劉 浩

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 上海 200240；2.華能太倉(cāng)電廠 江蘇 蘇州 215424）

自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）是電力系統(tǒng)頻率控制的主要手段之一。AGC的廣義含義指為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻，其狹義含義單指二次調(diào)頻。AGC通常采用定頻率控制（FFC）模式，即電力系統(tǒng)受擾動(dòng)后，在一次調(diào)頻基礎(chǔ)上，利用同步器增、減某些機(jī)組的負(fù)荷，恢復(fù)電力系統(tǒng)頻率控制手段，使發(fā)電機(jī)組能夠根據(jù)電網(wǎng)頻差和調(diào)度的負(fù)荷指令進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)峰，同時(shí)滿足調(diào)度的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組AGC的控制品質(zhì)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷響應(yīng)速度有很大影響，按照相關(guān)規(guī)定[1-2]的要求，若機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度達(dá)不到調(diào)度中心的要求，將面臨罰款或罰減發(fā)電量的處罰。

目前隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和自動(dòng)化水平的不斷提高，AGC要求也越來(lái)越高，運(yùn)行機(jī)組接受負(fù)荷指令頻繁，大幅度變化的情況越來(lái)越多，同時(shí)由于機(jī)組主要設(shè)備改造或控制參數(shù)優(yōu)化不及時(shí)，使得機(jī)組AGC、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）的運(yùn)行情況不理想，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)不夠迅速，AGC控制質(zhì)量下降。為提高燃煤機(jī)組AGC控制質(zhì)量，滿足華東電網(wǎng)對(duì)電廠的技術(shù)要求，本文主要分析了亞臨界火電燃煤機(jī)組AGC負(fù)荷控制響應(yīng)滯后問(wèn)題，并結(jié)合華能太倉(cāng)電廠2號(hào)機(jī)組300 MW亞臨界火電機(jī)組的AGC控制邏輯情況，提出改善機(jī)組AGC控制質(zhì)量的變負(fù)荷前饋優(yōu)化方案。

1 火電機(jī)組AGC運(yùn)行情況分析及其技術(shù)要求

1.1 概述

電網(wǎng)AGC負(fù)荷指令形成有兩種方法，即滾動(dòng)平均法和時(shí)段平均法。滾動(dòng)平均法通過(guò)對(duì)每個(gè)負(fù)荷幅值前、后一段數(shù)值滾動(dòng)求平均，得到一條平滑的負(fù)荷曲線。時(shí)段平均法通過(guò)對(duì)一段時(shí)間（時(shí)間段長(zhǎng)度可以是10、15 min）的負(fù)荷幅值求平均，得到一組每5 min離散的負(fù)荷幅值；經(jīng)線性插值后，得到一條由爬坡負(fù)荷組成的負(fù)荷曲線［2］。

AGC性能綜合指標(biāo)Kp是指每次AGC動(dòng)作時(shí)AGC的調(diào)節(jié)性能[1-2]，其計(jì)算式為

式中，K1、K2、K3分別為該 AGC機(jī)組第 1、2、3次調(diào)節(jié)過(guò)程中的調(diào)節(jié)性能指標(biāo)［3］。

調(diào)節(jié)性能指標(biāo)日平均值Kpl為

式中，n為被調(diào)用AGC的機(jī)組數(shù)量。

1.2 一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)定

頻率偏差 Δf死區(qū)為 ± 0.033 Hz（± 2 r·min-1）；轉(zhuǎn)速不等率為4.4%（按曲線斜率和330 MW的額定功率）、5%（按最大轉(zhuǎn)速變化）；一次調(diào)頻控制限幅為6%。

2 華能太倉(cāng)電廠2號(hào)機(jī)組簡(jiǎn)介及其AGC控制存在的主要問(wèn)題

華能太倉(cāng)電廠2號(hào)機(jī)組為300 MW亞臨界燃煤機(jī)組，鍋爐由上海鍋爐有限公司采用美國(guó)燃燒工程公司（ABB-CE）的轉(zhuǎn)讓技術(shù)設(shè)計(jì)制造，型式為亞臨界壓力中間一次再熱控制循環(huán)汽包鍋爐。該鍋爐采用單爐膛∏型露天島式布置，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓、固態(tài)排渣，爐頂采用全密封結(jié)構(gòu)，并設(shè)有大罩殼。汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，亞臨界、中間再熱、高中壓合缸、雙缸雙排汽、單軸反動(dòng)、凝汽式。

該機(jī)組熱控部分采用美國(guó)愛(ài)默生過(guò)程控制公司的Ovation分散控制系統(tǒng)（DCS）。整個(gè)機(jī)組除配有數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)（DAS）外，還有鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）和順序控制系統(tǒng)（SCS）。閉環(huán)控制系統(tǒng)包括以鍋爐主控為基礎(chǔ)的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、汽包水位三沖量控制系統(tǒng)、一次風(fēng)壓控制系統(tǒng)、爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)、主蒸汽及再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)、除氧器水位控制系統(tǒng)、燃料控制系統(tǒng)等。

FSSS對(duì)爐膛和燃燒設(shè)備進(jìn)行操作、控制和監(jiān)視，以保證鍋爐和燃燒的安全。FSSS主要功能有：爐膛吹掃、油系統(tǒng)檢漏試驗(yàn)、油槍投停、制粉系統(tǒng)投停、火焰檢測(cè)、主燃料跳閘（MFT）、發(fā)生負(fù)荷快速返回（RB）時(shí)燃料系統(tǒng)的自動(dòng)停用。SCS是按照預(yù)定順序進(jìn)行輔助設(shè)備的啟停操作，并按一定條件啟停輔助設(shè)備、關(guān)閉或開(kāi)啟有關(guān)閥門(mén)，以減輕值班人員工作量和防止誤操作。MCS協(xié)調(diào)控制機(jī)組負(fù)荷和主蒸汽壓力，并自動(dòng)控制燃料、風(fēng)量和維持主蒸汽溫度、再熱汽溫、爐膛壓力、汽包水位、磨煤機(jī)出口溫度、磨煤機(jī)風(fēng)量、一次風(fēng)壓等參數(shù)正常，保證機(jī)組正常運(yùn)行并適應(yīng)外界負(fù)荷需要。

華能太倉(cāng)電廠2號(hào)機(jī)組在AGC控制方面主要存在以下問(wèn)題：

（1）煤質(zhì)問(wèn)題：電廠運(yùn)作時(shí)需要降低成本，以提高競(jìng)爭(zhēng)力，因此燃用煤的煤質(zhì)越來(lái)越差。高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，需要150 t煤，有時(shí)甚至超過(guò)165 t煤，這導(dǎo)致高負(fù)荷運(yùn)行AGC控制質(zhì)量急劇下降。

（2）鍋爐燃燒過(guò)程滯后：作為300 MW汽包爐，鍋爐燃燒過(guò)程的滯后性一直是影響AGC控制質(zhì)量的主要因素之一。燃煤經(jīng)過(guò)給煤機(jī)輸送，磨煤機(jī)研磨，最終輸送到鍋爐燃燼，整個(gè)過(guò)程大約需要3～4 min，而AGC指令變化的死區(qū)在30 s左右，這種時(shí)間上的不匹配導(dǎo)致AGC控制質(zhì)量大幅下降。

（3）汽輪機(jī)調(diào)門(mén)：機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)采用順閥控制，根據(jù)負(fù)荷、壓力設(shè)定值按照調(diào)門(mén)3—調(diào)門(mén)6—調(diào)門(mén)5—調(diào)門(mén)4—調(diào)門(mén)1—調(diào)門(mén)2的順序開(kāi)啟。調(diào)門(mén)調(diào)節(jié)過(guò)程滯后時(shí)間幾乎為0，并且隨著機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，每個(gè)調(diào)門(mén)的自身特性會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致與原先設(shè)定的閥門(mén)函數(shù)不匹配，引起調(diào)門(mén)晃動(dòng)。

（4）一次調(diào)頻：一次調(diào)頻是AGC控制的主要控制系統(tǒng)，若一次調(diào)頻的參數(shù)整定未達(dá)到最優(yōu)，則在負(fù)荷跟蹤上就表現(xiàn)為負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、偏差大、壓力晃動(dòng)、調(diào)門(mén)擺動(dòng)等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致AGC控制質(zhì)量大幅下降。

3 AGC負(fù)荷控制的要點(diǎn)

單元制機(jī)組的負(fù)荷控制由CCS完成。CCS通過(guò)改變鍋爐的燃燒率和汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度來(lái)完成對(duì)負(fù)荷和主汽壓的調(diào)節(jié)，為使機(jī)組AGC控制負(fù)荷考核指標(biāo)，要求CCS能夠快速、精確地調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，因此，機(jī)組須滿足：

（1）機(jī)爐兩側(cè)能快速、靈敏地響應(yīng)負(fù)荷變化。在機(jī)側(cè)能量需求發(fā)生變化時(shí)，鍋爐的各個(gè)子系統(tǒng)（包括煤量、風(fēng)量、一次風(fēng)壓、給水系統(tǒng)等）能做出相應(yīng)的調(diào)整［4］。鍋爐燃燒系統(tǒng)本身具有一定的滯后性，且爐側(cè)控制不可避免地存在死區(qū)，這進(jìn)一步增大了滯后效果，極大地限制了機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力。因此，如何解決這一問(wèn)題成為CCS的技術(shù)難點(diǎn)。

（2）機(jī)爐兩側(cè)具有一定的調(diào)節(jié)裕量，以避免出現(xiàn)負(fù)荷限制的現(xiàn)象［5］。根據(jù)電網(wǎng)AGC考核標(biāo)準(zhǔn)，華能太倉(cāng)電廠2號(hào)機(jī)組按照70%負(fù)荷以下滑壓運(yùn)行，70%負(fù)荷以上定壓運(yùn)行。鍋爐側(cè)各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)合理，能快速響應(yīng)機(jī)側(cè)能量變化。

（3）AGC系統(tǒng)具有足夠的靈敏度，能夠及時(shí)響應(yīng)AGC指令的隨機(jī)變化［6］。

4 改善機(jī)組AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)的技術(shù)手段

針對(duì)鍋爐燃燒過(guò)程的滯后性的影響，設(shè)計(jì)了多種優(yōu)化手段：①預(yù)加煤微分邏輯；②預(yù)加煤限幅邏輯；③煤量修正邏輯；④加煤速率限制邏輯；⑤一次風(fēng)壓修正邏輯。優(yōu)化邏輯中設(shè)計(jì)了函數(shù)塊F1～F6，將輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)函數(shù)化變換，函數(shù)塊輸出信號(hào)作用在CCS上，減小鍋爐滯后性對(duì)負(fù)荷變化的擾動(dòng)，提高AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)。

預(yù)加煤微分邏輯由AGC負(fù)荷指令和實(shí)際負(fù)荷的偏差構(gòu)成，偏差為正則加煤，反之則減煤。當(dāng)無(wú)偏差或CCS未投入時(shí)，外置微分時(shí)間為0，即不觸發(fā)預(yù)加煤。預(yù)加煤限幅邏輯是在AGC指令增加或減少時(shí)，利用限幅器將煤量變化限制在一定范圍內(nèi)，根據(jù)負(fù)荷變動(dòng)范圍確定加、減煤量的范圍。由于鍋爐負(fù)荷與煤量為非線性關(guān)系，故在變負(fù)荷過(guò)程中設(shè)計(jì)煤量修正邏輯，利用壓力偏差對(duì)煤量進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。加煤速率限制邏輯是在負(fù)荷變動(dòng)時(shí)先速加（減）后慢回，在變負(fù)荷初始階段保證前饋量快速達(dá)到負(fù)荷變動(dòng)偏差對(duì)應(yīng)的煤量最大值［7］。隨著機(jī)組實(shí)際指令與目標(biāo)指令偏差的減小其變化速率也越來(lái)越小。這樣既能有效防止煤量大幅變化，又能保證小范圍變化時(shí)前饋的有效性；一次風(fēng)壓修正邏輯是根據(jù)AGC負(fù)荷指令與實(shí)際負(fù)荷的偏差，在此時(shí)一次風(fēng)壓基礎(chǔ)上浮動(dòng) ± 0.2 kPa，可以瞬時(shí)提高或降低進(jìn)入爐膛的煤量，從而將煤量燃燒滯后性帶來(lái)的影響進(jìn)一步降低。

4.1 預(yù)加煤微分邏輯

機(jī)組實(shí)際鍋爐主控指令和變負(fù)荷的微分指令疊加后形成新的主控指令。圖1為預(yù)加煤微分邏輯。TM1為微分模塊的外置微分時(shí)間。TM1會(huì)根據(jù)CCS投入情況在函數(shù)功能塊F1（x）和0之間切換，從而形成變負(fù)荷微分指令的觸發(fā)信號(hào)。信號(hào)SF代表CCS系統(tǒng)投入與否，當(dāng)CCS未投入時(shí)，SF為1，微分時(shí)間經(jīng)過(guò)切換塊T切換輸出為C(C= 0)，這樣微分環(huán)節(jié)的輸出也為0，從而避免了機(jī)組在CCS未投入時(shí)改變負(fù)荷微分邏輯對(duì)給煤量的擾動(dòng)影響。當(dāng)AGC負(fù)荷指令和實(shí)際負(fù)荷有偏差時(shí)，其偏差大小通過(guò)F1（x）轉(zhuǎn)換后變成限幅邏輯微分模塊的外置微分時(shí)間，具體數(shù)值如表1所示。微分時(shí)間長(zhǎng)短和負(fù)荷偏差變動(dòng)范圍成反比，即負(fù)荷變動(dòng)越小，對(duì)應(yīng)的預(yù)加煤量持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，從而保證負(fù)荷小幅變動(dòng)時(shí)機(jī)組煤量穩(wěn)定。

圖1 微分邏輯Fig.1 Differential logics

表1 變負(fù)荷前饋邏輯相關(guān)函數(shù)功能塊具體數(shù)值1Tab.1 The first detailed values of the function block concerning the logics of feedforward for load fluctuation

4.2 預(yù)加煤限幅邏輯

為確保AGC控制質(zhì)量的靈敏性，通常將微分模塊的增益設(shè)置得足夠大，因此在負(fù)荷發(fā)生變動(dòng)時(shí)，微分模塊的輸出會(huì)大于正常的前饋需求量，所以，需要根據(jù)負(fù)荷變動(dòng)幅度進(jìn)行相應(yīng)的限幅控制［8］。圖2為限幅邏輯，圖中，超前滯后模塊LEADLAG中的外置時(shí)間在0、30 s之間切換，能保證預(yù)加煤前饋?zhàn)饔眯Ч虯GC指令變化的一致性。TM1作為微分模塊dx/dt外置時(shí)間常數(shù)，直接作用在實(shí)際負(fù)荷信號(hào)上，并與函數(shù)化后的偏差信號(hào)進(jìn)行大選，實(shí)現(xiàn)預(yù)加煤作用。為適應(yīng)AGC指令方向變換的隨機(jī)性，邏輯中還設(shè)置了加、減負(fù)荷信號(hào)。在AGC指令方向變換時(shí)，微分時(shí)間迅速切換至0，及時(shí)改變預(yù)加煤量的方向，提高鍋爐側(cè)子系統(tǒng)的靈敏性。函數(shù)功能塊F2(x)、F3（x）分別對(duì)應(yīng)加、減負(fù)荷時(shí)不同的負(fù)荷變動(dòng)量對(duì)應(yīng)的預(yù)加煤量的限值，具體數(shù)值如表1所示。在AGC指令變化時(shí)（即加負(fù)荷信號(hào)SF1或減負(fù)荷信號(hào)SF2置1），通過(guò)切換模塊將LEADLAG的慣性時(shí)間由30 s切換到0 s，此時(shí)實(shí)際負(fù)荷與AGC負(fù)荷指令有偏差。由于偏差有正負(fù)，對(duì)應(yīng)負(fù)荷加減，信號(hào)分別經(jīng)過(guò)F2(x)、F3(x)的函數(shù)化和限幅器后，能夠輸出一個(gè)與AGC指令自動(dòng)匹配的前饋量，即限幅信號(hào)TM2。

圖2 限幅邏輯Fig.2 Amplitude limiting logics

4.3 主蒸汽壓力和煤量修正及速率限制邏輯

由于鍋爐熱負(fù)荷及燃料并非呈線性關(guān)系，AGC負(fù)荷指令需通過(guò)函數(shù)功能塊F6（x）的函數(shù)化，根據(jù)不同目標(biāo)負(fù)荷自動(dòng)生成不同的加煤量，具體數(shù)值見(jiàn)表2。在負(fù)荷變動(dòng)過(guò)程中，若不校正主蒸汽壓力，僅僅在煤量單因素作用下，就容易出現(xiàn)壓力過(guò)調(diào)的現(xiàn)象，因此引入了主蒸汽壓力信號(hào)MP對(duì)不同負(fù)荷下的預(yù)加煤量進(jìn)行實(shí)時(shí)校正［8］。圖3為壓力修正回路，圖中，壓力修正信號(hào)由MP、函數(shù)功能塊F4（x）、F5（x）組成，函數(shù)具體數(shù)值如表3所示。AGC負(fù)荷指令經(jīng)F6（x）函數(shù)轉(zhuǎn)化為預(yù)加煤量信號(hào)，在壓力信號(hào)的修正作用下，疊加TM2和變負(fù)荷速率LDV，再經(jīng)過(guò)限幅器后計(jì)算出變負(fù)荷前饋信號(hào)LDTT。其中壓力修正信號(hào)在加負(fù)荷時(shí)若實(shí)際壓力和設(shè)定值偏差為負(fù)則校正系數(shù)大于1，反之，則小于1；減負(fù)荷時(shí)若實(shí)際壓力和設(shè)定值偏差為負(fù)則校正系數(shù)小于1，反之，則大于1［9］。圖3中加入了速率限制修正塊，保證了變負(fù)荷前饋?zhàn)兞磕苓_(dá)到預(yù)期效果，在變負(fù)荷速率快時(shí)，加煤速率隨著負(fù)荷偏差先快后慢，將磨煤機(jī)堵煤的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

圖3 壓力修正回路Fig.3 Pressure correction circuit

表2 變負(fù)荷前饋邏輯相關(guān)函數(shù)功能塊具體數(shù)值2Tab.2 The second detailed values of the function block concerning the logics of feedforward for load fluctuation

表3 變負(fù)荷前饋邏輯相關(guān)函數(shù)功能塊具體數(shù)值3Tab.3 The third detailed values of the function block concerning the logics of feedforward for load fluctuation

4.4 一次風(fēng)壓修正邏輯

華能太倉(cāng)電廠2號(hào)機(jī)組是直吹式制粉系統(tǒng)，預(yù)加煤量通過(guò)煤倉(cāng)、給煤機(jī)、磨煤機(jī)和進(jìn)入爐膛燃燒的過(guò)程需要3 min左右，僅僅靠預(yù)加煤并不能達(dá)到跟蹤負(fù)荷變化的要求。因此，可以將預(yù)加煤指令作用于一次風(fēng)壓控制邏輯，通過(guò)瞬間提高一次風(fēng)壓，將磨煤機(jī)內(nèi)部蓄粉直接輸送到爐膛進(jìn)行燃燒，省去了煤粉研磨的時(shí)間，可以有效縮短負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間［10］。一次風(fēng)壓修正邏輯如圖4所示，變負(fù)荷前饋信號(hào)LDTT經(jīng)過(guò)F7（x）函數(shù)化后，形成一次風(fēng)壓的偏置信號(hào)，作用于原先一次風(fēng)壓控制輸出信號(hào)，從而形成新的一次風(fēng)壓信號(hào)PTN，F(xiàn)7（x）函數(shù)具體數(shù)值如表4所示。當(dāng)加負(fù)荷時(shí)，LDTT偏置信號(hào)為正，一次風(fēng)壓瞬間提升，將磨煤機(jī)內(nèi)部蓄粉吹到爐膛；當(dāng)減負(fù)荷時(shí)，反之；當(dāng)負(fù)荷偏差為0，偏置信號(hào)為0，風(fēng)量修正邏輯失效，維持燃燒穩(wěn)定。

圖4 一次風(fēng)壓修正邏輯Fig.4 Primary air pressure correction logics

表4 變負(fù)荷前饋邏輯相關(guān)函數(shù)功能塊具體數(shù)值4Tab.4 The fourth detailed values of the function block concerning the logics of feedforward for load fluctuation

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)AGC控制策略進(jìn)行分析，圍繞AGC控制質(zhì)量的問(wèn)題，總結(jié)出鍋爐燃燒的滯后特性對(duì)AGC控制品質(zhì)的影響最大，并針對(duì)此問(wèn)題提出了解決方案。通過(guò)理論分析對(duì)AGC的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)變負(fù)荷前饋邏輯、限幅邏輯、煤量修正及限幅邏輯和風(fēng)量修正邏輯，不僅保證了運(yùn)行機(jī)組運(yùn)行安全性，同時(shí)也提高了AGC控制質(zhì)量。