火力發(fā)電廠一次調(diào)頻閉環(huán)控制策略研究與應用

王玉國 李 達

（國家能源集團河北公司滄東電廠，河北 滄州 061113）

0 引言

隨著新能源電力的快速發(fā)展，風光發(fā)電的不穩(wěn)定性對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生了不利影響。為維持電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，電網(wǎng)對火力發(fā)電機組的一次調(diào)頻性能提出了更高的要求。現(xiàn)在，大型火力發(fā)電廠一次調(diào)頻采用的是頻率差函數(shù)發(fā)生器開環(huán)控制策略，這種控制策略反應迅速，能夠快速消除電網(wǎng)頻率差，但是其準確性無法保證，影響了一次調(diào)頻的性能。基于此，展開對一次調(diào)頻閉環(huán)+開環(huán)控制策略的深入研究，并提出解決方案，具有很大的應用價值。

1 火力發(fā)電機組一次調(diào)頻動作過程

圖1為機組一次調(diào)頻動作過程評價指標計算說明圖。以火電機組為例，從頻率偏差超出死區(qū)開始（即自A0時刻起），單臺機組開始快速響應頻率的變化，按照各自靜特性相應增大出力，隨著全網(wǎng)機組出力的增加，頻率逐漸穩(wěn)定并開始上升，直至頻率偏差恢復到死區(qū)范圍內(nèi)。

從圖1可以看出，從A0時刻起一次調(diào)頻開始動作，理論出力與實際出力存在較大的偏差。雖然實際出力在最高點時與理論出力的偏差減小，能夠滿足一次調(diào)頻15s出力響應指數(shù)和30s出力響應指數(shù)，但在機組調(diào)頻持續(xù)時間（A0—B0）內(nèi)，由于實際出力和理論出力整體存在較大的偏差，在此期間機組一次調(diào)頻實際貢獻電量占理論貢獻電量的百分比（電量貢獻指數(shù)）無法滿足要求[1]。

圖1 一次調(diào)頻動作過程

2 開環(huán)控制與閉環(huán)控制原理[2]

2.1 開環(huán)控制

開環(huán)控制是指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程，按這種方式組成的系統(tǒng)特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響，不具備自動修正的能力。圖2為開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖。

圖2 開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

2.2 閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)、參與控制的控制方式，也稱為反饋控制。其特點是系統(tǒng)自身利用負反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系統(tǒng)恢復到期望值上。可見，閉環(huán)控制具有較強的抗干擾能力和消除偏差的能力。圖3為閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

3 一次調(diào)頻閉環(huán)控制

本次一次調(diào)頻閉環(huán)控制的研究，要解決的是由發(fā)電機組實際出力與理論出力的偏差導致的一次調(diào)頻性能指標不合格問題。將采用開環(huán)+閉環(huán)的復合控制，在一次調(diào)頻函數(shù)發(fā)生器的基礎上增加閉環(huán)控制進行修正，來提高系統(tǒng)的控制精度。

3.1 閉環(huán)控制設定值

在華北電網(wǎng)《一次調(diào)頻綜合指標計算及考核度量方法》性能指標計算過程中，一次調(diào)頻的起始功率為一次調(diào)頻動作開始時刻的前10s平均功率，計算公式如下：

式中：PN為一次調(diào)頻起始功率；P0為實時功率；P10為前10s功率。

在電網(wǎng)頻率發(fā)生改變、一次調(diào)頻動作時，統(tǒng)計動作開始后10s內(nèi)的最大頻率差，根據(jù)一次調(diào)頻功率發(fā)生器對應的功率值，計算閉環(huán)控制設定值，計算公式如下：

式中：Ps為閉環(huán)控制設定值；x為10s內(nèi)最大頻率差；f（x）為一次調(diào)頻發(fā)生器函數(shù)。

閉環(huán)控制設定值控制邏輯如圖4所示。

圖4 閉環(huán)控制設定值生成邏輯圖

3.2 閉環(huán)控制投退與自動控制

在華北電網(wǎng)《一次調(diào)頻綜合指標計算及考核度量方法》中規(guī)定，只有在電網(wǎng)存在頻率差的持續(xù)時間大于12s后才統(tǒng)計為一次調(diào)頻動作。在電網(wǎng)頻率持續(xù)時間小于12s的情況連續(xù)出現(xiàn)時，一次調(diào)頻閉環(huán)控制系統(tǒng)會出現(xiàn)一次調(diào)頻功率連續(xù)比上次高的情況，導致閉環(huán)控制的功率發(fā)散，控制系統(tǒng)無法穩(wěn)定。為避免此類現(xiàn)象，需要增加閉環(huán)控制自動投退控制方案[3]。具體方法為：（1）在電網(wǎng)頻率差維持時間小于10s時，閉環(huán)控制輸出乘系數(shù)，系數(shù)為0；（2）在電網(wǎng)頻率差持續(xù)時間大于10s時，閉環(huán)控制輸出乘系數(shù)，系數(shù)為1；（3）當一次調(diào)頻結束（一次調(diào)頻動作持續(xù)時間大于60s）或者一次調(diào)頻不動作的情況下，閉環(huán)控制系統(tǒng)跟蹤值為1。具體控制邏輯如圖5所示[4]。

圖5 閉環(huán)控制投退與自動控制邏輯圖

4 應用效果

以河北某電廠660MW亞臨界機組一次調(diào)頻為例，原控制邏輯為以一次調(diào)頻函數(shù)發(fā)生器為指令的開環(huán)控制+壓力函數(shù)和負荷函數(shù)修正。未采用開環(huán)控制+閉環(huán)控制方案進行優(yōu)化前，電網(wǎng)8月性能考核數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 優(yōu)化前一次調(diào)頻性能指標數(shù)據(jù)

增加一次調(diào)頻閉環(huán)回路修正后，機組一次調(diào)頻性能指標有了質(zhì)的提升。電網(wǎng)10月考核數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后一次調(diào)頻性能指標數(shù)據(jù)

通過對8月和10月一次調(diào)頻電網(wǎng)考核數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻性能指標整體上全面提高，特別是電量貢獻指標，合格率達到80%，較優(yōu)化前提升70%，能夠很好地滿足華北電網(wǎng)一次調(diào)頻性能要求。

5 結語

針對火力發(fā)電機組存在的一次調(diào)頻動作中準確率不高并導致電量貢獻指標合格率低的情況，本次通過對一次調(diào)頻實際動作情況和《一次調(diào)頻綜合指標計算及考核度量方法》進行分析，發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻在實際動作過程中，實際出力無法達到理論出力的期望值是重要因素。為此，利用閉環(huán)控制能夠消除偏差的功能，對原一次調(diào)頻函數(shù)發(fā)生器輸出值進行閉環(huán)控制修正，并通過自動投退功能，保證閉環(huán)修正的穩(wěn)定性。經(jīng)過優(yōu)化后，一次調(diào)頻動作的準確性和電量貢獻指標合格率有了明顯提升，改善了一次調(diào)頻的整體性能。本次對一次調(diào)頻閉環(huán)+開環(huán)控制策略的深入研究，為一次調(diào)頻的優(yōu)化提供了新的方案和思路，具有很大的應用價值。