能量觀測法在AGC優化控制中的應用

陳 波， 劉 飛， 陳 衛， 李 泉

（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江大唐烏沙山發電有限責任公司，浙江 寧波 315722）

0 引言

目前，AGC（自動發電控制）一般有2種典型的變化特征，即以早晚高峰時段為代表的負荷快速、連續變化和以其他時間段為代表的負荷振蕩變化。在第一種方式下，鍋爐的前饋應及時投入，以滿足負荷快速、連續變化的要求。而第二種方式則希望減少鍋爐前饋的作用幅度，依靠鍋爐的蓄熱，減少煤量波動，提高機組經濟性。

針對上述問題，一般采用負荷變化限值分段的方法，當負荷變化量超出一定限值時，鍋爐動態前饋的作用幅度將適當調整。當負荷變化量小于限值時，鍋爐動態前饋不起作用。該方法能在一定程度上滿足負荷控制的需求，但如果負荷連續小幅度變化或反復大幅度變化時，就容易出現鍋爐前饋不足或者機組參數反復振蕩的情況。因此需要考慮更為合理的鍋爐前饋評判機制。

1 能量觀測法

如果將機組的負荷變動過程視為能量的轉化和平衡過程，考慮到燃料轉化為負荷的滯后時間，在能量需求和實際能量供給之間必然存在所需的超前能量，根據來源可以劃分為機組蓄熱可滿足的部分和鍋爐前饋可滿足的部分。當機組蓄熱提供的能量可以滿足超前能量的需求時，鍋爐動態前饋不予作用。同時分析AGC工況特點，考慮負荷連續小幅度變化、負荷反復大幅變化等工況，并作出相應的修正。因此實時觀察負荷變化所需的超前能量和鍋爐蓄熱能力之間的關系，并在AGC工況特性上進行調整，可以作為一種合理的鍋爐前饋評判機制（以下稱為能量觀測法）。

2 能量觀測器的構成

考慮到工程應用的要求，由能量觀測法構建的能量觀測器如圖1所示，主要由鍋爐蓄熱水平判斷、負荷變化能量需求和AGC變化特征判斷三大部分構成。

圖1 能量觀測器的構成

鍋爐蓄熱水平判斷模塊和負荷變化能量需求計算模塊負責比較機組蓄熱是否滿足負荷變化的全部能量需求。當蓄熱遠大于能量需求時，前饋不作用；蓄熱接近于能量需求時，前饋小幅度作用；蓄熱小于能量需求時，前饋完全作用。AGC變化特征判斷模塊則是通過預測負荷變化的速率來表征AGC的變化類型。當AGC處于快速連續變化時，前饋修正系數適當放大；當AGC處于反復振蕩變化時，前饋修正系數適當縮小。這3個模塊的具體計算方法如下：

（1）鍋爐蓄熱水平判斷模塊：機組蓄熱水平可以通過主汽壓力、主汽溫度和主汽流量來表征。在工程應用中，通過試驗的方式來擬合不同蒸汽流量下汽壓變化帶來的做功能力。假設壓力波動的允許幅度為δP（MPa），負荷變化前蒸汽流量為 G（kg/min），負荷變化前主汽溫度為T（℃），則此時機組能提供的最大蓄熱能力可以表征為E（δP，G，T）（MW·min）。

（2）負荷變化能量需求計算模塊：假設一次負荷變動過程如圖2所示，對該過程進行計算，設鍋爐指令到負荷響應的滯后時間為t（min）；目標負荷變化幅度為M（MW）。則總的超前能量需求 S 可以表征為： S=Mt（MW·min）。

（3）AGC變化特征判斷：考慮到機組所在地的經濟、政治、環境等因素在一定時間內較穩定，因此機組負荷時間序列R的空間分布特性具有一定的時效性，即：在一段時間內R的空間分布特性相同，R隨樣本數據的改變而緩慢變化。根據數學理論，對于R的上述特性，可采用基于滑動窗口的數據處理方法，即可由w長度的窗口預測w+1數據點。經過不斷更新和處理后的R可作為工程分析時的樣本數據。

圖2 負荷變化能量需求計算

圖3所示為某660 MW機組2012年6月28日—7月11日的負荷曲線。

圖3 負荷曲線

將上述數據作為樣本R，設窗口寬度為9，利用滑動窗口可對2012年7月8日—7月11日的負荷數據進行預測分析處理，并計算預測負荷的小時平均變化幅度。和實際數據進行比較，可以發現95%以上預測點的速率預測偏差均在±0.4 MW/min以內，可以滿足能量觀測器在前饋判定應用中的預測需求。圖4所示為7月11日預測結果偏差的分布曲線。

3 能量觀測器的實施及效果

圖4 負荷速率預測結果偏差的分布曲線

圖5所示為某600 MW超臨界機組采用的AGC優化控制系統，該系統使用了能量觀測器。在AGC優化控制系統中，首先通過解耦將負荷和壓力的控制在一定范圍內分別交予汽機和鍋爐。在負荷變化過程中，能量觀測器對鍋爐前饋進行修正，若前饋被修正因子減小作用幅度，機組的蓄熱利用最終將通過機組壓力變化滯后反應，對于這部分變化則由狀態觀測器適時予以調整，保證機組在AGC指令振蕩時能平穩運行。

圖5 某600 MW超臨界機組AGC優化控制系統

圖6所示為能量觀測器實際應用的修正輸出。從圖中可以看出，在AGC反復振蕩變化時，能量觀測器能有效減小鍋爐前饋輸出；當AGC快速連續變化時，能量觀測器能及時滿足鍋爐的能量需求，說明應用取得了預想的效果。

4 結語

能量觀測法在實際應用中要注意以下問題：

圖6 能量觀測器修正因子的實際輸出

（1）從能量角度出發，當機組蓄熱能滿足負荷變動的能量需求時可以不用前饋，但機組蓄熱的損失必須在負荷變動結束后進行補充，這就加大了鍋爐主控的修正幅度。因此前饋修正因子不宜過小，下限設定為約0.6較合適。

（2）能量比較模塊和AGC變化特征判斷模塊的比例應根據后者的精度和負荷控制要求確定。精度高時可以適當提高判斷模塊因子的比重；當負荷控制出現較大偏差時，應動態提高能量比較模塊因子的比重。

（3）應用AGC變化特征判斷模塊時應考慮機組負荷變化的規律性，如規律性強則精度高，規律性弱則精度低。從該600 MW機組的實際使用效果來看，早晚高峰時機組負荷的每小時平均變化速率超過1.5 MW/min，平峰時段機組負荷的每小時平均變化速率不超過0.8 MW/min，而特征判斷模塊95%以上預測點的速率預測偏差均在±0.4 MW/min以內，預測的負荷速率精度可以滿足識別AGC工況特征的要求。

（4）能量觀測器必須和狀態觀測器一起使用，能量觀測器所改變的機組蓄熱通過狀態觀測器在合適的時間內恢復，從而達到減小參數波動的同時不影響機組原有控制性能的目的。

[1]陳波，張永軍，羅志浩.火電機組協調控制中基于能量分析的鍋爐前饋研究[J].浙江電力，2011（11）：29-33.

[2]尹峰，朱北恒，李泉.超（超）臨界機組協調控制特性與控制策略[J].中國電力，2008（3）：66-69.

[3]劉鑫屏，田亮，趙征，等.汽包鍋爐蓄熱系數的定量分析[J].動力工程，2008（4）：216-220.