AGC模式下火電機組協調控制系統優化研究

張龍

摘要：在本研究中我們針對火力發電廠的自動發電控制系統原理及其構成進行了分析。針對電網負荷時段上的特殊變化能夠提出AGC機組手段協調控制的具體模式及采用不同火電模式進一步重組進行排序，利用AGC機組，能夠在負荷預測以及經營某種計劃模式下跟蹤省內負荷情況。AGC機組聯絡線和頻率變化，能夠為大型火電廠調節機制提供參考，通過運行結果發現火電廠采用協調控制架構體系能夠從一定程度上適用于目前的電網現有的調度方式。

Abstract： In this study， we analyzed the principle and composition of an automatic power generation control system for a thermal power plant. According to the special changes in the grid load period， the specific mode of AGC unit means coordinated control can be proposed and different thermal power modes are used to sort the further reorganization. The AGC unit can be used to track the provincial load situation under load forecasting and operating a certain planning mode. The contact line and frequency change of the AGC unit can provide reference for the regulation mechanism of large thermal power plants. Through the operation results， it is found that the coordinated control architecture system of the thermal power plant can be applied to the existing dispatching mode of the current power grid to some extent.

關鍵詞：AGC;火電機組;協調控制;系統;優化

Key words： AGC;thermal power unit;coordinated control;system;optimization

中圖分類號：TP273;TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）35-0161-03

0? 引言

截至2018年，該地電網總裝機量達到118GW，AGC火電機組裝機量51GW，可調節的容量為3.1GW，燃氣機組中AGC機組容量為6.1GW，可調容量3GW。從這個數據上來看，火電機組和燃氣機組調節容量基本能夠達到平衡狀態。根據有關研究表明，以區域作為功率總調節機制控制目標的CPS策略，目前AGC應用策略已經獲取良好的應用效果。尤其對于大型火電廠來說，由于調節容量相對較大，而且調節速度快，在短期時間內響應較短等特點，在調節容量的條件下能夠滿足頻率以及攻略相應的控制要求。然而處于用電高峰期時不能充分利用電、燃氣資源，AGC機組調節能力顯著降低，AGC火電機組無法進行有效控制，進一步會導致出現較多CPS不合格的問題，影響整體基礎的調節性能，一直以來由于煤質的困擾，對于火電機組投入比例和調節效果，相比燃氣技術來說，并不理想，無法實現有效的AGC調節。根據研究表明，利用短期負荷預測，開展AGC超前控制策略，其思路較好，但由于沒有考慮到火電燃氣協調控制，雖然后續研究學者提出并用火電燃氣機組聯合調整，然而，并沒有從整體去考慮，根據火電燃氣機組的特性，對目標進行解耦，從一定程度上也影響了火電技術的調節性。從上述情況上來看，結合該地的電網實際發展情況，需要對現有的AGC機組控制策略進行有效調整，能夠利用現有的這一資源協調控制，使火電機組能夠快速適應CPS的考核要求。

在本研究中針對該地電網負荷時段中的具體變化情況，提出適應于火電網AGC機組的有效控制策略。

1? AGC協調控制材料分析

首先從短期負荷預測上來看。火電機組能夠結合短期負荷預測性能，開展超前控制策略，并能夠獲得良好的工作效果。從短期符合預測上來看，能獲得出預計所需的負荷增量，交換計劃增量等扣除。機組預測處理和最終能夠得到下一時間段內再分配的發電偏差量，結合陡降和爬坡的急緩程度，對短期負荷預測的大小進行實時調整，最終根據調整的結果，火電機組出力能夠跟蹤該地區，負荷變動形式充分調節火電機組的可調節容量。針對電廠計劃控制來看，在處于電廠計劃控制模式下，對于同一部分機組，不同機構可以結合其調節方向，用于考核比例分配的調節量。在本研究中將負荷增加作為研究對象，機組分配出力定義為機組損失?！?/p>

機組能夠接受的調節變化量用達到p表示，機組i所屬的計劃值變化量用Pi表示，機組能夠調節的容量用Psche表示，參與這種控制條件下的火電機組數量用n表示，參與該模式控制下，機組變化頻率較低，并且具有良好的跟蹤進度，能夠有利于機組實現穩定運行。根據協調工作策略上來看，結合電網的負荷變化情況以及火電機組AGC資源特點，進一步提出了火電機組協調控制模式，在處于該模式下，利用系統相對較好的火電機組能夠用于短期負荷預測跟蹤，而對于部分基礎性能較差，但多數采用相對平衡的計劃值進行運行。從整體上來看，我們發現該地區的電網統調負荷和聯絡線負荷變化具有下列特點，首先不同時間段內負荷變化趨勢存在差異，系統波峰和波谷存在明顯的幅度變化。結合系統聯絡線和負荷變化情況，可以將其分為5個時間段。分別為，第一時間段，00：00～6：00是負荷平衡狀態，6：00～11：30為長時間爬坡狀態，此時系統的負荷處于單向增加狀態。11：30～12：40為第三時段，屬于系統負荷降低狀態，12：40到20：25為第四時間段。測試系統，負荷比較平穩，第五時間段為20：25～24：00，此時負荷有一定程度的降低。結合上述特點，我們發現該地區的電網水火電機組協調控制，采用分時間段的方式，消耗不同火電燃氣模式條件下進行重組排序，擺脫過去分擔因子分配出力的方式，進一步按照調節速度，機組容量作為分類依據，能夠將目前該電網所擁有的火電燃氣機組分別分為燃氣一組，一節燃氣二組、火電一組，一節是火電2組。其中小燃氣AGC機組設為燃氣一組，大型燃氣機組為燃氣二組，此外，其調節性能較好的火電機組為火電一組，調節性能較差的為火電二組。編排控制主要是充分利用火電機組，在短期負荷預測和計劃值模式下，用于省內負荷跟蹤，中小型燃氣機組頻率變化以及跟蹤聯絡線變化形式，大型燃氣廠可參與這一調節過程。

2? 火電燃氣機組的協調控制實驗分析

為進一步研究燃氣和火電機組在處于協調配合狀態下的工作效果，滿足電網運行條件下進行一段時間內的測試，由于第三和第四階段的控制策略是比較相似的。而第四和第一階段相似，因此在本研究中主要分析第3階段和第四階段的火電燃氣機組協調控制及相關策略，具體來看在處于第三時段時，由于第3階段屬于負荷變化的重要拐角點，因此該斷內聯絡線呈現快速下降的趨勢，且由于該階段屬于單向調節，在這種控制條件下中小型燃氣機組，主要用于系統頻率和聯絡線波動功率的調節變化，而對于大型火電廠來說，在ACE偏差較大時可直接參與調節。目前該電網所有火電機組能夠結合短期負荷預測結果進一步參與機組的集群控制。比如對兩天內某一時間段，電廠分別采用不同的工作模式，EMS中下發調節命令曲線，根據果我們發現在處于AUTOS條件下，電廠調節頻率和調節幅度有顯著降低，具體來看，在沒有頻繁參與調節的條件下，變成機組出力，基本處于平衡狀態，在這一時間段內中小型火電調節容量可滿足當地1天電網的調節需求，而在第3階段火電機組能夠全部運用于LDFCO模式，結合運行結果，我們發現整體火電機組調節性能較好，雖然不同電網出力變化對于整體火電機組有影響，但整體來看，全網火電機組出力在處于第三階段時能夠顯著降低，進一步緩解燃氣機組的調節壓力。從CPS曲線可以發現，相比原有的控制模式基本是保持一致的，我們認為主要是由于該火電機組使用的燃煤煤質不好，因此調節范圍和響應速度都受到一定限制，在整個網內負荷下降是比較快的，因為中小型燃氣在調節上，能夠滿足系統頻率和聯絡線的變化，但燃氣集群調節速度政策不齊，進一步會影響整體的燃氣調節速率。從第四時段的控制時間上來看，在整個第4時間段內負荷曲線逐漸呈現緩慢爬坡狀態，協調控制，重組排序結果如下：對于中小型燃氣機組以及性能較好的火電，機組控制條件保持不變的情況下。大型燃氣廠改帶基本負荷，性能相對較差的火電機組能夠結合日前計劃進行跟蹤，由于計劃控制條件下的命令，周期持續為5分鐘，對于機組響應速率低，進而確保煤質較差的火電機組能夠實現穩定運行。通過運行我們發現參與超前控制火電機組數量相對減少，處于滯后控制，然而基本可滿足國內負荷波動的相關需求，基于這種控制條件下中小型燃氣機組，在處于聯絡線攻略波動下，基本可滿足CPS控制要求，而對于大型燃氣廠來說，已經推出頻率和聯絡線的有效控制，由于大型燃氣廠沒有直接參與調節，因此明顯減少棄水。并且該時間段內的機組編排策略是比較節能的。

從其運行效果上來看，通過對該電網一段時間內的火電燃氣機組協調控制進行測試研究，進一步發現，該電網采取燃氣機組協調控制這一條件是可行的，在電網頻率和聯絡線頻率變化較大的條件下，可以采用分時段進行控制，首先，對于負荷變化較快的時間段?？梢砸揽克谢痣姍C組采用LDFCO條件進行超前控制，同時結合中小型燃氣機組的系統頻率，聯絡線功率波動，進行有效調整，而對于大型燃氣廠來說，其參與的頻率、聯絡線控制情況較少，因此這種控制策略，需要滿足CPS的性能并針對全網快速變化，能夠有效應用火電資源減少大型燃氣機組的出力。而在負荷區域平緩的時間段內，釆用性能條件好的火電機組，執行LDFCO模式，而對于性能較差的火電機組可以執行SCHEO模式，在整個調節過程中，大型燃氣機組沒有參與聯絡線和頻率控制，而對于中小型燃氣企業來說，其控制目標是不變的。這種控制策略，能夠考慮火電機組不同的性能差異。盡管目前電網或電機組處于滯后控制，但這種調節質量沒有受到較多干擾，也有利于火電機組實現有效運行，同時大型燃氣廠處于較高的出力條件，而減少煤炭消耗量。

首先從AGC系統概念上來看火電機組AGC主要是由傳輸通道、機組控制系統、電網調度控制系統、遠程終端控制系統等多種系統功能構成的，能夠將電廠的實際運行情況傳輸到調度中心，由調度系統對這些收集的數據進行分析處理，進一步能夠對火電機組負荷進行有效分配，發出指令之后能夠將其傳輸到電廠，而RTU裝置中具體傳輸過程如下：AGC指令申請和當前的電網頻率穩定要求一切負荷需求，每隔幾秒鐘進行一次機組的運行，并且先負荷設定，因此產生相應的信號，AGC指令是由負荷分量和調節分量共同構成的，其中負荷量是在短期預測中確定日負荷。發電量和調節分量是在負荷系統結合當前幾分鐘內負荷變化情況進一步預測，下一時間內的負荷調節量，火電機組通過分散控制的方式能夠利用機爐協調控制系統進一步完成AGC指令響應。記錄儀協調控制系統包括汽機跟隨、鍋爐跟隨等多種方式。無論機組采用哪種記錄控制方式，最終都是通過協調機組燃燒和調門的開度，能夠在短時間內響應AGC的指令。

從控制對象的特點上來看，該電廠有三期兩臺機組能夠協調控制，投運之后可以滿足流動系統AGC的指令響應要求，然而再處于燃料擾動和負荷升降條件下，主蒸汽壓力溫度會發生較大波動變化，并且在負荷條件發生變化之后，機組的響應速度比較慢，很難滿足調度中心，對源于AGC投運的相關要求，調動中心對于AGC投運要求其出力，調整延遲時間低于30秒，負荷調節速率應當高于機組額定處理1.2%。在處于機組協調控制系統設計時應當克服大滯后、純時延對于控制系統穩定性的相關影響，能夠強化鍋爐側動態響應，使給水量和燃料量保持平衡，在鍋爐跟隨協調工作方式下，鍋爐的主控維持機前壓力、汽機主控機組負荷。該控制模式下系統具有良好的精確控制要求，并且負荷響應時間較短，因此采用這種鍋爐跟隨的控制模式?？梢詫⑦M組投入AGC運行，但研究也是基于此實現機組的協調控制優化等。

除上述之外，由于火電機組協調控制系統主要設計輸入輸出復雜系統，在調試中存在多種問題，對系統增加變參數設置以及非線性函數設置，可以適當提升機組對于煤種變化、負荷變化的干擾適應性。首先從改變燃料量負荷情況上來看，對該電廠臨界機組在升負荷條件下，發現鍋爐蓄熱性能降低，針對這種問題，可以在系統增加變負荷指令前饋，虛假煤位使燃燒調節相對滯后，在整個系統中可以適當增加每煤量前饋，記錄處于不同負荷條件下的燃料量，進一步得到鍋爐靜態前饋相關參數，在機組負荷變動條件下，結果發現其函數很難滿足機組變負荷條件下對于系統的運行要求，因此需要結合負荷偏差特點，能夠對燃料量前饋增加動態可變，前饋回路裝置。在符合指令條件下，與實際負荷存在較大偏差，這種情況下，機組增負荷可以通過函數公式對燃料主控前饋進行調整，適當增加鍋爐的燃料量等，機組減負荷狀態是可以通過函數公式對其主控前饋進行修正，適當減少燃料量，在技術處于穩定狀態下。沒有發生顯著變化時，此時該回路失效，在壓力閉鎖條件下該回路也無法發揮效用，因此會有原CCS控制進行閉鎖調節。預加減燃料，可以通過這種方式克服主蒸汽壓力產生的貫性影響，在蒸汽壓力活動中適當加一路預加減燃料前饋回路裝置，可以實現系統結合實際負荷需求，相應的增加或者減少燃料量，該回路在整個系統中，主要是處于系統負荷變化開始時，增加主蒸汽壓力，能夠顯著克服主蒸汽壓力產生的關系，影響進一步強化負荷變化率。增加機組對于煤質變化產生的適應力，當前由于鍋爐煤質無法調整，質量保證，機組協調控制系統穩定性和AGC投入質量將會從一定程度上受到煤質影響，在機組負荷變化較大的情況下，系統能夠為技術提供快速響應，利用較強的前饋作用，在該作用條件下，機組負荷會出現較大超調，當燃料量出現較大變化時，系統對前饋環節做出修正，能夠顯出減小超調程度，提高系統運行的穩定性，以及對于負荷變化的響應效率，結合高調門流量和重疊度數據要求進一步優化。DEH系統高調門單閥和順序閥流量曲線，而今該曲線趨于線性，經優化之后該機組能夠快速準確的響應指令確保并提升AGC的投入質量。經過優化之后，我們對該電廠機組進行AGC系統性能檢測，結果發現該系統具有良好的負荷響應性，當機組處于升負荷或者下降負荷條件下，其運行速率均高于12MW每分鐘，基本能夠滿足調度中心對于AGC跟蹤指令相關要求，機組在投運AGC后，其系統的運行狀態比較穩定，各模擬量控制子系統的調節性能相對較好，在處于雙負荷狀態下，機組各項參數運行結果。我們發現在處于火電機組交互條件下，機組的實際負荷與AGC指令偏差最高為4MW，主蒸汽壓力最高0.6MPa，給水量也能夠結合負荷變化情況發生相應的調整，其他參數基本處于穩定狀態，可以發現該機組運行基本能夠滿足電網AGC以及系統穩定安全運行的要求。

3? 小結

在本研究中通過對某電網負荷，時間段中的變化要求，指出了燃氣火電機組采用分時段協調控制模式并進行運行測試，結果發現火力燃氣機組協調控制模式具有良好的性能，能夠適用于該電網現有調度方式。同時結合機組的特點和協調控制系統進行優化，采取適應機組的控制策略，使系統優化后的快速投運可滿足系統中心相關要求。

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