能量观测法在AGC优化控制中的应用

陈 波， 刘 飞， 陈 卫， 李 泉

（1.浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315722）

0 引言

目前，AGC（自动发电控制）一般有2种典型的变化特征，即以早晚高峰时段为代表的负荷快速、连续变化和以其他时间段为代表的负荷振荡变化。在第一种方式下，锅炉的前馈应及时投入，以满足负荷快速、连续变化的要求。而第二种方式则希望减少锅炉前馈的作用幅度，依靠锅炉的蓄热，减少煤量波动，提高机组经济性。

针对上述问题，一般采用负荷变化限值分段的方法，当负荷变化量超出一定限值时，锅炉动态前馈的作用幅度将适当调整。当负荷变化量小于限值时，锅炉动态前馈不起作用。该方法能在一定程度上满足负荷控制的需求，但如果负荷连续小幅度变化或反复大幅度变化时，就容易出现锅炉前馈不足或者机组参数反复振荡的情况。因此需要考虑更为合理的锅炉前馈评判机制。

1 能量观测法

如果将机组的负荷变动过程视为能量的转化和平衡过程，考虑到燃料转化为负荷的滞后时间，在能量需求和实际能量供给之间必然存在所需的超前能量，根据来源可以划分为机组蓄热可满足的部分和锅炉前馈可满足的部分。当机组蓄热提供的能量可以满足超前能量的需求时，锅炉动态前馈不予作用。同时分析AGC工况特点，考虑负荷连续小幅度变化、负荷反复大幅变化等工况，并作出相应的修正。因此实时观察负荷变化所需的超前能量和锅炉蓄热能力之间的关系，并在AGC工况特性上进行调整，可以作为一种合理的锅炉前馈评判机制（以下称为能量观测法）。

2 能量观测器的构成

考虑到工程应用的要求，由能量观测法构建的能量观测器如图1所示，主要由锅炉蓄热水平判断、负荷变化能量需求和AGC变化特征判断三大部分构成。

图1 能量观测器的构成

锅炉蓄热水平判断模块和负荷变化能量需求计算模块负责比较机组蓄热是否满足负荷变化的全部能量需求。当蓄热远大于能量需求时，前馈不作用；蓄热接近于能量需求时，前馈小幅度作用；蓄热小于能量需求时，前馈完全作用。AGC变化特征判断模块则是通过预测负荷变化的速率来表征AGC的变化类型。当AGC处于快速连续变化时，前馈修正系数适当放大；当AGC处于反复振荡变化时，前馈修正系数适当缩小。这3个模块的具体计算方法如下：

（1）锅炉蓄热水平判断模块：机组蓄热水平可以通过主汽压力、主汽温度和主汽流量来表征。在工程应用中，通过试验的方式来拟合不同蒸汽流量下汽压变化带来的做功能力。假设压力波动的允许幅度为δP（MPa），负荷变化前蒸汽流量为 G（kg/min），负荷变化前主汽温度为T（℃），则此时机组能提供的最大蓄热能力可以表征为E（δP，G，T）（MW·min）。

（2）负荷变化能量需求计算模块：假设一次负荷变动过程如图2所示，对该过程进行计算，设锅炉指令到负荷响应的滞后时间为t（min）；目标负荷变化幅度为M（MW）。则总的超前能量需求 S 可以表征为： S=Mt（MW·min）。

（3）AGC变化特征判断：考虑到机组所在地的经济、政治、环境等因素在一定时间内较稳定，因此机组负荷时间序列R的空间分布特性具有一定的时效性，即：在一段时间内R的空间分布特性相同，R随样本数据的改变而缓慢变化。根据数学理论，对于R的上述特性，可采用基于滑动窗口的数据处理方法，即可由w长度的窗口预测w+1数据点。经过不断更新和处理后的R可作为工程分析时的样本数据。

图2 负荷变化能量需求计算

图3所示为某660 MW机组2012年6月28日—7月11日的负荷曲线。

图3 负荷曲线

将上述数据作为样本R，设窗口宽度为9，利用滑动窗口可对2012年7月8日—7月11日的负荷数据进行预测分析处理，并计算预测负荷的小时平均变化幅度。和实际数据进行比较，可以发现95%以上预测点的速率预测偏差均在±0.4 MW/min以内，可以满足能量观测器在前馈判定应用中的预测需求。图4所示为7月11日预测结果偏差的分布曲线。

3 能量观测器的实施及效果

图4 负荷速率预测结果偏差的分布曲线

图5所示为某600 MW超临界机组采用的AGC优化控制系统，该系统使用了能量观测器。在AGC优化控制系统中，首先通过解耦将负荷和压力的控制在一定范围内分别交予汽机和锅炉。在负荷变化过程中，能量观测器对锅炉前馈进行修正，若前馈被修正因子减小作用幅度，机组的蓄热利用最终将通过机组压力变化滞后反应，对于这部分变化则由状态观测器适时予以调整，保证机组在AGC指令振荡时能平稳运行。

图5 某600 MW超临界机组AGC优化控制系统

图6所示为能量观测器实际应用的修正输出。从图中可以看出，在AGC反复振荡变化时，能量观测器能有效减小锅炉前馈输出；当AGC快速连续变化时，能量观测器能及时满足锅炉的能量需求，说明应用取得了预想的效果。

4 结语

能量观测法在实际应用中要注意以下问题：

图6 能量观测器修正因子的实际输出

（1）从能量角度出发，当机组蓄热能满足负荷变动的能量需求时可以不用前馈，但机组蓄热的损失必须在负荷变动结束后进行补充，这就加大了锅炉主控的修正幅度。因此前馈修正因子不宜过小，下限设定为约0.6较合适。

（2）能量比较模块和AGC变化特征判断模块的比例应根据后者的精度和负荷控制要求确定。精度高时可以适当提高判断模块因子的比重；当负荷控制出现较大偏差时，应动态提高能量比较模块因子的比重。

（3）应用AGC变化特征判断模块时应考虑机组负荷变化的规律性，如规律性强则精度高，规律性弱则精度低。从该600 MW机组的实际使用效果来看，早晚高峰时机组负荷的每小时平均变化速率超过1.5 MW/min，平峰时段机组负荷的每小时平均变化速率不超过0.8 MW/min，而特征判断模块95%以上预测点的速率预测偏差均在±0.4 MW/min以内，预测的负荷速率精度可以满足识别AGC工况特征的要求。

（4）能量观测器必须和状态观测器一起使用，能量观测器所改变的机组蓄热通过状态观测器在合适的时间内恢复，从而达到减小参数波动的同时不影响机组原有控制性能的目的。

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