新能源大规模并网条件下火电机组深度调峰控制优化

新能源大规模并网条件下火电机组深度调峰控制优化

刘正虎

（国家电投集团甘肃电力有限公司，甘肃 兰州 730000）

摘要：在新能源大规模并网背景下，电力系统面临了可再生能源波动性和间歇性的挑战，需要深度调峰控制来确保系统稳定性。然而，实施深度调峰控制遇到了参数调试复杂、多工况下性能优化以及变参数控制的难题。本文提出一种综合策略，通过建立火电机组的非线性动态模型，采用Matlab进行仿真与参数优化，以及引入变参数控制逻辑，来解决深度调峰控制中的问题。实现目的是提高可再生能源的消纳率，确保电力系统的稳定性和可靠性，为清洁能源的广泛应用提供支持。这一综合策略有望为电力系统的可持续发展和可再生能源的大规模利用提供关键性的解决方案。

关键词：深度调峰控制；可再生能源；火电机组；参数优化；仿真模型

引言：

新能源如风能和太阳能的大规模并网已经成为能源系统的关键趋势。然而，这些可再生能源具有波动性和不确定性，对电力系统的稳定性和可靠性构成了挑战。在这一背景下，深度调峰控制显得尤为重要，它可以有效消除电源侧和电网侧的随机扰动，确保电力系统的平稳运行。深度调峰控制不仅有助于提高可再生能源的消纳率，还可以维护电力系统的频率和电压稳定。在大规模可再生能源并网的背景下，深度调峰控制不仅仅是一项技术挑战，更是实现可再生能源普及和能源转型的必要举措。因此，研究如何优化火电机组的深度调峰控制策略，以适应新能源并网的复杂情况，具有重要的现实意义和研究价值

一、深度调峰控制的理论基础

随着可再生能源的快速增长，电力系统面临了来自风能和太阳能等可再生能源的波动性和不确定性。这些波动和不确定性可能导致电力系统频率和电压的波动，甚至引发系统不稳定。深度调峰控制的目标是通过火电机组的精确控制，消除这些随机扰动，从而提高可再生能源的消纳率，确保电力系统的稳定性。为了实现深度调峰控制，建立准确的控制对象模型至关重要。以亚临界火电机组为例，这个非线性动态模型包括锅炉、汽轮机等部分，其中每个部分都有其特定的工作原理和参数。这一模型的建立是深度调峰控制的基础，通过对火电机组各个组成部分的建模，可以更好地理解机组的行为。不同工况下，火电机组模型的参数会发生变化。燃料增益系数、锅炉设备蓄热系数、制粉设备迟延时间和惯性时间等参数的变化规律研究对深度调峰控制至关重要。这些参数的变化直接影响到火电机组的性能和响应速度。因此，深入研究这些参数在不同工况下的变化规律，可以帮助优化控制策略，以应对电力系统的多样性和复杂性。

二、控制系统仿真与优化

（一）仿真方法与结果

为了验证深度调峰控制策略的有效性，采用了Matlab构建了协调控制系统的仿真模型，通过这个模型，可以模拟火电机组在不同工况下的运行，进一步优化深度调峰控制策略，提高电力系统的稳定性和可靠性。在仿真过程中，需要输入不同工况下的电力负荷和可再生能源发电情况，以模拟实际运行情况。然后，根据火电机组的非线性动态模型，模拟机组在不同工况下的响应。仿真模型还包括控制系统的PID参数，这些参数需要根据实验数据进行调整，以使控制系统能够更好地应对不同情况。通过仿真，可以获得各种性能指标，如电力系统的频率、电压和发电负荷等。这些指标可以用来评估深度调峰控制策略的性能。例如，在不同负荷扰动下，可以观察到电力系统的频率和电压是否在可接受的范围内，以及控制系统是否能够有效地维持电力系统的稳定性。通过多次仿真实验，可以进一步优化深度调峰控制策略的参数，以提高控制系统的性能。例如，可以调整PID参数的值，使控制系统的响应更加灵敏，以适应电力系统的快速变化。还可以根据不同工况下的仿真结果，制定相应的控制策略，以应对电力系统的多样性和不确定性。

（二）优化方法

为了确保深度调峰控制的性能达到要求，需要采用科学精确的方法来调整控制系统的参数，特别是锅炉蓄热系数和PID参数。在这方面，需要选择一定的方法进行优化并结合实验数据和机理分析，以提高控制系统的性能和鲁棒性。锅炉蓄热系数是一个关键参数，直接影响到锅炉的热效率和响应速度。通过分析锅炉的运行数据和实验结果，可以获得锅炉蓄热系数的准确数值。然后，根据这些数据，可以进行适当的调整，以使锅炉在深度调峰工况下能够更好地保持稳定。PID控制器的性能与其比例系数、积分时间和微分时间等参数密切相关。通过仿真和实验数据的分析，可以确定最佳的PID参数组合，以使控制系统能够在不同工况下具有较好的响应特性。例如，可以调整比例系数，以提高控制系统的灵敏度，使其更快速地响应负荷变化。可以优化积分时间和微分时间，以减小系统的超调和稳态误差。变参数控制逻辑可以根据不同工况下的仿真结果和实验数据，动态调整控制器的参数，以适应电力系统的变化。这种方法可以有效应对电力系统的不确定性和多样性，确保深度调峰控制策略的可靠性。

（三）变参数控制逻辑

变参数控制逻辑的核心思想是通过调整控制对象的参数和控制器的参数，使控制系统能够在不同的工况下保持良好的性能表现，从而降低了参数调试的难度，提高了深度调峰控制的可行性。在深度调峰工况下，电力系统的负荷和可再生能源的波动会导致控制对象参数如惯性时间和迟延时间发生变化。这些参数的变化对于控制系统的性能影响较大，因此需要进行及时调整。通过监测和分析实际运行数据，可以获取不同工况下参数的变化趋势，为变参数控制逻辑的设计提供依据。变参数控制逻辑需要综合考虑不同参数之间的相互影响。例如，当负荷下降时，惯性时间可能会减小，但迟延时间可能会增加。因此，需要确定如何同时调整这些参数，以保持控制系统的性能。这可以通过建立参数之间的数学关系和模型来实现，从而为变参数控制逻辑的实施提供了理论支持。在实际应用中，可以采用基于经典PID参数整定方法的多点函数模块来构建发电负荷定值和控制器参数的变参数逻辑。这种方法可以根据不同工况点的需求，动态地调整控制器的参数，以适应电力系统的变化。

三、实际应用与工程难点

（一）实际工程挑战

在实际工程中，深度调峰控制面临一系列挑战，这些挑战需要仔细考虑和解决，以确保深度调峰控制策略的有效性和可行性。电力系统在不同工况下参数的变化非常复杂，包括机组模型的参数、控制器参数以及电网条件等多方面因素。由于深度调峰控制需要在大范围的工况下运行，因此需要对多个参数进行精确调整，以确保控制系统的性能。为了解决这一挑战，可以采用自动化的参数调整算法，结合实验数据和仿真模型，逐步优化参数，提高调试的效率。电力系统可能会面临季节变化、天气变化以及负荷变化等多种因素的影响，这会导致系统工况的频繁变化。因此，深度调峰控制策略需要能够适应不同工况下的参数变化，同时保持控制系统的性能。为了解决这一挑战，可以采用模型预测控制（MPC）等先进的控制策略，以更好地应对系统变化。在深度调峰控制中，控制系统的性能至关重要，但同时也需要考虑设备的鲁棒性，以应对突发情况和不可预测的变化。这需要仔细权衡控制器的参数，以确保在不同情况下都能够保持系统的稳定性。

（二）多点调试策略

多点调试策略基于经典PID参数整定方法，并利用多点函数模块构建了发电负荷定值和锅炉侧PID控制器的变参数逻辑。这一策略旨在简化参数调试过程，提高深度调峰控制的可行性和效率。在深度调峰控制中，火电机组需要在不同的工况下运行，因此需要调整控制系统的参数以适应不同的负荷需求。传统的参数调试方法通常需要在每个工况点下手动调整参数，这既费时又费力。为了解决这一问题，提出了多点函数模块，该模块可以根据不同工况点自动调整控制系统的参数，从而减少了人工干预的需求。多点函数模块的核心思想是将火电机组的工作范围划分为多个工况点，每个工况点都有特定的发电负荷定值和控制器参数。通过在这些工况点上进行实验和参数整定，可以得到不同工况下的最佳参数组合。然后，利用插值和外推方法，可以在不同工况点之间自动生成参数，从而实现火电机组在任何工况下的参数自动调整。多点函数模块的另一个重要特点是可以结合实时监测数据进行参数调整。通过实时监测火电机组的性能和工况，可以及时检测到参数的变化，并根据预先设定的参数调整规则自动调整控制系统的参数，以保持系统的性能。这种自适应性使得深度调峰控制更加灵活和可靠。

（三）参数变化特点

控制对象的参数如惯性时间和迟延时间与负荷的变化之间存在着复杂的相互关系，这对于实现优化的深度调峰控制至关重要。在深度调峰工况下，电力系统的负荷需求会迅速变化，这导致了火电机组的惯性时间发生变化。具体来说，当负荷从高到低变化时，机组的惯性时间会减小，因为机组需要更快地调整输出以满足新的负荷需求。相反，当负荷从低到高变化时，机组的惯性时间会增加，因为机组需要更多的时间来适应负荷的增加。因此，深度调峰工况下，惯性时间与负荷的变化呈现出了非线性关系，需要针对不同的工况点进行参数调整。迟延时间是指控制对象响应负荷变化所需的时间。在深度调峰工况下，迟延时间与机组的负荷调整速度密切相关。当机组的负荷调整速度较快时，迟延时间相对较短；而当机组的负荷调整速度较慢时，迟延时间相对较长。这也导致了迟延时间与负荷的变化之间存在非线性关系。因此，在深度调峰控制中，需要根据不同的负荷变化情况来调整迟延时间，以确保控制系统的性能。深度调峰控制需要综合考虑不同工况下的参数变化，而不仅仅是在特定工况点下进行参数调整。控制系统需要具备自适应性，能够根据负荷变化实时调整参数，以保持系统的性能。深度调峰控制的成功实现需要综合考虑机组的惯性时间和迟延时间，以实现最佳的控制效果。

四、结束语

深度调峰控制作为应对可再生能源大规模并网的关键技术，已经取得了显著的进展。本文通过深入研究深度调峰控制的理论基础、仿真与优化方法以及实际应用与工程难点，提出了一系列解决方案，为电力系统的可持续发展和可再生能源的高比例消纳做出了贡献。未来，随着可再生能源的不断增加，深度调峰控制将面临更多挑战和机遇。可以进一步深化深度调峰控制的理论研究，提高模型的精确性，开发更加智能的控制策略。跨领域的合作将变得更加重要，以应对电力系统的复杂性和不确定性。

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作者简介：刘正虎（1985.12-），男，汉，甘肃酒泉，本科，学士，工程师，主要研究方向：电力控制系统。