CN212515402U - 一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统 - Google Patents

Abstract

一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统，属于火力发电过程控制领域，解决一次调频参数超调问题，包括死区控制器、函数发生器、惯性模块、加法器、减法器、主控PID、加法器、快速微分前馈分系统；死区控制器、函数发生器、惯性模块、加法器依次串联；加法器输出端与减法器连接，减法器、主控PID、加法器依次串联；死区控制器与快速微分前馈分系统连接；形成主汽压力的变化量预测值、新的主汽压力设定值，与输入实际主汽压力值做差后送入主控PID，经过加法器与锅炉主控前馈信号相加形成锅炉主控输出信号，控制锅炉的动作；通过快速微分前馈分系统得到修正后指令；避免一次调频后期及结束后的参数超调、越限。

Description

一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统

技术领域

本实用新型属于火力发电过程控制领域，涉及一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统。

背景技术

随着风能、太阳能等一系列清洁能源接入电力系统，其随机性、波动性给电网的稳定输出带来极大挑战。在未来很长一段时间，我国仍将以火力发电为主。这对高参数、大容量火电机组运行的灵活性提出更高的要求。燃煤火电机组锅炉侧的大延迟、大惯性严重影响机组灵活运行。尤其是当电网频率发生变化时，机组负荷短时大幅变化，导致主汽压力快速变化，而当电网频率回复至正常时，主汽压力又会反向快速变化。此过程中机组压力控制器即机跟炉协调方式下的锅炉主控PID控制器由于主汽压力的变化，会在比例、积分作用下大幅、反复改变输出，而因所述锅炉侧大延迟、大惯性特点，反而往往会进一步造成在频率恢复后的主汽压力超调，机组失稳。如电网频率首先下降时，机组负荷上升、主汽压力下降，此时锅炉主控PID控制器为提高主汽压力因此输出加大，由于比例、积分作用相对一次调频速度更慢，往往当频率恢复上升、主汽压力上升时，锅炉侧对锅炉主控输出加大的响应才开始体现，即大大加大了主汽压力上升的幅度，严重时造成锅炉超压，危险性较大。因此，对于一次调频动作，往往不需要锅炉主控PID控制器对主汽压力的响应过度，仅依靠合适的前馈作用已能够满足补充锅炉蓄热的作用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于如何设计一种硬件控制系统可以有效的避免了一次调频后期及结束后参数超调、越限的问题。

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的。

一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统，包括：死区控制器(1)、第一函数发生器(2)、第一惯性模块(3)、第一加法器(4)、第一减法器(5)、主控PID(6)、第二加法器(7)、快速微分前馈分系统(8)；所述的死区控制器(1)、第一函数发生器(2)、第一惯性模块 (3)、第一加法器(4)依次串联；所述的第一加法器(4)的输出端与第一减法器(5)连接，所述的第一减法器(5)、主控PID(6)、第二加法器(7)依次串联；所述的死区控制器(1)与快速微分前馈分系统(8)连接；所述的控制系统在一次调频动作时，电网频率信号经过死区控制器(1) 后依次输入到第一函数发生器(2)、第一惯性模块(3)形成主汽压力的变化量预测值，再经过第一加法器(4)与原主汽压力设定值相加，形成新的主汽压力设定值；新的主汽压力设定值输入到第一减法器(5)中，与输入的实际主汽压力值做差，差值信号送入主控PID(6)，再经过第二加法器(7)与锅炉主控前馈信号相加形成锅炉主控输出信号，控制锅炉的动作；同时，电网频率信号经过死区控制器(1)后输入到所述的快速微分前馈分系统(8)中，与修正前指令相加后得到修正后指令。

一次调频动作时将电网频率信号经过函数发生器、得出预测的主汽压力最终变化幅度，再经过一阶惯性环节，模拟主汽压力先快后慢、直至稳定的变化过程，从时间上与实际主汽压力拟合，再与原主汽压力设定值通过加法器相加，得到新的一次调频动作时主汽压力设定值；新的主汽压力设定值与实际主汽压力变化的方向、幅度基本一致，一次调频动作过程中主PID控制器输出改变较小，锅炉蓄热基本依靠锅炉主控的前馈指令进行补偿，有效避免了一次调频后期及结束后的参数超调、越限。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的快速微分前馈分系统(8)包括给水流量快速微分前馈子系统和/或燃料量快速微分前馈子系统和/或总风量快速微分前馈子系统。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的给水流量快速微分前馈子系统包括：第二减法器(80)、第二函数发生器(81)、第三加法器 (82)、第二惯性模块(83)；所述的第二惯性模块(83)、第二减法器 (80)、第二函数发生器(81)、第三加法器依次串联；电网频率信号经过死区控制器(1)后，输入到所述的第二惯性模块(83)和第二减法器(80) 中，经过第二惯性模块(83)后的信号再输入到第二减法器(80)中，与直接输入到第二减法器80的经过死区控制器(1)后的电网频率信号做差，差值送入到所述的第二函数发生器(81)，在经过第三加法器(82)与修正前给水流量指令相加，得到给水流量指令。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的燃料量快速微分前馈子系统包括：第三减法器(90)、第三函数发生器(91)、第四加法器(92)、第三惯性模块(93)；所述的第三惯性模块(93)、第三减法器(90)、第三函数发生器(91)、第四加法器(92)依次串联；电网频率信号经过死区控制器(1)后，输入到所述的第三惯性模块(93)和第三减法器(90) 中，经过第三惯性模块(93)后再输入到第三减法器(90)中，与直接输入到第三减法器(90)的经过死区控制器(1)后的电网频率信号做差，差值送入到所述的第三函数发生器(91)，在经过第四加法器(92)与修正前燃料量指令相加，得到总燃料量指令。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的总风量快速微分前馈子系统包括：第四减法器(100)、第四函数发生器(101)、第五加法器 (102)、第四惯性模块(103)；所述的第四惯性模块(103)、第四减法器(100)、第四函数发生器(101)、第五加法器(102)依次串联；电网频率信号经过死区控制器(1)后，输入到所述的第四惯性模块(103)和第四减法器(100)中，经过第四惯性模块(103)后再输入到第四减法器 (100)中，与直接输入到第四减法器(100)的经过死区控制器(1)后的电网频率信号做差，差值送入到所述的第四函数发生器(101)，在经过第五加法器(102)与修正前总风量指令相加，得到总风量指令。

本实用新型的优点在于：

(1)设计了一种硬件控制系统，在一次调频动作时将电网频率信号经过函数发生器、得出预测的主汽压力最终变化幅度，再经过一阶惯性环节，模拟主汽压力先快后慢、直至稳定的变化过程，从时间上与实际主汽压力拟合，再与原主汽压力设定值通过加法器相加，得到新的一次调频动作时主汽压力设定值；新的主汽压力设定值与实际主汽压力变化的方向、幅度基本一致，一次调频动作过程中主PID控制器输出改变较小，锅炉蓄热基本依靠锅炉主控的前馈指令进行补偿，有效避免了一次调频后期及结束后的参数超调、越限。

(2)本实用新型的硬件控制系统，一次调频的快速微分前馈分系统对锅炉送风、燃料、给水的指令进行补偿，该前馈可以在一次调频开始和结束时，使相应的子系统快速增加或减少输出，能够动态平衡一次调频期间的蓄热扰动，进一步避免了一次调频后期及结束后的参数超调、越限。

附图说明

图1是本实用新型实施例的超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统的结构图；

图2是本实用新型实施例的超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统的包含给水流量快速微分前馈子系统的实施结构图；

图3是本实用新型实施例的超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统的包含燃料量快速微分前馈子系统的实施结构图；

图4是本实用新型实施例的超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统的包含总风量快速微分前馈子系统的结构图；

图5是本实用新型实施例的超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统的包含给水流量快速微分前馈子系统以及燃料量快速微分前馈子系统的结构图；

图6是本实用新型实施例的超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统的给水流量快速微分前馈子系统以及总风量快速微分前馈子系统的结构图；

图7是本实用新型实施例的超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统的燃料量快速微分前馈子系统以及总风量快速微分前馈子系统的结构图；

图8是本实用新型实施例的超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统的包含给水流量快速微分前馈子系统、燃料量快速微分前馈子系统以及总风量快速微分前馈子系统的实施结构图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本实用新型的技术方案作进一步描述：

实施例一

如图1所示，一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统，包括：死区控制器1、第一函数发生器2、第一惯性模块3、第一加法器4、第一减法器5、主控PID6、第二加法器7、快速微分前馈分系统8；所述的死区控制器1、第一函数发生器2、第一惯性模块3、第一加法器4依次串联；所述的第一加法器4的输出端与第一减法器5连接，所述的第一减法器5、主控PID6、第二加法器7依次串联；所述的死区控制器1与快速微分前馈分系统8连接。

在一次调频动作时，电网频率信号一方面经过死区控制器1后，依次输入到第一函数发生器2、第一惯性模块3形成主汽压力的变化量预测值，再经过第一加法器4与原主汽压力设定值相加，形成新的主汽压力设定值；新的主汽压力设定值输入到第一减法器5中，与输入的实际主汽压力值做差，差值信号送入主控PID6，再经过第二加法器7与锅炉主控前馈信号相加形成锅炉主控输出信号，控制锅炉的动作；电网频率信号另一方面经过死区控制器1后，输入到所述的快速微分前馈分系统8中，与修正前指令相加后得到修正后指令。

所述的函数发生器的公式为：

其中，x为输入的电网频率信号。

所述的惯性模块的传递函数公式为：

其中，G(s)为惯性模块的传递函数，T表示惯性环节的时间常数，s表示拉普拉斯变换。

如图2-8所示，所述的快速微分前馈分系统8包括给水流量快速微分前馈子系统、燃料量快速微分前馈子系统、总风量快速微分前馈子系统三个子系统；或者快速微分前馈分系统8包括给水流量快速微分前馈子系统、燃料量快速微分前馈子系统、总风量快速微分前馈子系统三个子系统中的任意一个或者两个子系统。

如图2所示，所述的给水流量快速微分前馈子系统包括：第二减法器 80、第二函数发生器81、第三加法器82、第二惯性模块83；所述的第二惯性模块83、第二减法器80、第二函数发生器81、第三加法器82依次串联。

电网频率信号经过死区控制器1后，输入到所述的第二惯性模块83和第二减法器80中，经过第二惯性模块83后的信号再输入到第二减法器80 中，与直接输入到第二减法器80的经过死区控制器1后的电网频率信号做差，差值送入到所述的第二函数发生器81，在经过第三加法器82与修正前给水流量指令相加，得到给水流量指令。

如图3所示，所述的燃料量快速微分前馈子系统包括：第三减法器90、第三函数发生器91、第四加法器92、第三惯性模块93；所述的第三惯性模块93、第三减法器90、第三函数发生器91、第四加法器92依次串联。

电网频率信号经过死区控制器1后，输入到所述的第三惯性模块93和第三减法器90中，经过第三惯性模块93后的信号再输入到第三减法器90 中，与直接输入到第三减法器90的经过死区控制器1后的电网频率信号做差，差值送入到所述的第三函数发生器91，在经过第四加法器92与修正前燃料量指令相加，得到总燃料量指令。

如图4所示，所述的总风量快速微分前馈子系统包括：第四减法器100、第四函数发生器101、第五加法器102、第四惯性模块103；所述的第四惯性模块103、第四减法器100、第四函数发生器101、第五加法器102依次串联。

电网频率信号经过死区控制器1后，输入到所述的第四惯性模块103 和第四减法器100中，经过第四惯性模块103后的信号再输入到第四减法器100中，与直接输入到第四减法器100的经过死区控制器1后的电网频率信号做差，差值送入到所述的第四函数发生器101，在经过第五加法器 102与修正前总风量指令相加，得到总风量指令。

一次调频动作时，当电网频率处于高频(大于50.033Hz)时，此时机组负荷需要快速减少，此时汽轮机高调门开度减小，锅炉主汽压力的变化规律为：先快速上升，然后上升速度逐步减缓直至平稳，如果电网频率不恢复，主汽压力将在机组协调控制作用下逐步回升至起始值左右(与设定值基本相当)；当电网频率处于低频(小于49.067Hz)时，此时机组负荷需要快速增加，此时汽轮机高调门开度增大，锅炉主汽压力的变化规律为：先快速下降，然后下降速度逐步减缓直至平稳，如果电网频率不恢复，主汽压力将在机组协调控制作用下逐步回升至起始值左右(与设定值基本相当)。

实际上，电网频率偏离正常值后一般在1至2分钟内均会恢复，这就相当于控制系统出现了两次扰动，第一次是频率偏离扰动，第二次是频率恢复扰动；第一次扰动后，如果主汽压力设定值不改变，主控PID将快速调节控制系统，由于锅炉具有大延迟的特性，在锅炉滞后性的作用下，系统将会加剧第二次扰动。

一次调频动作时将电网频率信号经过函数发生器、得出预测的主汽压力最终变化幅度，再经过一阶惯性环节，模拟主汽压力先快后慢、直至稳定的变化过程，从时间上与实际主汽压力拟合，再与原主汽压力设定值通过加法器相加，得到新的一次调频动作时主汽压力设定值；新的主汽压力设定值与实际主汽压力变化的方向、幅度基本一致，一次调频动作过程中主PID控制器输出改变较小，锅炉蓄热基本依靠锅炉主控的前馈指令进行补偿，有效避免了一次调频后期及结束后的参数超调、越限。

一次调频的快速微分前馈分系统对锅炉送风、燃料、给水的指令进行补偿，该前馈可以在一次调频开始和结束时，使相应的子系统快速增加或减少输出，能够动态平衡一次调频期间的蓄热扰动，进一步避免了一次调频后期及结束后的参数超调、越限。

一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制方法，包括以下步骤：

1)在一次调频动作时，电网频率信号经过死区控制器1后，依次输入到第一函数发生器2、第一惯性模块3形成主汽压力的变化量预测值，

2)再经过第一加法器4与原主汽压力设定值相加，形成新的主汽压力设定值；

3)新的主汽压力设定值输入到第一减法器5中，与输入的实际主汽压力值做差，差值信号送入主控PID6，再经过第二加法器7与锅炉主控前馈信号相加形成锅炉主控输出信号，控制锅炉的动作；

4)电网频率信号经过死区控制器1后，输入到所述的快速微分前馈分系统8中，与修正前指令相加后得到修正后指令。

所述的函数发生器的公式为：

其中，x为输入的电网频率信号。

所述的惯性模块的传递函数公式为：

其中，G(s)为惯性模块的传递函数，T表示惯性环节的时间常数，s表示拉普拉斯变换。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统，其特征在于，包括：死区控制器(1)、第一函数发生器(2)、第一惯性模块(3)、第一加法器(4)、第一减法器(5)、主控PID(6)、第二加法器(7)、快速微分前馈分系统(8)；所述的死区控制器(1)、第一函数发生器(2)、第一惯性模块(3)、第一加法器(4)依次串联；所述的第一加法器(4)的输出端与第一减法器(5)连接，所述的第一减法器(5)、主控PID(6)、第二加法器(7)依次串联；所述的死区控制器(1)与快速微分前馈分系统(8)连接；所述的控制系统在一次调频动作时，电网频率信号经过死区控制器(1)后依次输入到第一函数发生器(2)、第一惯性模块(3)形成主汽压力的变化量预测值，再经过第一加法器(4)与原主汽压力设定值相加，形成新的主汽压力设定值；新的主汽压力设定值输入到第一减法器(5)中，与输入的实际主汽压力值做差，差值信号送入主控PID(6)，再经过第二加法器(7)与锅炉主控前馈信号相加形成锅炉主控输出信号，控制锅炉的动作；同时，电网频率信号经过死区控制器(1)后输入到所述的快速微分前馈分系统(8)中，与修正前指令相加后得到修正后指令。

2.根据权利要求1所述的一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统，其特征在于，所述的快速微分前馈分系统(8)包括给水流量快速微分前馈子系统和/或燃料量快速微分前馈子系统和/或总风量快速微分前馈子系统。

3.根据权利要求2所述的一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统，其特征在于，所述的给水流量快速微分前馈子系统包括：第二减法器(80)、第二函数发生器(81)、第三加法器(82)、第二惯性模块(83)；所述的第二惯性模块(83)、第二减法器(80)、第二函数发生器(81)、第三加法器依次串联；电网频率信号经过死区控制器(1)后，输入到所述的第二惯性模块(83)和第二减法器(80)中，经过第二惯性模块(83)后的信号再输入到第二减法器(80)中，与直接输入到第二减法器80的经过死区控制器(1)后的电网频率信号做差，差值送入到所述的第二函数发生器(81)，在经过第三加法器(82)与修正前给水流量指令相加，得到给水流量指令。

4.根据权利要求2所述的一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统，其特征在于，所述的燃料量快速微分前馈子系统包括：第三减法器(90)、第三函数发生器(91)、第四加法器(92)、第三惯性模块(93)；所述的第三惯性模块(93)、第三减法器(90)、第三函数发生器(91)、第四加法器(92)依次串联；电网频率信号经过死区控制器(1)后，输入到所述的第三惯性模块(93)和第三减法器(90)中，经过第三惯性模块(93)后再输入到第三减法器(90)中，与直接输入到第三减法器(90)的经过死区控制器(1)后的电网频率信号做差，差值送入到所述的第三函数发生器(91)，在经过第四加法器(92)与修正前燃料量指令相加，得到总燃料量指令。

5.根据权利要求2所述的一种超临界机组一次调频动作时锅炉主控控制系统，其特征在于，所述的总风量快速微分前馈子系统包括：第四减法器(100)、第四函数发生器(101)、第五加法器(102)、第四惯性模块(103)；所述的第四惯性模块(103)、第四减法器(100)、第四函数发生器(101)、第五加法器(102)依次串联；电网频率信号经过死区控制器(1)后，输入到所述的第四惯性模块(103)和第四减法器(100)中，经过第四惯性模块(103)后再输入到第四减法器(100)中，与直接输入到第四减法器(100)的经过死区控制器(1)后的电网频率信号做差，差值送入到所述的第四函数发生器(101)，在经过第五加法器(102)与修正前总风量指令相加，得到总风量指令。

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