新能源大规模并网条件下火电机组深度调峰控制策略优化_李玲
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在制粉系统设备结构确定的情况下制粉系统 惯性时间主要受磨煤机平均给煤量、一次风煤 比、煤质变化因素影响。平均给煤量越小、一次 风 煤 比 越 大 ， 制 粉 惯 性 时 间 越 小 [12]。 而 制 粉 系 统 迟延时间主要取决于煤在给煤机内输送时间、在 磨煤机内堆积时间和在一次风粉管道内输送时 间，同时磨煤机热一次风挡板开度和一次风压力 随给煤量波动动态变化也能减小制粉系统迟延时 间。超低负荷工况下，煤在给煤机内输送时间、 在磨煤机内堆积时间、在一次风粉管道内输送时 间都会增加，同时为了稳定燃烧需要减小一次风 量和一次风压波动，进一步导致制粉系统延迟时 间增加。表 4 列出了制粉迟延时间和惯性时间随 磨煤机平均给煤量变化趋势，可以看出，随给煤
1 简化非线性动态模型
典型亚临界汽包锅炉单元机组简化非线性动
态模型结构[7] 为
rM = uቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(t − τ)
Tf
drB dt
=
−rB + rM
Cb
d pd dt
= −K3 ptuT + K1rB
pt = pd − K2(K1rB)1.5
（1） （2）
（3） （4）
T
t
dNE dt
= −NE + K3 ptuT
2 模型参数变化分析
文献 [9] 分析了常规负荷范围内的简化非线性
动态模型中各项参数的变化情况，受机组运行工
况变化影响较大同时又会对协调控制性能产生显
著影响的参数包括：燃料增益 K1、锅炉蓄热系数 Cb、制粉系统迟延时间 τ 和惯性时间 Tf。
燃料增益 K1 主要受煤发热量、锅炉效率、汽 轮机热耗影响。其中与锅炉效率、汽轮机热耗、
表 1 列出了机组 4 组设计工况的数据，可以 看出，随发电负荷降低，燃料增益 K1 逐渐减小， 30%THA 工况点时减小为 100%THA 工况点时的 88.5%。
表 1 330 MW 机组 K1 变化情况 Table 1 Variation of K1 in the 330 MW unit
项目
摘 要：火电机组深度调峰运行是消除电源侧与电网侧双随机扰动、提高可再生能源消纳率的有效措施， 为此机组协调控制系统也需要进行改进，保证在大范围变工况运行时发电负荷 -机前压力的控制品质。针 对典型亚临界机组简化非线性动态模型，通过机理分析确定机组由额定负荷向深调峰负荷变化时模型中主 要参数的变化规律，再将经典 PID 参数整定方法同仿真分析相结合，得到主要工况点协调控制系统最优参 数，并提出适应工况变化的变参数控制逻辑。将此方法应用到某330 MW机组深调峰改造中，优化后的协调 控制系统可在 33%～100% 负荷范围内投入，并具有良好的控制品质。 关键词：深度调峰；控制策略；优化；变参数；仿真 DOI： 10.11930/j.issn.1004-9649.201811059
3 控制系统分析及仿真
依 据 机 组 实 际 协 调 控 制 组 态 逻 辑 和 式 （ 7） ～ （12）所示被控对象模型，在 Matlab 中搭建完整 的协调控制系统。依据对象模型设置 DEB 控制方 案中的蓄热系数和负荷指令前馈环节参数。在 100%THA 工况整定锅炉主控和汽机主控 PID 参 数，使发电负荷和机前压力控制品质达到最优。 通过对比不同工况点发电负荷指令扰动下机前压 力控制品质和燃料量波动幅度的变化，分析不同 负荷下被控对象参数变化对控制系统的影响。仿 真中，发电负荷指令变化幅度均为 30 MW，速率 均设置为 6.6 MW/min。图 1 为 100%THA 工况点的 负荷指令扰动仿真实验曲线，主要控制指标是： 负荷偏差小于 1.65 MW，压力偏差最大值 0.3 MPa， 燃料量动态过调量小于 20 t/h，以此作为控制系统 性能比较的基准。图中 SP 为设定值，PV 为反 馈值。
330 MW 机组锅炉汽水容积设计数据如表 2 所 示，滑压定值曲线和计算得到的锅炉蓄热系数相 对值如表 3 所示。可以看出，随机前压力降低，
156
第 1期
李玲等：新能源大规模并网条件下火电机组深度调峰控制策略优化
表 2 330 MW 机组锅炉汽水容积 Table 2 Vapor and water volume of boiler in the 330
主蒸汽流量呈单值函数关系。K1 可表示为
K1 = K1EηBηTE/(ηBEηT)
（13）
式中：K1E 为 100%THA 工况点的燃料增益 MW/(t·h-1)；ηB 和 ηBE 分别为实际工况点和 100%THA 工况点的锅炉效率；ηT 和 ηTE 分别为实 际工况点和 100%THA 工况点的汽轮机热耗， kJ/(kW·h)。
表 4 330 MW 机组 τ 和 Tf 变化情况 Table 4 Variation of τ and Tf in the 330 MW unit
给煤量/(t·h-1) τ相对值/% Tf相对值/%
48
40
32
24
100 125 155 196
100
91
80
66
量降低，制粉过程迟延时间 τ 逐渐增加，惯性时 间 Tf 逐渐减小。
15.75
10.58
7.64
过热蒸汽压力/MPa 17.30
14.95
10.11
7.41
机前压力/MPa
16.67
14.61
9.96
7.36
Cb相对值/%
100
118
141
165
锅炉蓄热系数 Cb 逐渐增加，30%THA 工况点时增 加为 100%THA 工况点时的 165%。
炉膛出口烟温降低、燃烧不稳定是锅炉超低 负荷工况下运行面临的主要问题。一般认为投入 燃烧器层数越多，燃烧安全性越高，一方面分散 某一层灭火对整个燃烧状态影响的比例，另一方 面当某层燃烧不稳定时，相邻层能够起到互相点 燃的作用，减弱灭火状态的扩散速度。例如某电 厂 330 MW 机组，50% 负荷下 3 台磨煤机对应 3 层 燃烧器运行，30% 负荷下仍然 3 台磨煤机对应 3 层燃烧器运行。磨煤机一次风量必须满足煤粉 输送能力要求，避免磨煤机和一次风粉管道发生 堵塞。随锅炉负荷降低给煤量减小，一次风煤比 显著提高。
（5）
155
中国电力
第 53 卷
p1 = 0.01ptuT
（6）
式中：uB 为锅炉燃料量，t/h；uT 为汽轮机高压缸
进汽调节门开度，%；pt 为汽轮机前蒸汽压力， MPa；NE 为机组负荷，MW；rM 为实际进入磨煤 量，t/h；rB 为锅炉燃烧率，t/h；pd 为汽包压力，
MPa；p1 为汽轮机一级压力，MPa；K1 为燃料增 益，MW/(t·h-1)；K2 为过热器阻力系数；K3 为汽 轮机增益，MW/(MPa·%)；τ 为制粉过程迟延时
间，s；Tf 为制粉惯性时间，s；Cb 为锅炉蓄热系 数，MJ/MPa；Tt 为汽轮机动态时间，s。
某电厂 330 MW 亚临界机组，锅炉型号为
B&WB-1196/17.5-M，汽轮机型号为 CZK330-
16.67/0.4/538/538， 设 计 煤 种 为 褐 煤 ， 制 粉 系 统 配
置 6 台 MPS190HP-Ⅱ型中速辊式磨煤机。在
100%THA（ 汽 耗 考 核 ） 工 况 点 ， 利 用 机 组 稳 定 工
况运行参数计算模型静态参数，利用燃料量扰动
实验确定制粉过程动态参数，利用锅炉汽水容积
设计数据计算蓄热系数，得到实际机组模型为
rM = uB(t − 23)
（7）
180 drB dt
=
−rB
+ rM
（8）
3
700 dpd dt
收稿日期：2018-11-05； 修回日期：2019-05-20。 基金项目：国家重点研发计划资助项目 (2017YFB0902100)。
纯凝机组机炉协调控制系统被控对象为燃料 量 -汽 轮 机 高 压 缸 进 汽 调 节 阀 开 度 对 汽 轮 机 前 蒸 汽 压力-发电负荷双入双出对象。文献 [6] 研究表 明，即使在 50%～100% 额定功率范围内，被控对 象有明显的非线性，发电负荷进一步降低时，对 象特性变化将更加明显。对被控对象有充分的了 解 是 设 计 一 个 性 能 良 好 的 控 制 系 统 的 前 提 条 件 [6]。 依据火电机组简化非线性动态模型，通过机理建 模分析超低负荷工况下模型中主要参数的变化规 律，通过仿真分析参数变化对协调控制系统性能 指标的影响，提出解决方法，最终将控制方法应 用于实际机组深度调峰协调控制系统优化中。
0 引言
以风电为代表的可再生能源发电发展迅速， 但由于其发电负荷具有强随机性，电网的消纳能 力 有 限 ， 造 成 大 量 “ 弃 风 、 弃 光 ” 现 象 [1-3]。 提 高 火电机组灵活性、实现火电机组深度调峰运行是 当前解决这一矛盾的主要措施，通过设备改造和 控制优化将正常工况发电负荷调节下限由 50% 额 定功率拓宽至 40%、30% 额定功率甚至更低，依 靠火电机组大范围调峰运行补偿电源侧、电网侧 的双随机扰动。同时，电网还要求机组在整个调 峰范围内投入 AGC（自动发电控制）和一次调频 功 能 以 随 时 消 除 各 种 扰 动 [4]。 限 于 热 力 系 统 结 构，火电机组原则上并不适合大范围、高速率变 工况运行。同常规负荷工况相对比，深度调峰负 荷工况下热力系统的设备状态和运行参数都会发 生变化，导致被控对象特性出现显著差异，这要 求控制系统必须做出有针对性的改进以适应机组 大 范 围 变 工 况 运 行 要 求 [5]。 在 东 北 、 西 北 地 区 ， 许多机组深度调峰运行时无法投入协调控制方 式，进而导致无法投入 AGC 和一次调频功能。
MW unit
设备 容积/m3
省煤器 60
水冷壁 160
汽包 52
过热器 195
表 3 330 MW 机组 Cb 变化情况 Table 3 Variation of Cb in the 330 MW unit
项目
工况点 100%THA 75%THA 50%THA 30%THA
汽包压力/MPa
18.45
第 53 卷 第 1 期 2020 年 1 月
中国电力
ELECTRIC POWER
Vol. 53, No. 1 Jan. 2020
新能源大规模并网条件下火电机组深度 调峰控制策略优化
李玲1,2，刘鑫屏1
(1. 华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003；2. 上海电力大学 自动化工程学院，上海 200090)
工况点 100%THA 75%THA 50%THA 30%THA
发电负荷/MW 锅炉效率/% 热耗/(kJ·(kW·h)-1) K1相对值/%
330 92.6 8 354 100
248 92.5 8 494 98.5
165 92.9 8 889 93.7
99 91.1 9 593 88.5
锅炉蓄热系数定义为单位蒸汽压力变化情况 下 锅 炉 释 放 出 的 用 于 发 电 的 能 量 [10]。 锅 炉 蓄 热 主 要来自汽水系统中的饱和水、饱和蒸汽及过热蒸 汽以及与之存在热交换的金属管壁。文献 [10] 给出了利用锅炉汽水容积参数计算锅炉蓄热系数 的方法，容积蓄热系数指单位体积的工质在单位压 力变化的情况下体积变化部分推挤末端蒸汽包含的 可用于发电的能量。容积蓄热系数主要受压力变 化 影 响 ， 压 力 降 低 时 容 积 蓄 热 系 数 显 著 增 加 [11]。
=
−0.247ptuT + 1.35rB
（9）
pt = pd − 0.000 295(1.35rB)1.5
（10）
12 dNE dt
=
−NE + 0.247ptuT
p1 = 0.01ptuT
（11） （12）
机组采用 DEB（直接能量平衡）反馈加发电 负荷指令前馈形式的协调控制系统，依靠汽轮机 高调阀开度控制实际发电负荷跟随负荷指令，依 靠燃料量调节机炉能量平衡并最终维持汽轮机前 蒸汽压力稳定。在协调控制系统中，机侧控制回 路被控对象惯性小、参数随工况变化不明显，特 别是经过阀门流量特性优化后控制回路参数调试 相 对 简 单 [8]。 而 炉 侧 对 象 参 数 随 工 况 、 设 备 运 行 状态、煤质等因素变化比较明显，调试困难。现 场需要反复调试参数包括：锅炉蓄热系数 Cb、锅 炉侧 PID（比例积分微分）控制器的比例系数 Kp、积分时间 Ti、微分时间 Kd。这几项参数即使 在常规负荷范围内也要做变参数处理，深度调峰 工况下更需要进行细致调试并优化变参数逻辑。
1 简化非线性动态模型
典型亚临界汽包锅炉单元机组简化非线性动
态模型结构[7] 为
rM = uቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(t − τ)
Tf
drB dt
=
−rB + rM
Cb
d pd dt
= −K3 ptuT + K1rB
pt = pd − K2(K1rB)1.5
（1） （2）
（3） （4）
T
t
dNE dt
= −NE + K3 ptuT
2 模型参数变化分析
文献 [9] 分析了常规负荷范围内的简化非线性
动态模型中各项参数的变化情况，受机组运行工
况变化影响较大同时又会对协调控制性能产生显
著影响的参数包括：燃料增益 K1、锅炉蓄热系数 Cb、制粉系统迟延时间 τ 和惯性时间 Tf。
燃料增益 K1 主要受煤发热量、锅炉效率、汽 轮机热耗影响。其中与锅炉效率、汽轮机热耗、
表 1 列出了机组 4 组设计工况的数据，可以 看出，随发电负荷降低，燃料增益 K1 逐渐减小， 30%THA 工况点时减小为 100%THA 工况点时的 88.5%。
表 1 330 MW 机组 K1 变化情况 Table 1 Variation of K1 in the 330 MW unit
项目
摘 要：火电机组深度调峰运行是消除电源侧与电网侧双随机扰动、提高可再生能源消纳率的有效措施， 为此机组协调控制系统也需要进行改进，保证在大范围变工况运行时发电负荷 -机前压力的控制品质。针 对典型亚临界机组简化非线性动态模型，通过机理分析确定机组由额定负荷向深调峰负荷变化时模型中主 要参数的变化规律，再将经典 PID 参数整定方法同仿真分析相结合，得到主要工况点协调控制系统最优参 数，并提出适应工况变化的变参数控制逻辑。将此方法应用到某330 MW机组深调峰改造中，优化后的协调 控制系统可在 33%～100% 负荷范围内投入，并具有良好的控制品质。 关键词：深度调峰；控制策略；优化；变参数；仿真 DOI： 10.11930/j.issn.1004-9649.201811059
3 控制系统分析及仿真
依 据 机 组 实 际 协 调 控 制 组 态 逻 辑 和 式 （ 7） ～ （12）所示被控对象模型，在 Matlab 中搭建完整 的协调控制系统。依据对象模型设置 DEB 控制方 案中的蓄热系数和负荷指令前馈环节参数。在 100%THA 工况整定锅炉主控和汽机主控 PID 参 数，使发电负荷和机前压力控制品质达到最优。 通过对比不同工况点发电负荷指令扰动下机前压 力控制品质和燃料量波动幅度的变化，分析不同 负荷下被控对象参数变化对控制系统的影响。仿 真中，发电负荷指令变化幅度均为 30 MW，速率 均设置为 6.6 MW/min。图 1 为 100%THA 工况点的 负荷指令扰动仿真实验曲线，主要控制指标是： 负荷偏差小于 1.65 MW，压力偏差最大值 0.3 MPa， 燃料量动态过调量小于 20 t/h，以此作为控制系统 性能比较的基准。图中 SP 为设定值，PV 为反 馈值。
330 MW 机组锅炉汽水容积设计数据如表 2 所 示，滑压定值曲线和计算得到的锅炉蓄热系数相 对值如表 3 所示。可以看出，随机前压力降低，
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第 1期
李玲等：新能源大规模并网条件下火电机组深度调峰控制策略优化
表 2 330 MW 机组锅炉汽水容积 Table 2 Vapor and water volume of boiler in the 330
主蒸汽流量呈单值函数关系。K1 可表示为
K1 = K1EηBηTE/(ηBEηT)
（13）
式中：K1E 为 100%THA 工况点的燃料增益 MW/(t·h-1)；ηB 和 ηBE 分别为实际工况点和 100%THA 工况点的锅炉效率；ηT 和 ηTE 分别为实 际工况点和 100%THA 工况点的汽轮机热耗， kJ/(kW·h)。
表 4 330 MW 机组 τ 和 Tf 变化情况 Table 4 Variation of τ and Tf in the 330 MW unit
给煤量/(t·h-1) τ相对值/% Tf相对值/%
48
40
32
24
100 125 155 196
100
91
80
66
量降低，制粉过程迟延时间 τ 逐渐增加，惯性时 间 Tf 逐渐减小。
15.75
10.58
7.64
过热蒸汽压力/MPa 17.30
14.95
10.11
7.41
机前压力/MPa
16.67
14.61
9.96
7.36
Cb相对值/%
100
118
141
165
锅炉蓄热系数 Cb 逐渐增加，30%THA 工况点时增 加为 100%THA 工况点时的 165%。
炉膛出口烟温降低、燃烧不稳定是锅炉超低 负荷工况下运行面临的主要问题。一般认为投入 燃烧器层数越多，燃烧安全性越高，一方面分散 某一层灭火对整个燃烧状态影响的比例，另一方 面当某层燃烧不稳定时，相邻层能够起到互相点 燃的作用，减弱灭火状态的扩散速度。例如某电 厂 330 MW 机组，50% 负荷下 3 台磨煤机对应 3 层 燃烧器运行，30% 负荷下仍然 3 台磨煤机对应 3 层燃烧器运行。磨煤机一次风量必须满足煤粉 输送能力要求，避免磨煤机和一次风粉管道发生 堵塞。随锅炉负荷降低给煤量减小，一次风煤比 显著提高。
（5）
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中国电力
第 53 卷
p1 = 0.01ptuT
（6）
式中：uB 为锅炉燃料量，t/h；uT 为汽轮机高压缸
进汽调节门开度，%；pt 为汽轮机前蒸汽压力， MPa；NE 为机组负荷，MW；rM 为实际进入磨煤 量，t/h；rB 为锅炉燃烧率，t/h；pd 为汽包压力，
MPa；p1 为汽轮机一级压力，MPa；K1 为燃料增 益，MW/(t·h-1)；K2 为过热器阻力系数；K3 为汽 轮机增益，MW/(MPa·%)；τ 为制粉过程迟延时
间，s；Tf 为制粉惯性时间，s；Cb 为锅炉蓄热系 数，MJ/MPa；Tt 为汽轮机动态时间，s。
某电厂 330 MW 亚临界机组，锅炉型号为
B&WB-1196/17.5-M，汽轮机型号为 CZK330-
16.67/0.4/538/538， 设 计 煤 种 为 褐 煤 ， 制 粉 系 统 配
置 6 台 MPS190HP-Ⅱ型中速辊式磨煤机。在
100%THA（ 汽 耗 考 核 ） 工 况 点 ， 利 用 机 组 稳 定 工
况运行参数计算模型静态参数，利用燃料量扰动
实验确定制粉过程动态参数，利用锅炉汽水容积
设计数据计算蓄热系数，得到实际机组模型为
rM = uB(t − 23)
（7）
180 drB dt
=
−rB
+ rM
（8）
3
700 dpd dt
收稿日期：2018-11-05； 修回日期：2019-05-20。 基金项目：国家重点研发计划资助项目 (2017YFB0902100)。
纯凝机组机炉协调控制系统被控对象为燃料 量 -汽 轮 机 高 压 缸 进 汽 调 节 阀 开 度 对 汽 轮 机 前 蒸 汽 压力-发电负荷双入双出对象。文献 [6] 研究表 明，即使在 50%～100% 额定功率范围内，被控对 象有明显的非线性，发电负荷进一步降低时，对 象特性变化将更加明显。对被控对象有充分的了 解 是 设 计 一 个 性 能 良 好 的 控 制 系 统 的 前 提 条 件 [6]。 依据火电机组简化非线性动态模型，通过机理建 模分析超低负荷工况下模型中主要参数的变化规 律，通过仿真分析参数变化对协调控制系统性能 指标的影响，提出解决方法，最终将控制方法应 用于实际机组深度调峰协调控制系统优化中。
0 引言
以风电为代表的可再生能源发电发展迅速， 但由于其发电负荷具有强随机性，电网的消纳能 力 有 限 ， 造 成 大 量 “ 弃 风 、 弃 光 ” 现 象 [1-3]。 提 高 火电机组灵活性、实现火电机组深度调峰运行是 当前解决这一矛盾的主要措施，通过设备改造和 控制优化将正常工况发电负荷调节下限由 50% 额 定功率拓宽至 40%、30% 额定功率甚至更低，依 靠火电机组大范围调峰运行补偿电源侧、电网侧 的双随机扰动。同时，电网还要求机组在整个调 峰范围内投入 AGC（自动发电控制）和一次调频 功 能 以 随 时 消 除 各 种 扰 动 [4]。 限 于 热 力 系 统 结 构，火电机组原则上并不适合大范围、高速率变 工况运行。同常规负荷工况相对比，深度调峰负 荷工况下热力系统的设备状态和运行参数都会发 生变化，导致被控对象特性出现显著差异，这要 求控制系统必须做出有针对性的改进以适应机组 大 范 围 变 工 况 运 行 要 求 [5]。 在 东 北 、 西 北 地 区 ， 许多机组深度调峰运行时无法投入协调控制方 式，进而导致无法投入 AGC 和一次调频功能。
MW unit
设备 容积/m3
省煤器 60
水冷壁 160
汽包 52
过热器 195
表 3 330 MW 机组 Cb 变化情况 Table 3 Variation of Cb in the 330 MW unit
项目
工况点 100%THA 75%THA 50%THA 30%THA
汽包压力/MPa
18.45
第 53 卷 第 1 期 2020 年 1 月
中国电力
ELECTRIC POWER
Vol. 53, No. 1 Jan. 2020
新能源大规模并网条件下火电机组深度 调峰控制策略优化
李玲1,2，刘鑫屏1
(1. 华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003；2. 上海电力大学 自动化工程学院，上海 200090)
工况点 100%THA 75%THA 50%THA 30%THA
发电负荷/MW 锅炉效率/% 热耗/(kJ·(kW·h)-1) K1相对值/%
330 92.6 8 354 100
248 92.5 8 494 98.5
165 92.9 8 889 93.7
99 91.1 9 593 88.5
锅炉蓄热系数定义为单位蒸汽压力变化情况 下 锅 炉 释 放 出 的 用 于 发 电 的 能 量 [10]。 锅 炉 蓄 热 主 要来自汽水系统中的饱和水、饱和蒸汽及过热蒸 汽以及与之存在热交换的金属管壁。文献 [10] 给出了利用锅炉汽水容积参数计算锅炉蓄热系数 的方法，容积蓄热系数指单位体积的工质在单位压 力变化的情况下体积变化部分推挤末端蒸汽包含的 可用于发电的能量。容积蓄热系数主要受压力变 化 影 响 ， 压 力 降 低 时 容 积 蓄 热 系 数 显 著 增 加 [11]。
=
−0.247ptuT + 1.35rB
（9）
pt = pd − 0.000 295(1.35rB)1.5
（10）
12 dNE dt
=
−NE + 0.247ptuT
p1 = 0.01ptuT
（11） （12）
机组采用 DEB（直接能量平衡）反馈加发电 负荷指令前馈形式的协调控制系统，依靠汽轮机 高调阀开度控制实际发电负荷跟随负荷指令，依 靠燃料量调节机炉能量平衡并最终维持汽轮机前 蒸汽压力稳定。在协调控制系统中，机侧控制回 路被控对象惯性小、参数随工况变化不明显，特 别是经过阀门流量特性优化后控制回路参数调试 相 对 简 单 [8]。 而 炉 侧 对 象 参 数 随 工 况 、 设 备 运 行 状态、煤质等因素变化比较明显，调试困难。现 场需要反复调试参数包括：锅炉蓄热系数 Cb、锅 炉侧 PID（比例积分微分）控制器的比例系数 Kp、积分时间 Ti、微分时间 Kd。这几项参数即使 在常规负荷范围内也要做变参数处理，深度调峰 工况下更需要进行细致调试并优化变参数逻辑。