百万机组辅助调频模式下的控制系统优化

尹少勇

(广东惠州平海发电厂有限公司,广东 惠州 516000)

水电、风电、太阳能、核电等清洁能源机组装机容量在电网中占比不断提高，电网亟待增加更多的调峰、调频容量。为构建有效的调频辅助服务市场机制，保障电力市场成员的合法权益，激励发电企业提供更优质的调频辅助服务，保障电力系统安全、稳定、经济的运行，宁夏、广东、甘肃建设了首批试点电网，推行电力辅助服务市场试点实施工作，其后东北、华北、华东电网及多个省级电网公司都发布了发电厂辅助服务管理实施细则和运行管理实施细则。调频辅助服务机组容量的主要提供者包括水电机组、燃气机组、电池储能、燃煤发电机组。其中，水电机组、燃气机组长期以来担任电网主力调峰机组[1-3]，新增的调频容量有限；电池储能系统调频效果好，但需要大量投资，且调频容量有限；燃煤发电机组在电网总装机容量中占比达到60%以上，通过对机组控制系统优化来增加电网调频容量，是一种投资省、见效快的调频容量快速增加方式，可作为电力企业增加机组调频容量的主要方式。

1 存在的问题

在调频模式下，机组负荷变化幅度大(40%～100% Pe)，变化速率高(1.5%～2% Pe/min)，加剧了机组的非线性影响[4-6]，对机炉协调控制系统提出了更高要求，同时机组设备改造、煤质变化也会造成机组动态特性较大程度变动，加大机组协调控制任务难度，汽温、压力等参数波动较大。为提升火电机组机炉协调系统控制性能，专家、学者提出了诸如智能控制[7-9]、预测控制[10-11]、模糊控制[12-14]和鲁棒控制[15]等多种先进控制方法，但能在实际工程中得到实施应用的仍占少数。

针对调频模式中的过程难控，本文先构造一种新型控制器，并在此基础上，加入一种智能前馈策略，实践表明，新方法的应用有效克服了调频模式下机组超温超压的问题。

2 先进控制技术及策略

通过超前观测，可以提前获取系统响应的信息，可以极大提高过程控制的性能，常见的形式有微分器、比例微分、相位超前校正等。接下来构造一种具有较高相位超前效率的高性能超前观测器(HPLO)。通过一种高增益PI控制器,实现了ASWF的逆变换。对逆变换的输出进行1阶滤波，得到HPLO，如图1所示。

图1 HPLO示意图

在高性能PI控制器(HPPI)和高性能超前观测器(HPLO)的基础上，构造出一种新型基础控制器(NFC)，如图2所示。

图2 NFC示意图

为了更好地将NFC用于实际，仿真实验的过程对象采用某电厂锅炉主控模型，外扰耦合模型为1阶惯性环节，外扰为-1，具体表达式为

分别对NFC和PID进行参数整定[19]，得到阶跃响应如图3所示。

图3 NFC与PID控制特性仿真实验结果

从仿真结果可以看出，对于大延迟、大惯性的控制对象，NFC的响应速度和抗干扰能力明显快于传统PID调节。

同时，考虑到锅炉侧相对汽机侧惯性大的特点，为了加快机组负荷响应速度，除了先进控制器，还加入智能前馈策略：锅炉主控指令变负荷前馈修正、压力偏差前馈修正、减温水流量扰动前馈修正。如逻辑框图4、图5所示。

图4 锅炉主控指令增加变负荷前馈修正

图5 锅炉主控指令增加压力偏差前馈修正

3 实际应用

某电厂1#机组为上海电气集团的百万超超临界燃煤发电机组。为提高机组AGC综合调频能力，以先进控制器NFC为核心，辅以智能前馈策略，采用PLC外挂系统方式，对锅炉主控、汽机主控、一级过热汽温、二级过热汽温回路实施控制。

先进控制器和智能前馈策略均通过PLC实现。采用1路串口通信方式(RS485)将外置的PLC硬件与DCS控制柜相连，完成PLC与DCS的信息交互。即，PLC所需的现场信息通过DCS通信模件从DCS控制系统实时数据库中获得。与此同时，PLC中运算结果通过DCS通信模件通信至DCS，并更新相应AO输出，操纵现场执行机构。图6、图7分别是以NFC为核心的锅炉主控和汽机主控原理结构图。

图6 锅炉主控原理结构图

图7 汽机主控原理结构图

表1所示为1#机组于2020年9月2日16:00—24:00第3次进行的连续8 h的辅助调频性能指标。其中调频综合K值(见表1)最低0.62(由于该时段机组接近满负荷运行汽机高压调门全开或接近，全开，无调节裕量)，最高1.68，8 h平均1.24，调频综合性能良好。

表1 连续8 h调频综合K值(日期：2020年9月2日)

4 结论

火电机组热工过程控制对象的动态特性为大延迟、大惯性、时变性、耦合性和非线性，调频模式的出现加剧了这些影响，对机炉协调控制系统提出了更高要求。通过构造一种新型控制器和智能前馈策略，有效克服了调频模式下机组超温超压的问题，提高了燃煤发电机组的调频性能。本方法的成功应用，一方面显著提高了发电企业在电网调频辅助服务市场的竞争力，为发电企业带来了显著的经济效益；另一方面，在大规模消纳清洁能源、保障电网安全稳定运行方面发挥了重要作用。