周松國，屈章龍（華電電力科學研究院西安分院，陜西西安710032）

百萬級火電機組AGC自適應能力分析

周松國，屈章龍
（華電電力科學研究院西安分院，陜西西安710032）

為了滿足區(qū)域電網(wǎng)二次調(diào)頻的需要，火電機組接收的AGC指令將跟隨電網(wǎng)頻率頻繁變動，其變化幅度和方向均具有很強的隨機性，多數(shù)火電機組在AGC模式下均存在電負荷響應時間超標和調(diào)節(jié)速率不足的問題。通過分析電網(wǎng)AGC的運行特點，指出了AGC的控制要點，并提出具有自適應能力的變負荷前饋控制策略。經(jīng)過多次靜態(tài)仿真試驗和動態(tài)變負荷試驗，使得該控制策略成功地運用到中電投安微平圩電廠2×1050MW超超臨界火電機組，實踐證明該控制策略具有較強的AGC自適應能力，提高了火電機組電負荷響應能力。

AGC；隨機性；幅度；方向；自適應；預給煤

0 引言

自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，簡稱AGC）是電力系統(tǒng)頻率控制的主要手段之一。百萬機組直屬于區(qū)域性的大電網(wǎng)調(diào)度，AGC通常采用定頻率控制FFC（Flat Frequency Control）模式。它是電力系統(tǒng)擾動后，在一次調(diào)頻的基礎上，響應于電力系統(tǒng)頻率偏差起到的輔助控制手段。

電網(wǎng)AGC負荷指令形成有兩種方法，即滾動平均法和時段平均法。滾動平均法通過對每一個負荷幅值前、后一段數(shù)值滾動求平均，由此得到一條平滑的負荷曲線。時段平均法通過對一段時間(時間段的長度可以是5min，10min,15min)的負荷幅值求平均，得到一組每5min離散的負荷幅值；經(jīng)線性插值后，得到一條由爬坡負荷組成的負荷曲線?？梢夾GC指令幅度和方向具有很強的隨機性。

目前，所有的超（超）臨界火電機組AGC控制方案無一例外地采用鍋爐“預給煤”控制手段，但是由于方案缺少必要的靈敏性，導致機組經(jīng)常出現(xiàn)電負荷響應時間超標、響應速率不足及超溫超壓現(xiàn)象。以下針對超（超）臨界機組普遍存在的問題，通過對AGC運行特點進行分析后，提出一套能夠有效解決問題的控制方案。

1 火電機組AGC運行現(xiàn)狀分析

1.1 AGC電負荷控制標準

電負荷響應能力作為AGC最重要考核指標，許多發(fā)電企業(yè)受制于各種因素無法達標。

根據(jù)《區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》（以下簡稱兩個細則）內(nèi)容，火電機組的AGC性能考核指標計算公式如下:

式中Kpi，j—某一時間段內(nèi)的AGC性能考核指標，它直接決定電廠從電網(wǎng)獲得的經(jīng)濟補償額；

K1i，j—機組某個時間段內(nèi)實際調(diào)節(jié)速率與其應該達到的標準速率相比達到的程度；

K2i，j—機組某個時間段內(nèi)實際調(diào)節(jié)偏差量與其允許達到的偏差量相比達到的程度；

K3i，j—機組某個時間段內(nèi)實際響應時間與標準響應時間相比達到的程度；

Vi，j—某一時間段內(nèi)電負荷實際響應速度，MW/min；

ΔPi，j—某一時間段內(nèi)電負荷控制偏差，MW；

Ti，j—某一時間段內(nèi)電負荷響應時間，s；

VN，i，ΔPN，i，TN，i—AGC標準的響應速度、標準精度及標準響應時間。相關參數(shù)的要求見表1。

表1 火電機組AGC技術指標

1.2 AGC電負荷控制要點

從上述電網(wǎng)《兩個細則》的具體要求可以看出，為了滿足AGC性能達標，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)必須具備及時、快速、準確調(diào)節(jié)負荷的能力。

首先，機爐兩側必須具備快速、靈敏的能量平衡能力。在機側能量需求發(fā)生改變時，要求鍋爐側各個子系統(tǒng)（包括風量、燃料、給水、一次風壓及過熱器減溫水等系統(tǒng)）必須同時迅速地作出相應的調(diào)整。由于實際工況中爐側調(diào)節(jié)存在控制死區(qū)和遲滯現(xiàn)象，客觀地限制了機組電負荷響應能力，如何解決這個問題成為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的一大技術難點。

其次，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)必須具備足夠的靈敏度，能夠自動適應AGC幅度和方向隨機變化的特性，始終保持燃料調(diào)節(jié)與AGC調(diào)節(jié)方向的一致性。

2 AGC自適應控制策略

2.1 機組簡介

中電投安徽平圩三期2×1050MW超超臨界機組鍋爐為B&WB-3218/28.25-M型號，配備6臺中速磨煤機；汽輪機組為DKY-4N45A U型號，高壓缸配備了兩個過載閥。

汽機出于保護自身設備的目的，在DEH內(nèi)部設置了多重限制器。當主汽壓力、蒸汽溫度及調(diào)門開度三者之間的變化率不匹配時將誘發(fā)限制器動作，閉鎖機組有功功率調(diào)節(jié)，甚至引起應力保護動作導致機組跳閘。因此，工程要求協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在滿足電網(wǎng)AGC的需求外，還必須嚴格控制蒸汽溫度和主汽壓力的調(diào)節(jié)品質。

2.2 自適應功能的變負荷前饋

要徹底解決AGC電負荷的響應能力，就必須解決變負荷初期鍋爐熱負荷滯后慣性的問題。為此需要一套完善的變負荷前饋邏輯（以下簡稱“預給煤”），能夠精確靈敏地控制各個子系統(tǒng)，快速響應機組負荷的變化，動態(tài)保持機爐兩側的能量平衡?？刂撇呗匀鐖D1所示。

“預給煤”邏輯主要由四部分組成，即機組變負荷指令微分邏輯、限幅邏輯、變量修正邏輯及限速邏輯。

2.2.1 變負荷指令微分

在圖1中，機組實際指令經(jīng)由變參功能的微分環(huán)節(jié)后，產(chǎn)生“預給煤”的觸發(fā)信號，核心環(huán)節(jié)是微分時間外置功能，由SG1/SG2/SG3/PULSE/OR/T2/f（x）3等功能塊組成。

機組處于非協(xié)調(diào)控制模式時（SG3信號為1），微分時間經(jīng)過為T2切換塊輸出為0，微分環(huán)節(jié)輸出亦為0，避免了非協(xié)調(diào)方式下“預給煤”的自擾現(xiàn)象。

負荷變動的幅值經(jīng)由功能塊f（x）3轉換后為微分環(huán)節(jié)的外置時間，具體數(shù)值見表2。機組小幅變動負荷時，則微分時間相對延長，能夠保證AGC指令小幅度變化時有足夠的前饋效果。

圖1 自適應的變負荷前饋邏輯圖LAG-慣性環(huán)節(jié)SUM-加法器（f x）-函數(shù)塊ABS-絕對值MUL-乘法器微分環(huán)節(jié)P U LS E-脈沖塊T-模擬量切換塊

邏輯中還引用了升負荷和降負荷SG1/SG2信號，用來提高“預加煤”適應AGC隨機變向的能力，保證“預給煤”調(diào)節(jié)方向與AGC指令變化方向同步，進而提高鍋爐側各子系統(tǒng)的靈敏度。

2.2.2 限幅功能

為了確?！邦A給煤”功能的靈敏度，通常情況下微分環(huán)節(jié)的增益倍數(shù)需要足夠大，一旦AGC指令變化時其微分環(huán)節(jié)輸出量將遠大于實際需求量，因此，必須對微分環(huán)節(jié)輸出量進行限制，以匹配電負荷變動的實際需求量。限幅功能有圖1中的輸入變量TL、LDC、功能塊LAG/T1/SUM1/f（x）1/f（x）2、大選塊和小選塊組成。

當AGC方向改變時（SG1或者SG2發(fā)出信號），通過切換塊T1將LAG慣性時間由60s切為0s，SUM1輸出也自動切到0；待指令變動方向確定后（一般是等待SG1或者SG2發(fā)出信號后延時3s）SUM1將重新記錄新的偏差，始終保證“預給煤”調(diào)節(jié)方向與AGC方向同步變化。

f（x）1/f（x）2分別為升/降負荷工況下“預給煤”-負荷變化幅度之間的跟隨函數(shù)，經(jīng)過大/小限幅功能塊輸出最終的變負荷前饋量，具體數(shù)值見表2。

2.2.3 變量校正

考慮到鍋爐熱負荷與燃料量的非線性關系，邏輯中設置了f（x）4，實現(xiàn)目標負荷指令自動校正“預給煤”量的功能，校正系數(shù)見表3。

為了防止負荷變動中壓力超調(diào)現(xiàn)象，邏輯中設置了壓力校正環(huán)節(jié)，利用主汽壓力偏差量實時地校正“預給煤”量，其校正系數(shù)為0.8-1.2。在圖1中，由輸入變量M S P E和功能塊f（x）5/f（x）6/H/T3組成。升負荷過程如果實際壓力低于設定值則校正系數(shù)大于1，相反則小于1；降負荷校正系數(shù)與升負荷校正系數(shù)互為反函數(shù)。校正系數(shù)見表4。

邏輯中設置了f（x）7，實現(xiàn)變負荷速率對“預給煤”的校正功能，校正系數(shù)見表5。

經(jīng)過多路路校正變量修正后，計算出“預給煤”原始值。

2.2.4 速率限制

為了確保變負荷前饋量的效果，邏輯中通過速率限制功能塊實現(xiàn)變負荷過程中“快加（減）慢回”功能。在變負荷初始階段保證前饋量快速達到最大值；隨著機組實際指令與目標指令偏差量的減小其變化速率也越來越慢。如此，既防止大范圍變動負荷時前饋量效果過強，又能保證小范圍變動負荷時前饋量的有效時間。

速率限制功能由圖1中的f（x）8/f（x）9及速率限制塊組成。

設置f（x）8是為了保證不同變負荷速率下的前饋量與變化速率之間的匹配關系，其參數(shù)設置必須與f（x）7保持一致，具體數(shù)值見表5。

表6中f（x）9的數(shù)值變化即代表了電負荷指令偏差與變負荷前饋量變化速率對應關系。

2.2.5 變負荷前饋實際效果

從圖2的實際效果圖可以看出，在AGC指令隨機變化時，“預給煤”變量具有很好的跟隨功能，具體表現(xiàn)如下:

（1）“預給煤”量能夠根據(jù)AGC指令變化幅度自動調(diào)整，在圖2曲線a-b-c段中，AGC指令變化為+10MW/+20MW/-40MW，“預給煤”量分別為+10MW/+30MW/-40MW。

（2）“預給煤”量的調(diào)節(jié)方向能夠實時保持與AGC指令同步。在圖2曲線c-d段中，AGC指令經(jīng)歷了方向突變過程。在第10M in（即c點）變動值為+60MW，而到第12min（即d點）時變動值突然改變?yōu)?60MW，此時實際負荷指令還未到達c點時的目標值。從圖2中可以看出“預給煤”調(diào)節(jié)量在d點及時調(diào)整方向由+60MW快速切為-65MW。

表2 變負荷前饋邏輯相關函數(shù)值（一）

表3 變負荷前饋邏輯相關函數(shù)值（二）

表4 變負荷前饋邏輯相關函數(shù)值（三）

表5 變負荷前饋邏輯相關函數(shù)值（四）

表6 變負荷前饋邏輯相關函數(shù)值（五）

圖2 自適應的變負荷前饋運行效果圖

（3）“預給煤”量在負荷指令大范圍變動時得到了限制，有效地避免了燃料超調(diào)。比較曲線c-d段和曲線e-f段就可以看出，AGC指令變動值分別為+60MW/+100MW，對應的“預給煤”量分別為+62MW/+70MW。

（4）縱觀圖2可以看出，“預給煤”量持續(xù)時間能夠根據(jù)負荷變動范圍自動調(diào)整，很好地滿足了AGC指令不同變動幅度的需要。

綜上所述，自適應功能的變負荷前饋量很好地跟隨AGC指令的變化，為主汽壓力和蒸汽溫度精確控制乃至機組AGC的品質奠定了堅實的基礎?！邦A給煤”量作為協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)的公用指令，同時作用到燃料、給水、總風量、一次風壓、磨煤機熱風調(diào)門及各級過熱器減溫水調(diào)門。

3 實際運行效果

該控制策略在安徽平圩電廠2×1050MW工程得到應用，并取得良好的應用效果。調(diào)取#5機組的歷史曲線如圖3和圖4所示，分別為連續(xù)小范圍和大范圍兩種變負荷工況的曲線。

圖3記錄了連續(xù)小范圍變負荷工況中主要參數(shù)的變化情況。時間跨度為60min，變負荷速率為15MW/min，變化范圍為510-400MW，煤量變化為226-155t/h，給水變化為1355-1053t/h，過熱度變化為28-38℃。其中，電負荷最大偏差為+3.5MW，最大主汽壓力偏差+0.5MP a，主汽溫度最大偏差6.5℃。

圖4記錄了大范圍變負荷工況中主要參數(shù)變化情況。時間跨度為30min,負荷變化范圍699-850MW，速率為15MW/min，煤量變化范圍275-357t/h，給水變化范圍1627-2103t/h，過熱度35-21℃。最大電負荷偏差-6MW；最大主汽壓力偏差+0.54MP a；最大汽溫偏差-3. 9℃。

從實際運行曲線來看，上述控制方案能夠適應各種負荷變動類型的考驗，主要參數(shù)的調(diào)節(jié)品質均達到《D L/T 657－2006火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》的要求，完全滿足機組AGC運行模式的控制要求。

圖3 小范圍連續(xù)變負荷工況

圖4 大范圍連續(xù)變負荷工況

4 結語

針對AGC指令隨機性變化的特點，為了提高機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質，提出了具有自適應能力的變負荷前饋邏輯。文中對控制策略原理進行了分析，并展示了工程實例中的應用效果。實踐證明上述控制方案具有其獨特的自適應能力，值得在超臨界火電機組中推廣應用。（華電集團2016年科研項目《火電機組低氮燃燒器NOx排放指標與蒸汽溫度自動平衡控制技術的研究》，編號：CHECKJ16-03-75）

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Analysis of AGC Adaptive Capacity of Million Thermal Power Units

ZHOU Song-guo，QU Zhang-long
（Huadian Electric Power Research Institute Xi’an Branch，Xi’an 710032，China）

I n or d er to meet t h e nee ds o f t h e p o w er g ri ds econ d F M re g ional，p o w er unit to recei v e t h e AGC in s truction w ill f ollo w t h e g ri d f requency c h an g e s f requently，t h e ma g nitu d e an d d irection o f c h an g e h a s v ery s tron g ran d omne ss，many t h ermal p o w er unit s h a v e electric loa d re sp on s e time an d a dj u s t t h e rate e x cee d t h e s tan d ar d p ro b lem o f in s u ff icient in AGC mo d e.B a s e d on t h e analy s i s o f t h e o p eration c h aracteri s tic s o f t h e re g ional p o w er g ri d AGC，t h e p a p er p oint s out t h e main p oint s o f t h e AGC control s c h eme，an d p ut s f or w ar d t h e v aria b le loa d f ee df or w ar d control s trate g y w it h a d a p ti v e a b ility.A f ter s e v eral time s o f s tatic te s t an d d ynamic s imulation o f v aria b le loa d te s t，t h e control s trate g y i s s ucce ssf ully a pp lie d to t h e C PI An h ui P in gw ei P o w er P lant 2×1050MW ultra s u p ercritical t h ermal p o w er unit s，t h e p ractice p ro v e s t h at t h e AGC control s trate g y h a s s tron g a d a p ti v e ca p acity，im p ro v e t h e t h ermal p o w er unit loa d re sp on s e a b ility.

AGC；ran d omne ss；ma g nitu d e；d irection；a d a p ti v e；coal f ee d-f or w ar d

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.001

TM621

B

2095-3429（2017）03-0001-05

2017-02-13

修回日期：2017-05-15

周松國（1973-），男，湖南衡陽人，本科，高級工程師，從事火電機組自動控制領域的研究工作；屈章龍（1980-），男，陜西合陽人，本科，工程師，從事火電機組自動控制領域的調(diào)試工作。