一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法

1.本发明属于火力机组自动控制技术领域，尤其涉及一种高低位分轴布置燃煤机组一次调频优化控制方法。


背景技术：

2.随着具有强时变特性的可再生能源的大规模并网，传统燃煤机组的运行模式需从带基本负荷为主向频繁深度变负荷运行转变，从而为消纳可再生能源发电提供更大空间。因此，提高传统燃煤机组的运行灵活性是实现“双碳”目标的重要保证。高低位分轴布置燃煤机组作为一种新型布置机组，不仅可以大大降低四大管道建设成本，还可以有效提高机组的热效率。
3.而高低位分轴布置燃煤机组的一次调频能力是机组运行灵活性的重要一部分，如何快速高效准确地响应电网频率偏差，利用机组自身蓄能实现机组高频低发(低频多发)目标是高低位分轴布置燃煤机组的一个重大难点。


技术实现要素：

4.为了提高高低位分轴布置燃煤机组一次调频能力，本发明的目的在于提供一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，可用于高低位燃煤机组在实际运行过程中的一次调频自动控制，保证机组在运行过程中，自动将一次调频负荷控制在合理范围内。本发明依靠主汽阀动作，并通过低加抽汽节流及调整循环水泵转速方式作为低位机组辅助调节措施，完成高频低发(低频多发)目标，本发明引入负荷分配因子和机组一次调频调节系数，并且引入主蒸汽流量前馈信号辅佐低位机组调节。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，包括以下步骤：
7.第一步，检测燃煤机组转速偏差：若转速偏差δn在调频死区范围内，燃煤机组一次调频控制不参与动作；当转速偏差δn超过调频死区时，根据燃煤机组当前状态的转速偏差δn和当前调速不等率δ获取当前一次调频调节所需的最大有功功率调节量δp：
[0008][0009]
其中：n0是机组额定转速，3000rpm，n为当前燃煤机组装机容量；
[0010]
第二步，进行负荷分配：引入负荷分配因子k和燃煤机组一次调频调节系数α，确定高位燃煤机组参与一次调频调节量δph和低位燃煤机组参与一次调频调节量δp
l
：
[0011]
a)定义负荷分配因子k为当前工况下高位燃煤机组各级流量和焓降乘积之和与低位燃煤机组各级流量和焓降乘积之和的比值，即：
[0012][0013]
式中：δh
h,i
是高位燃煤机组第i级焓降，d
h,i
是高位燃煤机组第i级流量，n是高位燃煤机组总级数，d
l,j
是低位燃煤机组第j级流量，δh
l,j
是低位燃煤机组第j级焓降，m是低位燃煤机组总级数；
[0014]
b)定义燃煤机组一次调频调节系数α为当前燃煤机组装机容量n与燃煤机组所并网电网下所有参与一次调频燃煤机组的总装机容量n
tot
之比，即：
[0015][0016]
c)确定高位燃煤机组参与调节一次调频调节量δph和低位机燃煤组参与一次调频调节量δp
l
，即：
[0017][0018]
第三步，生成动作指令：利用调速器和pid控制器，保证燃煤机组一次调频限制幅度范围在6％～10％pe内，pe是燃煤机组有功功率，，限定动作指令大小限，生成主汽阀动作指令，根据转速差正负即δp
l
正负生成低加抽汽阀动作指令和循环水泵转速指令：
[0019]
a)高位燃煤机组有功功率调节目标是δph，利用调速器和pid控制器，保证燃煤机组一次调频限制幅度范围在6％～10％p
e,h
内，p
e,h
是高位燃煤机组有功功率，限定动作指令大小限，最终生成主汽阀动作指令；
[0020]
b)低位燃煤机组有功功率调节目标是δp
l
，根据δp
l
正负：
[0021]
(i)δp
l
为正，在叠加正向前馈信号δp
u+
的基础上，求和器中生成新的低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l+
，利用调速器和pid控制器，保证燃煤机组一次调频限制幅度范围在6％～10％p
e,l
内，p
e,l
是低位燃煤机组有功功率，限定动作指令大小限，最终生成低加抽汽阀动作指令；
[0022]
(ii)δp
l
为负，在叠加负向前馈信号δp
u-的基础上，求和器中生成新的低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l-，利用调速器和pid控制器，保证机组一次调频限制幅度范围在6％～10％p
e,l
内，p
e,l
是燃煤机组的低位机组有功功率，限定动作指令大小限，最终生成循环水泵转速动作指令；
[0023]
(iii)函数u(x,t)是低位燃煤机组前馈信号生成函数，定义为u(x,t)＝k1(x)k2(t)，其中k1(x)是主汽阀动作下低位燃煤机组有功功率偏差关于主蒸汽流量偏差的函数，根据燃煤机组的动态特性拟合获得，即：
[0024]
δpu＝k1(δd)＝a(δd)2+b(δd)+c；
[0025]
而k2(t)是一个与时间相关的函数，即：
[0026][0027]
根据主蒸汽流量偏差值δd和时间t，由低位燃煤机组前馈信号生成函数u(x,t)获得低位燃煤机组前馈调节信号δpu，低位燃煤机组前馈调节信号δpu与低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l
在求和器中求和，生成新的低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l+
和δp
l-；
[0028]
其中：a，b，c分别是函数u(x)的常数项系数，d是前馈信号影响系数，δd是主汽阀动作下的主蒸汽流量偏差值，t
duration
是前馈信号持续时间，t
decrease
是前馈信号衰减时间。
[0029]
优选的，所有调速器和pid控制器的参数均在设计工况下根据燃煤机组的动态特性进行整定。
[0030]
优选的，前馈信号持续时间t
duration
和前馈信号衰减时间t
decrease
根据实际燃煤机组运行情况进行调节，在调节过程按照两者之和等于定值t
constant
的原则进行调整。
[0031]
优选的，所述前馈信号持续时间t
duration
和前馈信号衰减时间t
decrease
取值5～10s，定值t
constant
取值10～20s。
[0032]
优选的，低位燃煤机组前馈信号生成函数u(x,t)中k1(x)项是燃煤机组设计工况下，主汽阀动作不同程度时，根据前馈信号持续时间t
duration
范围内获得的低位机组有功功率偏差极值和主蒸汽流量偏差极值拟合的一元二次多项式。
[0033]
优选的，函数u(x)的常数项系数a取值-1.0
×
10-4
，b取值0.15～0.25，c取值0.01～0.02。
[0034]
优选的，前馈信号影响系数d用于调节主汽阀动作信号对低位燃煤机组有功功率的影响程度，根据实际运行情况在0.7-1.3取值范围内调节。
[0035]
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
[0036]
一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，主要有3个优点：
[0037]
1、由于引入负荷分配因子有效降低相同负荷扰动下主汽阀的动作程度，降低主蒸汽再热蒸汽温度和压力波动幅度；
[0038]
2、由于引入低位燃煤机组前馈信号生成函数，给低位燃煤机组一个提前动作信号，提高一次调频动作速度；
[0039]
3、由于主蒸汽和再热蒸汽温度和压力的波动幅度得到改善，从而减小管壁金属内循环热应力波动幅度，提高高位机组和低位机组参与一次调频的运行安全性。
附图说明
[0040]
图1是本发明高低位分轴布置燃煤机组一次调频控制逻辑示意图。
[0041]
图2是优化前后一次调频过程中主蒸汽和再热蒸汽压力的动态特性。
[0042]
图3是优化前后一次调频过程中主蒸汽和再热蒸汽温度的动态特性。
[0043]
图4是优化前后一次调频过程中高位机组和低位机组有功功率的动态特性。
具体实施方式
[0044]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
为了提高高低位分轴布置燃煤机组一次调频能力，本发明提出一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0046]
第一步，检测燃煤机组转速偏差：若转速偏差δn在调频死区范围内，燃煤机组一次调频控制不参与动作；当转速偏差δn超过调频死区时，根据燃煤机组当前状态的转速偏差δn和当前调速不等率δ获取当前一次调频调节所需的最大功率调节量δp：其中：n0是机组额定转速，3000rpm，n为当前燃煤机组装机容量；
[0047]
第二步，进行负荷分配：引入负荷分配因子k和燃煤机组一次调频调节系数α，确定高位燃煤机组参与一次调频调节量δph和低位燃煤机组参与一次调频调节量δp
l
：a)定义负荷分配因子k为当前工况下高位燃煤机组各级流量和焓降乘积之和与低位燃煤机组各级流量和焓降乘积之和的比值，即：式中：δh
h,i
是高位燃煤机组第i级焓降，d
h，i
是高位燃煤机组第i级流量，n是高位燃煤机组总级数，d
l,j
是低位燃煤机组第j级流量，δh
l,j
是低位燃煤机组第j级焓降，m是低位燃煤机组总级数；b)定义机组一次调频调节系数α为当前燃煤机组装机容量n与机组所并网电网下所有参与一次调频燃煤机组的总装机容量n
tot
之比，即：c)确定高位燃煤机组参与调节一次调频调节量δph和低位燃煤机组参与一次调频调节量δp
l
，即：，即：
[0048]
第三步，生成动作指令：利用调速器和pid控制器，保证燃煤机组一次调频限制幅度范围在(6％～10％)pe内，pe是燃煤机组有功功率，限定动作指令大小限，生成主汽阀动作指令，根据转速差正负(即δp
l
正负)生成低加抽汽阀动作指令和循环水泵转速指令：a)高位燃煤机组有功功率调节目标是δph，利用调速器和pid控制器，保证燃煤机组一次调频限制幅度范围在(6％～10％)p
e,h
内，p
e,h
是高位燃煤机组有功功率，限定动作指令大小限，最终生成主汽阀动作指令；b)低位燃煤机组有功功率调节目标是δp
l
，根据δp
l
正负：(i)δp
l
为正，在叠加正向前馈信号δp
u+
的基础上，求和器中生成新的低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l+
，利用调速器和pid控制器，保证燃煤机组一次调频限制幅度范围在(6％～10％)p
e,l
内，p
e,l
是低位燃煤机组有功功率，限定动作指令大小限，最终生成低加抽汽阀动作指令；(ii)δp
l
为负，在叠加负向前馈信号δp
u-的基础上，求和器中生成新的低位燃煤机组有
功功率调节目标δp
l-，利用调速器和pid控制器，保证机组一次调频限制幅度范围在(6％～10％)p
e,l
内，限定动作指令大小限，最终生成循环水泵转速动作指令；(iii)函数u(x,t)是低位燃煤机组前馈信号生成函数，定义为u(x,t)＝k1(x)k2(t)，其中k1(x)是主汽阀动作下低位燃煤机组有功功率偏差关于主蒸汽流量偏差的函数，根据燃煤机组的动态特性拟合获得，即：δpu＝k1(δd)＝a(δd)2+b(δd)+c，而k2(t)是一个与时间相关的函数，即：根据主蒸汽流量偏差值δd和时间t，由低位燃煤机组前馈信号生成函数u(x,t)获得低位燃煤机组前馈调节信号δpu，低位燃煤机组前馈调节信号δpu与低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l
在求和器中求和，生成新的低位燃煤机组有功功率调节目标；其中：a，b，c分别是函数u(x)的常数项系数，d是前馈信号影响系数，δd是主汽阀动作下的主蒸汽流量偏差值，t
duration
是前馈信号持续时间，t
decrease
是前馈信号衰减时间。
[0049]
可选地，所有调速器和pid控制器的参数均在设计工况下根据燃煤机组的动态特性进行整定。
[0050]
可选地，前馈信号持续时间t
duration
(t
duration
通常取值5～10s)和前馈信号衰减时间t
decrease
(t
decrease
通常取值5～10s)根据实际机组运行情况进行调节，在调节过程按照两者之和等于定值t
constant
的原则进行调整，定值t
constant
通常取值10～20s。
[0051]
可选地，低位燃煤机组前馈信号生成函数u(x,t)中k1(x)项是燃煤机组设计工况下，主汽阀动作不同程度时，根据t
duration
时间范围内获得的低位机组有功功率偏差极值和主蒸汽流量偏差极值拟合的一元二次多项式，a，b，c分别是函数k1(x)的常数项系数，a通常取值-1.0
×
10-4
，b通常取值0.15-0.25，c通常取值0.01-0.02。
[0052]
可选地，前馈信号影响系数d用于调节主汽阀动作信号对低位机组有功功率的影响程度，通常取值为1，根据实际运行情况可以在0.7-1.3取值范围内调节。基于以上方法，针对一台1100mw高低位分轴布置燃煤发电机组为例，在5mw的负荷扰动下，如图2和图3所示，优化前后主蒸汽压力和再热蒸汽压力以及主蒸汽温度和再热蒸汽温度波动幅度得到明显降低，尤其是主蒸汽压力，波动幅度降低50％；同时优化后机组有功功率响应速度得到提高，如图4所示。

技术特征：
1.一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，其特征是，包括以下步骤：第一步，检测燃煤机组转速偏差：若转速偏差δn在调频死区范围内，燃煤机组一次调频控制不参与动作；当转速偏差δn超过调频死区时，根据燃煤机组当前状态的转速偏差δn和当前调速不等率δ获取当前一次调频调节所需的最大有功功率调节量δp：其中：n0是机组额定转速，3000rpm，n为当前燃煤机组装机容量；第二步，进行负荷分配：引入负荷分配因子k和燃煤机组一次调频调节系数α，确定高位燃煤机组参与一次调频调节量δp
h
和低位燃煤机组参与一次调频调节量δp
l
：a)定义负荷分配因子k为当前工况下高位燃煤机组各级流量和焓降乘积之和与低位燃煤机组各级流量和焓降乘积之和的比值，即：式中：δh
h,i
是高位燃煤机组第i级焓降，d
h,i
是高位燃煤机组第i级流量，n是高位燃煤机组总级数，d
l,j
是低位燃煤机组第j级流量，δh
l,j
是低位燃煤机组第j级焓降，m是低位燃煤机组总级数；b)定义燃煤机组一次调频调节系数α为当前燃煤机组装机容量n与燃煤机组所并网电网下所有参与一次调频燃煤机组的总装机容量n
tot
之比，即：c)确定高位燃煤机组参与调节一次调频调节量δp
h
和低位机燃煤组参与一次调频调节量δp
l
，即：第三步，生成动作指令：利用调速器和pid控制器，保证燃煤机组一次调频限制幅度范围在6％～10％p
e
内，p
e
是燃煤机组有功功率，，限定动作指令大小限，生成主汽阀动作指令，根据转速差正负即δp
l
正负生成低加抽汽阀动作指令和循环水泵转速指令：a)高位燃煤机组有功功率调节目标是δp
h
，利用调速器和pid控制器，保证燃煤机组一次调频限制幅度范围在6％～10％p
e,h
内，p
e,h
是高位燃煤机组有功功率，限定动作指令大小限，最终生成主汽阀动作指令；b)低位燃煤机组有功功率调节目标是δp
l
，根据δp
l
正负：(i)δp
l
为正，在叠加正向前馈信号δp
u+
的基础上，求和器中生成新的低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l+
，利用调速器和pid控制器，保证燃煤机组一次调频限制幅度范围在
6％～10％p
e,l
内，p
e,l
是低位燃煤机组有功功率，限定动作指令大小限，最终生成低加抽汽阀动作指令；(ii)δp
l
为负，在叠加负向前馈信号δp
u-的基础上，求和器中生成新的低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l-，利用调速器和pid控制器，保证机组一次调频限制幅度范围在6％～10％p
e,l
内，p
e,l
是燃煤机组的低位机组有功功率，限定动作指令大小限，最终生成循环水泵转速动作指令；(iii)函数u(x,t)是低位燃煤机组前馈信号生成函数，定义为u(x,t)＝k1(x)k2(t)，其中k1(x)是主汽阀动作下低位燃煤机组有功功率偏差关于主蒸汽流量偏差的函数，根据燃煤机组的动态特性拟合获得，即：δp
u
＝k1(δd)＝a(δd)2+b(δd)+c；而k2(t)是一个与时间相关的函数，即：根据主蒸汽流量偏差值δd和时间t，由低位燃煤机组前馈信号生成函数u(x,t)获得低位燃煤机组前馈调节信号δp
u
，低位燃煤机组前馈调节信号δp
u
与低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l
在求和器中求和，生成新的低位燃煤机组有功功率调节目标δp
l+
和δp
l-；其中：a，b，c分别是函数u(x)的常数项系数，d是前馈信号影响系数，δd是主汽阀动作下的主蒸汽流量偏差值，t
duration
是前馈信号持续时间，t
decrease
是前馈信号衰减时间。2.根据权利要求1所述的一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，其特征在于：所有调速器和pid控制器的参数均在设计工况下根据燃煤机组的动态特性进行整定。3.根据权利要求1所述的一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，其特征在于：前馈信号持续时间t
duration
和前馈信号衰减时间t
decrease
根据实际燃煤机组运行情况进行调节，在调节过程按照两者之和等于定值t
constant
的原则进行调整。4.根据权利要求3所述的一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，其特征在于：所述前馈信号持续时间t
duration
和前馈信号衰减时间t
decrease
取值5～10s，定值t
constant
取值10～20s。5.根据权利要求1所述的一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，其特征在于：低位燃煤机组前馈信号生成函数u(x,t)中k1(x)项是燃煤机组设计工况下，主汽阀动作不同程度时，根据前馈信号持续时间t
duration
范围内获得的低位机组有功功率偏差极值和主蒸汽流量偏差极值拟合的一元二次多项式。6.根据权利要求1所述的一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，其特征在于：函数u(x)的常数项系数a取值-1.0
×
10-4
，b取值0.15～0.25，c取值0.01～0.02。7.根据权利要求1所述的一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，其特征在于：前馈信号影响系数d用于调节主汽阀动作信号对低位燃煤机组有功功率的影响程度，根据实际运行情况在0.7-1.3取值范围内调节。

技术总结
本发明公开了一种高低位分轴布置燃煤机组的一次调频优化控制方法，用于高低位燃煤机组实际运行过程中的一次调频自动控制，对于高低位分轴布置燃煤机组，一次调频调节过程中需要兼顾高位机组和低位机组有功功率，通过调节主汽阀开度改变机组有功功率，调节低加抽汽阀门开度和循环水泵转速为辅助措施改变低位机组有功功率，完成高频低发(低频多发)目标；通过引入负荷分配因子和机组一次调频调节系数对负荷进行分配，引入主蒸汽流量前馈信号优化低位机组有功功率的调节。本发明可以有效降低主汽阀动作程度，提高一次调频动作速度，降低主蒸汽再热蒸汽温度和压力波动幅度，保证高位机组和低位机组参与一次调频的运行安全性。机组和低位机组参与一次调频的运行安全性。机组和低位机组参与一次调频的运行安全性。


技术研发人员：樊梦阳 赵永亮 刘明 王朝阳 严俊杰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/21