基于AGC指令状态判断的火...机组变速率负荷控制策略研究_丁乙崟.pdf

年，第 期 收稿日期：作者简介：丁乙崟（），男，浙江温州人，高级工程师，从事热能动力技术研究。基于 指令状态判断的火电机组变速率负荷控制策略研究丁乙崟，邵程安，顾海英，陆 陆，王 杰，张海卫，李 锋，董春雷，胡剑利，陈长和（浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州；浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州）摘 要：在当前电力市场环境下，机组 指令的特性发生了较大改变，高频、反复波动的 指令成为机组负荷调节的常态。而当前控制策略的设计，特别是变负荷策略的设计，并未考虑 状态和充分利用机组蓄热的问题，具有较大的局限性。针对当前电力市场环境下，机组变负荷策略中的短板问题进行了分析。提出了基于 指令状态的火电机组变负荷控制策略，在判断机组 指令状态的基础上，于相对稳定工况时充分利用机组蓄热加快汽机侧的负荷调节速率，实现机组负荷调节速率的提升。关键词：；负荷控制；变速率中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；引 言随着风电、光伏等新能源应用于并网发电，以及电网直流特高压的发展，电网频率的运行特性愈发复杂，火电机组的负荷调整快速性至关重要。年 月 日，浙江电力现货市场启动模拟试运行，火电机组调频性能的优劣对于机组的收益显得愈发重要，在调频辅助服务市场中，机组报价的中标情况及最终收益都与其调频性能直接挂钩，对发电机企业的经济收益有着巨大的影响。因此，如何在电力市场运行环境下，有效提升机组的调频性能指标，是当前发电企业面临的重要课题。从当前电力市场试运的情况看，由于 指令特性的变化及机组控制策略的不完善，机组的调频性能普遍不佳，不但影响了机组的收益，也不利于电网的安全稳定运行。机组变负荷速率的不足是影响调频性能指标的关键因素。热能动力DOI:10.16189/ki.nygc.2023.01.007 本文将从电力市场运行特性、规则入手，结合机组的运行曲线及考核数据，分析影响机组负荷调节速率的主要原因，并以此为基础针对性地研究机组负荷控制策略，提高机组整体的调节速率，改善机组调频性能指标。现状及问题如上所述，在调频辅助服务市场运行中，机组的调频性能指标是直接关系到机组中标及最终收益的关键性因素。以浙江省电力市场调频辅助服务的试行规则为例，机组的实际调频性能指标 是一综合性指标，包括了调节速率、响应时间、调节精度 三个因子。其计算公式为：（）（）（）式中：、分别为调节速率、响应时间、调节精度 的权重系数，市场运行规则中机组的调节速率 所占的权重最大，提高机组的负荷调节速率将是提高机组整体调节性能的重中之重。当前各机组在控制策略设计时，主要考虑满足“两个细则”的 速率考核要求。目前“两个细则”对于直吹式煤粉炉机组的调节速率要求为 ，燃机为 ，为额定容量当机组的调节速率高于该要求时，机组就不会因为调节速率而发生考核费用。而在调频辅助服务市场中，机组性能竞争来自于机组之间调节性能的高低区别，只有尽量提升自身的调节性能才能在报价和调频收入的博弈中占得优势，这对机组的调节性能指标提出了更高的要求。部分机组负荷调节速率偏低、不达标的问题仍较为突出，例如，某厂 台 等级机组在某次电力市场试运行期间的实际平均调节速率仅为 左右，性能明显低于同等级机组及相关考核要求。性能最差的机组仅为 ，对机组整体的调节性能指标产生了较大影响。因此，有必要针对影响机组调节速率的原因进行分析，并采取有效措施提升机组的调频性能指标，确保机组的合理收益。原因分析及改进措施为实现机组调节速率的提升，就必须确定关键性的制约因素，并以此为基础进行针对性的控制策略优化。通过分析多台机组在电力市场试运行期间的运行参数和历史曲线，发现造成机组调节速率不佳的主要原因在于控制策略未能适应电力市场的特征，特别是在指令生成与状态判断方面未能满足电力市场运行需求。在电力市场试运行过程中，指令特性较之前的运行工况有较大变化，具有负荷指令变化幅度大、变化频率高等特性。例如，某 等级机组，电力市场试运行前单个 指令的幅度在 左右；而在试运行后指令幅度提升至 左右，甚至出现 以上的单个负荷指令变化幅度。即使在非爬坡调峰时段，指令也始终处于频繁的来回波动过程中。在这样高频、大幅变化的 指令的作用下，许多机组速率考核较差，甚至出现负速率考核的情况。分析运行曲线及 指令的统计数据可以发现，除了负荷爬坡期，指令在较长时间范围内基本围绕在某一平衡负荷点以较高的频次来回调节，机组实质上处于一种相对稳定状态，机组的平均出力变化不大。因此，可以认为造成机组负荷调节速率不足的本质原因是机、炉间固有的动态特性差异，以及传统控制策略在应对大幅度、高频变化 指令的不足。首先，由于汽轮机与锅炉调节特性的不同，在负荷变化过程中会产生能量供需不平衡的矛盾，这在大幅度、高频的 指令变化工况下尤其明显。在变负荷过程，锅炉由于其固有的调节惯性环节，不能迅速弥补蒸汽流量的变化，将造成主汽压力的偏差；而汽轮机为了稳定汽压，则将放慢对负荷的调节速率，导致负荷相对稳态时，机组可能无法充分响应高频 指令，调节速率将受较大影响。同时，由于传统控制逻辑无法预测 指令的走势，因此，必须按照设定速率响应每一个 指令，这也导致锅炉侧的动态前馈量不匹配，在 指令连续来回调节时引起燃料量的剧烈波动，对于汽温和汽压的稳定都造成不利影响。针对该相对稳态工况下的单个 指令来说，其调节作用则是短时和快速的，其调节特性应更加接近一次调频的控制方式。因此，可以在 指令相对稳态的工况下，借鉴机组一次调频的负荷控制策略，让汽轮机充分利用锅炉蓄热进行短时的负荷响应，加快汽机侧的调节作用，获取较高的变负荷速率考核结果；同时，减少锅炉的出力变化，稳定机组的主要运行参数。热能动力 年，第 期 变速率负荷控制策略研究如上所述，由于火电机组机炉特性的差异，以及传统控制逻辑的不完善，导致当前机组的调节速率受到较大影响。因此，结合 的状态判断，优化调整机组的控制策略，提升机组的整体调节速率。指令状态判断策略由于 指令具有较大的不确定性，目前的常规控制策略均无法判断 指令的状态，无法有效区分机组的相对稳态和动态爬坡过程。这导致在相对稳态工况下，控制逻辑按照常规大幅负荷变动需求响应 指令，机炉间的调节互相影响制约，锅炉侧燃料扰动量大；同时，又无法充分利用汽轮机的快速调节能力和锅炉蓄热，影响了机组变负荷速率和参数稳定性。针对该问题，本文提出了 指令状态的判断策略，其核心在于对一段时间内的 变化幅度进行统计，区分 指令平稳的“稳态”工况和连续爬坡的“动态”工况，并以此为基础在不同状态下采取不同的控制策略，实现机组调节速率的整体提升。判断 指令状态的流程如下：）在机组开始接收 指令瞬间，将当前的 指令存入寄存器中，并将 指令状态信号置位为“动态”。）此后，控制逻辑不断接收到调度机构新下发的 指令，并将该指令与之前存入寄存器的指令进行比较。）若新指令与当前存储指令相比，累计变化超过预定的死区（一般设计为机组 额定负荷），则认为负荷指令变化较大，发出“动态”脉冲信号。同时，将接收到的新 指令存入寄存器，作为下一轮指令比较的基准。）当 指令进入“动态”状态一段时间后，机组负荷指令与当前存储指令相比未超过死区，“动态”脉冲信号未被触发达一定时间后，则认为 指令进入相对稳定状态，此时，将 指令状态信号置位为“稳态”状态；同时，将当前的 指令存入寄存器，作为指令比较的基准值。“稳态”状态的等待时间，由 的指令幅度及当前机组的变负荷速率决定。）在维持“稳态”状态一段时间后，逻辑将更新寄存器内存储的 指令，将当前的 指令存入寄存器作为比较基准值。）当机组控制退出协调控制时，将 指令状态信号置位为“动态”。通过选择合理的延迟时间和判断死区，较为准确地判断机组的 状态，为变速率控制打下基础。此外，如结合机组 运行的规律或发电计划曲线，在不同时段（如早高峰、凌晨低谷等不同时段）合理设置“动态”判断的负荷指令死区，则能够获取更加准确的判断结果。指令状态判断逻辑主要如图 所示。图 指令状态判断逻辑 变速率控制策略为提升机组调节速率，本策略在 指令状态判断的基础上，对汽轮机调节速率进行动态调整，实现对锅炉蓄热及汽轮机调节特性的充分利用。该控制策略的核心在于，稳态工况下的 指令变动在长时间范围内是相对较小的，单个指令的调节更接近一次调频的作用。因此，在设计相关控制策略时，当 指令处于稳态时，借鉴一次调频的控制思想，充分利用锅炉蓄热，加快汽轮机的调节速率，同时降低锅炉的响应速率和前馈量，避免燃料波动对参数的影响。首先，为提升汽轮机的调节能力，势必需要在稳态工况下加快汽机侧的负荷指令速率，为实现汽机与锅炉的速率的差异化控制，需要分别生成作用于汽机侧和锅炉侧的负荷指令，对汽轮机实现单独的变负荷热能动力 速率调整。其次，负荷速率变化还应当充分考虑机组的蓄热情况，在合理利用蓄热的范围内提升速率，否则可能造成压力的波动。综合以上思路，机组变负荷的控制逻辑图如图、图 所示。图 汽机侧负荷指令生成回路如图 所示，汽轮机侧的负荷指令单独设定生成，变速率设定值采用动态方式生成，在 稳态与动态工况下采用不同的变负荷速率系数，使得稳态工况时机组汽机侧的变负荷速率设定值能够得到提升。同时，为避免机组的蓄热被过度使用而导致汽压偏差过大，速率调节将经过压力偏差的校正。当加负荷压力偏低，或减负荷压力偏高时，表示机组蓄热受限，汽轮机的变负荷速率将被限制；反之，则表示机组蓄热量较为充足，则将适当提高调节速率，充分考虑变负荷过程中机组的蓄热能力，使得变负荷调节更加合理。此外，为防止由于机组蓄热能力下降而导致调节速率过低的情况，汽机主控负荷指令还设定了变负荷速率下限，不低于操作员设定的机组变负荷速率设定值，以防止调节速率过低影响机组的考核结果。图 汽轮机变速率控制策略 仿真验证为验证所提出的控制策略的有效性，本文根据电厂的实际运行数据及相关的调节曲线，对控制逻辑的有效性进行了验证。指令状态判断策略仿真验证图 为某 机组在某一天内的 指令下发曲线，红色曲线为 指令，蓝色曲线为 状态判断结果，“”表示为动态，“”表示为稳态。图 某机组 调节曲线及状态判断结果由图可见，在 指令出现明显爬坡过程后，状态信号将迅速变为“”，并按照动态模式进行指令处理；当指令稳定一段时间后，该状态信号将变为“”，进行稳态模式的控制。判断结果与负荷指令变化基本吻合，能够有效区分机组运行的相对稳态与动态爬坡工况。主要影响因素有死区参数和等待时间。变速率控制策略仿真验证图 所示为某 等级机组在某日某时段内的 运行曲线。在开始一段时间内，由于 指令逐步上升，逻辑判断机组处于升负荷阶段，将 状态信号置位为“动态”，故汽机侧负荷指令与锅炉侧负荷指令重叠，均以预设的速率 进行负荷指令调节。至 时 秒，由于 指令在一段时间内变化幅度未超过预设阈值，逻辑将 运行状态由“动态”变为“稳态”。此后，锅炉侧负荷指令与汽机侧负荷指令出现明显区别。在“稳态”工况下，为充分利用汽轮机的快速响应特性与锅炉蓄热，汽机侧负荷指令被加速至 倍，即提速至 ，以提高机组的负荷响应速率。热能动力 年，第 期 图 变速率负荷控制指令变化曲线 应用实例将本控制策略于某 超超临界机组控制系统中组态并投入运行，某日机组的运行曲线如图 所示。图 某机组实际 运行曲线从该日 时 分开始，机组根据调度指令进行连续加负荷操作，控制策略根据 指令判断逻辑判断机组处于动态加负荷阶段，指令状态信号被置位为“”。此时，为平衡锅炉能量变化与汽机负荷调节的需求，将机组的变负荷速率设置为 。至 时左右，指令基本到位，指令进入来回调节的状态，控制逻辑根据该情况判断 指令进入对稳态阶段，将状态信号置位为“”，并将汽机侧的机组负荷指令设置为 。由图 可见，在进入稳态后，汽机侧指令变化速率明显加快，充分发挥了汽机的快速响应能力，机组实际负荷响应速率由动态状态的 提升至 ，机组的调节速率及性能指标提升明显。结 语本文针对电力市场运行环境下 指令的特点，以及当前机组参与调节的情况，分析了制约机组负荷调节速率提升的原因。通过机组运行数据和考核情况，认为在 相对稳态工况