火電機(jī)組微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略

楊 新，王海蓮

(霍煤鴻駿鋁電有限公司，內(nèi)蒙古霍林郭勒029200)

微電網(wǎng)作為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的微型版本，其控制/運(yùn)行概念是大電力系統(tǒng)控制/運(yùn)行概念的降規(guī)模和簡化版本［1］。微電網(wǎng)技術(shù)是新型電力電子技術(shù)、分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電技術(shù)和儲能技術(shù)的綜合［2］。因此，由小型分布式電源組成的微電網(wǎng)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注［2－4］。本文結(jié)合理論研究成果和具體運(yùn)行實(shí)踐，探討了霍煤鴻駿鋁電有限公司電力分公司2×300 MW火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的控制策略及其在霍林河循環(huán)經(jīng)濟(jì)工程項(xiàng)目微電網(wǎng)運(yùn)行中的控制策略。

1 背景介紹

霍煤鴻駿鋁電有限公司電力分公司2×300 MW機(jī)組為國產(chǎn)亞臨界燃煤直接空冷發(fā)電機(jī)組，三大主機(jī)均為哈爾濱三大動力廠生產(chǎn)。熱工控制系統(tǒng)(DCS)和汽輪機(jī)控制系統(tǒng)(DEH)均采用國電智深EDPF－NT PLUS分散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了DAS、FSSS、MCS、SCS、ECS以及DHE六大功能一體化。

霍煤鴻駿鋁廠電解鋁發(fā)生陽極效應(yīng)時(shí)，用電負(fù)荷會突然增大約4～28 MW，并持續(xù)1～3 min。這種孤網(wǎng)運(yùn)行突出的特點(diǎn)是由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)為頻率控制，即一次調(diào)頻，孤網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵問題是如何維持頻率穩(wěn)定［5］。2×300 MW機(jī)組工程原設(shè)計(jì)為并大電網(wǎng)運(yùn)行方式，在設(shè)計(jì)階段并未考慮孤網(wǎng)運(yùn)行的要求，尤其是DEH控制系統(tǒng)，與孤網(wǎng)運(yùn)行方式相差較多，因此需對其進(jìn)行改造。應(yīng)霍林河循環(huán)經(jīng)濟(jì)工程項(xiàng)目需要，組建了2×300 MW火電機(jī)組、2×350 MW火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組(設(shè)計(jì)總?cè)萘?00 MW)、監(jiān)控指揮中心和鋁廠一期、二期、三期負(fù)荷在內(nèi)的微電網(wǎng)運(yùn)行，由監(jiān)控指揮中心負(fù)責(zé)調(diào)度。

2 孤網(wǎng)方式控制策略

2.1 DEH控制

1)在操作員畫面新增加“DEH孤網(wǎng)運(yùn)行方式”投切開關(guān)，該“投入/切除”操作在發(fā)變組主開關(guān)閉合前可以切換狀態(tài)，閉合后不可切換狀態(tài)。“孤網(wǎng)運(yùn)行方式”開關(guān)投入后，切除發(fā)變組主開關(guān)閉合后自動帶初始負(fù)荷功能，邏輯自動切除DEH壓力閉環(huán)、功率閉環(huán)及CCS遙控功能。

2)汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)仍使用原有操作員自動方式，轉(zhuǎn)速控制回路為比例積分回路，由DEH控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)運(yùn)行人員設(shè)定的轉(zhuǎn)速目標(biāo)值及升速率將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速逐步升至額定轉(zhuǎn)速(3000 r/min)。機(jī)組并網(wǎng)后，控制方式轉(zhuǎn)為閥位方式，由運(yùn)行人員直接給定閥門開度。在孤網(wǎng)方式下，DEH一次調(diào)頻功能必須投入，否則系統(tǒng)頻率將無法維持。

3)發(fā)變組主開關(guān)閉合后，DEH控制仍維持原設(shè)計(jì)閥位方式。新增孤網(wǎng)方式下的一次調(diào)頻回路與原有一次調(diào)頻回路并列，由“孤網(wǎng)運(yùn)行方式”開關(guān)控制切換。孤網(wǎng)方式下的一次調(diào)頻回路全程投入，由一次調(diào)頻回路對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，為純比例轉(zhuǎn)速控制(有差調(diào)節(jié))，調(diào)門的實(shí)際輸出值為運(yùn)行人員設(shè)定的目標(biāo)閥位指令與一次調(diào)頻輸出指令的代數(shù)和，調(diào)節(jié)范圍對應(yīng)100%閥門開度變化。孤網(wǎng)運(yùn)行方式一次調(diào)頻不等率采用的折線函數(shù)較為特殊，無死區(qū)，如表1所示，該輸出值經(jīng)主汽壓力進(jìn)行修正。

4)孤網(wǎng)運(yùn)行方式下，單機(jī)或兩臺300 MW機(jī)組孤島帶鋁廠用電，如果發(fā)生鋁廠電解槽故障甩8%以上負(fù)荷，會導(dǎo)致系統(tǒng)高周波運(yùn)行，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速極易達(dá)到3090 r/min的OPC動作值導(dǎo)致機(jī)組甩負(fù)荷停運(yùn)。孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，OPC的動作實(shí)際上是一個(gè)較大的干擾源，應(yīng)盡量減小其動作頻率但又不失機(jī)組保護(hù)的安全性［6］。因此，在孤網(wǎng)方式下增加轉(zhuǎn)速飛升(轉(zhuǎn)速變化率)感應(yīng)觸發(fā)OPC動作功能，該動作值設(shè)為每運(yùn)算周期大于20 r/min且汽機(jī)轉(zhuǎn)速大于3040 r/min。

表1 孤網(wǎng)方式運(yùn)行一次調(diào)頻不等率折線函數(shù)Tab．1 Primary frequency droop line function of Isolated network operation mode

5)模擬原來老機(jī)組液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的同步器二次調(diào)頻原理，適當(dāng)改變目標(biāo)負(fù)荷給定值，可使系統(tǒng)的靜態(tài)特性平移，從而實(shí)現(xiàn)二次調(diào)頻，更精準(zhǔn)地控制汽機(jī)轉(zhuǎn)速。因此需增加二次調(diào)頻控制邏輯，并且在操作員畫面上增加“二次調(diào)頻”投切開關(guān)，二次調(diào)頻可在線無擾切換。當(dāng)“孤網(wǎng)方式投切”開關(guān)及“二次調(diào)頻投切”開關(guān)均投入時(shí)二次調(diào)頻算法回路有效?？刂七壿嬋鐖D1所示。

6)DHE操作員站閥位設(shè)定值達(dá)到上限的問題。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到260 MW附近時(shí)，DEH操作畫面上的負(fù)荷給定(對應(yīng)閥位給定)達(dá)到或接近400 MW上限，這是因?yàn)镈EH的綜合閥位輸出是由負(fù)荷給定、二次調(diào)頻給定以及一次調(diào)頻輸出的代數(shù)和組成的。當(dāng)二次調(diào)頻因轉(zhuǎn)速偏差(此時(shí)以正偏差為主，主要是鋁廠發(fā)生陽極效應(yīng)，負(fù)荷瞬間增大，引起汽機(jī)轉(zhuǎn)速降低，故二次調(diào)頻PID輸出向負(fù)方向減小)調(diào)節(jié)較多時(shí)，二次調(diào)頻輸出接近調(diào)節(jié)下限，此時(shí)閥位給定正好對應(yīng)上限。為預(yù)防上述問題出現(xiàn)，可適當(dāng)增加二次調(diào)頻的正向死區(qū)，減少二次調(diào)頻的負(fù)向死區(qū)。二次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為－8～15，即汽機(jī)轉(zhuǎn)速低于2992 r/min或高于3015 r/min時(shí)，二次調(diào)頻控制回路自動投入運(yùn)算，經(jīng)一次調(diào)頻控制回路后調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率。

2.2 鍋爐跟隨方式的協(xié)調(diào)控制

孤網(wǎng)運(yùn)行方式下，鍋爐跟隨方式的協(xié)調(diào)控制模式。鍋爐主控主要由下面四部分組成:

1)機(jī)組實(shí)發(fā)負(fù)荷及其微分信號的動態(tài)前饋。由于機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行方式?jīng)]有負(fù)荷指令信號，使用實(shí)發(fā)負(fù)荷及其微分信號之和作為鍋爐主控的前饋信號。該前饋信號決定了鍋爐絕大部分的熱量需求值。

2)機(jī)前壓力偏差的動態(tài)微分。若主汽壓力向高于設(shè)定值方向變化，則通過該微分作用適當(dāng)減少鍋爐給煤量;相反則相應(yīng)增加鍋爐給煤量。孤網(wǎng)運(yùn)行方式下，隨著對端用戶發(fā)生陽極效應(yīng)，汽機(jī)調(diào)閥為維持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，總在進(jìn)行不斷開大或關(guān)小動作，從而引起機(jī)前壓力的鋸齒波動，為了不影響壓力偏差的微分效果，設(shè)計(jì)有9 s的濾波邏輯回路。

3)主汽壓力指令的動態(tài)微分。當(dāng)運(yùn)行人員改變目標(biāo)壓力設(shè)定值時(shí)，該項(xiàng)前饋邏輯則會根據(jù)設(shè)定的壓力變化速率相應(yīng)增減給煤量。

4)壓力偏差調(diào)節(jié)器實(shí)行變參數(shù)控制。將實(shí)際壓力偏差經(jīng)過函數(shù)F(x)修正后送到PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算，減少主汽壓力大幅波動時(shí)導(dǎo)致的給煤量大幅波動，造成具有大慣性的鍋爐系統(tǒng)振蕩，如表2所示。

表2 鍋爐主控壓力偏差PID調(diào)節(jié)器變參數(shù)Tab．2 Parameters of boiler main control pressure deviation PID regulator

3 微電網(wǎng)方式控制策略

鴻駿電力分公司微電網(wǎng)運(yùn)行用電負(fù)荷僅為電解鋁，故反調(diào)峰特性矛盾并不突出。但由于電解鋁負(fù)荷特性為長期穩(wěn)定負(fù)荷，機(jī)組調(diào)節(jié)策略更多的是考慮提高設(shè)備穩(wěn)定性，風(fēng)電的接入將破壞這種穩(wěn)定性，給系統(tǒng)帶來連續(xù)不斷的擾動。因此，2×300 MW機(jī)組在孤網(wǎng)運(yùn)行控制的基礎(chǔ)上，對DEH控制系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、一次調(diào)頻及二次調(diào)頻控制策略需進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 DEH控制

保留原孤網(wǎng)方式DEH一次調(diào)頻不等率折線函數(shù)不變，新增微電網(wǎng)運(yùn)行方式DEH一次調(diào)頻不等率折線函數(shù)。低頻差和高頻差時(shí)對應(yīng)的不等率相同為8%，死區(qū)設(shè)為±8 r/min。受整個(gè)微電網(wǎng)容量、鋁廠負(fù)荷特點(diǎn)及風(fēng)電負(fù)荷變化隨機(jī)等因素影響，網(wǎng)頻不向大電網(wǎng)經(jīng)常穩(wěn)定在50 Hz左右，機(jī)組轉(zhuǎn)速總是在3000 r/min左右一直發(fā)生變化。為避免機(jī)組投入爐跟機(jī)式協(xié)調(diào)方式時(shí)因DEH一次調(diào)頻經(jīng)常動作使汽輪機(jī)調(diào)門開度一直變化而影響主汽壓力的正常調(diào)節(jié)及機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了DEH一次調(diào)頻死區(qū)。一次調(diào)頻靜態(tài)特性如表3所示。

表3 微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)DEH一次調(diào)頻不等率折線函數(shù)(可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況適當(dāng)修改)Tab．3 Primary frequency droop line function of micro grid operation mode

3.2 協(xié)調(diào)控制

優(yōu)化后機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要由目標(biāo)負(fù)荷、鍋爐主控、汽機(jī)主控、RUNBACK回路、主汽壓力設(shè)定回路幾部分組成。機(jī)組共有4種運(yùn)行方式:基本方式(即機(jī)爐手動)、鍋爐跟隨方式、汽機(jī)跟隨方式、爐跟機(jī)式協(xié)調(diào)方式。在協(xié)調(diào)控制畫面中，可進(jìn)行請求DEH遙控操作、煤主控、鍋爐主控、汽機(jī)主控的自動投退操作。投入?yún)f(xié)調(diào)控制后，可進(jìn)行目標(biāo)負(fù)荷、負(fù)荷速率、負(fù)荷上下限的設(shè)定及AGC方式、CCS一次調(diào)頻、RB投退。CCS一次調(diào)頻對應(yīng)功率折線函數(shù)如表4所示。

表4 微電網(wǎng)方式運(yùn)行時(shí)CCS一次調(diào)頻對應(yīng)功率折線函數(shù)(可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況適當(dāng)修改)Tab．4 Power line function corresponding with CCS primary frequency regulation in micro grid operation

1)目標(biāo)負(fù)荷控制。在微電網(wǎng)方式下，為實(shí)現(xiàn)功率閉環(huán)控制及調(diào)度監(jiān)控中心AGC負(fù)荷指令控制，增加負(fù)荷控制邏輯及與AGC的接口信號。

2)鍋爐主控。微電網(wǎng)運(yùn)行方式下，投入爐跟機(jī)式協(xié)調(diào)控制后，汽機(jī)調(diào)節(jié)閥處于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中汽機(jī)主控的控制之下，鍋爐主控調(diào)整燃燒率以維持機(jī)前壓力的穩(wěn)定。鍋爐主控主要有5個(gè)回路疊加組成:負(fù)荷指令與煤量作用、壓力指令微分、機(jī)前壓力微分、壓力偏差PI運(yùn)算以及變負(fù)荷煤量動態(tài)補(bǔ)償。與孤網(wǎng)方式不同，在微電網(wǎng)方式下，增加了變負(fù)荷煤量動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使用了具有提前預(yù)測功能的負(fù)荷指令信號。

3)汽機(jī)主控。在孤網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上增加汽機(jī)主控邏輯，協(xié)調(diào)控制方式下，汽機(jī)主控調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，其調(diào)節(jié)目標(biāo)值為負(fù)荷指令加上CCS一次調(diào)頻對應(yīng)的功率值。

4)RB功能。協(xié)調(diào)控制方式下，機(jī)組實(shí)際出力與各主要輔機(jī)允許出力進(jìn)行比較。當(dāng)機(jī)組實(shí)際出力大于任一主要輔機(jī)允許出力時(shí)，即發(fā)生RB工況，機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷由當(dāng)前值按照引起RB的輔機(jī)所需RB速率進(jìn)行減小。當(dāng)機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷到達(dá)RB目標(biāo)值即機(jī)組允許的最大出力后，RB結(jié)束。

RB回路由RB工況判斷、RB目標(biāo)值形成回路、RB狀態(tài)指示幾部分組成。在機(jī)爐協(xié)調(diào)方式下，引發(fā)RB工況的輔機(jī)故障跳閘包括:一臺送風(fēng)機(jī)跳閘、一臺引風(fēng)機(jī)跳閘、一臺一次風(fēng)機(jī)跳閘、一臺空預(yù)器跳閘、一臺給水泵跳閘、磨煤機(jī)跳閘。當(dāng)汽機(jī)主控在自動狀態(tài)且煤主控在自動狀態(tài)時(shí)，允許運(yùn)行人員投入RB允許狀態(tài);當(dāng)機(jī)組實(shí)際負(fù)荷降低到機(jī)組最大允許負(fù)荷或運(yùn)行人員手動復(fù)位后，RB結(jié)束。RB發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)為汽機(jī)跟隨方式，負(fù)荷目標(biāo)值自動切換到引起RB的設(shè)備允許最大出力，主汽壓力則以RB滑壓目標(biāo)曲線運(yùn)行。

5)主汽壓力設(shè)定。微電網(wǎng)方式下，機(jī)組運(yùn)行方式分定壓及滑壓?；瑝哼\(yùn)行方式時(shí)主汽壓力目標(biāo)值為機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷的函數(shù)，有協(xié)調(diào)方式和RB滑壓兩種滑壓曲線。另外，運(yùn)行人員可通過偏置微調(diào)機(jī)前壓力目標(biāo)值，使汽機(jī)運(yùn)行在最為有效的參數(shù)下。機(jī)組在協(xié)調(diào)方式下，運(yùn)行人員才可以手動投入滑壓運(yùn)行方式，或機(jī)組發(fā)生RB時(shí)，自動切換為滑壓運(yùn)行方式。定壓運(yùn)行時(shí)壓力目標(biāo)值由運(yùn)行人員設(shè)定。主汽壓力控制未投時(shí)，定壓定值跟蹤實(shí)際壓力以實(shí)現(xiàn)手/自動的無擾切換。

4 試運(yùn)效果分析

目前，先后對優(yōu)化后的2×300 MW機(jī)組進(jìn)行了投入?yún)f(xié)調(diào)后的變負(fù)荷擾動試驗(yàn)(最大變化幅度40 MW)，試驗(yàn)效果較好，在鍋爐燃煤煤質(zhì)不發(fā)生較大變化時(shí)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠控制機(jī)組實(shí)發(fā)功率跟蹤負(fù)荷指令變化，主汽壓力波動范圍較小。主汽壓力選擇定壓運(yùn)行方式，負(fù)荷指令270 MW，實(shí)發(fā)功率在267.7～272.8 MW間變化，主汽壓力設(shè)定值16.62 MPa，主汽壓力在16.18～16.85 MPa間變化，試驗(yàn)運(yùn)行效果較好。機(jī)組啟動后投入?yún)f(xié)調(diào)控制前選擇孤網(wǎng)運(yùn)行方式，按孤網(wǎng)方式進(jìn)行控制及調(diào)整;在機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)控制后，進(jìn)行功率閉環(huán)控制，由鋁廠側(cè)負(fù)荷及另一臺300 MW機(jī)組反方向變化負(fù)荷配合，進(jìn)行了AGC指令變負(fù)荷的開環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)機(jī)組實(shí)發(fā)負(fù)荷跟蹤AGC指令較好，主汽壓力波動較小，為下一步在微電網(wǎng)方式下較大負(fù)荷風(fēng)電、兩臺350 MW火電機(jī)組接入微電網(wǎng)運(yùn)行及AGC指令變負(fù)荷的閉環(huán)試驗(yàn)提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)由孤網(wǎng)方式變?yōu)槲㈦娋W(wǎng)方式的試驗(yàn)運(yùn)行及不停機(jī)進(jìn)行運(yùn)行方式的切換，為電力系統(tǒng)在遭遇局部電網(wǎng)故障、災(zāi)難性天氣等因素而進(jìn)入微電網(wǎng)運(yùn)行提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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