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面向电网调频需求的单元机组协调控制系统深度优化与实践

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代社会,电力作为一种不可或缺的能源,广泛应用于各个领域,其稳定供应对于社会的正常运转和经济的持续发展起着关键作用。随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高,社会对电力的需求持续增长,同时对供电质量也提出了更高的要求。电网作为电力传输和分配的关键基础设施,其稳定性直接关系到电力供应的可靠性和安全性。而电网调频作为维持电网稳定运行的关键环节,在保障电力系统频率稳定方面发挥着至关重要的作用。

电网频率是衡量电力系统运行状态的重要指标之一,正常情况下,电网频率应保持在额定值附近稳定运行。然而,在实际运行中,由于电力负荷时刻处于动态变化之中,如工业生产的启停、居民用电的峰谷变化等,都会导致电网负荷的波动。当电网负荷发生变化时,发电功率与负荷需求之间的平衡被打破,从而引起电网频率的波动。若电网频率波动超出允许范围,将对电力系统中的各类设备产生不利影响,严重时甚至可能引发电网故障,导致大面积停电事故,给社会经济带来巨大损失。因此,实现电网频率的稳定控制,确保发电功率与负荷需求实时平衡,对于保障电力系统的安全、稳定运行具有极其重要的意义。

在电力系统中,单元机组是发电的核心设备,而单元机组协调控制系统则是实现单元机组安全、经济、高效运行的关键技术手段。单元机组协调控制系统通过对锅炉和汽轮机等设备的协同控制,使机组能够快速、准确地响应电网负荷的变化,同时维持机组主要运行参数的稳定。在电网调频过程中,单元机组协调控制系统承担着重要任务。当电网频率发生波动时,系统需要迅速调整单元机组的出力,以恢复发电功率与负荷需求的平衡,从而稳定电网频率。其控制性能的优劣直接影响着电网调频的效果和电力系统的稳定性。

随着电力工业的不断发展,电网规模日益扩大,电网结构也变得更加复杂。同时,新能源发电如风电、光伏等的大规模接入,给电力系统的运行带来了新的挑战。新能源发电具有间歇性和波动性的特点,其出力受自然条件如光照、风力等因素的影响较大,这使得电网负荷的变化更加难以预测,进一步增加了电网调频的难度。传统的单元机组协调控制系统在应对这些复杂工况时,往往暴露出控制性能不足的问题,难以满足现代电网对调频的高精度要求。例如,在负荷快速变化时,传统控制系统可能无法及时、准确地调整机组出力,导致电网频率波动较大;在面对新能源接入带来的不确定性时,系统的鲁棒性和适应性也有待提高。因此,为了适应电网发展的新形势,满足日益增长的电网调频需求,对单元机组协调控制系统进行优化研究具有迫切的现实需求和重要的理论与实践意义。

通过对单元机组协调控制系统进行优化,可以显著提升其控制性能,使机组在电网调频中发挥更大的作用。一方面,优化后的系统能够更加快速、准确地响应电网负荷变化,有效减小电网频率的波动幅度,提高电网频率的稳定性,为各类电力设备的正常运行提供良好的电力环境;另一方面,优化后的系统有助于提高单元机组的运行效率和经济性,降低能源消耗和运行成本,实现电力资源的高效利用。此外,深入研究单元机组协调控制系统的优化方法,还能够为电力系统控制理论的发展提供新的思路和方法,推动电力系统自动化技术的不断进步。

1.2国内外研究现状

单元机组协调控制系统的优化一直是电力领域的研究热点,国内外学者和工程技术人员围绕这一课题开展了大量的研究工作,并取得了丰硕的成果。

国外在单元机组协调控制系统优化方面起步较早,技术相对成熟。早期,国外主要致力于建立精确的单元机组数学模型,以深入理解机组的动态特性。1971年,McDonald提出的中间再热机组的非线性模型,为后续的研究奠定了重要基础。随后,Astrom和Eklund于1972年提出了一种160MW汽包式燃油发电机组的低阶非线性数学模型,该模型对机组的动态特性进行了较为准确的描述。在控制策略方面,经典控制理论和PID控制器在早期得到了广泛应用。随着控制理论的不断发展,现代控制理论逐渐兴起,如模型预测控制(MPC)、自适应控制、滑模控制(SLC)等先进控制策略开始应用于单元机组协调控制系统。MPC通过对未来一段时间内的系统行为进行预测并优化,能够有效提高机组的整体性能,在国外的一些大型机组中得到了成功应用,显著提升了机组的负荷跟踪能力和抗干扰能力。自适应控制则能够根据系统参数的变化自动调整控制器参数,在处理系统参数变化和非线性因素方面具有良好的效果。滑模控制以其对系统参数变化和外部干扰的强鲁棒性,在应对系统中的突变和不确定因素时表现出色。

国内对单元机组协调控制系统的研究始于上世纪80年代,随着我国电力工业的快速发展,相关研究也取得了长足的进步。在模型研究方面,国内学者在借鉴国外先进经验的基础上,结合我国机组的实际特点,开展了

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