火電廠功率低頻振蕩的預防與解除研究

張建輝，劉友寬，阮玖圣，李曉嬌，高東磊

(1.云南電網電力研究院，云南 昆明 650217;2.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

近年來，隨著高放大倍數快速勵磁的廣泛采用，電網的運行趨于穩定極限，由此產生的低頻振蕩將會造成電力系統穩定性下降。例如:在西南、華北、東北等電力系統中，多次記錄到電力系統低頻振蕩，甚至在很多時候危及系統的穩定運行[1]。電力系統是由電網和電廠構成的整體，電廠鍋爐的動態特性和汽輪機調速系統直接影響發電機的出力，進而影響整個系統的運行狀態。目前研究低頻振蕩往往局限在電網層面，是假定電廠出力不變來孤立地研究電氣系統。但是發電廠的出力是時刻變化的，如果汽輪機系統的蒸汽壓力長時間脈動，當脈動頻率達到電力系統的固有頻率時，則將產生大幅的低頻振蕩，誘使保護誤動作，危及系統的安全穩定運行。文獻[2～3]指出，擾動源可能存在于汽輪機環節中，控制閥和主蒸汽壓力如果發生周期性的波動，有可能會導致汽輪機輸出功率發生同頻率波動，導致系統發生大幅度的強迫功率振蕩，誘使保護誤動作，危及系統的安全穩定運行。

本文從理論角度分析了火電廠原動機側存在的幾種振蕩源;針對存在的這兩種振蕩源，分別提出了閥門非線性校正和考慮主汽壓力擾動的功率適應控制這兩種方案來預防功率振蕩[4];并且在云南巡檢司電廠MAXDNA的DCS控制系統上對上述方案的正確性與可行性進行了現場試驗驗證。另外，本文還在DCS系統上編制功率振蕩判據程序，用來實時地監測汽輪機實發功率和功率設定值信號，當機組功率發生低頻振蕩時可以及時地發出報警信號并切斷機組功率閉環控制，進而快速消除振蕩。

1 高調門的非線性校正

1.1 研究背景

在巡檢司進行的閥門試驗過程中發現，當機組運行在單閥方式下時，實際流量、跟蹤流量指令的線性度較好;但順閥方式下，實際流量與流量指令存在著很大的偏差，這說明需要對順閥工作模式下的流量指令分配程序進行線性化優化，從而保證閥門管理的流量指令與汽輪機實際流量輸出具有較好的線性度。

1.2 配汽原理

流量指令可在機組負荷控制時手動給定或由功率調節器運算產生。流量背壓修正函數F(X1)是機組流量需求與流量指令的修正函數[5]。由汽輪機的自身特性所決定，流量比例偏置 (K+B)和GV流量修正函數F(X2)確定各高壓調節門在順序閥控制方式下，調門的開啟順序、重疊度及流量指令。單閥方式下，流量指令均分至4只高壓調節閥上;順序閥運行時，汽輪機的流量指令 (FDEM)經過背壓修正、比例偏置修正、GV流量修正、GV流量開度函數修正后，產生各個GV的開度指令。配汽過程如圖1所示。

圖1 閥門管理程序

1.3 配汽曲線的辨識與校正

將圖1所示的配汽過程當做“黑箱”，其輸入為流量指令X，輸出為4個高調門的開度Y。試驗過程分別在單閥和順閥方式下進行，由熱控人員從0給定流量指令X，以遞增方式強制至100，并記錄4個高調門的閥位反饋Y。試驗數據見表1所示。

表1 閥門數據庫歷史數據

將表1的數據進行擬合后得到單閥、順閥方式下的配汽曲線，如圖2所示。

前文已經提到，單閥的配汽程序不需要優化，順閥的配汽程序需要優化，具體的優化過程如下所示。

圖2 單閥/順閥配汽曲線

流量指令X按如下方式分配，形成4個高壓調節閥的流量指令Xi(0≤Xi≤100，i=1，2，3，4):

流量指令Xi經過閥門開度流量修正曲線F(X3)(圖2左圖的單閥配汽曲線)后得到順閥方式下4個閥門的開度指令Yi。

單、順閥切換過程中的閥門開度指令Yi計算過程如下:

流量指令X同時送到單閥控制回路和順序閥控制回路，兩個回路都進行計算，分別得到純單閥和純順閥方式下的閥門開度指令Yi單和Yi順。

經過上述的配汽程序優化后，順閥方式下的新的配汽曲線辨識結果如圖3所示。

圖3 非線性校正后的閥門配汽曲線辨識

1.4 現場應用

云南巡檢司電廠采用的是兩臺300 MW循環流化床鍋爐，其DCS平臺為上自儀的MAXDNA控制系統。試驗過程在其控制系統上進行，對閥門工作在不同模式下進行上述方案的驗證，如圖4～7所示。試驗結果表明，對閥門原有的閥門配汽程序進行線性優化之后，主蒸汽流量跟蹤流量指令的效果很好，實現了流量指令與實際流量的線性化，進而避免了負荷波動。試驗結果如圖6～7所示 (流量指令用流量參考值表示，實際流量用線性化綜合閥位來表示)。

圖5 單切順 (優化前)

圖6 順閥 (優化前)

圖7 順閥 (優化后)

試驗結果分析:

(1)單閥的綜合閥位指令變化與閥位線性化高度一致，如圖4所示。

(2)在原DEH算法下，單閥切換為順序閥時，功率產生較大擾動，如圖5所示。

(3)在原DEH算法下，順序閥方式時，流量參考值與線性化綜合閥位存在偏差，如圖6所示。

(4)原DEH算法優化后，順序閥方式時，流量參考值Y與線性化綜合閥位高度一致，如圖7所示。

2 考慮主蒸汽壓力擾動的功率自適應PID控制

2.1 主汽壓對機組功率的影響

根據文獻[6～7]可知，對于凝汽式中間再熱汽輪機組，主蒸汽壓力變化引起的機組功率的相對變化量的計算式為:

式中:P0為主汽壓MPA;Pi為功率，MW;v0為主蒸汽比容，m3/kg;Pgp為高壓缸排氣壓力，MPA;K為過熱絕熱指數，對于過熱蒸汽有K=1.3;Pz為排汽壓力，MPa。

為了定量地獲得由主蒸汽壓力變化引起的機組功率的變化相對量，這里假定機組的額定功率為330 MW且工作在90%額定工況下，其中間量的近似取值:P0為16.6MPa;Pgp為3.7MPa;Pz為0.009MPa

將上述取值代入到式 (3)中，就可以得到330 MW機組工作在90%額定工況下及運行在300 MW時，由主蒸汽壓力變化引起的機組功率的變化相對量，公式如下:

因為ΔPi=300-Pi，ΔP0=16.6-P0，所以可以簡為:

至此，近似得到了330 MW機組工作在90%額定工況下，主汽壓和實發功率的單值對應關系，如式 (5)所示。

2.2 考慮主汽壓力擾動的功率自適應PID建模仿真

為了驗證功率自適應PID控制能否有效抑制主汽壓力擾動對功率的影響，首先在Matlab/Simulink軟件里對汽輪機功率控制回路建立整體模型，并且將對功率影響較大的主汽壓力因子按照式 (5)加入到控制回路里，同時在常規PID控制回路的基礎上添加PID參數自適應控制策略，于是得到了一個考慮主汽壓力擾動的功率自適應PID控制回路模型 (如圖8所示)。

圖8 基于PID參數自適應控制的汽輪機功率控制回路模型

由于此模型考慮了主汽壓力擾動因子，所以在仿真中可以進行主汽壓力擾動下的功率常規PID控制和PID自適應控制兩種控制方案的調節效果對比分析，仿真結果如圖9所示。

圖9 PID參數自適應控制下的功率輸出

從圖9可以看出，當300～500 s之間存在主汽壓擾動時，功率輸出趨于穩定，并沒有產生大的幅值變化。經過放大圖片后可以發現，幅值在295～302 MW之間連續變化，上下幅值差只有7 MW，比常規PID控制時的70 MW的幅值波動小了很多，回路的抗干擾能力大大增加，功率輸出平穩，機組運行經濟性顯著增強。

2.3 現場應用

試驗之前，首先在DCS控制系統中將常規的功率調節PID替換為PID參數自適應控制器。改進后的控制器可以實時地檢測主汽壓力的變化情況，從而進行自身參數的調整改變，最終使功率輸出平穩。試驗過程在單閥方式運行，由運行人員將ADS目標負荷從270 MW降至120 MW，滑壓方式下主汽壓力從16.7 MPa降至7.14 MPa，伴隨著主汽壓力的大幅擾動，觀察功率的輸出情況，如圖10所示。

圖10 自適應PID控制下的功率輸出

將功率自適應PID控制器還原為原有常規的PID控制器后，進行單閥方式下的升負荷試驗，試驗過程與上述降負荷過程相反，同理，伴隨著主汽壓力的大幅擾動觀察功率的輸出情況，如圖11所示。

圖11 常規PID控制下的功率輸出

試驗結果表明，常規PID控制下的升負荷試驗中，功率發生振蕩，振蕩周期為2.75 s，幅值波動為-43～36 MW。而功率自適應PID控制能夠抑制主汽壓力擾動對功率的影響，保證功率輸出平穩。

3 功率振蕩判據

3.1 算法原理

首先，周期性地檢測實發功率P和功率設定值 P_set的最大最小值 P_max，P_min，P_set_max，P_set_min，用特征值Y表示方法為:Y=(P_max-P_min)-(P_set_max-P_set_min)，門檻值記為X(具體數值由熱控人員設定)。如果檢測周期內Y≥X，則觸發計數器的置位端，計數器輸出1，否則觸發復位端，計數器輸出置0。如果連續3個周期滿足Y≥X，則計數器輸出累加到3，程序判斷為功率發生振蕩，此時由程序輸出保護動作信號，切除相應的機組功率控制回路，快速消除振蕩。算法原理圖如圖12所示。

圖12 功率振蕩判據原理

3.2 現場應用

按照上述算法原理，在巡檢司電廠MAXDNA的DCS控制系統上編程組態，完成振蕩判據的DCS實現。為防止程序漏報或誤報，組態過程中編制了兩套程序，一套用于小周期檢測，一套用于大周期檢測，當其中任何一套程序輸出報警時，程序則判斷出現了功率振蕩;當兩套程序均未輸出報警時，程序則判斷功率未發生振蕩。試驗過程和結果如下。

加入功率自適應PID控制，功率測量回路的濾波時間常數設置為6 s。通過不斷地改變功率PID調節器的比例系數KP，使實發功率發生臨界等幅振蕩，期間功率設定值恒定不變。判據的實現結果如圖13所示。

圖13 功率設定值恒定時的功率振蕩判據實現

強制轉速偏差信號1轉和11轉數十次，模擬多次一次調頻動作幅度為±18 MW的振蕩，觀察功率輸出是否較好的跟蹤設定值的變化。實現結果如圖14所示。

圖14 功率設定值變化時的功率振蕩判據實現

從圖13可以看出，振蕩判據程序能及時地檢測出功率發生振蕩，輸出報警信號;從圖14可以看出，當添加一次調頻動作，功率設定值發生±18 MW振蕩時，功率能夠較好地跟隨設定值的變化，判據未發出報警信號。綜上所述，試驗證明了振蕩判據的有效性與可靠性。

4 結論

針對近些年火電廠多次發生的低頻功率振蕩現象，本文從電廠原動機側找到了可能引發電網發生低頻功率振蕩的兩種擾動源，分別是閥門非線性和主蒸汽壓力的周期性脈動;在此基礎上進行了閥門非線性校正和功率的自適應PID控制的研究，從而有效地降低了功率發生低頻振蕩的概率。當預防措施失效，功率最終還是發生低頻振蕩時，為了解除振蕩，本文編制了功率振蕩判據，以實時地檢測功率變化情況;當功率發生低頻振蕩時及時地輸出報警信號，切斷汽輪機功率控制回路，快速消除振蕩。經過現場的多次試驗驗證，本文中提到的方案具備可行性，在功率低頻振蕩的研究中具有一定的指導意義。

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