摘要：針對大型機組進入小網(wǎng)控制出現(xiàn)的頻率波動等特點，本文基于NT6000DCS控制系統(tǒng)上提出一種機爐優(yōu)化控制策略，通過理論分析和在舟山電廠實驗，協(xié)調(diào)機爐負(fù)荷和頻率控制以及提高調(diào)速控制回路速度，優(yōu)化DEH硬件，能夠滿足機爐對小網(wǎng)控制的要求。
關(guān)鍵詞：小網(wǎng)控制；NT6000DCS控制系統(tǒng)；優(yōu)化控制策略；DEH
ABSTRACT: To the characteristic of the frequency fluctuations appeared the large Units into the isolated power network, Base on the NT6000 Distributed Control System, the paper propose a new boiler-turbine optimal control strategy. After theoretical analysis and experimentation in ZhouShan plant, By coordination of boiler load and turbine frequency control, and improve the speed control loop speed, optimize the DEH hardware, we can meet the requirement for the isolated power network control.
KEY WORDS: the isolated power network control; NT6000 Distributed Control System; optimal control strategy; DEH
0 引言
隨著中國經(jīng)濟的長期高速發(fā)展，中國電力工業(yè)也向著現(xiàn)代化和大型化發(fā)展，在小型電網(wǎng)中備受關(guān)注的孤網(wǎng)和小網(wǎng)控制問題已經(jīng)較少被人提及。2008年南方雪災(zāi)中的電網(wǎng)故障引發(fā)大面積停電，造成重大損失的嚴(yán)重后果，向我們敲醒了警鐘，在大型電網(wǎng)中，孤網(wǎng)和小網(wǎng)控制問題仍然是保障電力工業(yè)安全的重要技術(shù)支撐。
舟山是我國的第四大島，是一個由群島組成的城市。島上的用電主要由舟山發(fā)電廠提供，同時有跨海電纜與大陸電網(wǎng)相連。這樣特殊的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)決定了舟山發(fā)電廠的技術(shù)裝備要求方面，對孤網(wǎng)和小網(wǎng)控制有著更加現(xiàn)實的需求。
所謂小網(wǎng)，一般泛指對脫離大電網(wǎng)的小容量的電網(wǎng)。在電力建設(shè)規(guī)程中規(guī)定，電網(wǎng)中單機容量應(yīng)小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%，以保證當(dāng)單機甩負(fù)荷時不影響電網(wǎng)的正常運行。關(guān)于電網(wǎng)的頻率偏差，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，裝機容量在3000MW及以上電力系統(tǒng)，頻率允許偏差為Hz；裝機容量在3000MW以下電力系統(tǒng)，頻率允許偏差為Hz。
小網(wǎng)控制，最突出的特點，是由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制，要求調(diào)速系統(tǒng)具有符合要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性，以保證用戶負(fù)荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定[2]。因此，小網(wǎng)控制應(yīng)具有一次調(diào)頻能力。同時，一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)，為了維持小網(wǎng)頻率在額定頻率附近，還應(yīng)要求機組調(diào)速系統(tǒng)具有二次調(diào)頻能力。對單臺機組在從滿負(fù)荷狀態(tài)下，甩負(fù)荷到廠用電，還應(yīng)保證其最高轉(zhuǎn)速小于ETS（Emergrncy Trip System，汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)）保護動作值。
本文基于NT6000DCS（Distributed Control System，分散控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)，設(shè)計了一種機爐協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，提高調(diào)速控制回路速度，優(yōu)化設(shè)計DEH硬件，通過理論分析和在舟山電廠中的實踐，表明該控制方案能提高小網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性，滿足小網(wǎng)控制的要求。
1 小網(wǎng)控制調(diào)頻原理
小網(wǎng)的頻率直接反映了小網(wǎng)有功功率供求關(guān)系是否平衡，當(dāng)供大于求時，小網(wǎng)的頻率會升高，反之會降低。發(fā)電機組可以通過分析小網(wǎng)的特征，優(yōu)化機組的靜態(tài)和動態(tài)特性，來維持小網(wǎng)頻率的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。小網(wǎng)的調(diào)頻特性，包括靜態(tài)調(diào)頻和動態(tài)調(diào)頻，是小網(wǎng)負(fù)荷變化所引起的電網(wǎng)頻率變化的傳遞關(guān)系。
1.1一次調(diào)頻原理
一次調(diào)頻，是機組在保證安全的前提下，適當(dāng)利用機組的蓄熱快速改變調(diào)門開度，調(diào)節(jié)機組的負(fù)荷，使小網(wǎng)頻率穩(wěn)定在靜態(tài)特性規(guī)定的偏差范圍內(nèi)。
現(xiàn)代廣義的電網(wǎng)一次調(diào)頻功能，需要考慮汽輪機、鍋爐、發(fā)電機以及電網(wǎng)間的相互協(xié)調(diào)問題，應(yīng)當(dāng)以整臺機組作為控制對象。從功能上講，汽輪機要快速響應(yīng)外界負(fù)荷、頻率的變化，鍋爐側(cè)要維護主汽壓力在調(diào)頻過程中穩(wěn)定。電力系統(tǒng)要求電源功率與負(fù)荷必須動態(tài)平衡，當(dāng)電源功率或負(fù)荷發(fā)生波動時，機組的頻率也會發(fā)生相應(yīng)的變化。
機組的一次調(diào)頻，屬于靜態(tài)調(diào)頻特性，一般用汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的速度變動率及遲緩率表示。
速度變動率是指汽輪機由滿負(fù)荷到空負(fù)荷的轉(zhuǎn)速變化與額定轉(zhuǎn)速的比例，其計算公式如下：
（1）
其中，為空負(fù)荷時轉(zhuǎn)速，為額定功率時轉(zhuǎn)速，為額定轉(zhuǎn)速。
由于液壓調(diào)節(jié)器及液壓部分的非線性，文獻[3]中采用局部速度不等率的概念，即
（2）
可得：
（3）
當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或汽輪發(fā)電機出口跳閘，汽輪機由帶滿負(fù)荷甩負(fù)荷到帶廠用電時，，可得，即，甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速會快速飛升，造成電網(wǎng)頻率發(fā)生較大波動，為滿負(fù)荷，為帶廠用電負(fù)荷，為滿負(fù)荷時轉(zhuǎn)速，為帶廠用電時轉(zhuǎn)速。
進一步研究汽輪機轉(zhuǎn)子力矩平衡方程：
（4）
（5）
式中，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，為轉(zhuǎn)子角速度，為汽輪機蒸汽力矩，為發(fā)電機反力矩，為汽輪機內(nèi)功率，為蒸汽流量，為汽輪機焓降，為汽輪機內(nèi)效率，為汽輪機轉(zhuǎn)速。
前面分析，在機組甩負(fù)荷后，汽輪機轉(zhuǎn)速飛升，，又發(fā)電機反力矩 與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，一次調(diào)頻特性用來實現(xiàn)小網(wǎng)頻率穩(wěn)定，即，由公式（5）得，通過改變蒸汽流量（定壓模式）或者汽輪機焓降（滑壓模式）來增大蒸汽力矩實現(xiàn)。
一次調(diào)頻的原理如圖1所示。
圖1 一次調(diào)頻控制原理圖
1.2二次調(diào)頻原理
二次調(diào)頻主要是為了保證電網(wǎng)的頻率維持在恒定值，屬于動態(tài)調(diào)頻。
一次調(diào)頻是有差調(diào)頻，不能完全消除小網(wǎng)頻率的偏差，為此，DEH系統(tǒng)設(shè)計了二次調(diào)頻功能，當(dāng)出現(xiàn)小網(wǎng)運行或快速減負(fù)荷（FCB）時，能迅速穩(wěn)定電網(wǎng)周波。所謂二次調(diào)頻過程是根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差，通過改變調(diào)頻機組調(diào)速系統(tǒng)的給定值，將電網(wǎng)負(fù)荷變化轉(zhuǎn)移到由調(diào)頻機組來承擔(dān)，使電網(wǎng)頻率回到額定值。
通常二次調(diào)頻是由網(wǎng)調(diào)調(diào)度來實施的，電網(wǎng)調(diào)度人員通過人工或自動手段，控制調(diào)頻機組調(diào)速系統(tǒng)給定值，完成二次調(diào)頻過程。
二次調(diào)頻采用PID控制器，其設(shè)定點為額定轉(zhuǎn)速3000r/min，反饋變量為機組實際轉(zhuǎn)速。二次調(diào)頻的輸出與當(dāng)然給定值的疊加，作為一次調(diào)頻的給定值[4]。
二次調(diào)頻的原理圖如圖2。
圖2 二次調(diào)頻控制原理圖
2 控制方案
2.1存在問題
小網(wǎng)控制一次調(diào)頻要求機組調(diào)速響應(yīng)非常迅速，汽輪機在甩負(fù)荷過程中，每秒鐘的轉(zhuǎn)速飛升量能夠達到200r以上，對于常規(guī)的DEH控制回路如圖3所示，轉(zhuǎn)速卡一般會有20ms的延時，DCS控制周期一般在200ms左右，輸出卡和伺服卡的信號傳遞也會產(chǎn)生約50ms的延時，那么整個系統(tǒng)的控制時延在270ms左右，也就是說，會產(chǎn)生54r的轉(zhuǎn)速飛升，過大的時延會嚴(yán)重降低小網(wǎng)調(diào)頻控制品質(zhì)。
圖3 常規(guī)DEH的轉(zhuǎn)速控制回路
一次調(diào)頻動作主要是由汽輪機側(cè)完成，時間短，速度快，而汽輪機和鍋爐的響應(yīng)特性不同，鍋爐的響應(yīng)慢，鍋爐的能量信號（表示汽機調(diào)節(jié)級壓力，表示主蒸汽壓力，表示主汽壓力）隨汽輪機閥門開度發(fā)生劇烈變化，同時會造成鍋爐燃燒工況出現(xiàn)極大擾動，甚至導(dǎo)致鍋爐滅火。
另一方面，甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速迅速飛升，達到原DEH系統(tǒng)中OPC動作的設(shè)定點103%，從而造成OPC在3090r/min時動作。OPC動作后，調(diào)門全部關(guān)閉，機組出力小于小網(wǎng)上的電負(fù)荷，汽機轉(zhuǎn)速下降，OPC消失，調(diào)門打開，機組負(fù)荷又迅速上升，如此反復(fù)，使得小網(wǎng)頻率反復(fù)震蕩，最終可能導(dǎo)致小網(wǎng)崩潰[5]。
2.2鍋爐側(cè)控制方案
針對小網(wǎng)運行時，一次調(diào)頻會經(jīng)常動作汽輪機閥門，導(dǎo)致鍋爐主汽壓力經(jīng)常波動，同時主汽壓力不穩(wěn)定反過來又會影響一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)品質(zhì)。文獻[6]指出，一次調(diào)頻特性在較高頻段受主汽壓力變化影響不大，而在低頻段考慮主蒸汽壓力變化后一次調(diào)頻增益明顯偏小，會出現(xiàn)一定時間之后一次調(diào)頻出力回落、偏離理想設(shè)計性能。
在鍋爐側(cè)，NT6000DCS系統(tǒng)設(shè)計如下控制方案。
（1）充分利用鍋爐蓄熱，消除機組一次調(diào)頻對鍋爐側(cè)主汽壓力等參數(shù)的影響。
（2）為了提高調(diào)頻性能，引入CCS側(cè)一次調(diào)頻邏輯，自動調(diào)節(jié)主汽壓力。
（3）在鍋爐側(cè)主控輸入增加速率限制模塊，減小由于汽輪機閥門開度過頻變化引起的鍋爐主控指令過快變化，同時要考慮對其他工況的影響。
（4）加強對主要參數(shù)的監(jiān)控及調(diào)整，及時跟蹤，當(dāng)出現(xiàn)主汽壓力等參數(shù)波動過大，超出設(shè)定限制，引入輔機故障減負(fù)荷(RB)邏輯。
2.3汽機側(cè)控制方案
針對汽機側(cè)一次調(diào)頻存在的問題，NT6000DCS系統(tǒng)設(shè)計了改進后的控制策略，方案如下。
（1）優(yōu)化DEH控制邏輯。在DEH中引入小網(wǎng)運行控制狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差超過一定范圍時，DEH自動進入小網(wǎng)控制狀態(tài)。這種設(shè)計能夠同時適應(yīng)并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行的要求。用戶正常時并入大電網(wǎng)，當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時，會脫離大電網(wǎng)進入小網(wǎng)控制狀態(tài)。
（2）設(shè)計快速一次調(diào)頻回路。DEH中將與一次調(diào)頻相關(guān)的轉(zhuǎn)速采樣，轉(zhuǎn)速三值優(yōu)選，一次調(diào)頻計算，調(diào)速指令輸出都設(shè)置為快速運行，運行周期小于50ms，轉(zhuǎn)速采樣和模擬量輸出模塊采用高速硬件，使控制周期小于100ms，提供DEH一次調(diào)頻的控制速度。
（3）設(shè)計智能OPC卡。在進入小網(wǎng)控制時，采用轉(zhuǎn)速加速度計算預(yù)估的轉(zhuǎn)速最高值，當(dāng)預(yù)估的轉(zhuǎn)速最高值高于OPC設(shè)定值時，提前動作OPC。由于OPC動作回路比調(diào)節(jié)閥動作回路要快200ms左右，這種設(shè)計將大大減小轉(zhuǎn)速飛升。在進入小網(wǎng)控制后，將103%OPC動作值抬高。
（4）減小DEH控制周期，在NT6000DCS系統(tǒng)中，設(shè)計直接接在IO總線上的伺服卡，省去了輸出卡的環(huán)節(jié)，改進后如圖4所示，控制器的控制周期減小到50ms，轉(zhuǎn)速卡的測量時延減小到1ms，整個系統(tǒng)的時延在51ms內(nèi)，由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速飛升減少80%以上。
圖4 改進后的轉(zhuǎn)速控制回路
綜上所述，圖5，為改進后的小網(wǎng)控制原理圖。
圖5 改進后的小網(wǎng)控制原理圖
3 系統(tǒng)應(yīng)用
舟山朗熹發(fā)電有限責(zé)任公司（舟山發(fā)電廠）作為“九五”期間浙江省重點工程，現(xiàn)有裝機容量為260MW，是舟山電網(wǎng)主力發(fā)電廠，目前發(fā)電量占電網(wǎng)總發(fā)電量的80%以上，現(xiàn)裝有1*300MW機組，采用NT6000DCS控制系統(tǒng)，正常情況下熱電廠接入電網(wǎng)系統(tǒng)，但在故障情況下，集團與大網(wǎng)的進線會斷開，則要求熱電廠在故障過程中，能夠完成從并入大電網(wǎng)到脫離大電網(wǎng)進入小網(wǎng)控制的切換，維護小網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
根據(jù)小網(wǎng)控制以及在舟山電廠實驗的情況，NT6000DCS系統(tǒng)還進行如下優(yōu)化設(shè)計。
（1）優(yōu)化NT6000控制器性能。NT6000DCS控制器型號為KM940，采用PowerPC8247芯片技術(shù)，支持精簡指令集（RISC），主頻400MHz，相當(dāng)于Pentinum400MHz芯片的運算能力。在冗余狀態(tài)下以50ms的控制周期運行，控制器負(fù)荷不超過15%。
（2）高速轉(zhuǎn)速卡設(shè)計。NT6000DCS系統(tǒng)轉(zhuǎn)速卡型號為KM523，在機組高速運行過程中，轉(zhuǎn)速卡連續(xù)記錄60個脈沖的時間，通過線性回歸得出轉(zhuǎn)速值，在額定轉(zhuǎn)速3000r/min下，60個脈沖的時間為20ms，為了進一步提高測量速度，不必等到60個脈沖全部被更新才進行轉(zhuǎn)速計算，只要有一個脈沖被更新，就能得到當(dāng)前最新的60個脈沖數(shù)據(jù)，這樣計算的結(jié)果，是轉(zhuǎn)速卡中的轉(zhuǎn)速測量周期減小到1/3ms。
（3）先進伺服卡設(shè)計。NT6000DCS的伺服卡型號為KM522，一般DCS沒有專門的伺服卡，采用第三方設(shè)備，需要通過通用的模擬量輸出卡(AO)將調(diào)門指令送到伺服卡。為了提高速度，NT6000在I/O總線上設(shè)計了伺服卡，省去了中間環(huán)節(jié)，伺服卡的控制調(diào)節(jié)周期小于15ms。
另外，NT6000DCS還采用了先進的控制策略與靈活的組態(tài)邏輯，通過在舟山電廠經(jīng)行小島運行控制實驗，從汽輪機脫網(wǎng)，甩部分負(fù)荷以及甩全部負(fù)荷，均能在允許的時間內(nèi)實現(xiàn)小網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，滿足小網(wǎng)控制的要求。
4 結(jié)論
上述理論分析和實驗結(jié)果表明，采用具有快速運算能力的NT6000控制器實現(xiàn)小網(wǎng)控制能夠取得良好的效果，并優(yōu)于其他調(diào)速方式。
基于NT6000的小網(wǎng)控制模式，邏輯設(shè)計靈活，能夠完成功能完善的小網(wǎng)控制邏輯，其較小的遲緩率和較好的控制靈敏度不僅有利并網(wǎng)控制品質(zhì)的提高，而且有利于小網(wǎng)控制品質(zhì)的提高。
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