火力發電廠一次調頻閉環控制策略研究與應用

摘 要：

大型火力發電廠一次調頻性能的優良對維持電網穩定運行具有關鍵作用。目前，大型火力發電廠一次調頻采用的是頻率差函數發生器開環控制策略，這種控制策略方式構造簡單、反應速度快，但是無法準確控制系統的輸出量，不能達到期望值。為了解決這個問題，首先對火力發電機組一次調頻動作過程進行分析，得到現有控制系統存在的問題；然后通過對開環和閉環控制的研究，尋找控制系統的優化方向，即閉環+開環復合控制，同時為保證控制系統的穩定性，增加了閉環控制自動投切系統。按照此方案優化后，對火力發電機組進行試驗，通過分析一次調頻相關參數，發現電量貢獻率指標明顯上升。此次對火力發電廠一次調頻閉環控制策略的研究，為火力發電廠提高一次調頻性能提供了一個改進的新方案。

0 引言

隨著新能源電力的快速發展，風光發電的不穩定性對電網的穩定運行產生了不利影響。為維持電網的頻率穩定，電網對火力發電機組的一次調頻性能提出了更高的要求?，F在，大型火力發電廠一次調頻采用的是頻率差函數發生器開環控制策略，這種控制策略反應迅速，能夠快速消除電網頻率差，但是其準確性無法保證，影響了一次調頻的性能?；诖?，展開對一次調頻閉環+開環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 火力發電機組一次調頻動作過程

圖1為機組一次調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，隨著全網機組出力的增加，頻率逐漸穩定并開始上升，直至頻率偏差恢復到死區范圍內。

從圖1可以看出，從A0時刻起一次調頻開始動作，理論出力（藍色虛線）與實際出力（黑色實線）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，能夠滿足一次調頻15 s出力響應指數和30 s出力響應指數，但在機組調頻持續時間（A0—B0）內，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頻實際貢獻電量占理論貢獻電量的百分比（電量貢獻指數）無法滿足要求[1]。

2開環控制與閉環控制原理[2]

2.1 開環控制

開環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系的控制過程，按這種方式組成的系統特點是系統的輸出量不會對系統的控制作用產生影響，不具備自動修正的能力。圖2為開環控制系統方框圖。

2.2 閉環控制

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

3一次調頻閉環控制

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

3.1 閉環控制設定值

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

式中：PN為一次調頻起始功率；P0為實時功率；P10為前10 s功率。

在電網頻率發生改變、一次調頻動作時，統計動作開始后10 s內的最大頻率差，根據一次調頻功率發生器對應的功率值，計算閉環控制設定值，計算公式如下：

式中：Ps為閉環控制設定值；x為10 s內最大頻率差；f（x）為一次調頻發生器函數。

閉環控制設定值控制邏輯如圖4所示。

3.2 閉環控制投退與自動控制

在華北電網《一次調頻綜合指標計算及考核度量方法》中規定，只有在電網存在頻率差的持續時間大于12 s后才統計為一次調頻動作。在電網頻率持續時間小于12 s的情況連續出現時，一次調頻閉環控制系統會出現一次調頻功率連續比上次高的情況，導致閉環控制的功率發散，控制系統無法穩定。為避免此類現象，需要增加閉環控制自動投退控制方案[3]。具體方法為：（1）在電網頻率差維持時間小于10 s時，閉環控制輸出乘系數，系數為0；（2）在電網頻率差持續時間大于10 s時，閉環控制輸出乘系數，系數為1；（3）當一次調頻結束（一次調頻動作持續時間大于60 s）或者一次調頻不動作的情況下，閉環控制系統跟蹤值為1。具體控制邏輯如圖5所示[4]。

4 應用效果

以河北某電廠660 MW亞臨界機組一次調頻為例，原控制邏輯為以一次調頻函數發生器為指令的開環控制+壓力函數和負荷函數修正。未采用開環控制+閉環控制方案進行優化前，電網8月性能考核數據如表1所示。

增加一次調頻閉環回路修正后，機組一次調頻性能指標有了質的提升。電網10月考核數據如表2所示。

通過對8月和10月一次調頻電網考核數據的對比，發現一次調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%，較優化前提升70%，能夠很好地滿足華北電網一次調頻性能要求。

5 結語

針對火力發電機組存在的一次調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，本次通過對一次調頻實際動作情況和《一次調頻綜合指標計算及考核度量方法》進行分析，發現一次調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，利用閉環控制能夠消除偏差的功能，對原一次調頻函數發生器輸出值進行閉環控制修正，并通過自動投退功能，保證閉環修正的穩定性。經過優化后，一次調頻動作的準確性和電量貢獻指標合格率有了明顯提升，改善了一次調頻的整體性能。本次對一次調頻閉環+開環控制策略的深入研究，為一次調頻的優化提供了新的方案和思路，具有很大的應用價值。

審核編輯：湯梓紅