摘 要：随着电网对安全生产和电能品质的要求越来越高及发电机组参与竞价上网势在必行，网内发电机组必将投入一次调频功能。由于超临界直流锅炉蓄热能力小，使其一次调频能力受到限制。通过仿真试验，提出了实现超临界直流锅炉一次调频功能控制策略的优化方案，改进后的控制系统有效地协调了直流锅炉和汽轮机间的能量平衡，使在由于一次调频引起功率快速升、降的过程中仍能维持较好的机前压力，确保了一次调频控制系统的长期、稳定投入。
关键词：超临界;直流锅炉;一次调频;协调控制系统;优化控制
Abstract: With the increasingly strict criteria for safety and quality of power grid, along with the inclination of quoted price compe-tition in power industry, it is inevitable to put the frequency modulation into use on power uNIts. Since supercritical once-through boiler has only a small heat storage caPACity its prima frequency regulation capability is limited. Through simulation comparison, an appropriate optimized control strategy for the primary frequency regulation of supercritical once-through boile was proposed. The practical running results showed that this improved primary frequency regulation control system could effectively keep the energy balance between once-through boiler and steam turbine.Hence in the process of promptlv increasing or ecreasing the unit's load under the action of primary frequency regu lation control system the throttle pressure before the steam, turbine could be maintained in the safe range, thus ensuring the long-time stable operation of primary frequency regu lation control system.
Key words:Supercritical ; Once-through ; boiler ; Primary frequency regulation ; Coordinated control system ; Optimized control
引 言
一次调频是指电网的频率一旦偏离额定值时，电网中发电机组的控制系统可根据电网频率变化方向自动地增减机组有功功率，抑制电网频率的变化，使电网频率维持在额定值的自动控制过程。即当电网频率降低时，一次调频功能要求机组利用其蓄热快速增加发电功率;反之，当电网频率升高时，则要求机组快速减功率。超临界机组常常由协调控制系统和汽轮机数字电液控制系统共同完成一次调频功能，这样既可保证一次调频的速度，又可保证机组参与一次调频的持续性[ 7 ]。
1 直流锅炉实现一次调频功能存在的问题
火电机组的一次调频功能是通过调节汽机高压调门，利用机组蓄热来快速响应电网频率变化。频率高时，关调门，提高主汽压力，增加机组蓄热;频率低时，开调门，降低主汽压力，释放机组蓄热。相对汽包锅炉而言，直流锅炉的蓄热能力很小，因此，超临界直流锅炉如何利用蓄热快速参与电网一次调频一直以来都是一个技术难题。
超临界直流锅炉的协调控制系统的负荷指令运算回路和亚临界机组基本相同，但主控系统锅炉侧控制策略与汽包炉差异较大[ 6 ]。对直流锅炉而言，当机组的负荷指令变化时，通常先改变锅炉的给水量和给煤量，待机前压力变化后再改变汽机的负荷指令，以达到改变机组的实发功率的目的。即采用以“汽机跟随( T F )”为基础的协调控制方式，采用这种运行方式，机组的负荷响应速度慢，调峰能力较差，不能满足电网调频的要求。若需使直流锅炉参加一次调频，就应充分利用其蓄热，协调好锅炉负荷指令与汽机负荷指令。但是，利用直流锅炉蓄热，必然会导致机前压力的波动，减少压力波动的办法是：一方面要适度利用蓄热;另一方面必须加快煤量及给水量的调节。因此，对于采用直吹式制粉系统的直流锅炉，由于锅炉的惯性和纯滞后较大，在负荷调节时，不仅需加快磨煤机一次风的流量调节，以吹出磨煤机中的少量存煤粉，加快锅炉的动态响应速度;而且，还需采用先进的内模控制技术来补偿锅炉的大惯性，协调好锅炉快速性与稳定性之间的矛盾。只有这样，才能协调好锅炉和汽轮机间的能量平衡，确保一次调频的投入[1]。
2 原控制方案不足及改进策略
汽机跟随(T F )方式的协调控制系统的控制策略如图1所示。
该方案以汽机调压，锅炉调功为主要特征。当机组升、降负荷时，先改变锅炉的给水量和给煤量，待锅炉的蒸汽流量发生变化后，再调整汽机调门的开度，改变机组的实发功率。这种方案的特点是机前压力的变化较小，但由于没有利用锅炉的蓄热，导致机组的负荷响应速度较慢。要使直流锅炉机组的负荷响应速度能满足一次调频的要求，就必须对T F 方式的协调控制系统进行优化调整，主要的优化调整在如下几个方面：①即使直流锅炉的蓄热能力较差，但利用直流锅炉的部分蓄热，是加快直流锅炉机组负荷响应速度的一个重要途径。②对基于T F 方式的协调控制系统，负荷的响应速度在很大程度上取决于锅炉侧的响应情况，锅炉的大滞后、大惯性是锅炉本身的特性，这是控制系统无法改变的。因此，加快锅炉侧响应速度的方法是：当机组负荷指令改变时，加快锅炉给水量和给煤量的动作速度，以弥补锅炉的惯性和滞后。但对大滞后的对象，若采用一般的P I D 控制方案，当给水量和给煤量动作速度加快时，会造成控制系统的不稳定，甚至会造成给水量和给煤量信号的反复振荡。为解决锅炉侧燃烧快速性与稳定性之间的矛盾 ，需采用先进的控制策略和控制方案。通过内模补偿控制策略以补偿锅炉的惯性，使补偿后的锅炉等效对象具有较好的动态特性，使等效对象具有较小的惯性和滞后。只有这样，才能在加快锅炉给水量和给煤量的动作速度时，仍能保证机组的稳定性，才能使机组在使用一定蓄能的前提下，仍保持机前压力相对稳定，满足安全、经济运行的要求[ 1 ]。改进后协调控制系统的方案如图2 所示。
图2 中，该方案的特点是锅炉、汽机均参与调功和调压。汽机侧的“压力浮动控制模块”是根据经频差校正后机组功率指令N0、机组实发功率NE来计算机组压力定值的校正信号。压力定值的校正信号是动态的，其目的是为了在机组功率指令变化时，暂时修正机组的压力设定值，使汽机调门根据需要适当动作。显然，这是为了在机组升、降负荷时适当利用机组的蓄能加快机组的负荷响应速度，从而实现机组的一次调频功能。锅炉侧的“机对炉协调模块”是根据汽机调节级压力的动态变化情况即汽机调门的动态变化情况来协调锅炉的负荷指令，其目的是加强锅炉与汽机之间的协调，进一步加快锅炉的动作速度，减小机前压力的最大动差偏差;“锅炉动态特性内模补偿器”的功能是补偿锅炉的大惯性和大滞后，使补偿后的等效对象的动态特性具有较小的惯性，从而使锅炉具有较快的响应速度，且使锅炉侧的动态响应更加稳定[ 1 ]。
3 仿真试验
为了验证新型协调控制系统的有效性，针对以上两个控制策略，进行了仿真试验比较。试验时，假定功率指令作±5%的阶跃变化，持续时间为15min，两个控制系统的仿真响应曲线如图3 所示。
图3中PE、PE1是改进方案和原方案的功率响应曲线;Pt和Pt1是改进方案和原方案的机前压力响应曲线;UB和UB1是改进方案和原方案的锅炉负荷指令响应曲线;UT和UT 1是改进方案和原方案的汽机负荷指令响应曲线。从仿真曲线看出，采用改进的方案后，当机组的负荷指令发生变化时，锅炉负荷指令和汽机负荷指令均能快速动作，使机组的实发功率有较快的响应，从而可提高机组的调峰、调频能力。而采用原方案时，由于锅炉和汽机的负荷指令变化较慢，导致机组的负荷响应速度较慢，特别是在功率响应的起始时刻，功率的响应速度更慢。而功率起始响应的快慢直接影响着机组的调峰、调频能力。由此可见，采用原方案无法实现机组的一次调频功能，而改进方案的功率起始响应速度较快，可保证机组的一次调频功能。当然，由于改进方案利用了直流锅炉的部分蓄热，导致机前力的相对变化较大，但只要压力变化在允许的范围就应尽可能使用锅炉的蓄热，这也是设计机、炉协调制系统的基本准则4][5]。
4 结 论
直流锅炉的蓄热较小，但只要控制系统设计合理，机组仍能满足一次调频的要求。在设计直流锅炉协调制系统时需充分考虑：①尽管直流炉的蓄热较小，为加快负荷响应速度，也要充分利用，利用直流炉蓄热的关键是协调好锅炉负荷指令和汽机负荷指令。②在利用了锅炉蓄热的同时，必然造成机前压力波动较大，解决的办法是采用先进的控制策略，补偿锅炉的惯性，改善控制系统的调节品质[ 2 ]。
参考文献
1 张 斌.直流锅炉机组一次调频功能控制策略分析[J].江苏电机工程,2003.22卷1期21～22
2 沙友平等. 直流炉一次调频控制 策略研究与应用[J].中国电力,2003.36卷1期63～66
3 深圳妈湾发电总厂6号机组一次调频功能的应用[J].中国电力,2005.38卷11期54～57
4 吕剑虹,王建武,范 菁.电站热工控制仿真支撑系统[J].中国电力,2001,34(6) 50～53
5 吕剑虹,王建武,杨 榕等.电厂锅炉燃烧控制系统优化[J].中国电力,2001,34(10)：44～47
6 肖大雏.控制设备及系统[M].北京:中国电力出版社,2006
7 刘维烈.电力系统调频与自动发电控制[M]北京:中国电力出版社,2006
