燃煤機(jī)組寬負(fù)荷運(yùn)行一次調(diào)頻精準(zhǔn)控制的仿真研究

張 彪，岳 良，李 魯

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

隨著風(fēng)電、光伏等分布式新能源規(guī)?；l(fā)展，提高火電機(jī)組靈活性、實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行勢在必行?；痣姍C(jī)組深度調(diào)峰負(fù)荷下，火電機(jī)組熱力系統(tǒng)動態(tài)特性與常規(guī)調(diào)峰負(fù)荷差異顯著，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)慣性加大、抗干擾能力變差等方面。因此，電網(wǎng)側(cè)不僅面臨著新能源消納能力的考驗(yàn)，其系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力和動態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行水平也面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。處于深度調(diào)峰模式下的燃煤機(jī)組具有良好的一次調(diào)頻能力，對有效消除新能源發(fā)電負(fù)荷的隨機(jī)擾動、維護(hù)電網(wǎng)功率的平衡和頻率的穩(wěn)定具有重要意義。近年來，國內(nèi)多所試驗(yàn)單位對常規(guī)調(diào)峰負(fù)荷下的一次調(diào)頻能力進(jìn)行了分析和優(yōu)化，取得了較好效果［1-20］。對火電機(jī)組深度調(diào)峰調(diào)頻的建模及控制優(yōu)化方面的研究工作也方興未艾，文獻(xiàn)［21］分析了深度調(diào)峰負(fù)荷下亞臨界機(jī)組簡化非線性模型參數(shù)變化規(guī)律，結(jié)合PID控制實(shí)現(xiàn)了亞臨界機(jī)組的寬負(fù)荷調(diào)峰；文獻(xiàn)［22］將基于不同負(fù)荷段調(diào)速系統(tǒng)的多模型預(yù)測控制和PID控制相結(jié)合，保證了機(jī)組在超低負(fù)荷運(yùn)行時的一次調(diào)頻性能；文獻(xiàn)［23］基于一次調(diào)頻模型的經(jīng)驗(yàn)知識確定模型結(jié)構(gòu)，結(jié)合一種改進(jìn)群優(yōu)化算法辨識獲得模型參數(shù)，得到在深度調(diào)峰狀態(tài)下一次調(diào)頻能力與常規(guī)負(fù)荷條件下相比調(diào)頻裕度變大、需優(yōu)化調(diào)整一次調(diào)頻控制參數(shù)的結(jié)論。

本文提出一種基于虛擬參考反饋算法（Virtual Reference Feedback Turning，VRFT）和經(jīng)典PID控制相結(jié)合的控制器直接設(shè)計(jì)方法。結(jié)合某600 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，用隨機(jī)信號激勵模型獲得輸入輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)列直接設(shè)計(jì)一次調(diào)頻負(fù)荷控制器。仿真結(jié)果表明，用該方法設(shè)計(jì)得到的低負(fù)荷一次調(diào)頻回路無超調(diào)，收斂快，能夠?qū)崿F(xiàn)較參考模型的精準(zhǔn)控制，并具有良好的抗噪聲能力和魯棒性。

1 汽輪機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型

本文采用一種動態(tài)雙過調(diào)改進(jìn)模型［24］，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過傳遞函數(shù)框圖的等效變換分析可知，該模型由7個前向環(huán)節(jié)構(gòu)成一個有自平衡能力的對象。各參數(shù)物理意義明確，Tp1為高壓缸蒸汽容積時間常數(shù)；Tp2為再熱器蒸汽容積時間常數(shù)；Tp3為連通管蒸汽容積時間常數(shù)；α1為高壓缸功率比；α2為中壓缸功率比；α3為低壓缸功率；NGV為進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量；NM為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械功率輸出；λg為高壓缸功率自然過調(diào)系數(shù)；λz為中壓缸功率自然過調(diào)系數(shù)。

圖1 汽輪機(jī)動態(tài)模型原理圖Fig.1 Principle diagram of steam turbine dynamic model

圖2為機(jī)組四個典型工況下一次調(diào)頻模型的階躍響應(yīng)曲線，可見，對汽機(jī)側(cè)而言，一次調(diào)頻模型的動態(tài)特性變化不大，且隨著機(jī)組負(fù)荷的降低汽機(jī)調(diào)功將更加靈敏，用傳統(tǒng)PID控制即可取得較好的效果。

圖2 典型工況汽輪機(jī)模型階躍響應(yīng)Fig.2 Step response of steam turbine model under typical conditions

2 虛擬參考反饋算法

虛擬參考反饋算法（VRFT）最早由Guardabassi G.O.提出［25-30］，其本質(zhì)是一個模型參考控制問題。圖3為標(biāo)準(zhǔn)單回路模型參考控制框圖。控制器C(z；θ)作用于閉環(huán)控制系統(tǒng)時，如果該閉環(huán)系統(tǒng)被一參考信號r(t)激勵，它的輸出為M(z)r(t)。因此，使該閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和參考模型一樣的一個必要條件是這兩個系統(tǒng)有相同的輸出。如果已經(jīng)采集了對象的兩組數(shù)據(jù)，一組是輸入u的測量值，另一組是對應(yīng)的輸出y的測量值。給定測量值y(t)，考慮一個參考信號r(t)，使M(z)r(t)=y(t)，其中M(z)是期望的閉環(huán)控制系統(tǒng)的虛擬參考模型，y(t)是閉環(huán)控制系統(tǒng)的期望輸出。之所以稱之為虛擬參考是因?yàn)閰⒖寄Ｐ蚆(z)不是用來產(chǎn)生輸出y(t)的。然后，計(jì)算相應(yīng)的跟蹤偏差e(t)=r(t)-y(t)。盡管對象P(z)是未知的，但當(dāng)P(z)被u(t)（實(shí)際測量的輸入信號）激勵時，它將產(chǎn)生y(t)作為輸出。因此，可根據(jù)u(t)和y（t）來辨識u(t)和e(t)之間的動態(tài)關(guān)系，即為控制器的動態(tài)特性。

圖3 單回路模型參考控制框圖Fig.3 Single-loop model reference control block diagram

以上所述的方法可通過如下的4個步驟來完成。

步驟2：選擇合適的濾波器L(z)來篩選信號u(t)和e(t)：eL(t)=L(z)e(t)，uL(t)=L(z)u(t)；

3 仿真實(shí)例

按照上文給出的虛擬參考設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)步驟，如式（2），由此可見，只需解決一個線性二次指標(biāo)問題即可獲得最優(yōu)控制器參數(shù)向量。在獲得虛擬參考輸入y0(t)和輸入控制器的偏差信號之后，采用最小二乘法對已知結(jié)構(gòu)控制器的參數(shù)向量進(jìn)行辨識。圖4為不同噪聲水平下閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性和參考模型的頻率特性的比較圖。a、b、c、d的噪聲方差σ2分別為0.001、0.1、0.25、1。由圖4可見，隨著噪聲水平的增加，閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性和參考模型頻率特性之間的差別越來越大。然而，該圖也反應(yīng)了VRFT方法本身具有一定的魯棒性。

圖4 不同噪聲水平下閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性Fig.4 Frequency characteristics of closed-loop system under different noise levels

4 基于VRFT-PID的一次調(diào)頻仿真

以上介紹了VRFT方法的基本原理，并給出了該方法在標(biāo)準(zhǔn)單回路控制系統(tǒng)中應(yīng)用的仿真實(shí)例。本節(jié)將VRFT算法應(yīng)用于一次調(diào)頻控制，為便于工程實(shí)現(xiàn)，控制器仍采用傳統(tǒng)PID。工程實(shí)踐中，通過汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模試驗(yàn)獲得并網(wǎng)機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的數(shù)學(xué)模型，為電力系統(tǒng)的中長期穩(wěn)定性仿真分析提供依據(jù)。在進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)時往往發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)超調(diào)大、穩(wěn)定時間長等問題，給現(xiàn)場辨識帶來難度，也不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。采用VRFT-PID方法設(shè)計(jì)得到的一次調(diào)頻控制回路可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時電量的精準(zhǔn)控制。

圖5為各典型工況下一次調(diào)頻閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線?？梢?，采用VRFT-PID設(shè)計(jì)得到的一次調(diào)頻控制系統(tǒng)在階躍信號激勵下對閉環(huán)參考模型的逼近效果好，基本無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間短，穩(wěn)定性好，并且能夠滿足機(jī)組在各個工況下對一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)需求，具有良好的適應(yīng)性。圖6為30%THA工況下，閉環(huán)系統(tǒng)方波信號響應(yīng)曲線。在設(shè)計(jì)好的閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出疊加一個均值為0、方差為0.01的白噪聲信號，控制系統(tǒng)仍能保持良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，可見基于VRFT-PID方法設(shè)計(jì)的一次調(diào)頻控制系統(tǒng)具有良好的抗噪聲能力。

圖5 典型工況一次調(diào)頻階躍響應(yīng)Fig.5 Step response of primary frequency modulation under typical working conditions

圖6 有噪聲時系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.6 Response curve of system with noise

5 結(jié)語

采用VRFT-PID設(shè)計(jì)一次調(diào)頻控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其能夠在被控對象未知的情況下，把控制器參數(shù)整定問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)辨識問題，通過采集對象輸入輸出數(shù)據(jù)一次計(jì)算得到控制器參數(shù)。仿真研究表明，該方法計(jì)算簡便，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，且具有一定的魯棒性和抗干擾能力。

大型燃煤機(jī)組在包含深度調(diào)峰工況的寬負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)組的調(diào)峰調(diào)頻能力限制因素主要在特性更加復(fù)雜的鍋爐側(cè)，充分挖掘機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)、優(yōu)化機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰能力將是下一步要考慮的問題。