基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统及方法，包括第一减法器模块，所述第一减法器模块输入端分别接入机组速率限制后负荷指令值与负荷实测值，机组速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的差值送入高低限报警模块；高低限报警模块，所述高低限报警模块的越高限报警信号及越低限报警信号分别接送至第一开关量选择器及第二开关量选择器的置位端；第一开关量选择器及第二开关量选择器分别连接至汽轮机PID控制器的闭锁增端及闭锁减端；本发明可以有效确保电网频率波动时一次调频动作的优先性，又能提高机组AGC和一次调频的协调运行，降低电网系统的频率波动，进而确保广大用户的电气设备及电力设备的安全、有效运行。
【专利说明】
基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统及方法
技术领域
[0001] 本发明设及火电机组调频调峰领域，尤其设及一种基于安全稳定运行的火电机组 一次调频优化控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着特高压电网互联、新能源并网发电等智能电网的建设，电网对火电机组的调 峰调频能力提出了很高的要求，为了电网的安全稳定运行，各大型火电机组都要求投入AGC 功能，大型火电机组经常处于宽负荷区间运行，范围一般在50%~100%额定负荷，并且要 求机组具备快速、准确、稳定的响应负荷变化需求。同时，国家电网相关管理规定一次调频 要求机组并网后就需具备响应电网频率变化的能力。由于电力系统的频率调整是按照负荷 变化的周期和幅值大小区别对待的，一般将频率调整相应划分为一次、二次和Ξ次调整，分 别对应的也就是一次调频、自动发电控制(AGC:Automatic Generation Control)和机组计 划发电。其中，一次调频和AGC是自动根据电网的控制需求进行机组的出力调节，因此在电 网频率调节中占据重要地位。发电机组一次调频功能是汽轮发电机组固有的功能，主要是 通过调节DEH系统的进汽调节口，利用锅炉蓄热，在电网出现异常的情况下，快速响应电网 的要求，稳定电网频率，W弥补电网负荷差距，维持电网的安全。一次调节对系统频率变化 的响应快，根据IEEE的统计，电力系统综合的一次调节特性时间常数一般在10秒左右，由于 燃烧系统中的化学能量没有发生变化，随着蓄热量的减少，发电机的功率又会回到原来的 水平。
[0003] 《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》等国内多区域的管理规定中指出，一般 的直吹式制粉系统的汽包炉的火电机组为机组额定有功功率的1.5%;-般的带中间储仓 式制粉系统的火电机组为机组额定有功功率的2%。取华北区域内山东电网一典型的300MW 亚临界汽包炉为例，PR〇PR(基本功率按相同可调容量比例分配，无条件承担调节量)下机组 单次负荷调节幅度为3MW，按1.5%化的调节速度计算，单次负荷调节需要的时间为
[0004]
[0005] 而一次调频考核中规定有效扰动为频率超出一次调频死区（50±0.033Hz)且持续 在6s及W上，同时最大频率偏差达到50±0.03細Z。因此，存在PROra下机组一次调频和AGC 方向相反的可能性，对AGC和一次调频指标造成影响。因此，对应单次AGC调节，机组需要有 一定的反应时间，整体上来说该动作时间长度要大于一次调频动作时间长度。
[0006] 由于AGC的工作时间长于一次调频，且由于其经过速率限制后动作优先性低于一 次调频，故在实际运行中存在部分情况下，一次调频和AG惊力作反向的情况发生，造成一次 调频动作幅度达不到频率补偿的需要。运样一方面会造成电厂的一次调频考核不达标，影 响到电厂的实际经济效益，另一方面机组一次调频反应幅度的不足不利于电网的频率的稳 定。机组运行在协调控制(CCS)方式，AGC和一次调频的调节主要为协调控制系统(CCS)和数 字电液控制(DEH)共同动作来完成，如图1所示，将频率测量值与频率标准值50化进行求差， 并通过电网规定的一次调频补偿量函数换算成需要补偿的功率量，一路送至CCS侧叠加至 负荷指令值上生成新的负荷指令值，通过汽轮机PID控制器进行机组功率调节；一路送至 D邸侧，经过线性转换成对应的阀口开度变化量，叠加至原有阀口开度指令上生成最终的阀 口开度指令值，直接控制阀口执行器的开度。其中，在AGC运行方式下，负荷指令值即为电网 调度下发的AGC负荷指令值，否则为电厂运行人员人工设置的负荷指令值。如图1所示，AGC 指令和人工设定负荷指令值都是经过速率限制的，而一次调频是无速率限制的，因此在电 网发生频率变化时，一次调频的动作具有快速优先动作的特性。实际运行中，为确保一次调 频的动作优先性、合格性，火电机组中增加了一次调频与机组负荷指令反向处理逻辑，如图 1所示。机组在增负荷且一次调频要求减负荷时，闭锁汽轮机PID控制器的增指令;机组在减 负荷且一次调频要求增负荷时，闭锁汽轮机PID控制器的减指令。
[0007]上述控制方式能有效确保绝大多数时间下一次调频和AGC的动作效果，但是由于 一次调频是暂态、随机性的，存在电网频率在某段时间内长期小幅震荡工况，运时会造成一 次调频长时间闭锁汽机主控指令，此时负荷指令反向增加，由于闭锁造成汽轮机PID控制器 接收到的负荷指令值和实际功率值之间的偏差持续加大，如图2所示，图中线条1为汽轮机 PID控制器输出，线条2为速率限制后负荷指令值，线条3为频差对应功率补偿量，线条4为 AGC负荷指令值，线条5为负荷实测值，当一次调频闭锁动作信号消失时，负荷偏差值被释放 出来，汽轮机PID控制器的输出指令就会大幅变化，造成机组主汽压力、主汽溫度W及负荷 等剧烈波动，影响到机组的安全稳定运行。
【发明内容】
[000引为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于安全稳定运行的火电机组一次调 频控制系统及方法，该方法在确保电网频率波动时一次调频动作优先性的前提下，同时考 虑机组负荷快速调节过程中由于闭锁对机组安全造成的不利影响，既能保证机组一次调频 动作合格，又能提高机组AGC和一次调频的协调运行，进而保证机组的安全稳定。
[0009] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0010] 基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统，包括
[0011] 第一减法器模块，所述第一减法器模块输入端分别接入机组速率限制后负荷指令 值与负荷实测值，机组速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的差值送入高低限报警模 块；
[0012] 高低限报警模块，所述高低限报警模块的越高限报警信号及越低限报警信号分别 接送至第一开关量选择器及第二开关量选择器的置位端；
[0013] 第一开关量选择器及第二开关量选择器分别连接至汽轮机PID控制器的闭锁增端 及闭锁减端；
[0014] 第一减法器模块输出的差值未超过高低限报警模块设定的范围，机组增负荷且一 次调频减负荷时，汽轮机控制器闭锁增;机组减负荷且一次调频增负荷时，汽轮机控制器闭 锁减;第一减法器模块输出的差值超过高低限报警模块设定的范围，则汽轮机控制器不再 闭锁增减。
[0015] 进一步的，所述高低限报警模块高限值输入端与模拟量发生器相连，模拟量发生 器输出值求反后接入高低限报警模块的低限值输入端。
[0016] 进一步的，模拟量发生器中的数值根据电网调度下发的单次负荷调节幅度设定。
[0017] 进一步的，第一开关量选择器和第二开关量选择器的第一输入端均置为开关量0， 第二输入端分别接原有的机组增负荷且一次调频减负荷、机组减负荷且一次调频增负荷开 关量信号。
[0018] 进一步的，所述汽轮机PID控制器还与加法器相连，所述加法器的两个输入端分别 接入速率限制后负荷指令值及CCS侧一次调频功率补偿量。
[0019] 速率限制后负荷指令值是调度下发AGC负荷指令值及人工设定负荷指令值经过模 拟量选择器选择后再经过数据限制模块进行限制后获得的。
[0020] 进一步的，所述CCS侧一次调频功率补偿量为频率测量值与频率标准值之间的频 差经过一次调频补偿量函数计算后获得的。
[0021] 进一步的，所述CCS侧一次调频功率补偿量还送至DK1侧，经过线性转换成对应的 阀口开度变化量，叠加至原有阀口开度指令上生成最终的阀口开度指令值，调节阀口执行 器的开度。
[0022] 基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制方法，包括：
[0023] 机组正常负荷调节过程中，若速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差未 超过设定的范围，机组增负荷且一次调频减负荷时，汽轮机控制器闭锁增;机组减负荷且一 次调频增负荷时，汽轮机控制器闭锁减；
[0024] 若速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差超过设定范围，则汽轮机控制 器不再闭锁增减。
[0025] 进一步的，速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差在模拟量发生器所设 定的允许范围内，则高低限报警模块的输出端均为开关量0，即第一开关量选择器和第二开 关量选择器的置位端均为开关量0,此时，第一开关量选择器和第二开关量选择器的输出分 别为第二输入端所接收的原有的机组增负荷且一次调频减负荷、机组减负荷且一次调频增 负荷开关量信号，正常闭锁汽轮机PID控制器的增减。
[0026] 进一步的，速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差大于高低限报警模块 的高限值输入端数值，即大于模拟量发生器中所设数值，则高低限报警模块的第一输出端 为开关量1，使第一开关量选择器的输出切换至其第一输入端所接收值，即输出为开关量0， 即此时汽轮机PID控制器接收开关量指令为0,即不闭锁增;高低限报警模块的第二输出端 依然为开关量0,即汽轮机PID控制器闭锁减正常运行。
[0027] 进一步的，速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差小于高低限报警模块 的低限值输入端数值，即小于模拟量发生器中所设数值的负值，则高低限报警模块的第二 输出端为开关量1，使第二开关量选择器的输出切换至其第一输入端所接收值，即输出为开 关量0，即此时汽轮机PID控制器接收开关量指令为0，即不闭锁减;高低限报警模块的第一 输出端依然为开关量0,即汽轮机PID控制器闭锁增正常运行。
[0028] 本发明的有益效果：
[0029] (1)并网机组的一次调频性能的好坏直接影响电网频率的稳定，通过本发明能够 确保电网频率波动时一次调频动作优先性的前提下，同时考虑机组负荷快速调节过程中由 于闭锁对机组安全造成的不利影响，能够确保机组的调频调峰能力达到调度考核标准的要 求。
[0030] (2)本发明可W有效确保电网频率波动时一次调频动作的优先性，又能提高机组 AGC和一次调频的协调运行，一方面保持机组的安全运行，一方面能进一步提高电网频率的 稳定性，降低电网系统的频率波动，进而确保广大用户的电气设备及电力设备的安全、有效 运行。
【附图说明】
[0031 ]图1为火电机组一次调频动作控制示意图；
[0032] 图2为实际运行一次调频闭锁造成负荷控制偏差加大曲线；
[0033] 图3为本发明一次调频优化控制系统示意图。
【具体实施方式】：
[0034] 下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0035] 如图3所示，基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统，包括
[0036] 第一减法器模块，所述第一减法器模块输入端分别接入机组速率限制后负荷指令 值与负荷实测值，机组速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的差值送入高低限报警模 块；
[0037] 高低限报警模块，所述高低限报警模块的越高限报警信号及越低限报警信号分别 接送至第一开关量选择器及第二开关量选择器的置位端；
[0038] 第一开关量选择器及第二开关量选择器分别连接至汽轮机PID控制器的闭锁增端 及闭锁减端；
[0039] 第一减法器模块输出的差值未超过高低限报警模块设定的范围，机组增负荷且一 次调频减负荷时，汽轮机控制器闭锁增;机组减负荷且一次调频增负荷时，汽轮机控制器闭 锁减;第一减法器模块输出的差值超过高低限报警模块设定的范围，则汽轮机控制器不再 闭锁增减。
[0040] 基于上述系统的一种基于安全稳定运行的火电机组一次调频优化控制方法，包 括：
[0041] 机组速率限制后负荷指令值与负荷实测值分别接入减法器模块DEV，将求得的差 值送入高低限报警模块HLALM中；高低限报警模块HLALM的越高限报警信号D1和越低限报警 信号D2分别接入开关量选择器DXSEL1和开关量选择器DXSEL2的置位端S;开关量选择器 DXSEL1的输出接入汽轮机PID控制器的闭锁增端LI，开关量选择器DXSEL2的输出接入汽轮 机PID控制器的闭锁减端LD;开关量选择器DXSEL1和开关量选择器DXSEL2的输入端Z1均置 为开关量0,输入端Z2分别接原有的机组增负荷且一次调频减负荷、机组减负荷且一次调频 增负荷开关量信号。
[0042] 模拟量发生器A接入高低限报警模块HLALM的高限值输入端，模拟量发生器A乘Κ? ι 后接入高低限报警模块 HLALM 的低限值输入端， A 中的数值根据电网调度下发的单次负荷 调节幅度设定。例如华北区域内山东省火电机组调度规定，300MW级机组的单次负荷调节幅 度为3MW，600MW级机组的单次负荷调节幅度为6MW，1000MW级机组的单次负荷调节幅度为 10MW，则可根据对应的幅值设定模拟量发生器A的大小。
[0043] 机组在AGC方式下运行，当电网频率不稳定时，频率测量值与频率标准值50化之间 会产生一频差A f，假设此时偏差为I A f I >0.033,经按照国家电网要求设置的一次调频补 偿量函数F(x)计算后，产生一个负荷补偿量ΔΡ，一路送至CCS侧叠加至负荷指令值上生成 新的负荷指令值，通过汽轮机PID控制器进行调节;一路送至DH1侧，经过线性转换成对应的 阀口开度变化量，叠加至原有阀口开度指令上生成最终的阀口开度指令值，调节阀口执行 器的开度。
[0044] 机组在进行负荷调节过程中，即速率限制后负荷指令值处于变化阶段，
[0045] (1)若此时速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差在模拟量发生器A所 设定的允许范围内，则高低限报警模块HLALM的输出端D1、D2均为开关量0，即开关量选择器 DXSEL1和开关量选择器DXSEL2的置位端S均为开关量0,此时，开关量选择器DXSEL1和开关 量选择器DXSEL2的输出分别为输入端Z2所接收的原有的机组增负荷且一次调频减负荷、机 组减负荷且一次调频增负荷开关量信号，正常闭锁汽轮机PID控制器的增减；
[0046] (2)若此时速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差超出模拟量发生器A 所设定的允许范围：
[0047] 若该值大于高低限报警模块HLALM的Η端数值，即大于模拟量发生器A中所设数值， 则高低限报警模块HLALM的输出端D1为开关量1，使开关量选择器DXSEL1的输出切换至其Z1 端所接收值，即输出为开关量0,即此时汽轮机PID控制器LI接收开关量指令为0,即不闭锁 增;高低限报警模块HLALM的输出端D2依然为开关量0，即汽轮机PID控制器闭锁减LD正常运 行。
[004引若该值小于高低限报警模块HLALM的L端数值，即小于模拟量发生器A中所设数值 的负值，则高低限报警模块HLALM的输出端D2为开关量1，使开关量选择器DXSEL2的输出切 换至其Z1端所接收值，即输出为开关量0，即此时汽轮机PID控制器LD接收开关量指令为0， 即不闭锁减;高低限报警模块HLALM的输出端D1依然为开关量0,即汽轮机PID控制器闭锁增 LI正常运行。
[0049] 具体示例1:W华北区域山东省内某300MW直吹式制粉系统的汽包炉火电机组为 例，在机组快速调节负荷，如AGC的PR0PR(等可比增容)方式下运行时，其接收的电网调度下 发的AGC单次负荷调节幅度为3丽。
[0050] 模拟量发生器A设置数值为3,即高低限报警模块化ALM的高限值输入端Η值为3， HLALM的低限值输入端L值为-3。
[0051] 若速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差未超过规定范围，则机组增负 荷且一次调频减负荷时，汽轮机控制器闭锁增;机组减负荷且一次调频增负荷时，汽轮机控 制器闭锁减。若速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差大于3或小于-3,则汽轮机 PID控制器分别不再闭锁增和减。
[0052] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围W内。
【主权项】
1. 基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统，其特征是，包括 第一减法器模块，所述第一减法器模块输入端分别接入机组速率限制后负荷指令值与 负荷实测值，机组速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的差值送入高低限报警模块； 高低限报警模块，所述高低限报警模块的越高限报警信号及越低限报警信号分别接送 至第一开关量选择器及第二开关量选择器的置位端； 第一开关量选择器及第二开关量选择器分别连接至汽轮机PID控制器的闭锁增端及闭 锁减端； 第一减法器模块输出的差值未超过高低限报警模块设定的范围，机组增负荷且一次调 频减负荷时，汽轮机控制器闭锁增;机组减负荷且一次调频增负荷时，汽轮机控制器闭锁 减;第一减法器模块输出的差值超过高低限报警模块设定的范围，则汽轮机控制器不再闭 锁增减。2. 如权利要求1所述的基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统，其特征是，所 述高低限报警模块高限值输入端与模拟量发生器相连，模拟量发生器输出值求反后接入高 低限报警模块的低限值输入端。3. 如权利要求1所述的基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统，其特征是，第 一开关量选择器和第二开关量选择器的第一输入端均置为开关量〇,第二输入端分别接原 有的机组增负荷且一次调频减负荷、机组减负荷且一次调频增负荷开关量信号。4. 如权利要求1所述的基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统，其特征是，所 述汽轮机PID控制器还与加法器相连，所述加法器的两个输入端分别接入速率限制后负荷 指令值及CCS侧一次调频功率补偿量。5. 如权利要求4所述的基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统，其特征是，所 述CCS侧一次调频功率补偿量为频率测量值与频率标准值之间的频差经过一次调频补偿量 函数计算后获得的。6. 如权利要求4所述的基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制系统，其特征是，所 述CCS侧一次调频功率补偿量还送至DEH侧，经过线性转换成对应的阀门开度变化量，叠加 至原有阀门开度指令上生成最终的阀门开度指令值，调节阀门执行器的开度。7. 基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制方法，其特征是，包括： 机组正常负荷调节过程中，若速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差未超过 设定的范围，机组增负荷且一次调频减负荷时，汽轮机控制器闭锁增;机组减负荷且一次调 频增负荷时，汽轮机控制器闭锁减； 若速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差超过设定范围，则汽轮机控制器不 再闭锁增减。8. 如权利要求7所述的基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制方法，其特征是，速 率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差在模拟量发生器所设定的允许范围内，则高 低限报警模块的输出端均为开关量〇,即第一开关量选择器和第二开关量选择器的置位端 均为开关量〇，此时，第一开关量选择器和第二开关量选择器的输出分别为第二输入端所接 收的原有的机组增负荷且一次调频减负荷、机组减负荷且一次调频增负荷开关量信号，正 常闭锁汽轮机PID控制器的增减。9. 如权利要求7所述的基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制方法，其特征是，速 率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差大于高低限报警模块的高限值输入端数值， 即大于模拟量发生器中所设数值，则高低限报警模块的第一输出端为开关量1，使第一开关 量选择器的输出切换至其第一输入端所接收值，即输出为开关量0,即此时汽轮机PID控制 器接收开关量指令为〇，即不闭锁增;高低限报警模块的第二输出端依然为开关量〇，即汽轮 机PID控制器闭锁减正常运行。10.如权利要求7所述的基于安全稳定运行的火电机组一次调频控制方法，其特征是， 速率限制后负荷指令值与负荷实测值之间的偏差小于高低限报警模块的低限值输入端数 值，即小于模拟量发生器中所设数值的负值，则高低限报警模块的第二输出端为开关量1， 使第二开关量选择器的输出切换至其第一输入端所接收值，即输出为开关量〇,即此时汽轮 机PID控制器接收开关量指令为0,即不闭锁减;高低限报警模块的第一输出端依然为开关 量0,即汽轮机PID控制器闭锁增正常运行。
【文档编号】H02J3/24GK105870943SQ201610333513
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】李军, 郎澄宇, 高嵩, 史昱, 李巍巍
【申请人】国网山东省电力公司电力科学研究院, 国网山东省电力公司, 国家电网公司