响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法

1.本发明涉及火电机组锅炉汽机协调控制技术领域，利用机炉状态自动改变锅炉汽机协调控制方式，应用于火电机组响应一次、二次调频条件下的燃烧稳定控制，是一种响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法。


背景技术：

2.目前，我国火力发电机组作为稳定的电源单元输出，为了全力消纳低碳环保的新能源电力，承担着调节电网频率的重要任务。在新能源高占比地区，火电机组调峰调频压力较大，在新能源波动时，电网调控中心通过自动发电控制(agc)频繁调度作为主力电源出力，这对于火电机组控制各方面性能提出了越来越高的要求，频繁调峰机组设备加速疲劳导致机组非停频次不断攀升。
3.为了快速响应电网一次调频和二次调频(agc)控制，机组需要及时调节发电有功功率大小。对于火力发电，锅炉燃烧与汽机进汽的两者控制对象特性差异较大，需要及时完成对锅炉侧的燃料、风量、给水流量和汽机侧的高压调节门等参数的协调控制。火电作为稳定和支撑能力最强的电源类型，受最大化消纳的新能源电力波动影响，需要不断响应电网调频功率变化，频繁的波动与锅炉控制对象的迟滞需要一套完善可靠的机炉协调控制策略。
4.机组协调控制策略按控制对象分配方式不同分为以基于锅炉跟随的协调控制(ccs-bf)和汽机跟随基于汽机跟随的协调控制(ccs-tf)两种。前者汽机高压进汽调节门控制机组有功功率，锅炉调节燃烧以稳定主汽压力，该方式控制特点是可以响应机组功率快速变化，但锅炉主汽压力、燃料量、风量、给水流量等波动较大，牺牲锅炉寿命响应电网调频，能力参与调峰调频的电厂均以这种控制方式运行；后者锅炉响应机组有功功率，汽机稳定进汽门前的主汽压力，该方式控制特点是锅炉参数波动较小，但无法及时响应电网调频性能要求，所以只有少数未参与电网调频的自备火电厂采用该方式。
5.当前协调控制策略选定上述两种方式之一为基础拓展控制框架，一般选择ccs-bf方式，而ccs-tf方式的控制策略可能未设计或者被删除，少数电厂具备这两种调节方式并可以在两者之间手动切换，为了适应自身在电网调频中的角色，目前还不存在互补两者控制方式优缺点的自主切换控制策略。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决当前调频压力下的火电机组机炉协调控制存在的技术缺陷，在原火电机组分散控制系统(dcs)中增加自动切换协调控制逻辑，无需新增设备投入，运用基于锅炉汽机运行情况自动切换协调跟随方式的技术，针对不同运行工况下自动选择更合理的运行方式。发明内容互补两者控制方式优缺点，两种运行方式适时的自主切换既可保证火电机组一次调频和二次调频(agc)性能满足gb/t 30370《火力发电机组一次调频试验及
性能验收导则》、dl/t 1210《火力发电厂自动发电控制性能测试验收规程》要求，同时又减少燃料量波动导致的锅炉非停，保持锅炉出力最小波动，减少燃料波动、设备磨损，充分释放锅炉水冷壁、过再热器等设备的热应力，延长锅炉健康运行周期。
7.本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，包括以下步骤：
8.步骤1，新增基于汽机跟随tf方式的协调控制系统，重点检查原协调控制系统是否设计锅炉燃料量控制机组功率的闭环控制器，其为ccs-tf方式使用到的控制器，若无该控制器则需要新增，使其满足汽机跟随方式下的协调控制系统运行要求；通过相互手动跟踪实现ccs-bf与ccs-tf方式之间自动无扰切换控制；优化各方式下协调控制策略，直至两种方式控制指标满足规程要求的指标要求；
9.步骤2，新增ccs-tf方式下机前压力控制器的压力设定应加入一次调频压力折算函数，弥补该方式下一次调频功率响应差的缺陷；
10.步骤3，新增ccs-tf与ccs-bf两种方式之间自动切换条件，包括ccs-bf方式主汽压力调节失稳、ccs-bf方式长时间没有变功率、ccs-tf方式机组功率控制长期偏差、ccs-tf方式机组功率指令变化频繁且功率调节失稳判断；
11.步骤4，根据机组机炉特性与调频控制要求设置自动切换的判定边界，该方法调试流程结束。
12.上述步骤2，重新启用响应电网调频能力弱的汽机跟随方式的协调控制(ccs-tf)，并将转速偏差转化为可修正的主汽压力控制指令作用于汽机控制主汽压力pid的设定值，使ccs-tf下一次调频控制性能满足电网需求。
13.上述步骤3，在基于锅炉跟随方式的协调控制(ccs-tf)与汽机跟随方式的协调控制(ccs-bf)之间引入利用sr触发器实现自主切换的控制逻辑，提出考虑电网调频的两种方式切换条件，当条件冲突时为确保电网调频响应优先执行由tf切换至bf方式的a与b所述条件。
14.上述步骤3，提出自主切换条件a：计算实际功率指令与实际功率偏差，除以额定功率超出定值可由tf切换至bf，即无法响应电网调频的指令调节功率。
15.上述步骤3，提出自主切换条件b：机组在执行电网调峰调频时实际功率速率无法更好地跟踪，这时可由tf切换至bf方式牺牲锅炉稳定性快速调节功率。
16.上述步骤3，提出自主切换条件c：长时间没有变功率需要则切为可由bf切换至更稳定的tf方式运行，从而减少燃料波动、设备磨损。
17.上述步骤3，提出自主切换条件d：出现不稳定波动情况时将控制策略可由bf切换至tf方式稳定主汽压力等锅炉主参数。
18.本发明所述方法通过在原火电机组dcs中新增控制逻辑，无需新增设备投入，可根据机组调峰调频需求灵活改变协调控制系统运行方式，互补两者控制方式优缺点，满足一次、二次调频的同时减少锅炉燃料量波动；火电机组利用本发明所述方法升级改造后，不仅保证火电机组一次调频和二次调频(agc)性能满足规程要求，而且减少燃料量波动导致的锅炉非停，延长锅炉健康运行周期。
附图说明
19.附图1是本发明所述方法的总原理图。
20.附图2是本发明方法实施调试流程图。
21.附图3是本发明实施实例的协调控制逻辑图。
22.附图4是本发明实施实例步骤3的原理图。
23.附图5是本发明实施实例步骤3的逻辑图。
具体实施方式
24.本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
25.火电机组协调控制系统需要响应电网调频要求，其中有一次调频和二次调频(agc)控制环节，一次调频要求电厂就地响应电网频率偏离标称值小范围快速调节，二次调频由电网调度根据agc控制策略较大范围调节各电厂有功功率，两者执行响应的表现为机组有功功率的改变。协调控制系统设定机组各子系统控制策略，给定锅炉、汽机控制器相应对象指令，机组响应电网调频时需要调节汽轮机输出的能量，锅炉通过调节燃烧负荷保持汽轮机前主汽压力稳定，始终保证能量供需平衡，如图1所示。
26.为了机组在电网调频和稳定运行时能执行本发明控制策略，需要改变火电机组控制系统中的协调控制逻辑，下面结合图2至5，具体阐述本发明的实施步骤。
27.下面结合实施例对本发明作进一步描述：
28.实施例：该响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，包括下述步骤，详见图2：
29.步骤1，现有公知的电厂分散控制系统(dcs)中协调控制系统参照图3框架设计，具备基于汽机跟随(ccs-tf)和基于锅炉跟随(ccs-bf)两种协调方式手动切换，利用跟踪逻辑实现切换过程无扰，通过功率、主汽压力扰动试验，分别优化汽机控制功率pid、汽机控制压力pid、锅炉控制功率pid、锅炉控制压力pid及其前馈控制参数。由于ccs-tf方式的控制策略可能被删除、未设计或者未调试，所以本步骤需要恢复本方法应用的控制方式基础逻辑，这是本方法实施的前提。
30.步骤2，新增ccs-tf方式下机前压力控制器的压力设定应加入一次调频压力折算函数，弥补该方式下一次调频功率响应差的缺陷，压力调频函数设置为f(x)＝{-150,3；-12,3；-2,0；2,0；12,-3；150,-3},x为汽机转速差，与修正系数f(x)＝{0.1,1.2；0.8,1.2；0.9,1.1；1,1；1.1,0.9；1.2,0.8；2,0.8}，相乘(n为实际机组功率，ne为机组额定功率，p0为额定主汽压力，p为实际主汽压力)，叠加在主汽压力设定指令中，一次调频动作时改变压力设定，间接改变机组有功功率，攻克ccs-tf方式一次调频控制难题，提升机组ccs-tf方式的一次调频性能，充分发挥该方式稳定锅炉参数的技术特点，扩展该方式在当前电网调频控制压力下的应用前景。详见图3虚线框内逻辑；
31.步骤3，新增ccs-tf与ccs-bf两种方式之间自动切换abcd的条件包括a(ccs-tf方式机组功率控制长期偏差)、b(ccs-tf方式机组功率指令变化频繁且功率调节失稳)、c(ccs-bf方式主汽压力调节失稳)，d(ccs-bf方式长时间没有变功率)，控制逻辑原理图详见图4，利用sr触发器(置位优先)真值表：
32.srout00以前的状态010101111
33.为了响应频繁电网调频变化需求，提出a和b条件，即当ccs-tf功率控制出现长时间的偏差时切换为ccs-bf，运行在ccs-tf方式功率指令变化但功率调节速率未达到要求时切换至ccs-bf方式，精准响应机组二次调频(agc)指令。为了保持锅炉出力最小波动，减少燃料波动、设备磨损，释放热应力，提出c和d条件，即若机组未变功率出现主汽压力频繁波动可通过切换至ccs-tf方式把波动的锅炉参数稳定下来，当机组长时间没有变功率切换为ccs-tf稳定运行，消除由于非线性控制对象导致的锅炉参数波动。当abcd条件冲突时，用sr触发器可优先响应电网调频需求的ab条件，等待ab条件消失后，cd条件触发锅炉稳定运行，整个过程自主执行。操作按钮key board的pk1、pk2为原有手动按钮，点击pk1可手动投入ccs-bf,点击pk2可手动投入ccs-tf；pk3、pk4为自主切换逻辑的投退按钮，点击pk3可启用自主切换控制，点击pk4可退出自主切换控制，手动操作。key board所有pk操作指令均为脉冲量。
34.控制逻辑详见图5：
35.a条件实施方法为：计算实际功率指令与实际功率偏差，除以额定功率超出-1.5％至1.5％且延迟30秒，意为ccs-tf无法围绕功率指令调节功率，即无法满足电网调频，则需要切换方式运行。
36.b条件实施方法为：b1条件为限速后的实际功率指令和机组实现功率求其变化速率(v)的绝对值(abs),绝对值求差除以额定功率小于0.2％，意为实际变功率速率低于调峰指令速率0.2％ne/min；b2条件为实际功率指令与其30分钟惯性时间的leadlag模块后的值求差后求绝对值(abs)即为指令微分量，当该微分量达到5以上，意为机组正在快速调峰；b条件为b1且b2，意为机组在执行电网调峰调频时实际功率速率无法更好地跟踪，这时切换为ccs-bf方式牺牲锅炉稳定性快速调节功率。
37.c条件实施方法为：b1中求得微分量小于0.02触发该条件，意为长时间没有变功率需要则切为更稳定的ccs-tf方式运行，从而减少燃料波动、设备磨损。
38.d条件实施方法为：主汽压力指令与实际值偏差除额定压力超出3％给予1秒脉冲触发计数器，计数器输出计数量与其60分钟(3600秒)惯性时间的leadlag模块后的值求差后即为微分量超过4，意为锅炉控制对象非线性等原因出现不稳定波动情况时将控制策略切为ccs-tf方式稳定主汽压力等锅炉主参数。当微分量小于0.2时，触发计数器与微分量清零。
39.步骤4，根据机组机炉特性与调频控制要求设置自动切换的判定边界，该方法调试流程结束。
40.以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

技术特征：
1.一种响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，新增基于汽机跟随tf方式的协调控制系统，重点检查原协调控制系统是否设计锅炉燃料量控制机组功率的闭环控制器，其为ccs-tf方式使用到的控制器，若无该控制器则需要新增，使其满足汽机跟随方式下的协调控制系统运行要求；通过相互手动跟踪实现ccs-bf与ccs-tf方式之间自动无扰切换控制；优化各方式下协调控制策略，直至两种方式控制指标满足规程要求的指标要求；步骤2，新增ccs-tf方式下机前压力控制器的压力设定应加入一次调频压力折算函数，弥补该方式下一次调频功率响应差的缺陷；步骤3，新增ccs-tf与ccs-bf两种方式之间自动切换条件，包括ccs-bf方式主汽压力调节失稳、ccs-bf方式长时间没有变功率、ccs-tf方式机组功率控制长期偏差、ccs-tf方式机组功率指令变化频繁且功率调节失稳判断；步骤4，根据机组机炉特性与调频控制要求设置自动切换的判定边界，该方法调试流程结束。2.根据权利要求1所述的响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，其特征在于步骤2，重新启用响应电网调频能力弱的汽机跟随方式的协调控制(ccs-tf)，并将转速偏差转化为可修正的主汽压力控制指令作用于汽机控制主汽压力pid的设定值，使ccs-tf下一次调频控制性能满足电网需求。3.根据权利要求1所述的响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，其特征在于步骤3，在基于锅炉跟随方式的协调控制(ccs-tf)与汽机跟随方式的协调控制(ccs-bf)之间引入利用sr触发器实现自主切换的控制逻辑，提出考虑电网调频的两种方式切换条件，当条件冲突时为确保电网调频响应优先执行由tf切换至bf方式的a与b所述条件。4.根据权利要求1所述的响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，其特征在于步骤3，提出自主切换条件a：计算实际功率指令与实际功率偏差，除以额定功率超出定值可由tf切换至bf，即无法响应电网调频的指令调节功率。5.根据权利要求1所述的响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，其特征在于步骤3，提出自主切换条件b：机组在执行电网调峰调频时实际功率速率无法更好地跟踪，这时可由tf切换至bf方式牺牲锅炉稳定性快速调节功率。6.根据权利要求1所述的响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，其特征在于步骤3，提出自主切换条件c：长时间没有变功率需要则切为可由bf切换至更稳定的tf方式运行，从而减少燃料波动、设备磨损。7.根据权利要求1所述的响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，其特征在于步骤3，提出自主切换条件d：出现不稳定波动情况时将控制策略可由bf切换至tf方式稳定主汽压力等锅炉主参数。

技术总结
本发明涉及火电机组锅炉汽机协调控制技术领域，是一种响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，其包括以下步骤：优化各方式下协调控制策略，新增CCS-TF方式下机前压力控制器的压力设定应加入一次调频压力折算函数，弥补TF方式下一次调频功率响应差的缺陷。本发明提供了一种响应电网调频的机炉协调自主切换控制方法，克服了现有技术之不足，有效解决当前调频压力下的火电机组机炉协调控制存在的技术缺陷，在原火电控制系统增加自动切换协调控制逻辑，无需新增设备投入，运用基于锅炉汽机运行情况自动切换协调跟随方式的技术，不仅保证火电机组一次调频和二次调频(AGC)性能满足规程要求，而且减少燃料量波动导致的锅炉非停，延长锅炉健康运行周期。延长锅炉健康运行周期。延长锅炉健康运行周期。


技术研发人员：孔德安 蒋甲丁 王玮 王晓宇 李伟 康永昊 刘伟 韩宏志 李永基 郑鑫 梁家豪
受保护的技术使用者：国家电网有限公司 华北电力大学
技术研发日：2021.11.19
技术公布日：2022/3/8