基于“两个细则”考核的燃煤机组自动发电控制系统优化及应用

张凤忠，弭尚文，张 华，冯绍伟

(1.国家电投集团东北电力有限公司，辽宁 沈阳 110500；
2.中电投东北能源科技有限公司，辽宁 沈阳 110015；

3.朝阳燕山湖发电有限公司，辽宁 朝阳 122099)

煤炭资源短缺一直是全球面临的问题。如何对现有资源合理化利用，实现可持续发展是当前亟需解决的问题。一方面对现有不可再生能源进行科学分配，另一方面要大力发展新能源发电技术。以燃煤发电为主，结合风电、水电、核电、太阳能发电和垃圾发电等各种新能源发电技术，实现稳中求进的电力资源整合发展。各种新能源发电技术存在各自制约，水电、风电受地域影响较大；
太阳能发电与垃圾发电的转换效率较低，无法形成大规模稳定供电；
核电发展前景较好，但无法普遍应用。我国东北区域属温带大陆性季风气候，具有天然的风力发电地理优势。近年来，随着大量风力发电在东北区域新建，风力发电技术日益成熟，可以承担一部分发电工作，但受风力风量不稳定的影响，大量风力发电的介入对电网频率稳定造成了不小冲击。

在此情况下，为保持电网频率稳定，需要燃煤机组具备更快响应速度，提高机组调频调峰能力。国家电力监管委员会东北监管局详细分析了东北区域电力运行存在的问题，颁布了《东北区域发电厂并网运行管理实施细则》和《东北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》[1]。

“两个细则”规范了东北区域的电力调度行为，对电网涉网参数考核设置了标准，同时也提高了发电企业参与辅助服务的积极性。对燃煤机组涉网安全方面提出新要求，现在大容量、高参数的燃煤机组存在的普遍问题是一次调频频繁动作时，AGC考核指标会受到影响，尤其是对AGC的响应时间影响最为严重。

“前馈+反馈”的一次调频控制策略被目前大多数电厂采用。一次调频动作特点是快速性、稳定性、准确性[2]，其中为了保证“两个细则”中“调整幅度偏差β3”的考核要求，一次调频需要在协调侧增加频差对应的一次调频函数，该函数作用是保证调速侧前馈作用工作时，汽轮机主控的PID不会将一次调频的负荷变化当作扰动消除。一次调频功能原理如图1所示。

图1 一次调频功能原理

一次调频的考核时间最大为1 min，当一次调频动作超过1 min后，一次调频不参与电网考核，同时一次调频如果与AGC动作的方向相反，就会影响到AGC响应时间的考核[3]。

为了解决一次调频对AGC响应时间的影响，常规方法是在进入汽轮机主控的负荷指令中增加1路AGC负荷增量前馈。实现的功能为当一次调频动作持续超过65 s后，机组AGC负荷指令减去当前一次调频对应的负荷值[4]。具体逻辑如图2所示。

图2 AGC负荷增量前馈逻辑

加入该逻辑后，AGC响应时间考核问题有所改善，但经常出现负荷反调的问题。分析一次调频与AGC的动作方向可知，一共有以下4种情况。

a.当一次调频为负值时，AGC指令发出降负荷指令，此时实际负荷变化趋势为先上升再下降(同向)。

b.当一次调频为负值时，AGC指令发出升负荷指令，此时实际负荷变化趋势为上升(反向)。

c.当一次调频为正值时，AGC指令发出降负荷指令，此时实际负荷变化趋势为下降(反向)。

d.当一次调频为正值时，AGC指令发出升负荷指令，此时实际负荷变化趋势为先下降再上升(同向)。

由4种情况可知，当一次调频与AGC的动作方向相反时，实际负荷变化趋势正常；
当一次调频与AGC的动作方向相同时，实际负荷变化趋势为先反向调节再正向调节，造成AGC响应时间考核不合格。

汽轮机主控PID的负荷指令构成[5]如下：①AGC指令经上下限幅、速率限制后得到机组负荷指令LDCOUT；
②一次调频理论负荷值；
③AGC负荷增量前馈；
④压力拉回逻辑。

以一次调频为负值，AGC降负荷的工况为例，暂时不考虑压力拉回逻辑。稳态时，AGC负荷增量前馈为零，实际负荷为LDCOUT与一次调频理论负荷值的和；
降负荷发生后，AGC负荷增量前馈将一次调频的理论负荷值抵消，实际负荷则趋于LDCOUT，因此出现负荷先升后降的现象。

当AGC动作时，在负荷指令上增加AGC负荷增量前馈将一次调频理论负荷抵消的方法并不能保证AGC响应时间的考核，所以需要对AGC负荷增量前馈逻辑进行优化。当一次调频与AGC的动作方向相反时负荷变化趋势正常，所以该部分逻辑功能保留；
当一次调频与AGC的动作方向相同时，负荷变化趋势无法满足AGC响应时间考核，该逻辑删除。解决该问题的关键是根据一次调频与AGC的动作方向详细划分不同工况，针对同向与反向的不同工况设计不同的控制策略[6]。具体逻辑如图3所示。首先通过转速差的变化趋势确定此时一次调频的动作方向，转速差由额定转速与实际转速相减得到。用转速差与其1 s前的转速差(通过延时模块得到)进行比较，当输出大于0时，此时一次调频是升负荷。以实际转速由3005 r/min变化到3003 r/min为例，转速差由-5 r/min变化到-3 r/min。转速差的变化趋势为-3 r/min与-5 r/min的差，得到输出为2，大于0，需要一次调频升负荷[7]；
同理，当其输出值小于0时，此时一次调频降负荷。其次通过比较不含一次调频的负荷指令与负荷目标值来确定AGC指令的动作方向，进而得到升负荷状态与降负荷状态[8]。

图3 频率偏差校正逻辑

当一次调频动作超过65 s后，一次调频动作信号未消失，频率偏差修正逻辑开始起作用，此时机组的考核重点已经由一次调频优先转为AGC响应时间考核优先[9]。首先判断当前负荷状态为升负荷还是降负荷；
然后判断当前一次调频的动作方向与AGC负荷指令动作方向是否一致。以升负荷状态为例，若二者动作方向一致，则保持升负荷状态下的频率偏差修正输出不变；
若二者动作方向相反，则在升负荷过程中，一次调频动作需要实际降负荷，需要对一次调频理论动作负荷值进行弥补[10]，一次调频理论动作负荷值为频率偏差修正的输出。

一次调频理论负荷值一般由转速信号经过函数转换得到。在1 min内转速变化一般呈剧烈针尖式振荡曲线型，转速在极短的时间内反复振荡，作用在AGC负荷指令上的频率偏差修正前馈逻辑无法准确判断当前输出的负荷值是否就是一次调频动作的理论负荷值[11]。同时该逻辑需要进入汽轮机主控PID进行反馈闭环调节，本身存在滞后性。该逻辑主要目的是解决一次调频与AGC的动作方向相反时保证AGC响应时间的考核[12]，当一次调频与AGC的动作方向相反时，通过延时时间模块将一次调频动作升负荷的输出进行离散取样。当一次调频动作方向不变的持续时间大于0.5 s时，频率偏差修正以每个扫描周期累加固定值的方式进行输出；
当一次调频动作方向不变的持续时间小于0.5 s时，频率偏差修正输出不变。

本文基于火电燃煤机组的运行特点，针对“两个细则”制定的关于火电燃煤机组AGC及一次调频的考核要求，设计了AGC与一次调频的解耦逻辑，缩短了AGC响应时间，解除了影响机组安全运行的隐患。新的控制策略理念成熟、功能可靠、运行稳定，节能减排效果明显。