AGC控制系统（共9篇）
AGC控制系统 篇1
首钢京唐1700酸轧机组轧机使用的是日本日立公司设计的UCM轧机, 这种机型能够在大压下量的情况下实现稳定轧制并且保证良好的带钢板形和边缘降。AGC控制的目的是通过测厚仪对带钢实际轧出厚度进行连续地测量, 并根据速度、张力、辊缝等可调参数的实际值和设定值进行比较得到偏差信号, 通过控制回路、装置和PLC控制程序, 消除厚度偏差, 使其达到设定的目标厚度。其AGC控制可以分为一机架的压下控制和2~5机架的秒流量控制。
1 各AGC控制方式之间的特点
1.1 一机架AGC控制
因为一机架的压下率较大, 且要求通过一机架后尽量消除硬度偏差和厚度偏差等, 故一机架采用了多种AGC控制方式, 它包括BISRA AGC控制、前馈AGC控制、反馈AGC控制、虚拟测厚仪控制 (GM-SMITH) 、支撑辊偏心控制 (REC) 。其中前馈AGC控制和BISRAAGC控制属于预控AGC, 前馈AGC控制是通过一机架入口测厚仪直接检测厚度偏差进行控制, 是一种开环控制方式, 而BISRA AGC控制则是通过检测一机架轧制力的变化, 通过快速响应的HY-ROP压上系统消除原料的厚度偏差及厚度波动。GM-SMITH控制和反馈AGC控制属于监控AGC。因为一机架出口测厚仪与一机架之间有2.5米的固定距离, 所以从出口测厚仪所测的厚度值在时间上要滞后, 尤其是在低速轧制时这段时间相对就更长, 反馈AGC控制是通过出口测厚仪直接测出厚度, 算出厚度偏差后调节HYROP压上装置实现厚度控制, 但是它无法克服这段滞后时间, 而GM-SMITH控制恰恰可以克服这段滞后时间, GM-SMITH控制是通过轧制力间接得出一机架的出口厚度, 然后通过出口测厚仪得到一个厚度补偿值, 然后与设定值比较得出厚度偏差后调节HYROP压上装置实现厚度控制。在低速轧制时GM-SMITH控制效果较好。在高速轧制时, 由于这段滞后时间相对较短, 可忽略不计, 所以就直接用反馈AGC控制。支撑辊偏心控制则用于补偿由于压下率较大引起的支撑辊偏心造成的一机架厚度偏差。
1.2 2~5机架的秒流量控制
秒流量AGC是一种先进厚度控制方法, 在京唐1700酸轧轧机2~5机架使用。在稳定的轧制过程中各机架间秒流量应保持恒定, 即机架入口厚度与入口速度之积应等于出口厚度与出口速度之积。因此, 如果某一机架的入口厚度、入口速度和出口速度已知, 按照秒流量恒定原理可以得到这个机架的出口厚度, 将该厚度与设定目标厚度相减得到出口厚度偏差, 通过调整这个机架辊缝或前一机架的辊速来消除厚度偏差, 达到理想目标厚度。
2 主要AGC原理介绍
2.1 一机架BISRA AGC控制
BISRAAGC又称为轧机弹性系数控制, 主要是为了消除热轧原料的厚度偏差和硬度波动。这种AGC使用轧机弹跳方程h=P/K+S, 当轧制力发生改变时, 通过调节辊缝, 可以保证带钢出口厚度恒定。假设公式h0=P0/K+S0表示AGC的设定值, 其中h为出口钢带厚度, P为轧制力, S为辊缝位置, K为轧机刚度。辊缝位置S被控制以使出口厚度偏差△h=h-h0= (P-P0) /K+ (S-S0) =0, 可见BISRAAGC是通过监测轧制力的大小来调节辊缝, 其中实际轧制力是通过机架上部的压头获得。BISRAAGC是在HYROP压上控制系统中完成的, 响应速度很快, 在控制中没有传输时间延迟, 响应时间比使用出口测厚仪的反馈AGC快很多。所以, BISRAAGC可以有效、快速的改变厚度偏差和硬度波动。
2.2 一机架反馈AGC控制
一机架反馈AGC控制利用安装在轧机出口侧的测厚仪直接测出出口厚度, 然后根据厚度偏差调整HYROP压上装置, 改变辊缝值, 据此实现厚度控制。其结构图如下 (图一) , 其中h实为测厚仪测出的实际值, △h为厚度偏差, △s为辊缝变化量。反馈AGC控制是最早的一种AGC控制形式。反馈AGC控制因为轧机出口有测厚仪, 所以能准确地测出轧机出口实际厚度进行反馈AGC控制。但是由于轧机结构的限制以及测厚仪维护的需要, 因此测厚仪的安装点离辊缝有一段距离, 这样还可以防止断带损坏测厚仪。但是反馈AGC就存在一定时间的滞后, 尤其在5机架出口速度很慢的情况下这种滞后性就会放大, 故只有在5机架出口速度大于300m/min时反馈AGC才会投入使用。其控制算为:△S= (K+Q) △h/K, 其中K为轧机弹性系数, Q为带钢弹性系数。有上述公式可知, 已知出口厚差, 可以得到辊缝调节量。
2.3 秒流量AGC控制原理
秒流量AGC控制方式依据的是秒体积流量恒定方程, 所谓秒体积流量恒定就是单位时间内通过轧机入口和轧机出口的带钢体积应该相等, 即B入V入h入=B出V出h出, 其中B为宽度, V为速度, h为厚度。因为冷轧带钢在轧机出入口的宽度基本恒定, 故只需要带钢厚度与速度的乘积在轧机前后保持恒定即可, 即V入h入=V出h出, 由此可知只要能通过各机架间的测速仪检测轧机入口、出口的带钢速度和测厚仪测出的轧机入口的带钢厚度, 就可计算出轧机的出口厚度。用这种方法检测带钢厚度而构成的AGC控制方式称为秒流量AGC控制。秒流量AGC系统原理如图二所示。秒流量AGC的控制精度很高, 应用范围非常广。
3 结语
首钢京唐1700酸轧轧机的AGC控制系统是由多种AGC控制方式构成的综合控制系统, 它是保证带钢质量的重要组成部分。通过这些AGC控制方式的协同合作, 最终得到精度很高的产品。
摘要：本文简要介绍了首钢京唐1700酸轧机组轧机AGC控制系统的构成及各种AGC控制方式的特点, 简单描述了几种AGC控制方式的控制原理。
关键词：冷连轧,AGC,反馈,秒流量
参考文献
[1]刘博.轧机一机架AGC控制机理的研究[J].冶金设备, 2003.
[2]王国栋, 刘相华, 王军生.冷连轧厚度自动控制[J].轧钢, 2003.
[3]王立平.1700mm冷连轧机AGC控制策略与算法[J].冶金丛刊, 2005.
[4]孙一康.带钢冷连轧计算机控制[M].北京:冶金工业出版社, 2003.
AGC控制系统 篇2
一、适用范围及有效期
本规定适用于国电建投内蒙古能源有限公司布连电厂AGC管理，本规定至新规定实施前有效。
二、编制依据根据《内蒙古电网AGC运行管理办法》、《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》、《华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》、《发电厂并网运行安全性评价》的要求，特制定针对本厂机组实际情况的AGC运行管理制度。
三、AGC 机组运行管理
1.机组在负荷调整范围内的负荷变化率、机组增加(或减少)负荷的时间响应特性，以及机组负荷调整上、下线值等反映AGC机组运行特性的参数，应严格按照“机组自动发电控制(AGC)投入批准书”规定的指标运行。
2.值长在投退AGC前后要和上级值班调度核对RTU实时传送的“允许”和“状态”信号必须真实、准确、可靠。
3 AGC投退操作需向中调申请，得到中调值班调度许可后，方可进行AGC投退操作。
4 已投运的AGC机组，该机组大修后，在投入AGC运行前，须重新确认机组AGC定值单。
5 运行值班人员发现AGC运行异常时，可停用该AGC 装置，改为就地手动控制，及时联系热控、继保人员检查处理，及时汇报调度中心调度员并做好记录，同时向调度中心自动化部门汇报进行处理。异常处理完后，应及时向调度中心汇报并根据调度指令恢复其AGC装置运行。
6 热控继保人员积极配合调度中心进行每月AGC的机组随机测试，对测试指标低于调度中心备案的机组AGC 定值单的机组，应及时整改，整改完成后须重新确认机组AGC定值单。
7 指定专人负责AGC 系统的运行维护，并配合调度中心相关专业对AGC进行调试、投运工作。
8 运行值班人员严格执行调度关于AGC的命令，为经调度许可任何人不得擅自改变AGC负荷上下限，变负荷率等参数。
9 运行人员认真记录AGC运行情况。
10 机组正常运行时，AGC负荷下限为：330MW，上限为：660MW，变负荷率为：10～8MW/min。
四、考核管理规定
1 AGC投运率=AGC投运时间/机组运行时间投运方式百分比。
2 对于擅自解除AGC的责任人，考核500元/每次。
3 对于擅自更改AGC上下限、变负荷率的责任人，考核200元/每次。
4 未及时联系、消除AGC缺陷的责任人，考核100元/次。
AGC (自动增益控制)
自动增益控制是指使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。实现这种功能的电路简称AGC环。AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路的基本部件是 AGC 检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。放大电路的输出信号u0 经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益受控放大器的电压uc 。当输入信号ui增大时，u0和uc亦随之增大。uc 增大使放大电路的增益下降，从而使输出信号的变化量显著小于输入信号的变化量，达到自动增益控制的目的。
放大电路增益的控制方法有：
①改变晶体管的直流工作状态，以改变晶体管的电流放大系数β。
②在放大器各级间插入电控衰减器。
③用电控可变电阻作放大器负载等。
AGC电路广泛用于各种接收机 、录音机和测量仪器中，它常被用来使系统的输出电平保持在一定范围内 ，因 而也称自动电平控制 ; 用于话音放大器或收音机时，称为自动音量控制。AGC有两种控制方式：一种是利用增加AGC电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小AGC电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC .正向AGC 控制能力强，所需控制功率大被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大;反向AGC所需控制功率小，控制范围也小。
AGC——Automatic Gain Control的缩写。所有摄象机都有一个将来自 CCD的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大量即增益，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下灵敏，然而在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。为此，需利用摄象机的自动增益控制(AGC)电路去探测视频信号的电平，适时地开关AGC，从而使摄象机能够在较大的光照范围内工作，此即动态范围，即在低照度时自动增加摄象机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。具有AGC功能的摄像机，在低照度时的灵敏度会有所提高，但此时的噪点也会比较明显。这是由于信号和噪声被同时放大的缘故。
发电机组AGC投入管理规定
1、目的：为加强我公司发电机组AGC投入相关设备检修、维护以及功能投入力度，确保发电机组AGC功能正常稳定投入，满足电网调度中心相关指标考核要求，特制定本规定。
2、范围：适用于我公司两台发电机组AGC投入日常管理及考核。
3、规范性引用文件：
下列标准所包含的条文 , 通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订 , 使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
DL/T655- 火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统在线验收测试规程
DL/T656-1998 火力发电厂汽轮机控制系统在线验收测试规程
DL/T657-1998 火力发电厂模拟量控制系统在线验收测试规程
DL/T658-1998 火力发电厂顺序控制系统在线验收测试规程
DL/T659-1998 火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程
(86) 水电生字第 93 号关于颁发《热工仪表及控制装置检修运行规程 ( 试行 ) 》的通知
电安生 [1994]227 号关于修改《电业安全工作规程》 ( 热力和机械部分 ) 部分条款的通知和“热力机械工作票制度的补充规定”
火力发电厂分散控制系统运行检修导则(DL/T774-)
《湖北省电力公司电网调峰调频管理办法》
湖北电力试验研究院《蒲圻电厂#1、2机组AGC测试报告》
湖北省电力调度中心《关于省调机组AGC功能以及调节性能检查情况通报》
4、术语和定义：
DCS:集散控制系统(Distributed Control System)
AGC:自动发电控制(Automatic Generation Contral)
ADS:电网总调所自动调度系统(Automatic Dispatch System)
LDC：负荷指令中心(Load Demand Computer)
RTU:厂、站远动装置(Remote Terminal Unit)
CCS:协调控制系统(Correspond Control System)
5、职责：
发电部当班运行值负责在正常工况下按中调要求投入AGC功能，技术支持值热控专业负责相关系统设备的日常维护以及缺陷诊断及消除，技术支持部电气二次专业负责远动装置的日常维护及消缺。
6、内容：
6.1 自动发电控制(Automatic Generation Contral：简称AGC)是现代化电网运行控制的基本技术之一，它的作用是实行自动调频和调峰、保证电网安全和经济运行。
6.2 我公司AGC控制系统主要由以下几部分组成：
a、电网调度中心实时控制计算机系统;
b、信息传输通道;
c、厂、站远动控制装置;
d、火电厂单元机组机炉协调控制系统
6.3 AGC功能投入的一般步骤。
6.3.1首先将机组投入CCS运行模式;
CCS模式投运步骤
A、首先运行人员投锅炉主控
(1)投相应磨煤机的容量风挡板对应的手自动操作器为自动位(为保证机组稳定运行，一般将A磨煤机投手动，带基本负荷，B、C投自动，参与自动调节)
(2)然后投锅炉燃料自动操作器为自动位
(3)最后在负荷命令中心画面上投锅炉主控操作器为自动位完成以上操作后，负荷命令中心画面上“控制方式选择”出现“锅炉跟随方式”
B、然后，运行人员投汽机主控
(1)首先运行人员必须建立负荷命令中心画面上汽机主控操作器与DEH控制之间的联系，将DEH对汽机调门的控制权，转至负荷命令中心画面上汽机主控操作器，具体操作如下：
(1.1)首先DEH必须在“自动”运行位置(DEH控制主画面的上方状态上显示“自动”状态)
(1.2)然后在DEH控制主画面的上方状态显示“遥控允许REMOTE CONTROL PERMISSIVE”，向DEH发出遥控请求
(1.3)一旦遥控允许，运行人员进行遥控操作，DEH控制主画面的上方状态显示从“遥控OUT”状态，转为“遥控IN”状态)，只有出现此状态，才表明DEH已经将控制权交由负荷命令中心画面上汽机主控操作器。
(2)观察实际负荷命令中心画面上显示的实际功率，设定目标负荷接近实际功率并设定好合适的负荷变化率
(3)等目标负荷与实际负荷比较接近时，将负荷命令中心画面上汽机主控操作器投自动位，紧接着按负荷命令中心画面上“控制方式选择”的按钮，机组进入CCS控制模式。负荷命令中心画面上“控制方式选择”出现“协调方式”
C、由于目前锅炉送风系统、磨煤机热风挡板不具备投自动条件，需要运行人员进行必要的手动辅助操作。
6.3.2在CCS方式将机组负荷调整与AGC指令一致时，向中调请求并得到许可后，在负荷命令中心投入ADS方式(即AGC方式)。
6.3.3目前机组负荷上限宜设定320MW，下限宜设为210MW，升/降负荷速率设定为可依据不同工况设定3-6MW/分钟。
6.4为确保磨煤机容量风风量测量装置通畅不堵塞，发电部热控专业人员应保证每天对机翼式测风装置吹扫一次，具体操作步骤如下:
6.4.1首先由运行人员依次解除AGC模式、CCS模式、BF模式、燃料主控自动。
6.4.2将三台磨煤机总风量退出扫描。
6.4.3在就地操作容量风风量变送器箱内启动吹扫按钮(绿色按钮为启动按钮，红色按钮为停止按钮)，开始启动自动吹扫程序，吹扫周期结束后自动停止。
6.4.4三台磨煤机全部吹扫结束后，再按照前述步骤，恢复机组AGC运行方式。
6.5机组并网后负荷超过210MW,如果设备无异常具备AGC投入条件时应立即向调度申请投入AGC方式。
6.6无影响机组安全运行及AGC投入的因素，任何人员均不得擅自退出AGC运行方式，调度命令及设备异常情况除外。
6.7如因处理缺陷等原因需退出AGC方式时，必须经公司生产主管领导批准后方可向调度申请退出AGC方式。缺陷处理结束后，应立即向调度申请恢复机组AGC运行方式，并向公司生产主管领导汇报。
6.8由于设备缺陷不及时消除原因或运行操作原因没能按中调要求投入AGC方式，将依据中调考核标准，酌情考核相关责任单位及责任人。
6.9本规定自下发之日起执行。
传感器在液压AGC中的应用 篇3
【关键词】中厚板轧机；传感器；位置控制
前言
安阳钢铁集团总公司第二轧钢厂，建于上个世纪90年代初，主要产品为中厚板，采用双机架进行轧制。轧机为四辊轧机。其2800mm中厚板轧机HAGC自动化控制系统由基础自动化L1系统、过程计算机L2系统和HMI系统组成。
轧机HAGC控制系统由两部分组成。一部分是轧前的辊缝自动位置控制（APC）预置系统，即在指定的时刻将控制对象的位置自动的调节到预先由过程机或是HMI给出的目标值上，这是一个电动/液压混合压下位置控制系统，由压下电机和液压伺服系统联合驱动调节，又称为（EGC/HGC）；另一部分为轧制过程中的板厚控制系统，这是一个液压伺服系统，称为液压AGC。
全线自动化检测仪表和传感器包括红外测温仪、热金属检测器（HMD）、油压传感器、位移传感器、顶帽传感器
（1）HMD：热金属检测器，用于热坯和轧线上轧件头尾检测，产生轧件跟踪信号。
（2）红外高温计：用于测量坯料或轧件的表面温度。在一些重要地方，可用两台高温计，以相互对照，提高测量精度和可靠性。
（3）油压传感器：用于测量液压缸油压，并可转换为轧制压力。
（4）位移传感器和顶帽传感器：用于测量压下丝杠位移和液压缸柱塞位移
HAGC控制系统是保证钢板厚度精度的最重要的手段。HAGC系统由高性能的伺服阀、液压缸和高精度的传感器提供高相应、高精度的位置和压力控制。
1.液压缸位置控制
液压缸位置控制是控制液压缸的基本模式。位置控制提供基本的内部控制环，这个内部控制环和AGC功能结合使用。
在液压缸位置控制中，位置的反馈信号是通过每个液压缸上装有的数字位置传感器来获得。然后该信号同位置基准信号进行对比，它们之间的偏差用来调整伺服阀，从而确保偏差能够降到零。
而且每一个液压缸位置控制，一种附加的控制环可以使得驱动侧和非驱动侧的液压缸的同步运动，从而当液压缸运动到一个新的设定位置时保持两个液压缸位置差异。这种附加控制环提高了位置闭环的稳定性并且阻止由于伺服阀的性能差异带来位置的误差。
位置控制环使用的位置参考是根据当前操作方式下基准的混合值。在轧制时，这种位置基准是辊缝参考值（用轧机零点数据值来计算液压缸位置）和各种补偿微调的总和。对于其它方式，一种直接液压缸位置参考值来自于轧机顺序功能，如轧机调零、轧机模数或换辊等。
2.液压缸压力控制
轧制力（载荷）控制为液压缸控制提供一个第二内部控制环。在这种控制方式下，通过固定在液压缸上的压力传感器来测量液压缸载荷。测量到的压力与压力参考值进行比较，然后将它们之间的差值传递给伺服阀，从而决定液压油是流入还是流出液压缸，从而使测量到液压缸压力与压力基准值之间的差值降到零。
液压缸压力控制在中板轧机中并不是典型的使用，主要用于现场测试过程中。可以提供一种平稳的转换器来确保位置控制与压力控制之间的一种平滑过渡。
3.伺服阀压力降补偿
伺服阀中的液压油的流量是由阀门上的压力降来决定的。可以通过使用伺服阀压力降补偿来消除伺服阀压力降对液压油带来的影响。
伺服阀压力降补偿依赖于伺服阀的压力因子增益，这种压力因子增益可以沿着液压缸的伸长、液压缸的压力和运动方向进行连续的计算。这种补偿确保在整个压力控制范围内，液压缸的响应是线性的，而且位置控制环响应是对于液压缸上的上升或下降是对称的。
4.压下丝杠位置控制
同液压缸位置控制结合在一起，压下丝杠位置控制可以用来设定所需要的辊缝。这种控制环取一个压下丝杠位置测量值，然后同丝杠位置参考值进行比较。在实际位置和目标位置之间的任何偏差都会产生一个与之成比例的速度参基准，从而对压下速度进行调节。这种速度基准一直保持到实际位置同目标位置间的偏差降到一个设定的死区。任何压下丝杠位置偏差作为调整量被输入液压缸位置参考值。同样的，辊缝设定精度仅取决于压下丝杠位置的测量设备。取决于液压缸的有效行程，可以实现在精轧机实现全自动液压压下。
5.位置参考值计算
二级过程机系统在道次轧制前就要对该道次的轧制辊缝进行计算。然后再计算有轧制载荷时的液压缸位置和丝杠的位置。作为道次规程的一部分，这些位置参考值传给AGC系统。
参考文献：
[1]葛廷金。中厚板轧机厚度自动控制装置的综述，冶金自动化.1984.
[2]张进之。压力AGC系统与其他厚控制系统共用的相关性分析，冶金自动化。1987.
[3]郝付国。动态设定型AGC在中厚板轧机上的应用. 钢铁 1995.
水电站AGC控制策略 篇4
关键词：水电站,AGC,控制策略
0引言
AGC即自动发电控制,是指按预先设定的要求和条件, 自动控制水电站的有功功率来满足电力系统需要的技术, 它是在水轮发电机组自动控制的基础上,实现全电站自动化的一种方式。水电站AGC控制策略包括负荷控制方式、负荷分配原则、与一次调频的协调控制策略、与水位的控制策略、自动退出及躲避振动区的策略等。 水电机组具有起动迅速,负荷调节灵活的特点, 有利于AGC的调节控制, 水电站AGC控制策略还要根据水库上游来水量和电力系统的要求,考虑电站及机组的运行限制条件,在保证电站安全运行的前提下,以经济运行为原则,确定AGC时电站机组运行状况、 运行机组的组合和机组间的负荷分配。
1 AGC的控制方式
1.1水电站AGC系统结构图
一般水电站AGC系统结构如图1所示, 包括调度端主站、厂站端子站监控系统、机组现地控制单元、 机组调速系统、水轮发电机组等。 调度端主站通过远动通信与厂站端子站监控系统之间传输四遥数据。 厂站端子站监控系统向调度端主站上传的遥信量有机组有功功率、无功功率、电站上游水位等,遥信量有机组出口断路器状态、机组及全厂AGC状态、机组各刀闸状态等;调度端主站向厂站端子站监控系统下发的遥调量为全厂有功功率设定值, 遥控量有机组开机、 停机。
1.2负荷控制
AGC负荷控制方式基本有四种,即电站侧定值方式、电站侧曲线方式、调度侧定值方式、调度侧自动方式, 一般通过电站监控系统AGC画面实现调度侧和电站侧的负荷控制权的切换, 通过负荷控制权的切换选择曲线或定值方式。 在电站侧定值负荷控制方式下, 可直接在电站监控系统上设置全厂总有功功率的目标值, AGC依据预定和要求的分配原则将这个目标值分配到各台参加AGC的机组;在调度侧定值负荷控制方式下, 调度侧控制系统通过与电站之间的远动通信定时下发全厂总有功功率的目标值, AGC依据预定和要求的分配原则将这个目标值分配到各台参加AGC的机组; 电站侧曲线方式下,AGC程序依据调度预先下发的全厂负荷曲线给出各个时间点全厂总有功功率目标值, 再按预定和要求的分配原则将这个目标值分配到各台参加AGC的机组; 调度侧自动方式是调度按照电站的有功负荷结合电力系统当前状况、 水电站上游水位经自动计算后通过电站远动通信定时或预设方式下发全厂总有功功率目标值。
1.3频率控制
某些电站设立调频功能,该功能随时监视母线频率, 当频率超出正常调频区段时,AGC增减参加AGC机组的负荷, 直至系统频率重新回到正常调频区段。 多数水电站通过调速器的一次调频功能实现频率控制,并与AGC相互协作。
1.4开停机控制
AGC开停机控制可根据给定的负荷容量、 当前运行的机组台数、AGC中各台机组的运行区间、曲线方式下下一时间段的负荷容量、 定值方式下下一时间段的负荷容量、各台机组的运行工况、电站备用容量等条件给出开停机指导或自动开停机,避免有的机组刚开机后又需要停机或有的机组刚停机后又需要开机。
2 AGC负荷分配原则
2.1与容量成比例分配
与容量成比例分配是较为简单的一种负荷分配原则,在水轮机组的某些特性曲线不全或不够精确的前提下,采用该原则比较合理:
2.2按等微增率原则分配
发电机组单位时间内消耗的能源与发出有功功率的关系,即发电机组输入与输出的关系,称耗量特性,水电站中有功功率负荷合理分配的目标是在满足一定约束条件的前提下, 尽可能节约消耗的水量,耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值,即单位时间内输入能量与输出功率之比。 AGC应当在满足相关约束的前提下, 水电站承担一定的有功功率时,使总耗水量最小,按耗量微增率在各发电机组间分配负荷。
2.3小负荷分配
当相邻两次全厂总有功功率目标值较小时,可选择一台机组进行小负荷调整,若一台机组进行小负荷调整不能满足要求,可再增加一台参与调整。 小负荷分配可以使AGC机组在较高效率区间运行, 减少机组负荷的频繁变动,减少油压装置的起动、运行时间, 降低了水轮机的导水机构、接力器的磨损,降低水耗, 提高水轮发电机组效率。
2.4 AGC负荷分配要求
(1) 相邻两次负荷调节所造成的机组负荷波动最小。
(2)AGC分配值与调度给定值尽可能接近。
3 AGC与一次调频的控制策略
一次调频是在电网中快速的、小的负荷变化在不改变全厂总有功功率目标值的情况下,发电机控制系统监测到电网频率变化, 通过改变发电机输出功率, 适应电网负荷的随机变动,保证电网频率稳定,即发电机的一次调频。 一次调频功能受机组调速器性能、 机组特性的影响很大,是水电机组调速系统频率特性所固有的能力。 AGC的控制方式一般为功率闭环模式,而AGC的采样周期、响应调整模式和速率很难满足电网的应急要求,一次调频控制方式实际为频率闭环模式,一次调频动作后调速器按照一次调频的方式改变永态转差系数,更快地响应频率要求,按照调速器的频率偏差进行调节。 AGC和一次调频在控制对象、控制方式、响应速度均有较大差异,在一些情况下,双方的控制策略在控制方式、控制方向、控制时间会出现矛盾, 一次调频作为快速和基本控制, 弥补AGC响应周期长的缺陷。
一次调频时AGC的控制策略包括AGC优先、一次调频优先、AGC与一次调频融合等几种方式。 分析AGC与一次调频功能,根据电网、机组的要求和特点制定其控制策略,可使两者具有较好的配合、协同, 防止机组出现拉锯式调节、 反复调节等问题, 降低AGC与一次调频配合不当给机组及电网带来的安全风险。
4 AGC和水位的控制策略
(1)水电站水位的手动/自动切换应保持切换前水位值不变;手动切至自动后,若水位测量值与切换前差值在梯度内,则自动刷新;若测量值不在差值梯度内,不刷新,保持不变并报警。
(2)无论是自动或手动水位值,AGC运行过程中, 若水位值变化向上、向下超过水位梯度限制,则报警并保持当前水位值不变, AGC不退出;自动情况下水位测量恢复正常后,恢复正常刷新。
(3)自动水位下,AGC运行过程中,若水位值变化超过上限、下限限制值,则报警并保持当前水位值不变, AGC不退出。
(4)自动水位情况下,若水位值缓慢变化超过上、 下限值,即表明水位测量信号正确、真实有效,为避免机组运行于非正常水位下,报警“全厂水位值大于最大设定水位”、“全厂水位值低于最小设定水位”, AGC不退出。
5 AGC躲避振动区的策略
(1)避免机组频繁穿越振动区。
(2)避免机组长时间停留在振动区。
6 AGC自动退出策略
(1)母线频率故障,包括频率测量通道故障、频率越限。
(2)机组有功功率测值故障, 此时无法确定机组有功功率测值是否准确,为了避免全厂有功功率设定值受影响,退出全厂AGC。
(3)发电态时机组LCU故障。 由于发电态时机组LCU故障上送机组有功功率值可能为零或AGC不能判断运行机组台数, 为避免此台机组有功功率为零或AGC数据错误,影响全厂AGC分配,退出全厂AGC。
(4)发电态机组有功功率测点品质变坏, 此时无法确定机组有功功率测值是否准确,为了避免其他机组有功功率设定值受此影响, 不论该机组是否参加AGC,退出全厂AGC。
(5)如果机组由发电态突变为其他状态, 且机组有功功率大于机组最大有功值的10%,则不论该机组是否参加AGC,退出全厂AGC。
(6) 参加AGC的机组LCU故障, 无法进行AGC的分配及控制。
(7)电站水位信号故障,根据水电站情况不同,在高水头及流量变化较大的电站退出全厂AGC,在低水头及流量变化较小的电站可不退出全厂AGC。
7结语
实现水电站AGC, 有利于精简调度控制对象, 简化电站运行操作;减少机组变负荷次数,延长机组使用寿命,降低机组的检修成本;根据预设的调节范围,在保证经济性的同时,满足系统安全性的要求。
参考文献
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AGC控制系统 篇5
随着现代轧钢技术的发展,液压AGC系统凭借其响应速度快、精度高等优点已成为冷轧轧机重要的组成部分[1,2,3]。而在现代液压系统的研究中,常采用计算机仿真技术对系统进行必要的分析。在仿真技术中,AMESim是一款性能优越的仿真软件,它可以高效地对液压系统及控制进行仿真,准确地计算出仿真结果[4,5,6]。
2 轧机液压AGC系统数学模型建立
马钢一钢轧冷连轧轧机为三菱日立公司UCM型轧机,由4机架组成,其液压AGC系统主要由控制装置和液压系统、液压伺服执行机构组成。每架轧机配有2个压上缸,压上缸中心安装一个磁尺,用于检测压上缸活塞的位移量。为了提高液压AGC系统的响应速度,控制压上缸动作的伺服阀直接安装在压上缸本体上。为了减少系统压力的脉动,每个伺服阀还配有一组蓄能器组。冷轧生产线4架轧机共用1个液压泵站,向每个机架的AGC系统和弯辊系统及轧机的中间辊串辊和弯辊系统供油[7,8]。
2.1 确定液压AGC系统的系统参数
可以根据以下公式计算出液压AGC系统最大负载压力:
式中:Pl-负载油压;A-压上缸活塞面积;M-压上缸上的质量;G-所有移动部分的重量;Bp-粘性阻尼系数;Vp-压上速度;a-压上加速度;F-最大轧制力;Ff-摩擦力;F0-中间辊正弯辊力;Fw-工作辊正弯辊力;F1-压上缸活塞杆腔液压力。
由于BpVp较小,可忽略不计。可动部分摩擦力Ff应小于正常轧制力F的0.5%,所以Ff可按下式估算:
当轧制力达到最大时,得到伺服阀的最大负载Plmax,考虑系统的压力损失,可初步确定液压站的工作压力。
可以通过上式求出每个压上缸的最大负载流量。其中,A-压上缸活塞侧面积;Vpmax-压上缸的压上速度。
在轧制过程中,压上缸的调整量非常小,其瞬时流量和弯辊力调节所需要的流量也很小。但在液压站能力设计时,应考虑满足快速换辊的需要。
2.2 液压AGC系统数学模型确立
液压AGC系统是一种典型具有弹性负载的位置伺服控制系统。方框图如图1所示,系统主要由压上缸、伺服阀、位移传感器、伺服放大器组成。
液压AGC系统数学模型传递函数确立
(1)伺服放大器。伺服放大器用惯性环节进行处理传递函数可表示为:G(s)=Ka/((S/ωa)+1)(2)
(2)电液伺服阀。伺服阀传递函数可表示为:
Q0-伺服阀的空载流量;Ic-电流信号;k0-伺服阀流量放大系数;k′c-伺服阀的压力流量系数。
(3)压上缸。压上缸可用如下的传递函数表示:
Yp-压上缸活塞行程;Ql-输入流量;A-活塞面积;Xn-液压阻尼比;ω2-负载弹簧刚度与阻尼系数之比;ω1-液压弹簧与负载弹簧串联耦合时的刚度与阻尼系数比。
(4)位移传感器。位移传感器一般视为惯性环节传递函数可表示为:G(s)=kr/((S/ωf)+1)
综合上式,液压AGC系统的传递函数模型框图如图2所示。
3 利用AMESim软件对轧机液压AGC系统进行仿真
3.1 仿真原理图
轧机液压AGC系统原理见图3。主要由压上缸、位移传感器、伺服阀、放大器、PID调节器等组成。伺服阀作为液压控制元件,是将控制器给定的信号通过力马达(Force-motor)来变换阀芯的位置从而确定阀的开口度,进而控制流入压上缸的油流,通过压上缸作用于负载。同时压上缸的输出信号反馈至伺服阀,与输入信号比较,直至消除偏差。
3.2 仿真计算结果
本系统中可使用Premier Submodel功能选择数学模型,需将连接液压缸与伺服阀的管道设置为可压缩加摩擦的管道模型,然后在Parameter模式下,根据现场工况参数,设置仿真模型中的图形模块。
根据所得的轧机液压AGC系统数学模型,利用AMESim软件对系统进行仿真,从仿真图形上看出,系统仿真结果基本可以反映轧机液压AGC系统的特性。为进一步优化系统设计、研究新的控制策略和系统故障“模拟”提供了良好基础。
4 利用AMESim仿真模型对轧机液压AGC系统故障进行“模拟”
根据AMESim仿真的轧机液压AGC系统“正常工作”时的模型,将系统模型中的液压、机械、电气元件的状态,调整为各种“故障状态”,从而得到各种故障状态下的特征曲线。将“故障状态”下的特征与正常状态下的对比,即可确定轧钢机液压AGC系统状态以及发生故障的原因与部位。
4.1 轧机液压AGC系统频率特征的“故障模拟”
4.1.1 整体AGC系统
调整伺服阀内泄、压上缸内泄的故障参数。
从图7可以得到以下结论:(1)压上缸内泄时,系统频宽降低,系统响应速度将减小。(2)伺服阀内泄时,系统频宽增加,系统控制精度将降低。
4.1.2 电气系统
调整比例放大板增益异常的故障参数。
从图8可以得到以下结论:放大板增益异常时,系统产生振荡。
4.1.3 液压、机械系统
调整磁尺(位移传感器)故障、压上缸混入空气的故障参数。
从图9可以得到以下结论:
(1)压上缸混入空气时,系统响应速度将减小。
(2)磁尺故障时,系统控制精度将降低。
4.2 轧机液压AGC系统时域动态响应的“故障模拟”
轧机液压AGC系统动态特性分析也可在时域内进行,轧机液压AGC系统压上过程可近似地看成输入阶跃信号。检测系统阶跃响应,并与正常状态下的响应特性作对比,即可确定轧机液压压上系统状态以及发生故障的原因与部位。图10、11是各“故障状态”下系统阶跃响应的情况。
从以上图形可以得到以下结论:(1)系统增益偏低时,系统响应速度将减小;(2)系统增益偏高时,系统将发生振荡;(3)压上缸混入空气时,系统响应速度将减小;(4)压上缸内泄时,系统控制偏差大;(5)磁尺故障时,系统控制精度降低。
5 结语
本文主要根据冷轧轧机液压AGC系统的构成建立了液压AGC系统的数学模型,并利用AMESim软件对系统进行仿真。通过得到的仿真模型,对系统可能出现的液压、机械、电气方面及系统振动的故障进行研究。根据AMESim仿真的轧机液压AGC系统“正常工作”时的模型,将系统模型中的液压、机械、电气元件的状态,调整为各种“故障状态”,从而得到各种故障状态下的特征曲线。在现场故障诊断中将“故障状态”下的特征与正常状态下的对比,即可确定轧钢机液压AGC系统状态以及发生故障的原因与部位。该方法为现场的故障处理提供了良好基础并得到了较好的应用。对于类似机组也具有一定的借鉴意义。
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AGC控制系统 篇6
液压AGC(automatic gauge control)由于具有低惯量、高响应、高精度及易于实现计算机控制等特点,被广泛地应用于现代化板带轧机生产线的自动厚度控制系统中[1]。我们在某厂2600mm中板轧机设计中采用了液压AGC系统,辊缝调整方式为电动压下、液压压上,自动化系统采用两级计算机控制:基础自动化系统(L1)和过程自动化系统(L2) ,实现了全轧制过程的网络数据跟踪、动态自适应轧制规程设定及自学习模型和全自动压下控制。
1 系统方案设计
1.1 系统组成
整个系统分为控制系统、执行系统、操作装置和检测系统4个部分。其中,控制系统包括传动控制、基础自动化、过程自动化,执行系统包括液压缸、伺服阀、电磁阀、电动压下传动,操作装置包括操作台、机旁箱、监控站,检测系统包括厚度、位移、轧制力、油压、温度、位置等仪表。图1为轧机电动压下、液压压上装置示意图。
1.2 液压系统
与传统设计不同,我们采用了下置式液压缸,AGC缸布置在下支承辊轴承座下方的机架窗口底部。这一点与传统中厚板轧机将液压AGC缸布置在机架窗口上方(在上支承辊上)的结构是完全不同的,在新引进的项目中多采用这种布置形式,这种布置具有以下特点[2]:1)减小了机架窗口尺寸;2)调整下工作辊上表面标高方便,配辊要求低;3)液压缸距离控制阀组距离近,响应时间短;4)液压系统采用的高压软管短,稳定性好。
1.2.1 AGC液压缸
液压缸采用长行程、活塞式液压缸,为了能很好地满足轧机AGC系统对响应特性的要求,液压缸的设计中重点考虑了对双侧压力腔的压力面积之比。缸体、活塞、缸盖采用合金锻件,连接螺栓为高强度合金螺栓,采用组合密封装置,可使液压缸在小摩擦力下以高频率运行,密封系统在热轧中板恶劣的环境中,具备较长的使用寿命。AGC液压缸示意图如图2所示。
图2中,在每个液压缸的中心,安装1个内置式MTS位移传感器,精度为1 μm,用于测量液压缸活塞位移。液压缸两腔各装有1个HYDAC压力传感器,该传感器专用于轧钢液压高精度测量,精度在0.3%以内,上升时间小于0.5 ms。在液压缸上装有TURCK接近开关,用于液压缸活塞行程保护。
1.2.2 液压系统控制阀组
伺服阀选用MOOG公司79F2029系列3级伺服阀,在伺服阀主进油口设计了5台容量分别为50L的高压蓄能器组(2个液压缸共用),可提供瞬间大流量,对液压脉动进行滤波,有动态补偿作用,加快液压系统的响应时间,吸收冲击。充气压力为系统工作压力的0.85倍。另外为了减小管路压力的波动,回油管路和控制油路均设有蓄能器。
在液压缸有杆腔设计了背压回路。
在伺服阀先导级设计了带有压差报警装置的高精度双筒高压滤油器,滤芯精度为5 μm。
每个液压缸的过载保护是通过一个电磁插装式溢流阀实现的,设定电磁溢流阀的机械卸油压力为30 MPa。电气卸油压力为28.5 MPa,它也是一个系统安全阀。这2组安全阀都将为轧机提供机械保护。另外,通过安装在液压缸上的位移传感器,由AGC的电气控制系统提供保护。
1.2.3 液压站
液压泵为恒压变量泵,2用1备,排量为250 L,最高工作压力为35 MPa,单泵工作最大输出流量为362 L/min,双泵工作可连续提供的最大流量为724 L/min。
2 系统组成
2.1 系统结构
基础自动化系统采用2台控制器:一台TDC控制器作为轧机AGC工艺控制器;另一台PLC控制器作为轧机顺控控制器,主要任务是完成区域设备联锁、轧机和辊道速度控制、轧机辅助动作控制,轧区设备的逻辑控制等。
L2的核心设备是2台PC服务器:轧钢过程控制服务器(PCS)主要运行轧钢过程自动化的中间件和应用软件;轧钢过程历史数据服务器(HDS)用于存储所有的生产数据和报表。L2系统还配备了4套软件维护开发终端(DEV)、2套人机交互终端(HMI)工程师站和2台网络打印机,方便技术人员对过程控制计算机系统进行监视、维护和开发。
在轧机操作室,设置一组操作台及HMI台。HMI人机监控系统使用西门子的WINCC软件进行开发。为缩短接线长度,操作台设置远程I/O站,通过ProfiBus-DP网与主控制器进行数据交换。
2.2 硬件配置
2.2.1 SIMATIC TDC控制器
TDC(technology and drive control)控制系统为多CPU高性能数字控制系统,适合完成实时、多任务的复杂生产过程控制和高速运算。主要任务是完成电动压下、液压压上及进行厚度控制。TDC控制器如图3所示。
2.2.2 SIMATIC S7-400 PLC控制器
具有模块化、易扩展、坚固耐用、网络支持广和界面友好的特点,内置PROFIBUS-DP接口可直接连接PROFIBUS网,速率最快达12 Mb/s。主要
任务是完成区域设备的联锁、轧机和辊道的速度控制、轧机辅助动作控制,轧区设备的逻辑控制等。
2.2.3 ET200M远程I/O系统
适合于复杂的自动化控制。远距离传输介质采用光纤,可提高系统的抗干扰能力。
2.2.4 高速以太网
各控制器之间、以及L1与L2和HMI之间都是采用基于TCP/IP协议的以太网,网络电缆远距离采用光纤,近距离采用双绞线,采用交换机技术,通讯速率为100 M。
2.2.5 ProfiBus-DP网
L1级与L0级传动控制器采用Profibus-DP现场总线相连接,减少了硬件接线。Profibus-DP为令牌通讯主从方式,通讯速率最高可达12Mbaud,并可通过Repeater扩展通讯距离。
2.3 现场主要仪表
2.3.1 位移传感器
位移传感器采用MTS的磁致伸缩传感器,电动压下为外置式,液压压下为内置式。SSI绝对值输出,串行同步信号,给控制器提供实时的同步位置输出,掉电后也能保持原数据,传输距离可达到200m,输出抗干扰性极高,分辨率为0.001 mm。传感器工作原理是利用2个不同磁场相交产生应变脉冲信号,然后计算这个信号被探测所需要的时间,得出准确的位置。
2.3.2 压头
压头选用KELK的Rollmax轧制力测量系统,应变片式压头,具有响应快、精度高、线性好、稳定可靠的特点。系统采用惠斯通电桥原理,当压头的弹性体受力变形后,电桥就输出对应于轧制力的偏差信号,此信号被送到数字信号处理单元。
2.3.3 红外高温计
对轧件温度进行测量。从轧件表面聚焦红外线辐射能量至内部检测元件,然后将此能量转换成连续的电信号,通过信号处理器、微处理器进行处理,包括发射率补偿、数字线性化、变焦等,可实现如峰值采集、平均值计算、跟踪、保持和过高或过低报警等时间函数的选择,最后输出结果。
2.3.4 测厚仪
测厚仪是非接触式X射线测量系统,具有温度补偿、合金补偿功能。厚度测量范围6~50 mm。
2.3.5 热金属检测器
热金属检测器主要用于冶金工业系统中,通过对红热高温工作的检测,判断工件的运动位置,输出为控制用开关信号。
2.3.6 油压传感器
采用HYDAC油压传感器测量液压系统油压,主要用于对APC(automatic position control)和AFC(automatic force control)闭环控制放大倍数的补偿。当压头出现故障时,可替代测压头来测量轧制力[3]。
3 控制功能
3.1 基础自动化
3.1.1 概述
该系统可以实现的主要功能为:轧机液压辊缝控制、轧机电动辊缝控制、轧机自动厚度控制、轧机自动调零调平控制、液压缸同步自动控制、油缸限位保护与报警、过程参数显示、轧制过程重要数据采集、故障状态记录、人机界面等。
轧机自动厚度控制系统(AGC)是提高热轧钢板同板差的主要手段。影响板带厚度均匀性的因素非常复杂,主要包括:轧件本身的因素,如坯料厚度不均、坯料硬度波动(含水印)等;轧制因素,如轧辊偏心、咬钢时轧件对轧辊冲击、温度对轧辊尺寸和轧制力的影响等。针对这些干扰因素,采用数字控制计算机进行厚度自动控制,综合采用多种形式的厚度自动控制算法,以适应不同钢种、不同成品规格以及各工艺参数变化的要求,减轻干扰因素对轧机出口板材厚度的影响。AGC控制模型主要有:压力AGC,控制模型建立在轧机弹跳方程原理基础上;监控AGC,利用出口测厚仪检测到的板厚偏差作为主反馈量来控制板带出口厚度。
3.1.2 自动压靠调零
由于采用电动压下、液压压上的辊缝调节方式,在进行自动压靠的时候需要动态调整液压缸,在某些情况下会使得轧机下工作辊上表面与轧制线标高不在合理范围内,导致无法正常生产,因此针对该轧机研究一套特殊的自动压靠方法。
若电动压下的操作侧、传动侧位移传感器反馈数据分别为SEWS,SEDS,液压压上操作侧、传动侧位移传感器反馈数据分别为SHWS,SHDS,并通过程序处理,使得当上、下辊系朝辊缝变大的方向动作时,相应位移传感器反馈数据也是变大的,图4所示为操作侧的辊缝示意图,图4中垂直向上、向下的箭头分别表示电动压下、液压压上传感器反馈数据增大的方向。这样,如果零位对应的位移传感器反馈数据是SEWS0,SEDS0,SHWS0,SHDS0,则操作侧辊缝GWS、传动侧辊缝GDS分别为
GWS=GEWS + GHWS
=(SEWS-SEWS0 ) +( SHWS-SHWS0 ) (1)
GDS=GEDS + GHDS
=(SEDS-SEDS0)+(SHDS-SHDS0) (2)
式中:GEWS,GEDS,GHWS,GHDS分别为电动压下的操作侧、传动侧辊缝和液压压上的操作侧、传动侧辊缝。
假定电动压下和液压压上在正常工作范围内小幅动作时其机械特性是不变的,此处的小幅动作对应从工作辊开始接触进而达到预压靠力P0这一过程空载辊缝的改变量(2 600 mm中板轧机约为2~3 mm)。根据设备参数和现场实验结果,以上假定是合理的,因而可以进行一定范围内的零位平移,举例:如果零位整体上移2 mm,那么新零位对应的位移传感器反馈数据是SEWS0+2,SEDS0+2,SHWS0-2,SHDS0-2,对应某一辊缝设定而言,也就是相当于液压缸活塞要多伸出2 mm,电动压下螺丝要少伸出2 mm,如果忽略机械特性的变化,可以认为辊缝没有改变。
3.1.3 自动位置控制
液压AGC系统是以液压缸驱动,对辊缝进行动态微调,具备2个基本内闭环,即轧制力闭环和位置闭环。一般与自动位置控制系统(APC)一起使用,自动位置控制系统是指在指定的时间将控制对象的位置自动地调节到预先由过程机设定的位置,调节后的位置与目标值之差保持在允许的误差范围内[4]。液压APC作为液压AGC的内环,执行厚度外环液压AGC控制向其输出位置(或轧制力)的动态调节量,即辊缝调节量。APC首先根据二级轧制模型设定1个辊缝参考位置,进行辊缝粗调,在此基础上,通过高响应的伺服油缸来修正轧制过程中的辊缝变化,进行辊缝精调。除了以上2种基本闭环外,一些可预知的影响板厚的因素通过建立数学模型同时被考虑,以开环方式参与控制。
AGC系统采用的基本方程是弹跳方程[5]:
式中:h为出口厚度;S为轧辊辊缝值;P为轧制力;P0为预压力;M为轧机的刚性系数;SF为弯辊力造成的厚度变化;O为油膜轴承的油膜厚度变化;G为辊缝零位。
3.1.4 自动厚度控制
液压AGC系统采用厚度外环,以进行钢板的AGC控制。AGC系统采用GM AGC(gauge-meter AGC)、监控AGC以及多种补偿AGC。
GM AGC的实际厚度是利用弹跳方程计算出来的,其基本原理是:利用弹跳方程,根据测压仪和辊缝仪分别测得轧制压力偏差信号ΔP和辊缝位置的变动量ΔS,然后把这2个变量叠加起来,得到钢板轧出厚度的偏差值Δh,将该Δh反馈给厚度自动控制装置进行调节。这是AGC系统中基本的控制功能。监控AGC系统是根据轧机出口侧装设精度比较高的测厚仪,直接测出钢板实际轧出厚度并与给定的目标厚度(即锁定厚度)值进行比较,当两者数值相等时,厚度计输出为零(厚度计的输出量就是厚度偏差值Δh)即Δh=0。若实测厚度值与给定目标厚度不等而出现厚度偏差Δh时,便将该Δh反馈给厚度自动控制装置进行辊缝调节。
为了进一步提高厚调精度,需采取各种补偿措施,主要是弯辊力补偿、偏心补偿、油膜轴承厚度O补偿、轧辊热凸度和磨损变化的补偿、伺服阀流量补偿等。
3.2 过程自动化
3.2.1 概述
L2主要任务是对全线的生产工艺过程进行跟踪、设定和数据采集等。控制系统要求运行稳定、功能设置灵活实用、产品质量控制精确,能否运行稳定取决于计算机硬件系统的合理配置以及中间件和应用软件的结构设计及编程质量,功能设置的灵活实用主要体现在控制系统的功能和接口是否可以很好地适应中厚板各种不同的生产工艺要求和关键参数控制,以方便工艺技术员实现产品和工艺开发,产品质量要控制精确,关键在于设定计算所涉及的数学模型、控制策略、自适应算法等[6]。
3.2.2 初始数据管理
在板坯进入轧线之前,轧线L2系统必须事先获得其初始数据(PDI),并根据轧制顺序和跟踪信息,向轧机设定计算和大型仪表及时准确地提供板坯初始数据。
板坯初始数据的主要数据项目有板坯号、炼钢炉号、板坯尺寸、板坯重量、化学成份、目标尺寸、产品公差、工艺指令(如转钢次数、交叉轧制方式)等。
3.2.3 轧件跟踪
跟踪的目的是确定钢板在生产线上的实际位置和相关状态(比如轧制阶段、道次号等),以便将钢板与预定的控制时序进行关联,监视和启动各工艺过程的控制功能(比如设定计算、模型自适应、测量值收集与处理等)。
由于中厚板生产工艺复杂,而且实际生产环境中也可能出现检测器误动作,这就要求对L1各控制器发送来的信号数据进行有效性判断,以及在更新钢板状态和位置时进行可行性分析。主要手段有:判断当前跟踪区和相邻跟踪区的钢板数量、判断更新钢板的前后状态、考虑信号变化间隔的合理性等。
3.2.4 轧机设定
轧机设定是指L2系统根据板坯初始数据、设备参数及人工干预量,配合跟踪信息和部分实测数据(如出炉温度、板坯宽度),通过一系列数学模型和算法制定一套可行的轧制规程,并在此基础上计算出轧机、侧导板、除鳞和冷却介质、辊道等设备的设定数据和工序指令,将其发送给L1执行。
根据中厚板生产工艺特点,钢板从出炉到轧制结束离开测厚仪这段时间内要进行多次轧机设定计算,每次的计算条件、目的和方法都各不相同。一般分为预计算、再计算、后计算、模型自适应。
3.2.5 轧机模型自适应
模型自适应是提高模型预报精度的有力手段,可分为道次之间自适应和钢板之间自适应两种情况。
道次之间的模型自适应是在轧机设定后计算完成后启动,通过比较测量值和后计算值,确定相应数学模型的误差,并采用指数平滑法来更新模型自适应系数。这样,后续道次的轧机设定再计算将能采用最新的模型系数,以提高模型预报精度。
钢板之间的模型自适应在每块钢轧制完成后启动,它计算的依据有各道次的自适应系数以及最后成品的厚度、宽度、温度、板形等实测数据。钢板之间自适应可分为短期和长期两种,短期自适应是前后两块钢板(规格和钢种相同)之间的修正,长期自适应是轧制批次(规格和钢种不同)之间的修正。有测厚仪时,适应过程是自动完成的,当没有测厚仪时,需要人工测量板厚,并对模型计算值进行相应修正。
自适应功能所要修正的模型有:轧制力模型和轧制力矩模型,宽展模型,温度模型,轧机弹跳模型。
4 结论
两级自动化系统的配合能显著提高轧件的尺寸精度,迅速适应轧制规格的变换,显著提高钢板的力学性能。还可减少误轧次数、精简操作环节、提高轧制节奏。通过投产后现场的实际运行情况来看,该系统操作便捷、稳定可靠,能快速响应各种手动和自动调节,厚度精度达到国内先进水平,提高了产品竞争力,为企业创造了良好的经济效益。
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电网AGC与AVC协调控制方法 篇7
自动发电控制(Automatic Generation Control,AGC和自动电压控制(Automatic Voltage Control,AVC)是电网调度自动化系统的两大核心应用。其中AGC负责有功功率控制，主要功能是通过调节发电机组有功出力使系统频率和联络线功率跟踪计划值，并维持电网重要断面或线路的潮流水平在安全范围内。AVC负责无功功率控制，主要功能是通过调节无功设备的无功补偿水平维持电网电压合格并降低网损。经过多年发展，电网AGC和AVC技术现已相对成熟，并陆续在各级调度中心实现闭环控制[1,2,3,4,5,6,7]。
目前电网AGC与AVC之间是相互解耦的，各自独立实施控制。这种有功与无功解耦的控制模式在电网建设初期较为有效。但随着电网联系日益紧密、负荷水平不断增长，AGC与AVC各自独立的控制模式暴露出了一定的问题。例如：随着电网间联系程度增强，电网间联络线传输功率水平提高，当联络线功率与计划值偏差较大时，AGC为跟踪计划值实施控制会引起联络线功率大幅波动，这会导致联络线端节点及其近区电网的电压波动，从而影响AVC的控制质量。另一方面，随着负荷水平增长，电网内部分线路潮流水平较高，AVC对其端节点电压的调节可能会引起线路功率的改变甚至越限，从而影响AGC的控制效果。可见，电网有功功率控制与无功功率控制不可完全解耦，相互独立实施控制可能会引起AGC与AVC反复调节，影响彼此的控制效果。
近些年已有学者对电网AGC与AVC协调控制进行了积极探索。文献[8,9]以提高电压稳定性和抑制低频振荡为目标，研究负荷增长及故障后的AGC与AVC协调策略，但没有考虑电网正常情况下的控制策略；文献[10,11]研究AGC与AVC分层协调控制策略，提出了优化层和预测层的控制算法并验证了协调效果，但对实时控制层面考虑不足；文献[12,13]基于事件驱动机制提出AGC与AVC交替迭代的协调控制策略，减少了两者间的相互影响，但未涉及AGC与AVC相互的辅助支撑调节。
本文考虑电网AGC与AVC不同的控制周期，按照时间尺度提出了分钟层和秒层两级衔接的AGC与AVC协调控制方法。在分钟层级实现有功功率与无功功率的联合优化控制，在秒层级进行有功功率与无功功率的协调校正控制。两个层级相互配合，提高电力系统安全经济运行水平。
1 协调控制体系架构
根据国家电网公司《智能电网调度技术支持系统》系列标准中的规定，电网AGC控制周期不超过20 s，电网AVC控制周期不超过5 min。可见，虽然AGC与AVC均属实时控制范畴，但控制周期却不在同一时间尺度上。所以，实施AGC与AVC协调控制需在分钟层级和秒层级分别进行协调，并保持两个层级之间的相互衔接。为此，本文在充分利用电网AGC和AVC现有实现方式的基础上，对各自的模型和策略进行完善，并按时间尺度提出了分钟层和秒层两级控制体系架构。如图1所示。
该协调控制体系架构总体思路是在分钟层级上进行有功与无功统一建模，周期地进行有功无功联合优化计算，统一给出AGC和AVC的控制命令。而在秒层级上完善AGC与AVC各自的控制策略，建立二者间的协调机制，并周期地监视优化后电网运行状态，当发现有状态量超出允许运行范围时进行有功与无功的协调校正计算，分别给出AGC和AVC的控制命令。两个层级的具体实现方式如下。
分钟层级：采用电网AVC的控制周期，每5 min进行一次优化计算，并在AVC无功优化基础上对数学模型进行完善，形成有功无功联合的控制模式。将AGC机组有功作为可控变量纳入到无功优化数学模型中，进行全网有功无功联合优化计算，统一生成AGC和AVC控制指令，使电网运行于最优潮流状态。在保证AVC降低网损、提高电压合格率的同时，也满足AGC有功与负荷实时平衡、联络线功率跟踪计划值、线路潮流合格等要求。
秒层级：采用AGC的控制周期，每10～20 s进行一次校正计算。在电网运行于优化态后，AGC与AVC各自周期地监视由于扰动(如负荷变化等)引起电网状态量的改变。其中AGC主要监视电网频率、联络线功率、线路潮流，AVC主要监视节点电压水平。若状态量超出允许运行范围时，则进行AGC与AVC的协调校正控制，在实现将状态量控制在合理运行范围内的同时，避免引起新的状态量越限。本层级的AGC与AVC协调校正机制是在对两者各自校正控制策略进行完善的基础上建立的，目的是既抑制相互间控制策略的不协调对控制效果的影响，又能够在必要时实现两者间相互的辅助支撑调节。
2 分钟层级优化模型
分钟层级主要任务是在相对较长的时间尺度内调整有功和无功电源出力跟踪负荷趋势性变化，使电网运行于最优潮流状态附近。其数学模型可通过在AVC无功优化模型基础上引入AGC的控制目标和约束，建立有功与无功联合的最优潮流模型来实现。
通常AVC的数学模型是以网损最小为目标、安全性为约束的非线性优化问题[14]，如式(1)所示。
式中：N为总节点数；SG为发电机节点集合；ST为有载调压变压器节点集合；SB为无功补偿节点集合；Ploss为网损；V、θ为节点电压幅值和相角；Gij、Bij为节点导纳矩阵元素的实部和虚部；PG、QG为发电机有功和无功；PD、QD为负荷有功和无功；T为有载调压变压器档位；B为无功补偿量；下标max、min表示限值的上限和下限。
AGC主要目标是控制频率在额定值附近、控制联络线功率跟踪计划值、控制重要线路潮流安全。对于频率控制，式(1)约束条件中的等式约束是保证各节点发电和负荷平衡，从而实现全系统供需平衡，及维持频率在额定值附近。但由于求解过程中各节点会存在一定的发电和负荷不平衡量，其在全系统累加后可能增大频率与额定值偏差，为保证频率控制质量还需引入频率波动约束，如式(2)所示。
式中：B为系统频率偏差系数(MW/0.1 Hz)；ε为频率允许的波动量，通常不超过0.5 Hz;SD为负荷节点集合。
对于联络线功率控制，建模时可将联络线等值为发电机组，联络线功率即为发电机组功率，送端电网等值发电机组功率为负，受端电网为正。该等值机组无功功率固定，有功功率跟踪计划值。设L为联络线端节点，则等值机组约束条件为
式中：PT,0为联络线计划功率；η为联络线功率偏差死区，通常不超过5 MW。
对于重要断面的控制通常是指线路潮流控制，基本的要求是避免过载。为不失一般性，可约束系统内各线路功率，如式(4)所示。
式中，Pij为线路i,j的功率。
将AGC机组有功功率的可调范围与式(2)～式(4)共同补充到式(1)的约束条件中，形成的以网损最小为目标的最优潮流模型为
应用原对偶内点法可对上式进行可靠求解，统一计算出分钟层级的AGC和AVC控制策略。
3 秒层级校正策略
秒层级主要任务是在分钟层级优化控制结束后，到下一次分钟层级优化控制开始前，在相对较短的时间尺度内周期地监视电网状态量变化，若状态量超出了运行允许范围，则进行AGC与AVC的协调校正控制，将状态量维持在合理运行区间。
在秒层级上，状态量的改变主要由扰动(如负荷波动)引起，它对AGC的影响要明显高于AVC。所以本文的协调校正策略总体思想是以AGC为主、AVC配合调节。即AVC通过灵敏度关系定量计算AGC调节对其的影响，若影响在允许范围内，则AVC只监视不调节；若影响超出了允许范围，则AVC配合AGC同步调节来消除影响。同时在线路功率控制等方面，必要时可由AVC替代AGC进行辅助调节。而在AVC单独调节时，需不引起AGC控制量越限。
3.1 AGC与AVC的交互影响量
AGC通常采用定联络线和频率偏差控制(TBC)方式。通过计算区域控制偏差(ACE)来判断AGC是否动作。ACE的计算公式为
式中，Δf和ΔPT为频率偏差和联络线功率偏差。
从式(6)可见，ACE是由负荷变化和联络线功率变化共同影响的。若ACE主要由负荷波动导致的频率变化所引起，则其可在全网范围内由AGC机组按一定比例分摊消纳，各AGC机组调节幅度有限，在全网范围内引起的潮流变化不大，对电网电压的影响较小。若ACE主要由联络线功率偏差引起，当偏差较大时，各AGC机组为消除联络线功率偏差而动作时，会对联络线端节点电压产生一定幅度的波动，存在电压越限的风险。
另外，根据线路潮流的表达式：
可知，线路端电压是线路功率的函数，所以AVC对重载线路和联络线端节点电压的调节也会影响线路和联络线的功率水平，进而影响AGC的控制效果。
可见在秒层级控制方面，AGC与AVC之间的交互影响主要存在于联络线或线路的功率与其端节点电压之间。所以AGC与AVC的协调校正控制策略就是通过完善AGC与AVC现有的控制策略来避免这种交互影响，并在必要时利用这种交互影响实现两者间相互的辅助支撑调节。
3.2 联络线协调校正控制
为保证联络线功率的控制效果，在分配AGC机组调节功率时，需考虑联络线功率对机组有功的灵敏度。计算方法如下：
由于联络线其中一端在对端电网，在只进行本端电网灵敏度计算时可将其视为常量。设节点i在对端电网、节点j在对端电网，式(8)可简化为
当ACE主要由联络线功率偏差引起，可选择灵敏度大的机组主要负责联络线功率调节，这些机组可按调节速率或备用容量等方式承担调节功率，以保证可靠消除联络线功率偏差。而当ACE主要由频率偏差引起，主要选择灵敏度因子小的机组进行调节，以保证消除频率偏差的同时减轻对联络线功率的影响。
为配合AGC对联络线功率的控制，避免由于联络线功率波动导致节点电压越限，AVC需与AGC同步监视联络线功率水平，根据联络线功率对节点电压的灵敏度计算AGC调节对节点电压的改变量。灵敏度计算方法如下：
AVC根据式(10)的灵敏度以及待校正联络线功率偏差量定量计算AGC调节后节点电压水平，若该电压正常，则无需进行AVC控制；若该电压越限，则实施AVC控制配合AGC调节，根据电压无功灵敏度校正算法[15]计算AVC控制指令，并与AGC指令一并下发，在校正联络线功率的同时避免引起节点电压越限。
3.3 重载线路协调校正控制
AGC对电网内重载线路功率的控制，需要根据式(8)的计算方法找出灵敏度较大的机组负责调节线路功率，并在需要校正重载线路功率时，结合ACE所需的调节方向优先选择既能有效降低线路功率，又能减小电网ACE的机组进行调节。
但在某些情况下，如ACE处于调节死区时，AGC校正重载线路功率会恶化电网ACE。考虑到线路端电压是线路功率的函数，所以此时可用通过AVC改变线路端节点电压的方式来替代AGC实现线路功率校正。
AVC调节与线路端节点电压无功灵敏度高的无功源，改变端节点电压从而实现校正线路功率的目的。这在本质上是通过调节无功改变线路有功，需利用线路有功对无功源(如机组)无功的灵敏度，其表达式为
根据式(11)找出对线路功率灵敏度高的无功源，并根据灵敏度和待校正线路功率偏差量计算需调节的总无功量。然后根据电压无功灵敏度校正算法[15]计算AVC控制指令，从而将线路功率控制在限值范围内。需要指出的是，无功调节对线路功率的改变量通常不大，所以此方法只适用于微调，做为一种在特殊情况下AVC辅助AGC调节的方法。
3.4 节点电压协调校正控制
AVC对联络线或重载线路近区电网节点电压的校正可能会引起联络线或重载线路功率的改变。考虑到电网正常运行时，即使节点电压发生越限，一般也是小幅偏离电压限值。所以正常情况下AVC调节对联络线或线路功率的改变量不会很大。但为了保证AVC单独进行校正控制时不使联络线或线路功率恶化，可以利用其功率可调裕度来约束电压的调节范围，具体表达式为
式中：ΔV是可调节的电压幅度；ΔPij是可调节的功率裕度。
4 算例验证
为验证本文所提AGC与AVC协调控制效果，选取新英格兰10机39节点系统[16]，并将节点20的负荷等效为送端电网联络线功率，设节点21、22之间所连线路为重载线路。首先验证分钟层级控制策略，将奇数负荷节点的负荷增加10%，偶数负荷节点的负荷减少10%，则系统总负荷增加123.2MW，频率下降0.55 Hz,10节点电压越上限(电压限值0.94～1.06 pu)。设此时段联络线功率计划值为800 MW，重载线路功率限额为583 MW。通过AGC与AVC联合优化后，控制效果如表1所示。
可见，通过AGC与AVC的协调优化控制，系统频率、联络线和重载线路功率、节点电压均维持在合格范围内。系统网损有所增加，这主要是由于优化后发电功率大幅增加所致，但在网损最小为目标的优化过程中，网损率仍维持在较低水平。
基于分钟层级优化后电网断面验证秒层级AGC与AVC协调校正控制策略。对于联络线功率控制，设某时刻联络线功率计划值变为787 MW，根据联络线功率对机组功率的灵敏度关系，选择33、34两台机组进行调节，并按备用容量分配10MW左右的调节功率。但单独进行AGC调节后会导致节点20电压越下限，由0.943变为0.939。所以需要AVC配合AGC同步调节，根据电压无功的灵敏度关系，仍然选择机组33、34进行AVC调节，在不引起其他节点电压越限的同时，两台机组共同承担至少9 Mvar的无功功率。通过AGC与AVC协调校正的控制效果如表2所示。
可见通过AGC与AVC的协调校正，在将联络线功率控制在合理范围内的同时，也避免了联络线端节点电压越限。
对于重载线路控制，若ACE合格而线路22-21功率限值由583 MW降为573 MW，则线路功率轻微越限。利用AVC辅助AGC调节，根据线路功率对机组无功的灵敏度选择机组35、36参与AVC调节，在保证其他节点电压合格的同时两台机组共同承担至少36 Mvar无功功率，调节效果如表3所示。
可见当线路功率轻微越限时，利用AVC调节线路两端电压替代AGC校正重载线路功率，可在不影响电网ACE的同时，将线路功率控制在合理范围内，还可改善节点电压水平。
对于节点电压控制，当调节重载线路端节点电压时，由于线路22-21功率572.87 MW靠近额定限值573 MW运行，所以AVC对节点21、22的电压调节可能引起线路功率越限，需根据式(12)限定节点电压调节范围，如表4所示。
可见由于线路功率接近上限，为不使其越限，AVC对线路端节点电压的上调空间受到限制。
5 结论
本文提出的电网AGC与AVC协调控制方法，充分基于现有AGC与AVC的实现方式，并通过对数学模型和控制策略的完善，实现了不同时间尺度上AGC与AVC的联合优化和协调校正。通过算例分析验证了该方法是正确有效的，同时控制效果也表明了该方法在满足AGC与AVC各自控制目标的同时优化了电网的经济运行水平，抑制了AGC与AVC间的交互影响，促进了AGC与AVC间的辅助支撑调节。
摘要：电力系统有功功率与无功功率耦合日益紧密,自动发电控制(AGC)与自动电压控制(AVC)相互解耦的模式会影响电网的运行控制效果。基于AGC与AVC不同的控制周期,在时间尺度上建立了分钟层和秒层两级衔接的AGC与AVC协调控制模式,提出了控制方法。在分钟层级上,建立有功功率与无功功率联合的最优潮流模型,提出AGC与AVC的联合优化控制方法;在秒层级上,完善AGC与AVC各自的控制策略,提出AGC与AVC的协调校正控制方法。通过算例验证表明,所提方法在满足AGC与AVC各自控制目标的同时,实现了电网的经济运行,抑制了AGC与AVC的相互影响,促进了AGC与AVC的相互支撑。
AGC控制系统 篇8
近年来,我国电力系统AGC工作取得了很大的进展,其中一个重要标志是大量的发电机组具备了投入AGC运行的条件[1]。AGC可调容量的大幅增加为电力系统安全、优质、经济运行提供了良好的条件。而AGC服务的成本对辅助服务乃至整个电力系统的运行成本具有重要的影响[2,3,4]。在电力工业体制改革之前,由于我国电力系统自动化水平低,具备AGC功能的发电服务不多,为了保证电网的安全稳定运行,调度员往往根据运行经验让几乎全部具备AGC功能的服务无偿参与调整,并按装机容量分配全网AGC调整容量,目前这种方法依然存在,在该体制下,自然不存在AGC服务的调配问题;然而在电力市场环境下,发电公司与电力调度交易中心分离,成为各自独立的经济实体,AGC的目标转变为在保证安全、可靠、及时地调节频率(或ACE)的前提下,使得市场中电网监控中心向电厂支付的AGC服务费用最小。随着电力市场及其技术支持系统的不断发展和完善,各发电公司在最初的电量竞争基础上,逐步将竞争重点放到辅助服务的质量和价格的竞争上。如何选取参调AGC服务,就成为我国电力市场化进程中亟待解决的重要问题。
文献[5]在选择AGC服务时更多地考虑调节速度和响应延迟时间等性能,这种方法可能会使某高性能服务成为高价边际服务,增加了购买费用,也可能导致在系统频率调整的后期阶段出现频率调整能力不足的问题;同样,如果首先选择了价格较低的AGC服务,通常这些服务的性能较差,系统将会因为频率不能得到及时的调整而不得不额外购买AGC服务,给系统的安全和稳定性带来潜在的威胁,其经济性当然很难保证。文献[6]采用文献[7]中的AGC服务性能评估办法,综合考虑了AGC服务性能和容量报价两方面因素,但其计算性价指数的合理性有待商榷,而且在选择AGC服务时不应该把容量作为AGC服务的性能而简单地认为其容量越大对系统的贡献也越大。文献[8]提出了考虑AGC服务被调用概率的兼顾容量和电量价格的AGC服务选择方案,此方法利用价格排序,把调用概率高的AGC服务排在了后面,原理存在一定的缺陷,且忽略了AGC服务的性能。文献[9]用AGC服务容量价格与性能的比作为新的容量价格,性能采用文献[7]中的评估办法,没有考虑性能对AGC服务电量价格的影响,新的容量价格作为结算依据的合理性有待商榷。文献[10-11]把AGC服务的价格和性能中四个不可比的量糅合在一起对AGC服务进行评估。文献[12]中的AGC机组调配方案也存在与文献[5]同样的缺点。文献[13-16]以调节速率和容量作为约束,用不同的优化算法对AGC机组进行调配,但其不一定最优。
系统对备用的需求受负荷与发电机的密度及其所处位置、发电机数量与容量大小以及其故障率等因素的影响[17]。在电力系统暂态过程中,随着参与负荷频率控制服务的减少,系统的频率偏差将增大且恢复时间变长[18]。因此,作为特殊备用的AGC服务在确定其容量时应尽可能使其分布合理,点多面广。设计出一种既简单、方便,又能体现电力市场特征的AGC服务调配方法,无论是对AGC服务提供者还是购买者都具有重要的意义。为此,本文结合重庆电网AGC服务管理实际提出了基于层次分析法(AHP)[19]的可同时考虑AGC服务调节性能及其在电网中位置与价格等方面因素的AGC服务调配方案;算例比较分析表明,采用本文所提出的AGC服务调配方案不但能够保证电力系统的安全性,而且还能够提高电力系统运行的经济性。
1 AGC服务的调配方法
在理性市场环境下,高质量产品一般价格较高;系统运营者总希望以最小成本满足系统需求,以低价购买高质量的产品,所以在进行市场机制的设计时需要平衡这对矛盾,就必须同时考虑性能和价格两方面的因素,只有这样,才能提高效率、优化资源配置,促进电力工业的可持续发展。AGC服务市场与电量市场最大的差别在于[20]:其市场是单一的买方市场,这是由其对付随机事件的特点决定的,因此必须实施集中管理、统一调度才具有市场效率和社会效益。为此本文以性价比为依据对AGC服务进行集中调配,性价比Ki计算公式为
式中:Kr,i为服务i的综合调节性能;Kc,i为服务i的综合调节价格。
1.1 综合价格的求取
(1)对于上调服务由于要预先留一部分容量以供系统调用,所以需要报容量价格以弥补其容量和机会成本等。
(2)对于下调服务由于其容量成本已在电量市场上取得回报,机组的磨损、机会等成本均可纳入电量成本中,所以只需报电量价格。
式中:Kc,i为服务i的综合价格;Pri为AGC服务i容量报价;Pdi为AGC服务i电量报价;xi为AGC服务i被调用容量占其服务容量比例。x值可根据AGC服务以往参与AGC调节的表现以及电网实际运行情况,并结合调度运行人员的实践经验来确定。
1.2 基于层次分析法(AHP)的综合性能指数
对于AGC服务性能来说,瞬时价值是其主要特点[21],故在此考虑其响应速率、响应延迟时间、响应精度以及AGC服务在电网中位置等因素,用层次分析法(AHP)把以上各性能指数综合起来作为AGC服务的综合性能指数,模型如下:
式中:Kv,i为服务i的调节速率指数;Kt,i为服务i的响应延迟时间指数;Kj,i为服务i的调节精度指数;Kp,i为服务i的位置指数;vi为服务i的调节速率;Ti为服务i的响应延迟时间;Ji为服务i的调节精度;服务i的网损微增率;v、T、S、J为常数,作用是把各指标归一化,使其具有可比性;α、β、λ和θ分别为调节速率、响应延迟时间、调节精度、位置指数的权重因子,用AHP求取,不同权值可以为市场提供不同的经济信号。
2 AGC服务的调配模型
AGC服务的选择应考虑以下问题:(1)具有足够的容量和调节范围;(2)具有一定的调节速率以适应电网负荷变化需求;(3)符合安全和经济运行原则;(4)联络线交换功率和调频引起的电压波动在允许范围内;(5)电厂类型(水电、火电);(6)参与电网AGC服务电厂的最大、最小可调容量;(7)参与电网AGC服务的电厂的最大、最小加减负荷速率;(8)参与电网AGC服务电厂的AGC服务容量和电量价格等。
EMS每5 min执行一次预调度,考察所有AGC服务的功率变动及相应时刻的频率值,确定系统AGC容量和调节速率需求量;根据AGC服务投标容量、运行限值和发电出力计划等来计算服务实际可用容量,按式(1)Ki排序确定每个服务的中标容量,直到满足需求。则AGC服务优化模型如下:
(1)对于上调服务有
(2)对于下调服务有
式中:Qupi为AGC服务上调节容量(MW);Mi、Qdowni分别为AGC服务实际发生的上、下调节容量;Qupneed、Qdownneed分别为系统所需的AGC服务上、下调节容量;Vupi、Vdowni分别为AGC服务i的上、下调节速率(MW/min);Vupneed、Vdwonneed分别为系统所需的AGC上、下调速率;Qupmaxi、Qdownmaxi分别为AGC服务i的上、下调节最大范围;Pi为服务基值出力点;Pimax、Pimin分别为服务i的最大、最小技术出力;αi为ISO为确保系统安全稳定运行而要求AGC服务为系统必须提供的服务容量比例;T为系统控制AGC服务的周期(不含响应时间)。
在上述数学模型中,式(9)和(10)表示支付给被选定的AGC服务费用最小;约束分别表示所有被选定AGC服务的调节容量之和大于需求值与所有被选定的AGC服务的调节速率之和大于需求值以及AGC服务自身约束。
3 算例分析
基于AHP原理和重庆电网实际,AGC服务各项指标重要程度依次为:AGC服务在电网中位置、响应延迟时间、调节速率及调节精度指数,构造如下判断矩阵:
得α=0.23,β=0.27,λ=0.20,θ=0.3。
表1为AGC服务调节性能、报价等参数。表2为系统在不同的AGC服务需求下,按照五种不同方案进行AGC服务调配时的费用情况。对上调服务其价格分为容量价格和综合价格,综合价格是考虑了实际调用容量占AGC服务容量的比例,从表2中可以看出以容量价格为依据(含性价比)的AGC服务调配方案其容量费用最小,但由于其未考虑电量价格而导致其总费用较以综合价格为依据的AGC服务调配方案大,因此本文以下均以综合价格为AGC服务价格,性价比中的价格也是综合价格。从表2不难看出以性价比为依据进行AGC服务调配,无论上调还是下调,其总费用不仅较按照性能调配时小,而且还能使AGC服务的选择更加趋于合理,使系统失稳风险和整体运行成本降低。如:上调服务P性能虽然较差,但其在价格上的优势使其作为上调的首选,把其与性能和价格均占优的服务A、B等组合在一起,无论是对系统的安全性,还是对系统经济性的好处是显而易见的;下调服务M具有与上调服务P相似的特性,而下调服务J虽然性能较好,但其价格较贵,按照性价比其竞争力不及性能最差的服务G。总之,对于在性能或价格某一方面占优的AGC服务在以性价比为依据的调配方案中更具竞争力,因此以性价比为依据的AGC调配方案更能全面反映AGC服务参与电力市场的特性,用它来调配AGC服务不但可以避免只考虑经济性即AGC服务的报价所造成系统失稳的风险,而且还可以避免只考虑安全性即AGC服务的性能所造成的系统经济性差的缺点,它不失为具有兼顾经济性和安全性的AGC服务调配方案。
把上下调节分开进行AGC服务调配不但有利于降低系统的购买成本,而且还可以区分不同品质和特性的AGC服务,提高系统运行效益。
4 结论
AGC控制系统 篇9
自动发电控制(Automatic generation control, AGC)是电网中实现有功功率平衡和系统频率稳定的重要方式。互联电力系统通常采用联络线功率频率偏差控制(Tie line bias frequency control,TBC)的方式,维持系统频率为额定值并控制联络线功率在计划值,使区域控制偏差(Area control error,ACE) 为零或在正常范围内,实现电网的稳定运行[1]。目前,我国的AGC电源主要为火电机组,其缺点是响应时滞长、机组爬坡速率低,不能准确跟踪调度AGC指令;同时,由于一次调频死区等非线性环节的存在,传统的AGC线性模型控制方式不能实现良好的动态调节性能[2]。另外,随着风力、光伏等新能源发电大规模并网,其快速波动性对电网频率调节的速度提出了更高的要求[3]。根据AGC控制性能的考核标准,提高电网AGC控制性能应做到改善AGC系统的动态响应能力,减小超调量,加快调节速度。因此,亟需研究新技术以满足电网调频要求。
电池储能快速、准确的功率响应能力,使其在调频领域的应用潜力巨大[4,5,6,7,8,9,10,11]。研究表明,持续充/ 放电时间为15 min的储能系统,其调频效率约为水电机组的1.4倍,燃气机组的2.2倍,燃煤机组的24倍;同时,少量的储能可有效提升以火电为主的电力系统AGC调频能力[12]。电池储能系统与电网的功率交换过程通过控制器实现,如PI控制器、比例控制器、功率差额控制器[13]等,其中PI控制若采用固定参数则不能实现良好的调节效果,而动态参数的整定又较为复杂;比例控制在负荷波动干扰较大时,不能体现出储能装置的优势;功率差额控制应用简单,但是控制性能受到系实际状况的影响较大。
针对上述问题,本文提出一种基于模糊控制策略的电池储能系统辅助AGC调频方法。该方法以区域控制偏差及其变化率作为模糊控制器的输入量,BESS的参考功率变化量作为输出量,根据系统的运行状态调节BESS输出功率,辅助火电机组改善电网的动态调频性能。基于Matlab/Simulink平台的仿真结果表明,本方法能够迅速响应负荷扰动, 减小了系统频率偏差和联络线功率偏差值,降低了系统的超调量,缩短了调节时间,有助于提高电网AGC调频的动态性能和增强系统的稳定性。
1 系统结构及其频率调节
本文以典型的两区域模型负荷频率控制为例进行研究,并且在两个控制区中均配置电池储能装置, 如图1所示。系统频率调节过程为:当电网中某区域的负荷突然增加时,BESS以其快速的响应特性立刻向电网释放电能,阻止ACE的继续增大;同时随着火电机组功率的逐渐攀升,并能完全补偿负荷波动时,BESS逐渐退出运行。同理,当区域中的负荷突减时,BESS立刻吸收电网多余的电能,并随着火电机组的减发功率,BESS逐渐退出运行。
1.1 电池储能系统模型
电池储能装置主要包括电池组、变流器、控制器、变压器等部分,其辅助调频作用主要是通过变流器与电网交换有功功率实现。通过对BESS的有功和无功功率进行解耦控制,改变功率参考值,即可实现控制目的[14]。在本文中,选择BESS辅助调频的参考功率变化量作为有功功率的控制信号。
BESS用于辅助AGC控制时,跟踪控制信号进行充、放电过程均需一定的响应时间,可采用一阶惯性环节进行简化描述[15,16,17]。设BESS的传递函数为GBESS,其表达式为
式中,TBESS为BESS响应的时间常数,本文取TBESS1 s。
1.2 系统频率响应模型
电力系统在稳定运行时的负荷变化较小,则可以在系统稳定运行点附近进行线性化,构建线性模型进行动态分析。
根据文献[2]提出的建模方法,建立含BESS辅助控制的两区域再热式火电互联调频动态模型,并且将各区域分别等值为一台再热式火电机组,互联动态模型如图2所示。图中:TBESS为BESS的时间常数;Tgi为调速器时间常数;Tri为再热时间常数; Tti为发电机时间常数;Ri为机组调差系数;Bi为系统偏差系数;Kri为再热系数;T12为两区域间的联络线功率同步系数;Kpi为电力系统增益;Tpi为电力系统时间常数;a12为两系统的容量换算系数; fi为频率变化量; PLi为负荷变化量。
2 电池储能系统的控制策略
2.1 电池储能系统的控制策略
电池储能系统辅助AGC调频时,BESS和火电机组均以ACE为控制目标。通常可将ACE划分为死区、正常调节区、紧急调节区等多个控制区,在不同区域内采用不同的调节方式进行调频[1],而不同的控制区以门槛值进行划分。文中,设正常调节区、紧急调节区的ACE门槛值分别为ACEreg.set和ACEea.set,超出紧急调节区的门槛值为ACEea.end。
针对ACE不同控制区,设计BESS辅助AGC控制的方案如下。
当︱ACE︱≤ACEreg.set时,BESS出力为零,火电机调节功率为零,即维持原出力值。
当ACEreg.set<︱ACE︱≤ACEea.set时,由BESS辅助火电机组进行调节,即先由BESS快速出力,在火电机组逐渐增加出力的同时BESS减出力,当火电机组出力满足负荷波动功率、系统逐渐达到新的平衡时,BESS退出运行。
当ACEea.set<︱ACE︱≤ACEea.end时,电网处于紧急调节区,BESS应以最大输出功率进行调节。当︱ACE︱>ACEea.end时,BESS和AGC机组均不动作,电网采用切负荷等其他手段使电网恢复稳定。
2.2 基于模糊控制的电池储能系统控制策略
模糊控制(Fuzzy Logic Control,FLC)属于智能控制范畴,在电力系统中应用广泛。它不依赖于具体的数学模型即可根据系统实时动态情况实施控制,非线性控制效果好[18,19]。因此,本文采用模糊控制的方法,实现BESS辅助火电机组进行AGC调节的目的。
根据联络线功率频率偏差控制(TBC)方式的要求,AGC控制的目标是维持控制区内ACE为零或在正常范围内,其表达式为
式中:Bi是控制区i的系统偏差系数; fi是其系统频率偏差; Ptie是区域i与其他区域的联络线功率偏差。
采用模糊控制调整出力大小,其具体思想为: 在负荷波动初期机组功率尚在爬坡时,BESS输出/ 吸收电能,抵消部分的负荷变动,缓解对系统的冲击;当机组通过增发/减发功率使系统达到新的稳定状态时,BESS退出运行。当ACE偏差量较大且其变化率较大时,BESS的输出功率较大,以使ACE尽快恢复至正常范围内;当ACE偏差量较小且其变化率较小时,BESS的输出功率较小。
基于模糊控制的BESS控制策略流程图如图3所示。图中, Pref为BESS参考功率, PBESS·max为BESS的最大输出功率。
2.3 模糊控制器设计
在BESS辅助AGC调频过程中,其有功功率参考信号由模糊控制器发出,并对电池的变流器进行控制,以实现按给定功率信号输出的目的。基于ACE及其变化率的大小给出电池储能系统的有功功率参考变化量,模糊控制器的设计框图如图4所示。(ACE ACEreg.set)和dΔACE/dΔt(ACE>0时取负, ACE<0时取正)为模糊控制器的输入量,输出量 Pref是有功功率参考变化量;1、 2为量化因子, 用来调节模糊控制器,以期达到良好的动态性能。
模糊控制器的控制过程分为三步:输入输出变量模糊化、模糊推理和解模糊化。
(1) 输入输出变量模糊化
将ACE及dΔACE/dΔt划分成不同的模糊集, 通过隶属函数计算输入变量对各模糊集的隶属度, 用 μ 表示。模糊集划分越细,控制越精确。故将 (ACE ACEreg.set)和dΔACE/dΔt划分为8个等级的模糊子集,即{NB},{NM},{NS},{NZ},{PZ}, {PS},{PM},{PB},分别表示{负大}、{负中}、{负小}、{负零}、{正零}、{正小}、{正中}、{正大}; 输出 ΔPref划分为7个等级,为{NB}、{NM}、{NS}、 {Z}、{PS}、{PM}、{PB}。本文采用三角形隶属函数,隶属度的取值范围为[0,1]。输入变量的论域范围依控制区域系统的实际情况而定,可根据系统长期的统计规律确定。设(ACE ACEreg.set)的论域范围为[-e,e],其中e=ACEea.set-ACEreg.set;dΔACE/dΔt为[ e,e ],其中e =︱max{dΔACE/dΔt}︱。输出变量的论域范围由BESS的额定功率PBESS.N和控制区的功率基值PB的比例确定,设为[-p,p],其中
(2) 模糊推理
根据BESS辅助AGC控制的策略要求,确定模糊控制规则,具体如表1所示。
模糊蕴含关系采用Mamdani[20,21]最小规则求取。根据该控制规则,可求得用模糊子集表示的输出量。
(3) 解模糊化
采用最大隶属度法进行解模糊计算,由模糊子集表示的输出量得到精确的参考功率变化值。
3 仿真验证
为验证本文提出的基于模糊控制策略的BESS辅助AGC控制效果,在Matlab/Simulink中搭建以联络线功率频率偏差为控制目标的含BESS两区域互联AGC系统仿真模型,如图2所示。两区域均为再热式火电机组,并考虑机组爬坡率和死区限制, 仿真模型参数[22]选取如下:fN=60 Hz,Tgi=0.08 s, Tri=10 s,Tti=0.3 s,Tpi=20 s,Kri=0.5,Kpi=120 Hz/p.u, Ri=2.4,Bi=0.425,T12=0.086 s。设两系统的装机容量均为1 000 MW,并选取基准功率为1 000 MW。 死区[23]上限ACEreg.set=0.001 p.u.,正常调节区上限ACEea.set=0.03 p.u,则输入变量的论域范围为[-0.029,0.029] p.u.。同时,设置max{dΔACE/ dΔt}=0.029p.u.(根据运行经验,ACE变化率小于ACE,将输入变量dΔACE/dΔt的论域范围取与(ACE—ACEreg.set) 相同时,满足模糊控制要求。输出变量的论域范围为[-0.01,0.01]。
为分析BESS的辅助控制作用及系统频率的动态响应,在区域中加入负荷扰动进行验证。同时, 为验证BESS模糊控制方式的控制效果,将其与传统的AGC控制方式和BESS采用PI控制方式进行辅助调频时的系统动态响应进行了对比分析。考虑到BESS在波动初期迅速响应,机组与负荷波动平衡后BESS退出运行的辅助控制效果, PI控制器的参数选取为KP=0.15,KI=0.001。
负荷扰动方式1:t=5 s时,区域一中加入阶跃负荷扰动,并且 ΔPL1=0.01 p.u.,如图6(a)所示。电网动态响应曲线如图6(b)~图6(e)所示。
由图6(b)~图6(d)可以看出,当区域一中加入阶跃负荷扰动后,在传统的AGC控制方式下,区域一的频率偏差最大值达到了0.07 Hz,联络线功率偏差最大值达到0.008 p.u.;同时,区域一的ACE也产生较大偏差。BESS辅助AGC调频的系统动态响应曲线偏离正常值的偏差量更小,且恢复稳定的时间短。这是因为在负荷波动发生时,BESS迅速、 大功率的输出响应有效抑制了偏差量的继续增大。 另外,由图6(d)可以看出,在加入BESS辅助控制后,大大缓解了区域间联络线的功率震荡,联络线功率波动较小,利于各控制区负荷更快速就地平衡。 通过对比模糊控制和PI控制方式下的响应曲线可看出,采用模糊控制方式时偏差量幅值进一步减小, 且几乎不产生超调。同时,由图6(e)所示的BESS功率响应曲线可看出,在模糊控制方式下,负荷产生波动的初期,BESS输出功率迅速增大,但随着ACE的减小BESS功率逐渐减少;在PI控制下, BESS的功率输出随时间的增加逐渐增大,但调节作用延缓。因此,模糊控制对辅助电网的AGC调频作用更有优势。
负荷扰动方式2:区域一中负荷连续波动。其波动范围设为[-0.01 p.u., 0.01 p.u.],如图7(a)所示。 电网动态响应曲线如图7(b)~图7(e)所示。
由图7(b)~图7(d)可以看出,当区域一中负荷连续波动时,传统AGC控制方式下的系统频率、联络线功率及ACE均产生了大幅度的波动。而采用模糊控制的BESS辅助调频作用使得电网频率偏差最大时减小了0.05 Hz,联络线功率偏差减小0.004 p.u., 说明了本控制策略的可行性,且通过与PI控制方式的对比发现,其控制效果优于PI控制。由图7(e) 所示的BESS输出功率曲线可以看出,与传统的PI控制相比,模糊控制下BESS更早达到较大功率值, 因而调节效果更佳。
4 结论
本文探究了BESS在辅助电力系统AGC控制中的应用。分析表明,采用模糊控制的方法,根据区域控制偏差ACE及其变化率的大小控制BESS的功率输出,对减少系统频率和联络线功率偏差及降低超调作用显著。借助BESS辅助互联电力系统AGC控制,将大大改善系统调频的动态性能。
摘要：针对AGC控制中火电机组响应时滞长、机组爬坡速率低的问题,提出了一种基于模糊控制策略的电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS)辅助AGC调频方法。该方法以区域控制偏差(Area Control Error,ACE)及其变化率作为模糊控制器的输入量,BESS的参考功率变化量作为输出量,根据系统的运行状态调节BESS输出功率,辅助火电机组改善电网的动态调频性能。基于Matlab/Simulink平台的仿真结果表明,BESS能够迅速响应负荷扰动,减小了系统频率偏差和联络线功率偏差,降低了系统的超调作用,有助于提高电网AGC调频能力和增强系统的稳定性。