基于模糊控制的百万千瓦燃煤火力发电机组调频研究

摘要：调频作为电力系统稳定运行的关键技术，对于燃煤火力发电尤为重要。在电力供需波动日益频繁的今天，燃煤火力发电调频的意义愈发凸显。目前，虽然有多种调频控制方法，如PID控制等，但在复杂多变的电力系统中，这些方法的局限性逐渐显现。模糊控制作为一种智能控制方法，在能源领域的应用逐渐增多。特别是在燃煤火力发电调频中，模糊控制以其独特的优势，如处理不确定性、非线性问题的能力，展现出广阔的应用前景。通过模拟实验验证，发现模糊控制在提高调频效率、降低能耗等方面具有显著效果，为燃煤火力发电调频提供了新的解决方案。

关键词：模糊控制调频燃煤火力发电能源调度系统建模

中图分类号：TM621

ResearchonFrequencyModulationofMillion-KilowattCoal-FiredThermalGeneratingUnitsBasedonFuzzyControl

SUShuaishuaiXIONGChunhuiLIAOYuhaoXIONGYichen

JiangxiDatangInternationalXinyuSecondPowerGenerationCo.，Ltd.，Xinyu，JiangxiProvince，

338013China

Abstract：FrequencyModulation（FM），asakeytechnologyforthestableoperationofpowersystem，isparticularlyimportantforcoal-firedpowergeneration.Intoday'sincreasinglyfrequentfluctuationsinelectricitysupplyanddemand，thesignificanceofcoal-firedpowergenerationFMisbecomingmoreprominent.Atpresent，althoughtherearevariousFMcontrolmethodssuchasPIDcontrol，theirlimitationsaregraduallybecomingapparentincomplexandever-changingpowersystems.FuzzyControl，asanintelligentcontrolmethod，isgraduallybeingappliedinthefieldofenergy.EspeciallyintheFMofcoal-firedpowergeneration，FuzzyControlhasshownbroadapplicationprospectswithitsuniqueadvantages，suchastheabilitytohandleuncertaintyandnonlinearproblems.Throughsimulationexperiments，itwasfoundthatFuzzyControlhassignificanteffectsinimprovingFMefficiencyandreducingenergyconsumption，providinganewsolutionforFMincoal-firedpowergeneration.

KeyWords：FuzzyControl;FM;Coal-firedthermalpowergeneration;Energydispatching;Systemmodeling

随着能源需求的不断增长和能源结构的多样化，燃煤火力发电作为主要的电力供应方式之一，其调频控制显得尤为重要。传统的调频控制方法在面对燃煤火力发电的复杂性和非线性特点时存在一定局限性。本文以模糊控制为基础，针对燃煤火力发电机组的调频问题展开研究。通过对模糊控制在能源调度中的应用前景进行探讨，旨在提高燃煤火力发电调频的稳定性和效率，促进能源供应的可持续发展。

1燃煤火力发电机组调频概述

1.1调频基本概念

调频，即发电机组的频率调节，是指调整发电系统的输出频率，使其保持在额定频率范围内的过程。在电力系统中，频率是指交流电的周期性变化，通常以赫兹（Hz）表示[1]。电力系统的标准频率通常为50Hz或60Hz，其稳定性对于维持电网运行的正常和可靠至关重要。

在电网中，负荷是指消耗电能的设备和用户，而发电是指供给电力系统的电能。这种平衡需要不断调整，以确保电网的频率保持在稳定的范围内。因此，调频的首要任务是调整发电机组的输出功率，以满足负荷的变化需求，从而维持电网的频率稳定。发电机组的旋转速度与输出频率密切相关，因此调节发电机组的转速是实现频率调节的主要手段之一。通常情况下，调速控制系统通过调整发电机组的燃料供给、蒸气阀门的开启程度等方式，来调节机组的转速，从而实现对电网频率的调节。

1.2调频在燃煤火力发电中的作用和意义

燃煤火力发电作为电力系统中的重要组成部分，其发电机组的运行状态直接影响到电网的频率。通过调节发电机组的输出功率，调频系统可以及时响应电力系统的负荷变化，使电网频率保持在稳定的范围内，防止因频率波动而引发的电力设备损坏和供电中断。通过灵活调节发电机组的输出功率，调频系统可以实现对电力系统负荷的动态平衡，使得发电机组在高效运行状态下工作，最大限度地发挥其发电潜力，提高发电效率，降低燃煤消耗和运行成本。电力系统的频率稳定性是保障供电质量的重要指标之一，而调频系统的快速响应能力和精准调节能力可以有效防止电网频率的波动，减少电压的波动和谐波的产生，提升供电质量，保障用户的用电需求。

2模糊控制在燃煤火力发电调频中的应用前景

燃煤火力发电系统具有复杂的非线性特性和时变性，而模糊控制能够有效地处理这种复杂性。通过建立模糊化的输入输出关系和模糊规则库，模糊控制器可以适应不同工况下的系统变化，实现对发电机组的精确控制，从而提高调频性能和稳定性[2]。模糊控制具有良好的自适应性和鲁棒性，能够适应不同负荷变化和外部扰动。在燃煤火力发电调频中，系统负荷的快速变化和外部环境的不确定性是常见的情况，而模糊控制器能够通过模糊规则的灵活调节和模糊推理的智能处理，及时调整发电机组的输出，保持电网频率的稳定性和可靠性。模糊控制还能够实现对多变量、多目标的调节和优化。在燃煤火力发电系统中，除了频率调节外，还需要考虑发电机组的负荷均衡、燃煤消耗优化等多个方面的问题[3]。模糊控制器可以同时考虑多个因素，根据不同的调节目标和权重，实现对系统的多目标优化控制。随着燃煤火力发电系统的技术发展和智能化水平的提高，模糊控制器在调频中的应用前景将更加广阔。通过结合先进的传感器技术、数据分析技术和人工智能技术，将模糊控制与其他控制方法相结合，可以实现燃煤火力发电系统的智能化调度和运行管理，提高发电效率和经济性，降低运行成本和环境污染。

3基于模糊控制的燃煤火力发电机组调频设计

3.1调频系统的模糊化建模

对于调频系统的输入（通常是发电机组的频率偏差或功率需求）和输出（通常是发电机组的控制指令），我们需要将其转化为模糊集合[1]。例如：对于频率偏差，可以定义模糊集合为“负大”“负中”“零”“正中”“正大”等，分别表示频率偏差较大、较小或接近于零。类似地，对于发电机组的控制指令，也可以定义相应的模糊集合。模糊规则库包含了一系列模糊规则，描述了系统输入和输出之间的模糊逻辑关系[4]。每条模糊规则由若干个条件部分和一个结论部分组成，条件部分是关于输入变量的模糊集合，结论部分是关于输出变量的模糊集合。例如：如果频率偏差为正中且变化趋势为正，则发电机组输出增加[5]。在模糊推理过程中，系统根据输入变量的模糊值和模糊规则库进行推理，生成模糊化的输出变量。通常采用的推理方法包括最小最大算法、加权平均法等。通过模糊推理，可以根据实际情况生成相应的模糊控制命令，实现对调频系统的模糊控制。

3.2模糊控制器的设计和实现

对于输入变量和输出变量，需要将其转化为模糊集合，以便于后续建立模糊规则和进行模糊推理。例如：对于温度控制系统，可以将温度划分为“冷”“温暖”“热”等模糊集合，以描述不同的温度状态。模糊规则库包含了一系列模糊规则，描述了系统输入和输出之间的模糊逻辑关系。每条模糊规则由若干个条件部分和一个结论部分组成。条件部分是关于输入变量的模糊集合，而结论部分是关于输出变量的模糊集合。例如：如果温度偏低且温度变化趋势为上升，则增加加热器功率。在模糊推理过程中，系统根据输入变量的模糊值和模糊规则库进行推理，生成模糊化的输出变量。常用的推理方法包括最小最大算法（Mamdani型）和加权平均法（Sugeno型）等。通过模糊推理，可以根据实际情况生成相应的模糊控制命令，实现对系统的模糊控制。解模糊化过程将模糊化的输出变量转化为具体的控制动作或输出值。常用的解模糊化方法包括平均法、加权平均法等。通过解模糊化，可以实现对系统的精确控制，将模糊化的输出转化为实际可执行的控制命令。

4仿真实验与结果分析

4.1实验设计及参数设置

根据研究的具体内容和目标，确定模糊控制器所要控制的对象、控制要求以及性能评价指标等[5]。例如：如果研究的是温度控制系统，实验目的可能是验证模糊控制器对温度的控制效果和稳定性。根据实验目的和研究问题，设计合适的实验方案和流程。实验方案应包括实验的基本步骤、实验装置和设备、实验条件等内容。模糊控制器的参数设置包括模糊规则库的建立、输入输出的模糊化程度、模糊推理方法等。参数设置的合理性直接影响到模糊控制器的性能和效果。在参数设置时，需要根据系统的特点和实验条件进行调整，以保证控制器能够有效地适应实际的控制环境。为了保证实验结果的可靠性和可重复性，需要进行实验的重复和对照。重复实验可以验证实验结果的稳定性和一致性，而对照实验可以比较不同参数设置或控制策略的效果，从而得出更可靠的结论。实验数据的采集应根据实验设计和实验方案进行，确保数据的准确性和完整性。而实验数据的分析则需要结合实验目的和研究问题，采用合适的统计方法和数据处理技术，对实验结果进行分析和解释。

4.2模拟试验结果与分析

定性分析对系统的动态响应、稳定性和误差补偿能力等方面进行评估。例如：可以观察系统的控制过程中是否存在明显的振荡、超调和稳态误差，以及控制器对系统扰动和变化的响应情况等。通过定性分析，可以初步评估模糊控制器的控制效果和稳定性。定量分析对系统性能指标的计算和统计，如超调量、稳态误差、调节时间、稳定时间等。通过对这些指标的分析，可以更加客观地评估模糊控制器的控制效果和性能表现。对比分析可以比较不同参数设置或控制策略下的实验结果，从而评估不同参数设置对控制系统性能的影响。例如：可以比较不同模糊规则库大小、输入输出模糊化程度等参数设置下的控制效果，以确定最优的参数配置。灵敏性分析可以评估模糊控制器对参数变化和环境扰动的鲁棒性和适应性。例如：可以对控制系统的参数进行微小的变化或引入外部干扰，观察系统的响应情况和控制性能的变化，从而评估模糊控制器的鲁棒性和适应性。综合评价可以结合定性分析、定量分析、对比分析和灵敏性分析的结果，对模糊控制器的性能进行综合评估和总结，指出其优点和不足之处，并提出进一步改进和优化的建议。通过综合评价，可以全面地了解模糊控制器在特定系统下的控制效果和适用性，为实际应用提供参考和指导。

4.3结果对比与评估

对比可以包括不同控制方法（如模糊控制、PID控制、神经网络控制等）或者同一控制方法不同参数设置（如不同的模糊规则库大小、输入输出模糊化程度等）下的实验结果。通过对比，可以直观地了解各种控制方法或参数设置的效果差异。例如：可以比较不同控制方法在控制精度、稳定性、鲁棒性等方面的表现，以及不同参数设置下的系统动态响应速度和误差补偿能力等。评估需要综合考虑实验结果的定性和定量分析，从多个角度对各种控制方法或参数设置进行综合评价。评估的内容可以包括控制效果、控制稳定性、鲁棒性、适应性、实时性、成本等方面。例如：可以评估各种控制方法在不同工况下的控制效果和稳定性，以及其在实际应用中的适用性和成本效益等。在选择最佳控制方案时，需要综合考虑各种控制方法或参数设置的优缺点，以及实际应用的需求和限制条件。在总结中，可以对各种控制方法或参数设置的优劣进行归纳和总结，并提出改进和优化的建议。同时，也可以对未来的研究方向和发展趋势进行展望，指出未来研究的重点和方向。通过总结和展望，可以为相关领域的研究和实践提供有益的启示和指导。

5结语

本研究基于模糊控制的百万千瓦燃煤火力发电机组调频系统进行了深入探讨与研究。通过对现有调频控制方法及其局限性的分析，设计并实现了模糊控制器。模拟实验结果与分析表明，模糊控制在燃煤火力发电调频中具有较好的控制效果和稳定性。因此，本研究为燃煤火力发电调频领域的进一步研究提供了理论基础和实践指导，对提高调频系统的性能和可靠性具有一定的指导意义。

参考文献

• 董晓玲.大规模风电集群一次调频控制策略研究[D].呼和浩特：内蒙古科技大学，2020.
• 张冠锋.基于虚拟同步发电机的风储联合调频策略研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2021.
• 罗慧友，刘胜永.基于CSSA优化模糊控制能量管理策略研究[J/OL].广西科技大学学报，1-12[2024-06-18].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/45.1395.T.20240605.1307.004.html.
• 张德胜.基于人工势场法和模糊控制的矿用移动机器人路径规划[J].煤矿机械，2024，45（06）：199-202.
• 郑力维.百万千瓦燃煤火力发电机组引风机节能改造应用研究[D].广州：华南理工大学，2017.