火电机组灵活性分析及控制策略优化

发布时间：2020-11-20 16:09

　　 随着电力系统的不断发展,大容量、高参数火电机组成为电网中供电的主力,并将在今后很长一段时间内仍将占据电网负荷的主体地位。而新能源机组发电比例的不断提高,致使这些以节能高效为基本出发点的大型火电机组不得不承担深度调频、调峰的任务。本文通过理论计算和大量试验相结合的方法,对大型火电机组的调频、调峰潜力进行分析,研究其灵活性运行模式和面向机组深度调频、调峰的控制策略,为寻求满足不断增长的新能源电力接入的火电机组安全、经济运行方式提供理论及技术支撑。论文的主要研究内容和成果如下:(1)以典型火电机组为对象,采用理论分析与现场试验相结合的手段构建能精确反映其动、静态特性的数学模型,为机组在电网深度调峰、调频过程中的安全性和经济性分析创造了条件。以机组各主要设备为基本环节,以其热动力学规律为基础,构建了各个环节及整个系统的数学模型,并基于大量的现场测试数据,结合所提出的改进型引力算法(IGSA)完成了模型参数的精确辨识。基于所构建的数学模型,结合锅炉蓄热能力的试验研究,对典型机组的深度调峰、调频能力进行了分析,获得了不同机组的安全边界和经济性变化特性。通过与多台机组现场实测数据的对比,证明了所构建模型的精确性。(2)针对既有控制策略难以适应区域电网运行方式需要的问题,结合机组尤其是汽轮机的特点,在获取机组调峰、调频能力的基础上,构建了能充分发挥机组潜能的灵活运行模式和控制策略。随着电网结构和火电机组在区域电网中角色的变化,传统的机组运行模式和试验控制策略极易导致功率振荡、锅炉爆管等问题。为此,结合机组容量、蓄热能力等特点,并充分考虑区域电网的结构和调峰、调频的负荷区间,提出了基于保护电网和机组安全的控制策略。现场测试数据表明,所提出的控制策略能有效提高机组的负荷调整速率和幅度,并能提升系统的经济性。(3)对比分析了不同类型火力发电机组的蓄热能力和调峰、调频能力,得出了不同机组在吸纳新能源电力方面的特点,提出了基于锅炉特点的调峰、调频控制策略,为电力综合调度及电源点的合理布局提供有效的分析手段。通过仿真和现场试验的手段对不同炉型机组的变负荷特点进行分析,并结合锅炉爆管次数和爆管部位等统计数据,揭示了锅炉炉型、燃烧方式和汽水系统结构对调峰、调频性能的影响机制,并在其基础上,提出了确保机组安全性的前提下提高调频、调峰能力的控制策略,现场使用效果验证了其有效性。(4)分析跨区域输电量的大幅度增加对电网深度调峰、调频性能的影响,并提出了在区域电网和孤小网中火电机组的运行控制策略及运行方式。以典型区域电网及多个孤小网为对象,通过动态模拟的手段研究了区域电网和孤小网模式下用户侧负荷的扰动及网中其他电源点的启停及波动对火电机组运行的影响,并结合典型故障下电网及火电机组的实测数据,掌握了区域电网及孤网模式下机组的运行特性和源网耦合规律。以经实测数据验证后的动态数学模型及所掌握的系统动态特性为基础,提出了在区域电网及孤小网下火电机组的调控及运行模式,为该类故障条件下机组的运行提供技术支撑。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM621
【部分图文】：

由于深度调峰、调频过程中机组的工况会严重偏离设计工况。2.1 机组控制流程及系统特性典型一次中间再热机组控制流程见图2.1，图中分别标标出了转速测量与频差放大环节，功率控制软逻辑环节，执行机构部分环节和汽轮机模块。具体包括测量（转速、LVDT（Linear Variable Differential Transformer））环节、功率控制PID环节、限幅环节、死区环节、频差放大、执行机构部分。而汽轮机模型包括高压缸容积、高压缸做功，高压缸功率自然过调系数、再热器容积、中压缸做功环节、连通管容积环节、低压缸做功环节。Constant5RealSpeed dSpeedConstant6Divide430001Dead Zone1Transfer Fcn41kT s 1dMW Saturation 3000CMWRefAdd2 kSubtract3MW FEEDFOWARD Subtract1CMWP1PIDPIPIDPIPID Saturation1PIPIDOUT0PIPIDSwitchMWPIDOUT Add1PIDMW PIDMWPIDSaturationMWPIDSwitch1PCV PIDPIDController Saturation2 Saturation3k k Switch1/ TO1/ TC1SIntegrator Saturation6CH1T s 1ＨPRH1T s 1IPCO1T s 1LP C LandaProduct1 1KFLPFIPFHP 2MW21T s 1Transfer Fcn32K3K1—转速测量及频差放大；2—功率控制环节；3—执行机构部分；4—汽轮机本体图 2.1 典型一次中间再热汽轮机及其调节系统模型Fig 2.1 Model of typical steam turbine and its governing system注：图中 Tc为调门关闭时间常数，To为调门开启时间常数，TCH为?

大型汽轮机组普遍采用 DEH 系统，根据电网侧需求，实现机组的调频调峰控制[113]。在 DEH 中通过引入多个控制环节诸如转速控制环节，负荷控制压力控制环节等实现对机组转速和功率的控制，同时通过构建死区，或者限幅手段来有效减少调节系统的频繁动作或者动作的幅度，这种数字电液控制系统制理念和方式符合现在大电网和大机组特性。而 CCS 系统把锅炉和汽轮机作为个整体进行控制，共同适应电网对负荷的需求，以保证机组的安全运行[114]。从率控制角度而言，其唯一的区别就是图 2.1 的功率控制环节是在 DCS (DistribuControl System)中，但是形成的总阀位指令仍送至 DEH 系统。机组并网后，整个机组的控制以功率控制为主。开环功率控制方式直接通给出阀门指令进行操作，而在闭环功率控制则包括通过 DEH 功率控制回路和 C协调控制回路，这两个回路通过比较功率指令和反馈偏差，由相应的功率 PID 制器给出执行指令完成偏差的消除。图 2.2 为典型机组功率闭环控制流程图 (PC

01 ( )( ) ( ) ( ) ( )tc P dide te t y t y t k eK e t dt TT dt e ( t)为实际负荷与负荷指令的偏差，k是总增益，PK是比例系数，dT是微分系数。环方式控制方式下，总阀位指令直接由操作员设定。无论是PCL还2.2中的执行机构部分都是整个控制流程中的必经程序，同时其本个小的闭环以确保阀位值的精确。当单个阀指令与实际偏差大时伺服卡PID进行调节,因此该部分出现振荡时，其直接就会产生负荷大的功率闭环调节[115,116]。执行机构的数学模型节仅以典型的单个调节阀动作过程进行说明，其整个控制环节由液伺服阀、油动机、LVDT 等组成[113]，如图 2.3 所示。
【参考文献】

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本文编号：2891668