PG9171E型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組AGC控制策略及邏輯優(yōu)化

溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518052)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們對(duì)電力的需求越來(lái)越大，電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人工調(diào)度方式逐漸被自動(dòng)化調(diào)度方式取代，電力調(diào)度的自動(dòng)化系統(tǒng)能使整個(gè)電網(wǎng)可以穩(wěn)定安全運(yùn)作，自動(dòng)發(fā)電控制已成為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行的重要一步，也是電力技術(shù)向高層次發(fā)展的必然趨勢(shì)。為此，廣東電網(wǎng)近年來(lái)正積極開展并網(wǎng)發(fā)電的機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制的投入工作,由電網(wǎng)調(diào)度能量管理系統(tǒng)統(tǒng)一直接控制發(fā)電機(jī)組出力，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電的品質(zhì)。

本文介紹了深圳某電廠9E燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組實(shí)現(xiàn)AGC 功能的方法及相關(guān)控制策略，并根據(jù)南方電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)規(guī)范要求對(duì)一次調(diào)頻邏輯進(jìn)行優(yōu)化，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組在執(zhí)行AGC設(shè)定值時(shí)不受一次調(diào)頻功能的影響，即機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)AGC的負(fù)荷指令變化方向和一次調(diào)頻要求的負(fù)荷指令變化方向不一致時(shí)，優(yōu)先以AGC負(fù)荷調(diào)節(jié)為主，否則二者疊加。

1 某9E 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組AGC與一次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)方法

深圳某電廠目前有 3×180 MW 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，采用“一拖一”方式運(yùn)行，即 1 臺(tái) 120 MW PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)帶 1 臺(tái) 60 MW 汽輪機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。按照電網(wǎng)要求每套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組增設(shè)了AGC 輔助調(diào)頻功能。

在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組中，燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)是主要的負(fù)荷調(diào)整設(shè)備，汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)是負(fù)荷隨動(dòng)調(diào)整設(shè)備。當(dāng)某一套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的負(fù)荷指令發(fā)生變化時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)立即調(diào)整燃料及壓氣機(jī)動(dòng)葉開度來(lái)調(diào)整發(fā)電量，而汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)，汽輪機(jī)側(cè)基本沒有負(fù)荷的調(diào)節(jié)裕量。因此，AGC 和一次調(diào)頻控制由燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組來(lái)完成。

1.1 自動(dòng)發(fā)電控制AGC

自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)是現(xiàn)代電網(wǎng)控制的一項(xiàng)基本和重要功能，建立在電網(wǎng)高度自動(dòng)化的能量管理系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)間閉環(huán)控制的一種先進(jìn)技術(shù)手段。實(shí)施AGC 可以獲得高質(zhì)量的電能供需實(shí)時(shí)平衡服務(wù)，可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，降低運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[1]。

1.1.1 AGC系統(tǒng)基本構(gòu)成

電網(wǎng)側(cè)控制信號(hào)如圖1 所示，電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)系統(tǒng)指令經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)裝置中間處理單元(RTU)與電廠的單套機(jī)組DCS系統(tǒng)相連，其中包括AGC 負(fù)荷指令、機(jī)組實(shí)際負(fù)荷、機(jī)組負(fù)荷上/下限、機(jī)組AGC投退信號(hào)、機(jī)組響應(yīng)速率、一次調(diào)頻投退信號(hào)、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)。

圖1 AGC系統(tǒng)基本構(gòu)成

1.1.2 電廠側(cè)實(shí)現(xiàn)控制策略

單元機(jī)組CCS協(xié)調(diào)控制或AGC狀態(tài)下，單元機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令值減去汽輪機(jī)實(shí)發(fā)功率值作為燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷指令值送至燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)則根據(jù)此指令進(jìn)行升、降負(fù)荷。汽輪機(jī)負(fù)荷隨著主汽壓力的升、降變化，最終機(jī)組負(fù)荷與機(jī)組負(fù)荷指令平衡。

電廠負(fù)荷控制信號(hào)示意圖見圖2。中調(diào)側(cè)AGC 調(diào)度指令或電廠側(cè)整套機(jī)組負(fù)荷協(xié)調(diào)調(diào)整信號(hào)CCS負(fù)荷指令,經(jīng)過(guò)負(fù)荷控制方式信號(hào)CCS/AGC 切換后與汽輪機(jī)實(shí)際負(fù)荷相減進(jìn)入負(fù)荷變化率控制通道，再經(jīng)過(guò)負(fù)荷上下限制，進(jìn)入機(jī)組的負(fù)荷分配模塊及速率限制模塊，然后送至燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)，汽輪機(jī)負(fù)荷處在跟隨狀態(tài)，直至機(jī)組總負(fù)荷與AGC 調(diào)度負(fù)荷指令一致。當(dāng)選用AGC方式時(shí)，機(jī)組CCS 協(xié)調(diào)負(fù)荷指令信號(hào)跟蹤實(shí)際負(fù)荷信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)兩種方式的無(wú)擾切換。而AGC 負(fù)荷指令信號(hào)的自動(dòng)跟蹤功能，需在電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)南方電網(wǎng)AGC技術(shù)規(guī)范，在DCS系統(tǒng)程序中對(duì)相關(guān)信號(hào)具有完善的安全保護(hù)措施，與電廠相連調(diào)度自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障不會(huì)對(duì)電廠的機(jī)組安全產(chǎn)生影響。

圖2 電廠負(fù)荷控制信號(hào)示意圖

1.1.3 電廠實(shí)現(xiàn)AGC過(guò)程簡(jiǎn)述

調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)RTU 系統(tǒng)與電廠DCS 系統(tǒng)交互信號(hào)，當(dāng)DCS投入燃?xì)廨啓C(jī)遙控控制后，可通過(guò)DCS畫面靶標(biāo)設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)目標(biāo)負(fù)荷值，DCS投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式CCS后，可通過(guò)DCS畫面靶標(biāo)設(shè)定單元機(jī)組(燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷+汽輪機(jī)負(fù)荷)總目標(biāo)負(fù)荷，并通過(guò)確認(rèn)靶標(biāo)使機(jī)組負(fù)荷按設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)DCS投入AGC方式后，單元機(jī)組總目標(biāo)負(fù)荷跟隨調(diào)度的AGC總指令。

單元機(jī)組CCS協(xié)調(diào)控制或AGC狀態(tài)下，單元機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令值減去汽輪機(jī)實(shí)發(fā)功率值作為燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷指令值送至燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)則根據(jù)此指令進(jìn)行升、降負(fù)荷。汽輪機(jī)負(fù)荷隨著主汽壓力的升、降變化，最終機(jī)組負(fù)荷與機(jī)組負(fù)荷指令平衡。

機(jī)組負(fù)荷指令值受“機(jī)組負(fù)荷上限”及“機(jī)組負(fù)荷下限”設(shè)定值的限制，可通過(guò)AGC畫面的“機(jī)組負(fù)荷上限”及“機(jī)組負(fù)荷下限”操作面板進(jìn)行更改。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷指令值超過(guò)機(jī)組負(fù)荷上、下限時(shí)，AGC畫面機(jī)組負(fù)荷閉鎖增/減面板會(huì)有相應(yīng)的報(bào)警顯示。DCS系統(tǒng)AGC功能操作界面如圖3 所示。

圖3 DCS系統(tǒng)AGC功能操作界面

1.2 機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)控制策略

機(jī)組控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算出電網(wǎng)頻率信號(hào)與頻率的額定值即50 Hz的差值，也就是頻差信號(hào)，它反映得是電網(wǎng)頻率偏離額定值的程度。當(dāng)機(jī)組的一次調(diào)頻功能投入且該頻差超過(guò)預(yù)先規(guī)定的值時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻功能開始動(dòng)作，將該機(jī)組應(yīng)該增加或減少的有功功率指令信號(hào)送至負(fù)荷限制回路，并通過(guò)速率限制后，與當(dāng)前的有功功率指令信號(hào)相加，作為機(jī)組的目標(biāo)負(fù)荷指令，控制機(jī)組的實(shí)發(fā)功率。

一次調(diào)頻是應(yīng)對(duì)電網(wǎng)發(fā)電或用電負(fù)荷突變時(shí)導(dǎo)致頻率瞬間較大幅度變化的異?，F(xiàn)象，機(jī)組自動(dòng)、快速地增減發(fā)電負(fù)荷的功能。

根據(jù)一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)及9E燃?xì)廨啓C(jī)額定功率約為120 MW、轉(zhuǎn)速不等率為4%的特點(diǎn)，一次調(diào)頻最大調(diào)整量按照額定功率的±10%即±12 MW。送給燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的頻率-負(fù)荷修正函數(shù)曲線的設(shè)置如圖4所示。

圖4 頻差-負(fù)荷修正函數(shù)曲線

2 AGC 與一次調(diào)頻對(duì)比

AGC 的控制方式為功率閉環(huán)控制方式，其控制環(huán)覆蓋全網(wǎng)，是屬于廣域控制系統(tǒng)，需要電網(wǎng)中多個(gè)設(shè)備、子系統(tǒng)相互配合才能完成其功能。一次調(diào)頻控制方式為頻率閉環(huán)模式，只按照設(shè)備所在地頻率偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。兩者的控制目標(biāo)、控制方式、響應(yīng)時(shí)間均有較大差異，在一些情況下，雙方的控制目標(biāo)會(huì)出現(xiàn)矛盾[2]。

(1) 控制幅度不同

AGC 一般采用功率控制方式，機(jī)組控制系統(tǒng)也是采用功率閉環(huán)控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)組接入AGC時(shí)，其功率給定信號(hào)由系統(tǒng)RTU 給出。按照《南方區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《南方區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》對(duì)機(jī)組實(shí)際出力與AGC指令偏差大小有相關(guān)的要求和考核方法，為保證AGC或機(jī)組跟蹤負(fù)荷曲線的精度，機(jī)組出力在允許偏差范圍內(nèi)都取得比較小，一般為機(jī)組額定容量的1% ,而一次調(diào)頻的頻差最大修正量為機(jī)組額定容量的10%(額定容量200 MW及以下)，即使在系統(tǒng)頻率允許偏差范圍內(nèi)，其一次調(diào)頻響應(yīng)的功率也會(huì)超出允許的出力偏差。

(2) 控制方向矛盾

機(jī)組投入一次調(diào)頻和AGC功能時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)AGC的負(fù)荷指令變化方向和一次調(diào)頻要求的負(fù)荷指令變化方向不一致的情況，嚴(yán)重影響機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷變化的及時(shí)性和準(zhǔn)確性[3]。

3 AGC 與一次調(diào)頻配合邏輯優(yōu)化

在燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)增加邏輯，原則上出力變化是燃?xì)廨啓C(jī)AGC指令加上一次調(diào)頻負(fù)荷修正量，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)AGC的負(fù)荷指令變化方向和一次調(diào)頻修正量的方向不一致時(shí)，一次調(diào)頻負(fù)荷修正量為0。當(dāng)方向相同時(shí)，一次調(diào)頻負(fù)荷修正量按照一次調(diào)頻頻差-負(fù)荷曲線進(jìn)行與AGC 指令疊加。通過(guò)調(diào)整一次調(diào)頻修正量大小，保證機(jī)組響應(yīng)AGC指令動(dòng)作的快速性、準(zhǔn)確性。

圖5為AGC 指令優(yōu)先一次調(diào)頻功能控制方法流程示意圖。函數(shù)F(X)為一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速差-負(fù)荷修正函數(shù)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值大于+2 r/min 時(shí)，且燃?xì)廨啓C(jī)AGC 負(fù)荷指令與其前一秒的值之差大于升負(fù)荷速率 AND1 條件成立為1；當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值小于-2 r/min 時(shí)，且燃?xì)廨啓C(jī)AGC 負(fù)荷指令與其前一秒的值之差小于降負(fù)荷速率 AND2 條件成立為1。上述兩條件任意一個(gè)為1，代表AGC的負(fù)荷指令變化方向和一次調(diào)頻修正量的方向一致，一次調(diào)頻負(fù)荷修正量為F(X) 輸出值。否則，一次調(diào)頻負(fù)荷修正量為0。

圖5 AGC 指令優(yōu)先一次調(diào)頻功能控制方法流程示意圖

4 機(jī)組AGC 性能測(cè)試

通過(guò)測(cè)試，單元機(jī)組各模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)和AGC 邏輯準(zhǔn)確性和調(diào)節(jié)安全性均滿足并網(wǎng)發(fā)電相關(guān)規(guī)范要求。機(jī)組AGC 負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度等主要控制參數(shù)優(yōu)于《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試》規(guī)程規(guī)定的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)，如圖6所示。

圖6 機(jī)組某次響應(yīng)AGC指令曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)組具備AGC、一次調(diào)頻功能在電網(wǎng)中至關(guān)重要，它解決電力系統(tǒng)在運(yùn)行中的頻率調(diào)節(jié)和負(fù)荷分配問(wèn)題，維持電力系統(tǒng)中發(fā)電和供電功率的平衡性，從而保證電力系統(tǒng)頻率的質(zhì)量。在滿足電網(wǎng)安全約束條件、電網(wǎng)頻率和互聯(lián)電網(wǎng)凈交換功率計(jì)劃的情況下協(xié)調(diào)參與AGC 調(diào)節(jié)的機(jī)組按市場(chǎng)交易或經(jīng)濟(jì)調(diào)度原則優(yōu)化運(yùn)行，增加發(fā)電機(jī)組在電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力都具有十分重要意義。

AGC、一次調(diào)頻的差異，不利于增強(qiáng)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性及頻率動(dòng)態(tài)品質(zhì)，須要通過(guò)制定AGC及一次調(diào)頻相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解決，不僅有利于管理，也有利于將來(lái)電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)與補(bǔ)償。