百万级火电机组AGC自适应能力分析

周松国，屈章龙（华电电力科学研究院西安分院，陕西西安710032）

百万级火电机组AGC自适应能力分析

周松国，屈章龙
（华电电力科学研究院西安分院，陕西西安710032）

为了满足区域电网二次调频的需要，火电机组接收的AGC指令将跟随电网频率频繁变动，其变化幅度和方向均具有很强的随机性，多数火电机组在AGC模式下均存在电负荷响应时间超标和调节速率不足的问题。通过分析电网AGC的运行特点，指出了AGC的控制要点，并提出具有自适应能力的变负荷前馈控制策略。经过多次静态仿真试验和动态变负荷试验，使得该控制策略成功地运用到中电投安微平圩电厂2×1050MW超超临界火电机组，实践证明该控制策略具有较强的AGC自适应能力，提高了火电机组电负荷响应能力。

AGC；随机性；幅度；方向；自适应；预给煤

0 引言

自动发电控制（Automatic Generation Control，简称AGC）是电力系统频率控制的主要手段之一。百万机组直属于区域性的大电网调度，AGC通常采用定频率控制FFC（Flat Frequency Control）模式。它是电力系统扰动后，在一次调频的基础上，响应于电力系统频率偏差起到的辅助控制手段。

电网AGC负荷指令形成有两种方法，即滚动平均法和时段平均法。滚动平均法通过对每一个负荷幅值前、后一段数值滚动求平均，由此得到一条平滑的负荷曲线。时段平均法通过对一段时间(时间段的长度可以是5min，10min,15min)的负荷幅值求平均，得到一组每5min离散的负荷幅值；经线性插值后，得到一条由爬坡负荷组成的负荷曲线。可见AGC指令幅度和方向具有很强的随机性。

目前，所有的超（超）临界火电机组AGC控制方案无一例外地采用锅炉“预给煤”控制手段，但是由于方案缺少必要的灵敏性，导致机组经常出现电负荷响应时间超标、响应速率不足及超温超压现象。以下针对超（超）临界机组普遍存在的问题，通过对AGC运行特点进行分析后，提出一套能够有效解决问题的控制方案。

1 火电机组AGC运行现状分析

1.1 AGC电负荷控制标准

电负荷响应能力作为AGC最重要考核指标，许多发电企业受制于各种因素无法达标。

根据《区域发电厂并网运行管理实施细则》（以下简称两个细则）内容，火电机组的AGC性能考核指标计算公式如下:

式中Kpi，j—某一时间段内的AGC性能考核指标，它直接决定电厂从电网获得的经济补偿额；

K1i，j—机组某个时间段内实际调节速率与其应该达到的标准速率相比达到的程度；

K2i，j—机组某个时间段内实际调节偏差量与其允许达到的偏差量相比达到的程度；

K3i，j—机组某个时间段内实际响应时间与标准响应时间相比达到的程度；

Vi，j—某一时间段内电负荷实际响应速度，MW/min；

ΔPi，j—某一时间段内电负荷控制偏差，MW；

Ti，j—某一时间段内电负荷响应时间，s；

VN，i，ΔPN，i，TN，i—AGC标准的响应速度、标准精度及标准响应时间。相关参数的要求见表1。

表1 火电机组AGC技术指标

1.2 AGC电负荷控制要点

从上述电网《两个细则》的具体要求可以看出，为了满足AGC性能达标，协调控制系统必须具备及时、快速、准确调节负荷的能力。

首先，机炉两侧必须具备快速、灵敏的能量平衡能力。在机侧能量需求发生改变时，要求锅炉侧各个子系统（包括风量、燃料、给水、一次风压及过热器减温水等系统）必须同时迅速地作出相应的调整。由于实际工况中炉侧调节存在控制死区和迟滞现象，客观地限制了机组电负荷响应能力，如何解决这个问题成为协调控制系统的一大技术难点。

其次，协调控制系统必须具备足够的灵敏度，能够自动适应AGC幅度和方向随机变化的特性，始终保持燃料调节与AGC调节方向的一致性。

2 AGC自适应控制策略

2.1 机组简介

中电投安徽平圩三期2×1050MW超超临界机组锅炉为B&WB-3218/28.25-M型号，配备6台中速磨煤机；汽轮机组为DKY-4N45A U型号，高压缸配备了两个过载阀。

汽机出于保护自身设备的目的，在DEH内部设置了多重限制器。当主汽压力、蒸汽温度及调门开度三者之间的变化率不匹配时将诱发限制器动作，闭锁机组有功功率调节，甚至引起应力保护动作导致机组跳闸。因此，工程要求协调控制系统在满足电网AGC的需求外，还必须严格控制蒸汽温度和主汽压力的调节品质。

2.2 自适应功能的变负荷前馈

要彻底解决AGC电负荷的响应能力，就必须解决变负荷初期锅炉热负荷滞后惯性的问题。为此需要一套完善的变负荷前馈逻辑（以下简称“预给煤”），能够精确灵敏地控制各个子系统，快速响应机组负荷的变化，动态保持机炉两侧的能量平衡。控制策略如图1所示。

“预给煤”逻辑主要由四部分组成，即机组变负荷指令微分逻辑、限幅逻辑、变量修正逻辑及限速逻辑。

2.2.1 变负荷指令微分

在图1中，机组实际指令经由变参功能的微分环节后，产生“预给煤”的触发信号，核心环节是微分时间外置功能，由SG1/SG2/SG3/PULSE/OR/T2/f（x）3等功能块组成。

机组处于非协调控制模式时（SG3信号为1），微分时间经过为T2切换块输出为0，微分环节输出亦为0，避免了非协调方式下“预给煤”的自扰现象。

负荷变动的幅值经由功能块f（x）3转换后为微分环节的外置时间，具体数值见表2。机组小幅变动负荷时，则微分时间相对延长，能够保证AGC指令小幅度变化时有足够的前馈效果。

图1 自适应的变负荷前馈逻辑图LAG-惯性环节SUM-加法器（f x）-函数块ABS-绝对值MUL-乘法器微分环节P U LS E-脉冲块T-模拟量切换块

逻辑中还引用了升负荷和降负荷SG1/SG2信号，用来提高“预加煤”适应AGC随机变向的能力，保证“预給煤”调节方向与AGC指令变化方向同步，进而提高锅炉侧各子系统的灵敏度。

2.2.2 限幅功能

为了确保“预给煤”功能的灵敏度，通常情况下微分环节的增益倍数需要足够大，一旦AGC指令变化时其微分环节输出量将远大于实际需求量，因此，必须对微分环节输出量进行限制，以匹配电负荷变动的实际需求量。限幅功能有图1中的输入变量TL、LDC、功能块LAG/T1/SUM1/f（x）1/f（x）2、大选块和小选块组成。

当AGC方向改变时（SG1或者SG2发出信号），通过切换块T1将LAG惯性时间由60s切为0s，SUM1输出也自动切到0；待指令变动方向确定后（一般是等待SG1或者SG2发出信号后延时3s）SUM1将重新记录新的偏差，始终保证“预給煤”调节方向与AGC方向同步变化。

f（x）1/f（x）2分别为升/降负荷工况下“预給煤”-负荷变化幅度之间的跟随函数，经过大/小限幅功能块输出最终的变负荷前馈量，具体数值见表2。

2.2.3 变量校正

考虑到锅炉热负荷与燃料量的非线性关系，逻辑中设置了f（x）4，实现目标负荷指令自动校正“预给煤”量的功能，校正系数见表3。

为了防止负荷变动中压力超调现象，逻辑中设置了压力校正环节，利用主汽压力偏差量实时地校正“预给煤”量，其校正系数为0.8-1.2。在图1中，由输入变量M S P E和功能块f（x）5/f（x）6/H/T3组成。升负荷过程如果实际压力低于设定值则校正系数大于1，相反则小于1；降负荷校正系数与升负荷校正系数互为反函数。校正系数见表4。

逻辑中设置了f（x）7，实现变负荷速率对“预給煤”的校正功能，校正系数见表5。

经过多路路校正变量修正后，计算出“预给煤”原始值。

2.2.4 速率限制

为了确保变负荷前馈量的效果，逻辑中通过速率限制功能块实现变负荷过程中“快加（减）慢回”功能。在变负荷初始阶段保证前馈量快速达到最大值；随着机组实际指令与目标指令偏差量的减小其变化速率也越来越慢。如此，既防止大范围变动负荷时前馈量效果过强，又能保证小范围变动负荷时前馈量的有效时间。

速率限制功能由图1中的f（x）8/f（x）9及速率限制块组成。

设置f（x）8是为了保证不同变负荷速率下的前馈量与变化速率之间的匹配关系，其参数设置必须与f（x）7保持一致，具体数值见表5。

表6中f（x）9的数值变化即代表了电负荷指令偏差与变负荷前馈量变化速率对应关系。

2.2.5 变负荷前馈实际效果

从图2的实际效果图可以看出，在AGC指令随机变化时，“预给煤”变量具有很好的跟随功能，具体表现如下:

（1）“预给煤”量能够根据AGC指令变化幅度自动调整，在图2曲线a-b-c段中，AGC指令变化为+10MW/+20MW/-40MW，“预给煤”量分别为+10MW/+30MW/-40MW。

（2）“预给煤”量的调节方向能够实时保持与AGC指令同步。在图2曲线c-d段中，AGC指令经历了方向突变过程。在第10M in（即c点）变动值为+60MW，而到第12min（即d点）时变动值突然改变为-60MW，此时实际负荷指令还未到达c点时的目标值。从图2中可以看出“预给煤”调节量在d点及时调整方向由+60MW快速切为-65MW。

表2 变负荷前馈逻辑相关函数值（一）

表3 变负荷前馈逻辑相关函数值（二）

表4 变负荷前馈逻辑相关函数值（三）

表5 变负荷前馈逻辑相关函数值（四）

表6 变负荷前馈逻辑相关函数值（五）

图2 自适应的变负荷前馈运行效果图

（3）“预给煤”量在负荷指令大范围变动时得到了限制，有效地避免了燃料超调。比较曲线c-d段和曲线e-f段就可以看出，AGC指令变动值分别为+60MW/+100MW，对应的“预给煤”量分别为+62MW/+70MW。

（4）纵观图2可以看出，“预给煤”量持续时间能够根据负荷变动范围自动调整，很好地满足了AGC指令不同变动幅度的需要。

综上所述，自适应功能的变负荷前馈量很好地跟随AGC指令的变化，为主汽压力和蒸汽温度精确控制乃至机组AGC的品质奠定了坚实的基础。“预给煤”量作为协调控制各子系统的公用指令，同时作用到燃料、给水、总风量、一次风压、磨煤机热风调门及各级过热器减温水调门。

3 实际运行效果

该控制策略在安徽平圩电厂2×1050MW工程得到应用，并取得良好的应用效果。调取#5机组的历史曲线如图3和图4所示，分别为连续小范围和大范围两种变负荷工况的曲线。

图3记录了连续小范围变负荷工况中主要参数的变化情况。时间跨度为60min，变负荷速率为15MW/min，变化范围为510-400MW，煤量变化为226-155t/h，给水变化为1355-1053t/h，过热度变化为28-38℃。其中，电负荷最大偏差为+3.5MW，最大主汽压力偏差+0.5MP a，主汽温度最大偏差6.5℃。

图4记录了大范围变负荷工况中主要参数变化情况。时间跨度为30min,负荷变化范围699-850MW，速率为15MW/min，煤量变化范围275-357t/h，给水变化范围1627-2103t/h，过热度35-21℃。最大电负荷偏差-6MW；最大主汽压力偏差+0.54MP a；最大汽温偏差-3. 9℃。

从实际运行曲线来看，上述控制方案能够适应各种负荷变动类型的考验，主要参数的调节品质均达到《D L/T 657－2006火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》的要求，完全满足机组AGC运行模式的控制要求。

图3 小范围连续变负荷工况

图4 大范围连续变负荷工况

4 结语

针对AGC指令随机性变化的特点，为了提高机组协调控制系统的调节品质，提出了具有自适应能力的变负荷前馈逻辑。文中对控制策略原理进行了分析，并展示了工程实例中的应用效果。实践证明上述控制方案具有其独特的自适应能力，值得在超临界火电机组中推广应用。（华电集团2016年科研项目《火电机组低氮燃烧器NOx排放指标与蒸汽温度自动平衡控制技术的研究》，编号：CHECKJ16-03-75）

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Analysis of AGC Adaptive Capacity of Million Thermal Power Units

ZHOU Song-guo，QU Zhang-long
（Huadian Electric Power Research Institute Xi’an Branch，Xi’an 710032，China）

I n or d er to meet t h e nee ds o f t h e p o w er g ri ds econ d F M re g ional，p o w er unit to recei v e t h e AGC in s truction w ill f ollo w t h e g ri d f requency c h an g e s f requently，t h e ma g nitu d e an d d irection o f c h an g e h a s v ery s tron g ran d omne ss，many t h ermal p o w er unit s h a v e electric loa d re sp on s e time an d a dj u s t t h e rate e x cee d t h e s tan d ar d p ro b lem o f in s u ff icient in AGC mo d e.B a s e d on t h e analy s i s o f t h e o p eration c h aracteri s tic s o f t h e re g ional p o w er g ri d AGC，t h e p a p er p oint s out t h e main p oint s o f t h e AGC control s c h eme，an d p ut s f or w ar d t h e v aria b le loa d f ee df or w ar d control s trate g y w it h a d a p ti v e a b ility.A f ter s e v eral time s o f s tatic te s t an d d ynamic s imulation o f v aria b le loa d te s t，t h e control s trate g y i s s ucce ssf ully a pp lie d to t h e C PI An h ui P in gw ei P o w er P lant 2×1050MW ultra s u p ercritical t h ermal p o w er unit s，t h e p ractice p ro v e s t h at t h e AGC control s trate g y h a s s tron g a d a p ti v e ca p acity，im p ro v e t h e t h ermal p o w er unit loa d re sp on s e a b ility.

AGC；ran d omne ss；ma g nitu d e；d irection；a d a p ti v e；coal f ee d-f or w ar d

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.001

TM621

B

2095-3429（2017）03-0001-05

2017-02-13

修回日期：2017-05-15

周松国（1973-），男，湖南衡阳人，本科，高级工程师，从事火电机组自动控制领域的研究工作；屈章龙（1980-），男，陕西合阳人，本科，工程师，从事火电机组自动控制领域的调试工作。