刘翠梅
(南宁市三峰能源有限公司，广西 南宁 530021)
在互联的电力系统中，系统频率和联络线负荷的变化是由于电力负荷与发电系统输出功率的不完全匹配造成的[1]。通过对发输配电环节的合理规划，使电力系统有功功率和频率维持在稳定波动的范围，因此功率调节是电网运行的基本任务之一。一次调频和自动发电控制系统是实现功率调节的重要方式，火电机组的功率控制系统不仅有利于保持电网频率的稳定，还可以提高电网运行的质量。
二自由度控制方式最早由Horowitz提出的[2]。近年来，许多学者根据不同的对象或控制方式设计了二自由度控制器[3-5]，使得二自由度控制方式得到了迅速的发展和应用。特别是二自由度控制具有较好的集点跟踪性和负载干扰抑制特性。火电机组的功率控制必须快速跟踪满足负荷的变化、抗干扰性好等要求，采用二自由度控制结构对功率控制系统进行优化。在实施过程中，与经典的前馈反馈控制和内模控制进行了比较和分析。结果表明，本文所设计的二自由度控制系统是最有效的、稳定的。
一般来说，如图1所示的前馈反馈控制是一种典型的火电厂功率控制方式。有功功率PE为被控变量，功率参考点Pr通过手动调节或AGC进行目标设定。Pr与主频调制功率增量ΔPr之和为前馈反馈控制器的设定点。控制器对该功率参考点进行设定后，再进行有功功率反馈，发出阀位控制命令，来决定执行器的开度μ。μ与主蒸汽压力PT共同决定了蒸汽流量Q的大小,蒸汽流量Q随汽轮机内蒸汽膨胀转化为转子的机械功率PM，发电机转子将机械功率PM转化为有功功率PE并送入到电网中。
图1 功率控制系统
在实际运行过程中，火电机组常采用滑压运行，主蒸汽压力PT随负荷的波动而变化。此时，即使气门开度μ相同，汽轮机Q的汽流量也不同。因此，有必要考虑阀流量特性，即确定阀的开度与进入汽轮机的蒸汽流量之间的关系。为了方便分析控制系统的性能,采用了阀流量特性法，汽轮机阀流量特性k表示由阀位单位当量引起的汽轮机稳态汽流量变化量，其表达式如下：
(1)
式中,ΔQ为汽轮机稳态蒸汽流量变化量;Δμ为在稳定状态下改变阀门位置的量。
3.1 级联二自由度内模控制系统
级联二自由度内模控制结构如图2所示，其结构是基于内模控制和二自由度解耦原理提出的[4]。在图2中，Pm为P1和P2的整体模型，P1m为P1的整体模型，C为跟踪设定点的主控制器，F为抑制扰动的副控制器。
3.2 控制器设计
控制过程可表示为：
(2)
(3)
如果过程中包含延时部分e-τs，可以采用Pade相似法生成分子和分母阶相同的传递函数。式(2)和式(3)中A1(s)和A2(s)的零点都在右半平面内。B1(s)，B2(s)，C1(s)和C2(s)的零点在左半平面上。A1(s)、A2(s)、B1(s)、B2(s)、C1(s)、C2(s)的顺序分别是m11、m21、m12、m22、n1、n2。且应该满足以下关系：m11+m12 设定点响应的控制相当于开环方式。r和y2之间的传递函数为： (4) (5) 由于控制器不是一个实数有理分式，所以添加了一个低通滤波器Lc(s)。则最终设定点跟踪控制器C(s)变为： C(s)=C0(s)LC(s) (6) 其中 (7) (8) 其灵敏度函数为： (9) 结合内部控制理论的最优性能指标，实际灵敏度函数可表示为： (10) (11) 其中F1(s)为： (12) 根据以上分析，可以在火电控制系统中采用二自由度控制，控制结构如图3所示。由于实际情况下不能直接测量出汽轮机的机械功率，只能测量发电机的有功功率。因此，如图3所示的控制结构不能满足实际控制的需要，因此需要对二自由的控制结构进行优化。 图3 基于二自由度控制的动力控制系统 通过比较机械功率与有功功率的变化趋势，在一定条件下，两者的变化趋势并不完全一致。这主要是因为在功率响应的前期，发电机的下垂特性会导致有功功率发生振荡。但随着系统的逐渐调整，机械功率与有功功率逐渐趋同。因此可以假定有功功率是机械功率和发电机下垂特性引起的高频信号的叠加。可以通过设计低通滤波器Gf滤除高频信号，将有功功率转换为未知的机械功率。然后根据上面的分析，将图3的结构转化为图4的结构。 图4 基于二自由度控制的变换功率控制系统 针对某火电机组的功率控制系统，对比先前设计的控制系统进行研究，将二自由度控制方式的仿真结果与典型控制系统提出的内模控制系统进行了比较。本文采用文献[6]中的模型和参数。典型的前馈反馈控制系统的PI控制器： (13) 前馈系数Kf=1，简化的驱动器模型为： (14) 汽轮机模型为： (15) 其中T1= 5.4，T2= 0.2，T3= 10。 发电机模型为： (16) 其中T4= 0.0177，T5= 0.0333。因此： (17) 式中，k为阀门排放特性，通常k=1。根据式(7)和(11)和系统模型，可以得到主控制器和副控制器的表达式： (18) 通过对系统性能的优化，可以确定λc和λf。PT是一个常数，ΔPT是10s时的负荷阶跃，相当于汽轮机转速阶跃变化引起的一次调频作用。在仿真运行200s时P1(s)加入5%的扰动。研究k值不同时各功率控制系统的控制效果。k= 0.5、1、2时的仿真结果如图5所示。 图5 一次调频试验时各控制系统有功功率 仿真结果表明，当k过小时，前馈反馈控制系统的功率响应较慢，不能满足一次调频的快速响应需要。当k过大时，功率响应出现明显超调，不利于机组稳定运行。与前馈反馈控制系统相比，文献[6]中使用的内模控制的功率响应速度明显较快，且随着k的增加没有出现超调。但总的来说，本文所采用的二自由度控制的稳定时间最短，初始阶段无波动，是最平稳的。此外，二自由度控制的抗干扰性也是最好的。在相同的扰动下，其沉降时间最短，波动最小。因此可以得出结论，二自由度控制效果相对于传统的一次调频方式，能够更平稳地进行控制机组的出力。 本文采用二自由度内模控制对火电机组的功率控制系统进行了设计。考虑了汽轮机阀门排放特性对动力控制系统的影响。对AGC的一次调频试验进行了仿真分析。结果表明，本文设计的控制策略的控制效果优于经典的前馈反馈控制和内模控制，主要体现在稳定时间更快、控制效果更稳定、鲁棒性更好等方面。
