火力发电厂一次调频闭环控制策略研究与应用

摘  要：

大型火力发电厂一次调频性能的优良对维持电网稳定运行具有关键作用。目前，大型火力发电厂一次调频采用的是频率差函数发生器开环控制策略，这种控制策略方式构造简单、反应速度快，但是无法准确控制系统的输出量，不能达到期望值。为了解决这个问题，首先对火力发电机组一次调频动作过程进行分析，得到现有控制系统存在的问题；然后通过对开环和闭环控制的研究，寻找控制系统的优化方向，即闭环+开环复合控制，同时为保证控制系统的稳定性，增加了闭环控制自动投切系统。按照此方案优化后，对火力发电机组进行试验，通过分析一次调频相关参数，发现电量贡献率指标明显上升。此次对火力发电厂一次调频闭环控制策略的研究，为火力发电厂提高一次调频性能提供了一个改进的新方案。

0  引言

随着新能源电力的快速发展，风光发电的不稳定性对电网的稳定运行产生了不利影响。为维持电网的频率稳定，电网对火力发电机组的一次调频性能提出了更高的要求。现在，大型火力发电厂一次调频采用的是频率差函数发生器开环控制策略，这种控制策略反应迅速，能够快速消除电网频率差，但是其准确性无法保证，影响了一次调频的性能。基于此，展开对一次调频闭环+开环控制策略的深入研究，并提出解决方案，具有很大的应用价值。

1  火力发电机组一次调频动作过程

图1为机组一次调频动作过程评价指标计算说明图。以火电机组为例，从频率偏差超出死区开始（即自A0时刻起），单台机组开始快速响应频率的变化，按照各自静特性相应增大出力，随着全网机组出力的增加，频率逐渐稳定并开始上升，直至频率偏差恢复到死区范围内。

从图1可以看出，从A0时刻起一次调频开始动作，理论出力（蓝色虚线）与实际出力（黑色实线）存在较大的偏差。虽然实际出力在最高点时与理论出力的偏差减小，能够满足一次调频15 s出力响应指数和30 s出力响应指数，但在机组调频持续时间（A0—B0）内，由于实际出力和理论出力整体存在较大的偏差，在此期间机组一次调频实际贡献电量占理论贡献电量的百分比（电量贡献指数）无法满足要求[1]。

2  开环控制与闭环控制原理[2]

2.1  开环控制

开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统特点是系统的输出量不会对系统的控制作用产生影响，不具备自动修正的能力。图2为开环控制系统方框图。

2.2  闭环控制

闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环、参与控制的控制方式，也称为反馈控制。其特点是系统自身利用负反馈产生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系统恢复到期望值上。可见，闭环控制具有较强的抗干扰能力和消除偏差的能力。图3为闭环控制系统方框图。

3  一次调频闭环控制

本次一次调频闭环控制的研究，要解决的是由于发电机组实际出力与理论出力的偏差导致的一次调频性能指标不合格问题。将采用开环+闭环的复合控制，在一次调频函数发生器的基础上增加闭环控制进行修正，来提高系统的控制精度。

3.1  闭环控制设定值

在华北电网《一次调频综合指标计算及考核度量方法》性能指标计算过程中，一次调频的起始功率为一次调频动作开始时刻的前10 s平均功率，计算公式如下：

式中：PN为一次调频起始功率；P0为实时功率；P10为前10 s功率。

在电网频率发生改变、一次调频动作时，统计动作开始后10 s内的最大频率差，根据一次调频功率发生器对应的功率值，计算闭环控制设定值，计算公式如下：

式中：Ps为闭环控制设定值；x为10 s内最大频率差；f（x）为一次调频发生器函数。

闭环控制设定值控制逻辑如图4所示。

3.2  闭环控制投退与自动控制

在华北电网《一次调频综合指标计算及考核度量方法》中规定，只有在电网存在频率差的持续时间大于12 s后才统计为一次调频动作。在电网频率持续时间小于12 s的情况连续出现时，一次调频闭环控制系统会出现一次调频功率连续比上次高的情况，导致闭环控制的功率发散，控制系统无法稳定。为避免此类现象，需要增加闭环控制自动投退控制方案[3]。具体方法为：（1）在电网频率差维持时间小于10 s时，闭环控制输出乘系数，系数为0；（2）在电网频率差持续时间大于10 s时，闭环控制输出乘系数，系数为1；（3）当一次调频结束（一次调频动作持续时间大于60 s）或者一次调频不动作的情况下，闭环控制系统跟踪值为1。具体控制逻辑如图5所示[4]。

4  应用效果

以河北某电厂660 MW亚临界机组一次调频为例，原控制逻辑为以一次调频函数发生器为指令的开环控制+压力函数和负荷函数修正。未采用开环控制+闭环控制方案进行优化前，电网8月性能考核数据如表1所示。

增加一次调频闭环回路修正后，机组一次调频性能指标有了质的提升。电网10月考核数据如表2所示。

通过对8月和10月一次调频电网考核数据的对比，发现一次调频性能指标整体上全面提高，特别是电量贡献指标，合格率达到80%，较优化前提升70%，能够很好地满足华北电网一次调频性能要求。

5  结语

针对火力发电机组存在的一次调频动作中准确率不高并导致电量贡献指标合格率低的情况，本次通过对一次调频实际动作情况和《一次调频综合指标计算及考核度量方法》进行分析，发现一次调频在实际动作过程中，实际出力无法达到理论出力的期望值是重要因素。为此，利用闭环控制能够消除偏差的功能，对原一次调频函数发生器输出值进行闭环控制修正，并通过自动投退功能，保证闭环修正的稳定性。经过优化后，一次调频动作的准确性和电量贡献指标合格率有了明显提升，改善了一次调频的整体性能。本次对一次调频闭环+开环控制策略的深入研究，为一次调频的优化提供了新的方案和思路，具有很大的应用价值。

审核编辑：汤梓红