【《电厂发电机组一次调频解决方案与控制策略的案例分析》7500字】

-PAGE128--PAGE127-电厂发电机组一次调频解决方案与控制策略的案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u6277电厂发电机组一次调频解决方案与控制策略的案例分析 1216341.1一次调频的问题分析及解决 157931.1.1工作中一次调频的问题 1232811.1.2问题的解决方案 3264111.2电厂协调控制策略 429261.3基于惯性组合滤波器的新型控制器NFC（APC-PID） 516651.1.1惯性组合滤波器 6219211.1.2新型积分器 9326161.1.3新型微分器 12297101.1.4新型比例积分控制器 15230051.1.5新型串级控制器 18205111.4仿真实验 20239281.4.1新型比例积分控制器控制仿真实验 20285431.4.2新型串级控制器控制仿真实验 24112411.4.3控制效率指标分析 271.1一次调频的问题分析及解决1.1.1工作中一次调频的问题以华能海门电厂#1机为例，经过与调度11月1日19时~11月2日8时的考核记录核对，合格率为3/8=37.5%。经过对此几个小时的DCS数据进行核对分析，结果如下：#1机组DCS一次调频动作了8次，且与调度的记录在触发时间、触发频率、持续时间等参数上不一致。一次调频动作核对（11月1日19时~11月2日8时）DCS一次调频动作记录调度一次调频考核记录机组开始时间持续时间开始时间持续时间结果#12018/11/119:24:39282018/11/119:21:0817合格#12018/11/123:05:29302018/11/123:05:0919合格#12018/11/20:23:45222018/11/20:15:3421不合格#12018/11/23:50:00162018/11/24:13:4523不合格#12018/11/25:32:20222018/11/26:04:3622不合格#12018/11/27:00:27522018/11/27:00:2916合格#12018/11/27:29:33392018/11/27:40:2732不合格#12018/11/28:14:17422018/11/28:06:5460不合格DCS三个转速记录时间转速1转速2转速32018/11/119:00:033002.13001.93001.92018/11/119:00:043002.13001.93001.92018/11/119:00:043002.13001.93002.12018/11/119:00:043002.13001.93002.12018/11/119:00:053002.13001.93002.32018/11/119:00:053002.13001.93002.32018/11/119:00:063002.33001.13002.12018/11/119:00:063002.33001.13002.12018/11/119:00:073002.33002.53002.82018/11/119:00:073002.33002.53002.8在通过对历史数据和资料的查找与分析，发现发电机组一次调频控制的信号基准是转速信号，而调度对一次调频进行考核依据的是频率信号。理论上转速信号和频率信号存在着固定的换算关系，但实际上在机组动态运行过程中，转速信号和频率信号存在信号精度和传输控制回路偏差，均会造成两者时间和幅值上不同步，很明显，转一次调频合格率低的原因是速测量精度不够导致。DCS转速测量精度达不到一次调频考核的要求，是最突出问题。电网稳定情况下，一次调频动作幅度往往在3002~3003、2997~2998，调频幅度一般不超过1rpm。从而提出用网频代替转速，来触发一次调频动作的设想。1.1.2问题的解决方案利用PMU频率作为电厂一次调频输入信号调度一次调频考核以广变PMU频率为基准，电厂PMU记录与调度考核数据一致性在95%左右。按照国家电网公司的标准要求，PMU装置都应具备同时和多个主站通信的功能。因此，可以增设一个模拟主站，和PMU装置通信。通信完全按照国家电网公司标准进行。模拟主站得到频率数值后，再通过通信方式将频率数值送入DCS。对华能汕头海门公司的DCS来说，可以直接将频率作为上网点广播到DCSA/B网上，然后通过DCS内组态参与一次调频。国家电网标准要求PMU测量后10ms内送出数据，加上模拟主站处理和转发的时间，频率数据到达DCS的时间延迟应在50ms以内，时间周期上满足一次调频控制要求。自2019年1月26日PMU监听装置安装调试后，#1机组一次调频合格率有了较为明显提升。治理前后机组各月一次调频合格率如下：20180820180920181020181120181220190120190220190320190420190521.132.331.424.340.140.564.152.598.196.31.2电厂协调控制策略为了适应电网调频辅助市场的要求，争取在调频辅助市场中获得较大收益，各电厂纷纷在综合调频性能指标上做文章，目的在于提高发电机组在调频辅助市场中的竞争力，在市场中分得一杯羹。要提高发电机组的综合调频性能指标，关键在于提高发电机组的调节速率，响应时间及调节精度，这对发电机组的协调控制系统提出了更高的要求。目前发电厂协调控制系统控制算法主要还是运用传统的PID（Proportionintegrationdifferentiation，PID）算法实现，PID算法是一种典型的当前、滞后、超前控制器，是一种闭环的有差调节，即当实际值与期望值有偏差时，控制器才开始运算调节。由于火电机组锅炉燃烧大时滞和负荷变化范围大的特性，常规的协调系统的PID控制策略无法满足火电机组调频辅助服务市场的需求。PID控制策略主要应用于设定值与过程值之间的偏差反馈控制回路中，包含了比例、积分与微分作用。PID算法控制的公式如下：CO=Kp式（3-1）是一个典型的PID算法，是对偏差e进行的代数运算。其中，Kp是比例系数，Ti为积分时间，TD为微分时间。PID控制算法中包含的比例、积分与微分计算部分，其中比例作用属于直接的偏差响应；积分作用是记忆到目前为此的偏差累积，有较大的滞后性；微分作用是通过检测偏差的变化方向，具备一定的预判性，对于提高控制系统调节品质是有利的。经典的PID控制是建立在偏差基础上的，属于事后控制方法。即当检测到系统有误差后，采用相应算法得到补偿控制量CO。这种控制方法的最明显的缺点是：在大惯性控制对象回路中，采用PID控制器通常难以获得较好的调节品质。为此，针对如锅炉主汽温及汽压这样的大惯性系统而言，为了获得较好的控制效果，采用高级控制显得尤为必要。1.3基于惯性组合滤波器的新型控制器NFC（APC-PID）为了提高低阶控制器在难控过程的控制性能，李军等人提出了一种基于内反馈器(Internalfeedbackdevice，IFD)和高增益PI(HighgainProportional-Integral，HGPI)控制器的内反馈控制器(Internalfeedbackcontroller，IFC)，通过HGPI的作用，将IFD反转，构造了一种内部PID(InsidePID，IPID)控制与内部超前相位校正的控制策略，对难控过程具有较好的控制性能;从IFC中提炼出一种惯性组合滤波器(Inertialcombinationfilter，ICF)。将ICF用于构造一种新型积分器(Newintegrator，NI)，有效提高了跟踪输入常值扰动的效率。将ICF用于构造一种新型微分器(Newdifferentiator，ND)，有效提高了微分性能。将比例(Proportional，P)控制（简称P作用）、NI用于构造一种新型比例-积分(NewProportional-Integral，NPI)控制器，将P作用、ND用于构造一种新型比例-微分(NewProportional-Derivative，NPD)控制器，将NPD和NPI用于构造一种新型串级控制器(Newcascadecontroller，NCC)。NPI和NCC仅依据过程响应的信息进行参数整定，具有简单性和良好的工程易用性，对难控过程具有较好的控制性能，在反馈控制上完全摆脱了模型束缚。“效率指标”对工业装置的运行优化控制具有重要意义。从控制器的角度看，效率指标包括过程输出跟踪过程给定的效率指标、简称跟踪效率指标(Trackingefficiencyindex，TEI)，控制输出控制过程输出的效率指标、简称控制效率指标(Controlefficiencyindex，CEI)。TEI代表的是一种“速度”，CEI代表的则是一种“效益消耗比”。NPI和NCC的最大意义在于能够有效地提高TEI和CEI，其中提高CEI对于工业过程控制尤为重要。1.1.1惯性组合滤波器IFC的核心的IFD，实质是一种过程对象(Processobject，PO)的并联降阶器(Parallelreductionorder，PRO)，通过将IFD与PO进行并联，将控制的阶次降低为一阶，这是IFC提高控制性能的基本原理。IFD表达为(3-2)式中，WIFD(s)为IFD的传递函数。KIFD为IFD的增益，TIFD为统一的时间常数，n为整数阶次。文中从IFD中，提炼出ICF，表达为(3-3)式中，WICF(s)为ICF的传递函数，TICF为时间常数。WICF(jω)为ICF的频域函数，GICF(ω)为ICF的幅频增益，PHICF(ω)为ICF的相频相位，ω为正弦频率。ICF具有典型的低通滤波(Lowpassfilter，LPF)特性，其中ICF的特殊形式，一阶惯性滤波器(Firstorderinertialfilter，FOIF)是n=1的ICF。FOIF表达为(3-4)式中，WFOIF(s)为FOIF的传递函数，TFOIF为惯性时间常数。WFOIF(jω)为FOIF的频域函数，GFOIF(ω)为FOIF的幅频增益，PHFOIF(ω)为FOIF的相频相位。用YS-ICF(t)表达ICF在单位阶跃输入的过程输出，其中在TICF=200s，得到的实验结果，如图3-1所示。图3-1惯性组合滤波器输出特性示意图由图3-1可见，n越大，ICF输出跟踪输入的速度也越快。但是随着n的增加，输出跟踪输入的速度趋于饱和。从工程应用的角度看，取n=16已经足够了。在n=16，TICF=TFOIF=200s，得到ICF和FOIF的幅频增益和相频相位特性，如图3-2、图3-3所示。图3-2幅频增益特性示意图图3-3相频相位特性示意图在图3-2中，GICF(ω)和GFOIF(ω)采用对数dB单位。通过对比可以发现，ICF的低通滤波特性明显优于FOIF，表现在ICF低通滤波的矩形系数(Rectanglecoefficient，RC)明显小于FOIF，也就是与矩形的接近程度明显高于FOIF。具体表现在:在高频衰减特性不变的前提下，ICF在-3dB增益的频率带宽(Frequencybandwidth，FB)约为FOIF的2.52倍。在低通滤波FB以内，ICF相位滞后明显小于FOIF。ICF具有多种重要的用途，列举如下:1)将ICF用于过程信号的去噪滤波，能够明显减小滤波滞后，对于提高控制回路的稳定性具有积极意义。2)将ICF用于纯滞后的近似，具有较高的近似度。在控制工程上，经常采用FOIF来近似纯滞后[37]。这种近似虽然简单，但是存在近似误差较大的问题。3)将ICF逆用于超前观测。通过HGPI的作用，将ICF反转，构成了一种滞后过程的超前观测，具有较高的超前相位。1.1.2新型积分器从构造I作用的特殊方法看，如果用FOIF构造一种正反馈环节，可得到I作用，如图3-4所示。图3-4正反馈环节示意图I作用表达为(3-5)式中，WI(s)为I作用的传递函数。TI为积分时间常数。数量上，TI=TFOIF。WI(jω)为I作用的频域函数，GI(ω)为I作用的幅频增益，PHI(ω)为I作用的相频相位。同样的原理，利用ICF构造NI，如图3-5所示。图3-5新型积分器示意图NI表达为(3-6)式中，WNI(s)为NI的传递函数，TNI为NI的积分时间常数。数量上，TNI=TICF。NI的频域函数表达为(3-7)式中，WNI(jω)为NI的频域函数。GNI(ω)为NI的幅频增益，PHNI(ω)为NI的相频相位。对于n=16的情况，在TNI=TI时，当ω→0，NI的增益约为I作用的1.882倍。当ω→∞，NI的增益与I作用相同。由式(3-7)可知，在TNI=TI时，NI的低频增益是I作用的1.882倍，这是NI显著优于I作用的数学依据。用YS-NI(t)和YS-I(t)表达NI和I作用在单位阶跃输入的过程输出，在TNI=TI=200s，得到的实验结果，如图3-6所示。图3-6积分器和新型积分器输出特性示意图由图3-6可见，NI具有比I作用更高的输出效率，表明了NI能够有效提高跟踪常值扰动的效率。在TNI=TI=200s，得到NI和I作用的幅频增益和相频相位特性，如图3-7、图3-8所示。图3-7积分器和新型积分器幅频增益特性示意图图3-8积分器和新型积分器相频相位特性示意图在图3-7中，GI(ω)和GNI(ω)采用对数dB单位。其中在ω<0.01rad/s时，GNI(ω)高出GI(ω)约5.49dB，约为1.882倍，表明了NI能够有效提高控制器的低频增益。之后文中如无特别说明，在ICF中，默认n=16。1.1.3新型微分器PID中的实际微分器(Actualdifferentiator，AD)[39]是一种FOIF的跟踪结构，如图3-9所示。图3-9实际微分器示意图AD表达为(3-8)式中，WAD(s)为AD的传递函数，TD为微分时间常数。数量上，TD=TFOIF。KD为AD的增益。WAD(jω)为AD的频域函数，GAD(ω)为AD的幅频增益，PHAD(ω)为AD的相频相位。同样的原理，利用ICF构造ND，如图3-10所示。图3-10新型微分器示意图ND表达为(3-9)式中，WND(s)为ND的传递函数，TND为ND的微分时间常数。数量上，TND=TICF。KND为ND的增益。WND(jω)为ND的频域函数，GND(ω)为ND的幅频增益，PHND(ω)为ND的相频相位。用YS-AD(t)和YS-ND(t)分别表达AD和ND在单位阶跃输入的过程输出，在TND=TD=200s，KD=KND=1，得到的实验结果，如图3-11所示。图3-11微分器输出特性示意图由图3-11可知，相对AD，ND的截止速度较高，表明了ND的微分性能优于AD。在TD=TND=200s，得到ND与AD的的幅频增益和相频相位特性，如图3-12、图3-13所示。图3-12微分器幅频增益特性示意图图3-13微分器相频相位特性示意图在图3-12中，GND(ω)和GAD(ω)采用对数dB单位。由图3-13可知，ND的相频相位特性明显优于AD。将AD看成是高通滤波器，在TD=TND=200s，得到AD的截止频率为0。005rad/s。出于对比，在ω=0.005rad/s，得到PHAD(ω)=45°，PHND(ω)=69.55°。可见，ND的相位滞后明显小于AD。1.1.4新型比例积分控制器将P作用、NI用于构造NPI。表达为(3-10)式中，WNPI(s)为NPI的传递函数。KNPI为NPI的外部比例增益，NPI的内部比例增益固定为1。出于研究的目的，定义控制系统(Controlsystem，CS)，如图3-14所示。图3-14控制系统示意图在图3-14中，控制器(controller，C)具体为PI、NPI、PID、NCC等。外扰通过扰动模型(Disturbancemodel，DM)直接耦合到PO的过程输出中。出于研究的目的，定义PO和DM为(3-11)式中，WPO(s)为PO的传递函数。Kα为过程增益，Tα为惯性时间常数，nI为整数阶次，TL为纯滞后时间常数。WDM(s)为DM的传递函数，TDM为DM的惯性时间常数。NPI开环系统频域特性，表达为(3-12)式中，WNPI-OL(jω)为NPI开环系统频域函数。WNPI(jω)、WPO(jω)分别为NPI、PO的频域函数。GNPI-OL(ω)为NPI开环系统频域幅频增益，PHNPI-OL(ω)为NPI开环系统频域相频相位。对于难控过程，NPI参数整定原则为(3-13)式中，T0.63为过程滞后时间，PG为过程增益(ProcessGain)。根据式(3-12)，KNPI整定范围在0.4~0.5/PG。其中在KNPI=0.4/PG，在过程给定阶跃变化时，过程输出无超调。在KNPI=0.5/PG，过程输出超调量小于7%。在KNPI=0.45/PG，过程输出超调量小于1.5%。给出的NPI参数整定原则避开了模型辨识、模型降价、PID参数整定等繁琐的问题，适用范围从一阶惯性过程(Firstorderinertialprocess，FOIP)到完全滞后系统通常通过在现场的开环阶跃激励响应试验获取T0.63和PG，如图3-15所示。图3-15开环阶跃激励响应试验示意图在图3-15中，YP(t)为过程输出，YS(t)为开环阶跃激励输入。Rend为YP(t):YS(t)的终值，T0.63为YP(t):YS(t)上升到0.63Rend的时间，Tend为趋势段的截止时间，Rend具体代表了PG。具体在PO参数为:nI=2，Kα=1，Tα=100s，TL=200s。可以得到PO的过程响应信息为:PG=1，T0.63412s。得到A组NPI参数为:(折中考虑)KNPI=0.45，TNI=412s。在Tα变化范围1~250s，Kα变化范围0.5~1.75，TL变化范围TL=2Tα。得到PMNPI-OL的计算结果，如图3-16所示。图3-16新型PI控制器开环系统频域相位稳定裕度由图3-16可见，NPI具有良好的鲁棒性能。1.1.5新型串级控制器将NPD和NPI用于构造NCC，表达为 (3-14)式中，WNCC(s)为NCC的传递函数。WNPD(s)为NPD的传递函数。ωPFB为过程频率带宽(Processfrequencybandwidth，PFB)。NPD通常不单独使用。相对于NPI参数整定原则，NCC参数整定多了KND和TND项，但通常将KND固定为1。由于ωPFB在控制实际中不易获取，通常凭经验设置TND，如设置TND=0.25~0.5T0.63等。NCC开环系统频域特性，表达为(3-15)式中，WNCC-OL(jω)为NCC开环系统频域函数。WNPD(jω)为NPD频域函数。GNCC-OL(ω)为NCC开环系统频域幅频增益，PHNCC-OL(ω)为NCC开环系统频域相频相位，PMNCC-OL为NCC开环系统频域相位稳定裕度。具体在PO参数为:nI=2，Kα=1，Tα=100s，TL=200s，可以得到PO的过程响应信息为:PG=1，T0.63412s，(实验值)ωPFB0.0065rad/s。根据式(3-13)，得到A组NCC参数为:(折中考虑)KNPI=0.45，TNI=412s。TND=1/ωPFB154s。在与图3-16相同的过程变化条件下，得到PMNCC-OL的计算结果，如图3-17所示。图3-17新型串级器开环系统频域相位稳定裕度由图3-17可见，NCC具有良好的鲁棒性能。1.4仿真实验为了考察NPI和NCC的控制性能，在数字计算机上进行了仿真实验，其中数值离散计算间隔为1s。1.4.1新型比例积分控制器控制仿真实验首先设置NPI参数，并且将NPI与PI控制进行对比，对NPI和PI参数进行任意可能的整定，目的是研究NPI和PI的控制能力。但是过程输出单调不超调，简称为“对比约束”，为的是能够真实的进行对比。PI表达为(3-16)式中，WPI(s)为PI的传递函数，KP为比例增益。用CONPI(t)和PVNPI(t)表达NPI的控制输出和过程输出。用COPI(t)和PVPI(t)表达PI的控制输出和过程输出。在PO为4阶惯性过程，具体为:nI=4，Kα=1，Tα=100s，TL=0s。经过多次和反复调整，得到A组PI参数为:KP=0.46，TI=478s。B组NPI参数为:TNI=610s，KNPI=0。82。设置DM参数为:TDM=100s。在过程给定为1，外扰为0.5，得到的实验结果，如图3-18所示。图3-18PI与新型PI控制特性仿真实验结果(意图1)之后文中如无特别说明，保持DM参数，过程给定为1和外扰为0.5不变。在PO为2阶惯性加纯滞后过程，具体为:nI=2，Kα=1，Tα=100s，TL=200s。经过多次和反复调整，得到B组PI参数为:KP=0.35，TI=520s。C组NPI参数为:TNI=552s，KNPI=0.66。得到的实验结果，如图3-19所示。 图3-19PI与新型PI控制特性仿真实验结果(意图2) 根据图3-18和图3-19给出的实验结果，不能完全确定NPI或者PI的控制性能已经最好，但是在“对比约束”下也难以再进一步明显的提高它们的控制性能。因此可以得出基本结论:在控制性能上，NPI已经较好超越了PI控制。之后设置NPI参数。在PO为2阶惯性加纯滞后过程，具体为:nI=2，Kα=1，Tα=100s，TL=200s。采用之前给出的A组NPI参数。得到的仿真实验结果，如图3-20所示。图3-20新型PI控制特性仿真实验结果(意图1)将PO改为完全的纯滞后过程，具体为:nI=0，Kα=1，Tα=0s，TL=400s。由于T0。63变化不大，采用A组NPI参数，得到的仿真实验结果，如图3-21所示。图3-21新型PI控制特性仿真实验结果(意图2)将PO改为4阶惯性过程，具体为:nI=4，Kα=1，Tα=100s，TL=0s。由于T0。63变化也不大，采用A组NPI参数，得到的仿真实验结果，如图3-22所示。图3-22新型PI控制特性仿真实验结果(意图3)图3-20~图3-22给出的实验结果没有与PI控制进行对比，原因在于：基于确定模型的仿真实验，能够多次反复调整参数，直到满意为止。在控制实际中，在没有模型的前提下，仿真实验的结果无法验证。对于NPI完全不同，仅根据过程响应的信息整定参数，快速高效，与模型完全无关。从实验结果看，与过程滞后的性质关系并不大。图3-18~图3-22给出的实验结果表明，NPI在控制性能上，在简单性和工程易用性上已经较好超越了PI控制。在实际运用中，在式(3-12)给出的原则基础上，对NPI的参数进行适当调整也是可能的。1.4.2新型串级控制器控制仿真实验用CONCC(t)和PVNCC(t)表达NCC的控制输出和过程输出。首先依据式(13)给出的原则设置NCC参数，在PO为2阶惯性加纯滞后过程，具体为:nI=2，Kα=1，Tα=100s，TL=200s。采用之前给出的A组NCC参数，得到的仿真实验结果，如图3-23所示。图3-23新型串级控制器控制特性仿真实验结果(示意图1)在PO为1阶惯性加纯滞后过程，具体为:nI=1，Kα=1，Tα=100s，TL=300s。采用A组NCC参数，得到的仿真实验结果，如图3-24所示。图3-24新型串级控制器控制特性仿真实验结果(示意图2)在图3-23实验结果基础上，针对ωPFB不易获取的实际问题，分别设置TND=77s、154s进行对比，得到的实验结果，如图3-25所示。图3-25新型串级控制器控制特性仿真实验结果(意图3)图3-25给出的实验结果说明，TND在较大范围变化，对NCC控制特性的影响并不明显。同样的原因，图3-24~图3-25给出的实验结果没有与PID控制进行对比。之后不按式(3-13)给出的原则设置NCC参数，并且在“对比约束”下与PID控制进行对比，目的是研究NCC的控制能力。PID表达为(3-17)式中，WPID(s)为PID的传递函数。用COPID(t)和PVPID(t)表达PID的控制输出和过程输出。在PO为2阶惯性加纯滞后过程，具体为:nI=2，Kα=1，Tα=100s，TL=200s。经过多次和反复调整，得到A组PID参数为:KP=0.45，TI=465s，TD=30s，KD=0.5。得到B组NCC参数为:KNPI=0.6，TNI=446s。TND=175s，KND=0.965。在A组PID参数和B组NCC参数下，得到的实验结果，如图3-26所示。图3-26PID与新型串级控制器控制特性仿真实验结果从输入控制输出的角度看，在图3-26中，NCC控制进入5%稳态误差的调节时间为521s，PID控制为761s。可见，NCC控制的过程响应速度显著高于PID控制。1.4.3控制效率指标分析在工程上，通常采用均方值(Meansquarevalue，MSV)[41]来计算信号在