，因此图中可以看到在预选/AGC方式下负荷随转速的变化曲线是贴近负荷指令的，这种情况的一次调频效果基本为0。

另一种情况是机组在退出预选负荷方式(非预选/AGC状态)，负荷处于开环控制，不跟踪预选/AGC指令。这种方式下，电网频率发生变化时，FSRN立即变化，实际负荷随之也发生变化，频率偏差一直存在时，负荷会一直偏离原有值，只有频率回复至额定频率时，负荷才会随之恢复。与闭环的负荷控制不同，这种方式下一次调频有一定的作用，基本能满足动作方向正确性的要求。但是由于没有死区，当电网频率发生变化时，调频功能就已经开始作用，当频率超出“两个细则”规定的范围时，已经完成了很大一部分的贡献量，而适应考核要求的电量部分只有图4中的Qs部分，它占理论电量Qj的比例较小，因此在性能考核上与细则要求还存在一定的差距。

在退出预选负荷方式下，从每月一次调频考核电量开看，比投用预选或AGC方式大大降低，但数量也达到了每台机组20～30MWH左右，而且这种方式使得机组的负荷处于无目标的状态，对于运行工况受环境温度变化影响较大的燃气轮机，长期处于这一运行方式显然是不利的。因此有必要对燃机的一次调频功能进行优化，使其在负荷处于闭环控制的方式(预选或AGC)运行时，能较好的适应电网的要求。

S109FA燃机具备一次调频功能，但是存在两个问题：

1、在电网频率波动较小时，本无需电厂机组一次调频作用，但是S109FA燃机的原有策略是只要与额定频率(50Hz)存在偏差，就要调节，这种方式件减少了发电机组对电网的一次调频的有效贡献，降低了电厂一次调频的正确率，从而增加考核量；

2、在电网频率波动较大时，一次调频作用导致燃料量瞬间变化过大，有产生燃烧异常触发机组解列的风险，这不仅危机机组安全运行，更有加剧电网频率不稳定的风险。

本发明是为了在不增加设备投入的情况下，采用策略(软件)优化的方式，解决两个问题：

1、无论机组处于何种负荷控制方式，都能较好地完成一次调频动作正确率，从而减少考核电量；

2、电网频率波动较大时，对于一次调频负荷进行限制，避免负荷波动过大造成的机组及电网不稳定的风险。

根据“两个细则”规定，一次调频动作时其转速偏差与负荷增量的关系可由图2表示，图中MCR表示机组的额定负荷，我厂9FA燃机取值为390MW，即一次调频动作的负荷增量△P最高为±23.4MW。将这一关系图作为燃机一次调频的基本构架，在MARKVI中实施相关逻辑，将△P叠加至负荷指令上。然而由于燃机负荷控制方式的特殊性(燃料指令FSR由多种运行工况燃料指令取小值)、投入AGC时负荷指令的频繁变化以及实际负荷信号自身的跳变等因素，要做到一次调频真正可靠动作，还需要考虑解决几个现实的问题：

一、当并网燃机的转速超出3000±2rpm时，根据图2负荷增量△P随着转速偏差的变化而变化，但是若△rpm持续在2rpm左右时，△P很小，而此时实际负荷信号本身存在的跳变将对考核结果产生较大的影响，因此有必要在转速超出3000±2rpm时，进行一个门槛负荷值(△Pm)的叠加，此门槛值可以根据实际情况设置固定值，也可设为与转速与不等率δ相关的变量，但其范围应在1.2MW～2MW为宜(负荷控制的死区为1.2MW，而此值过大将影响AGC的性能)。

二、当燃机负荷指令与一次调频需求出现反向时，如图5所示。由于系统存在迟延的特性，燃机在加减负荷中实际负荷与指令存在一定的偏差量A(我公司9FA燃机该值基本为2MW左右)，因此当一次调频动作方向与负荷指令出现反向时将不能满足考核要求。以图中左侧的加负荷过程为例，负荷指令DWREF为向上的斜线，当进入t0时刻，转速大于3002rpm一次调频要求减负荷，真正的负荷指令为DWREF-△P，DWREF为斜向上的直线，而在转速超出3002rpm不大的情况下，△P较小，因此可以看到负荷指令的曲线如图5(中间区域)，它甚至不低于实际负荷(若转速偏差较小，△P<2MW时)，因此在整个一次调频动作时间段内(t0至t1时刻)，实际负荷是增加的，这与一次调频要求的动作方向不符，会产生较大的考核量，图5右侧区域减负荷过程也是如此。

根据这一情况，我们考虑在加减负荷过程中出现负荷指令与一次调频动作方向相反时，锁定实际负荷，并将此值叠加一次调频指令作为真正的燃机负荷指令。经过如此处理后加减负荷过程中一次调频反向的负荷指令与实际负荷的关系可由图5下部的曲线表述。

三、根据图3知道，当负荷指令(DWREF)与实际负荷(DWATT)的差值大于死区(LK69DWDB)时，转速控制指令TNR就会相应地增加或减小，从而令FSRN发生变化，燃料变化后改变实际负荷。当燃机处于基本负荷运行时，FSRN>FSRT，燃料指令FSR＝FSRT，此时实际负荷根据机组自身状况及环境等因素有所不同(但对于同一台机组环境温度变化不大时，该值基本不变)，若负荷指令高于此时基本负荷，FSRN将持续增加，并大大高于FSRT，这就产生了两个弊端：一是当一次调频动作要求减负荷时FSRN虽然会有所减小，但是还是不会低于FSRT，因此一次调频动作失效，产生考核电量；二是机组投入AGC状况下，减负荷时FSRN将有很长一段时间才能低于FSRT，导致实际负荷响应AGC速度变慢、精度降低，产生考核电量。

针对这一问题，当燃机处于基本负荷时，对FSRN进行限制是有必要的，目前我们对FSRN限制的方法是当FSRN-FSRT>0.5％时，闭锁增加TNR，即FSRN不超过FSRT值0.5％，从而确保处于基本负荷的机组在一次调频或AGC指令要求减负荷时能快速响应。

表1考核电量表

时间(月份)	一次调频实施进度	一次调频考核电量(MW)
			2011年2月	未实施	488.74
2011年3月	上旬，初步实施	62.53
			2011年4月	中旬，优化	1.95
2011年5月	优化后	0

根据上述策略进行优化后的一次调频逻辑实际运行效果(考核电量)如上表1，而每月的平均动作正确率由原来的50％以下提升至90％以上，实现了零考核的目标。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

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细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在对燃机进行调频时，根据一次调频动作的转速偏差与负荷增量一关系对燃机一次调频负荷量进行调节，在燃机控制系统中实施进入2rpm死区的逻辑控制，将负荷增量叠加至负荷指令上；

步骤2：在转速超出预设值时，在发出的负荷指令中叠加一个门槛负荷值；

步骤3：在加减负荷过程中出现负荷指令与一次调频动作方向相反时，锁定实际负荷，并将此值叠加一次调频指令作为真正的燃机负荷指令；

步骤4：当燃机处于基本负荷时，对转速控制燃料基准FSRN进行限制，闭锁增加转速控制基准TNR。

2.根据权利要求1中所述的一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法，其特征在于，所述门槛负荷值可以根据实际情况设置为固定值，也可设为与转速与不等率δ相关的变量。

3.根据权利要求1中所述的一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法，其特征在于，所述门槛负荷值取值范围为1.2MW~2MW。

4.根据权利要求1中所述的一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法，其特征在于，所述负荷指令具体为：根据一次调频调节的要求，期望机组负荷达到目标值的控制指令。

5.根据权利要求1中所述的一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法，其特征在于，所述叠加具体为：闭环的控制的方法，系统被控量与目标值的偏差，作为修正量，叠加在控制器的输出，修正输出的指令。

6.根据权利要求1~5任一所述的一种适用于重型燃机的一次调频优化控制方法的调频优化控制系统，其特征在于，所述系统包括负荷指令发送模块、负荷指令调频模块和转速监测模块；所述负荷指令调频模块分别连接负荷指令发送模块和转速监测模块；

所述负荷指令调频模块用于对燃机转速、一次调频动作方向进行分析以及燃机状态，判断是否需要将对燃机控制系统的负荷指令进行调整；

所述负荷指令发送模块用于将控制负荷发送至燃机的PLC上对燃机调整；

所述转速监测模块监测燃机的转速，并将转速数据实时传输至负荷指令调频模块。

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