Entwurf eines erweiterten Blockführungskonzeptes für kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke auf Basis einer flachheitsbasierten Steuerung

Abstract

Die zunehmende Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien hat weitreichende Konsequenzen für das gesamte elektrische Energieversorgungssystem. Insbesondere müssen konventionelle Kraftwerke aufgrund der zunehmenden Schwankungen der Residuallast deutlich flexibler betrieben werden als bisher. Die Flexibilisierung des Betriebs umfasst vielerlei Aspekte, wobei schnelle und präzise Leistungsänderungen eine der wesentlichen Anforderungen ist. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf kombinierten Gas- und Dampfkraftwerken, da diese Kraftwerke aufgrund hoher Wirkungsgrade und geringer spezifischer Emissionen weltweit vielfach eingesetzt werden. Um sowohl Bestands- als auch Neubauanlagen flexibler betreiben zu können, kommt eine Reihe von Maßnahmen in Frage. Leittechnische Maßnahmen, wie das in dieser Arbeit untersuchte erweiterte Blockführungskonzept, haben den Vorteil vergleichsweise geringer Kosten im Vergleich zu baulichen Maßnahmen sowie einer schnellen Umsetzung und sicheren Inbetriebnahme. Das erweiterte Blockführungskonzept verfolgt das Ziel, schnelle und präzise Leistungsänderungen zu ermöglichen. Gleichzeitig soll ein möglichst ruhiger und schonender Betrieb der Gesamtanlage sichergestellt werden, insbesondere sollen möglichst wenig Störungen in unterlagerten Regelkreisen angeregt werden. Da aus regelungstechnischer Perspektive Arbeitspunktänderungen wie Lastwechsel zu den Aufgaben einer Steuerung gehören, wird die bestehende Regelung in dieser Arbeit um einen Steuerzweig ergänzt. Dieser besteht aus zwei wesentlichen Komponenten: Kern des Steuerzweiges ist eine modellbasierte Steuerung nach dem flachheitsbasierten Ansatz. Das über das Steuerungsentwurfsmodell einfließende Prozesswissen wird genutzt, um Stellsignale zu berechnen, die auf die Prozessdynamik abgestimmt sind. Dies führt zu besserem Prozessverhalten, Lastwechsel können gegebenenfalls schneller gefahren werden und die Regelung wird entlastet. Darüber hinaus werden alle Stellgrößen ideal aufeinander abgestimmt. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass es sich um ein Mehrgrößensystem handelt, bei dem sich diverse Prozessgrößen gegenseitig beeinflussen. Die Folge ist eine ruhigere Fahrweise der Anlage. Die zweite zentrale Komponente, die in engem Zusammenhang mit der Steuerung steht, ist eine neuartige Sollwertführung. Die Sollwertführung hat die Aufgabe, aus Zielwertvorgaben für die Leistung geeignete Sollwertverläufe zu bestimmen. Um auch hierbei die Prozessdynamik berücksichtigen zu können, sind Ansatzfunktionen notwendig, die entsprechende Freiheitsgrade bieten. Gleichzeitig müssen gewisse Randbedingungen durch den Steueralgorithmus eingehalten werden. Beides wird durch den Einsatz von sogenannten Bézierkurven gewährleistet, zudem zeichnen sich diese durch einfache Konstruktions-vorschriften und numerische Stabilität aus. Das erweiterte Blockführungskonzept wird im Rahmen dieser Arbeit detailliert vorgestellt und in Simulationen an einem nichtlinearen Anlagenmodell getestet. In diesem Zusammenhang wird insbesondere der Vergleich zum klassischen Blockführungskonzept nach dem Stand der Technik hervorgehoben. Darüber hinaus wird der Einfluss der Sollwertführung detailliert untersucht. Hierzu gehört sowohl die Berechnung optimaler Sollwertverläufe als auch die Erweiterung um eine prädiktive Online-Sollwertführung zur Bereitstellung von sogenannter Sekundärregelleistung. Die Simulationsergebnisse zeigen die erwarteten deutlichen Verbesserungen des Regelverhaltens der Anlage, gleichzeitig kann durch eine geeignete Sollwertführung der Stellaufwand positiv beeinflusst werden.

The increasing feed-in of electrical power from renewable energy sources has a far-reaching impact on the entire energy supply. Most notably, conventional power plants need to adopt a more flexible mode of operation due to the increasingly fluctuating residual load. The notion of operational flexibility embraces several aspects; one of the most crucial of these is fast and precise load cycling operation. The focus of this thesis is on combined cycle gas turbine plants as this technology is widely used all over the world due to its high efficiencies and low specific emissions. Among the multitude of approaches towards increased operational flexibility of both new builds and existing units, improvements of the instrumentation and control system (I&C) are particularly advantageous. They require lower investments than constructional modifications and can be implemented and commissioned quickly. The extended unit control concept that is described in this thesis falls into this category. It aims at enabling faster load changes while allowing enhanced control performance. Furthermore, disturbances in subordinated control loops will be limited to a minimum, resulting in smoother overall process behaviour. From a control engineering perspective, load changes of power plants are best handled by feedforward control. Therefore, within the scope of this thesis, a feedforward control path is added to the feedback control structure of the existing unit control system of combined cycle gas turbine plants. This feedforward control path consists of two major components: At the core of this feedforward control path is a model-based feedforward control algorithm that has been calculated following the methodology of flatness based control. Knowledge of the dynamic behaviour of the power plant process is taken into account within the control algorithm by means of a dynamic model. The feedforward control enables faster load changes, leads to improved load tracking and thereby reduces feedback control action. Furthermore, the model based character of the feedforward control leads to improved coordination of all control variables which is relevant for multiple-input multiple-output type systems in the sense that undesired interaction between controlled variables are effectively reduced. The second crucial component that is closely related to the feedforward control algorithm is a new type of trajectory planning. Trajectory planning takes place before the control itself and consists of the planning of suitable set-point trajectories based on the target values of the controlled variables. Ansatz-functions for set-point trajectories that provide adequate degrees of freedom are required in order to take the process dynamics into account, as was done in the design of the feedforward control algorithm. Moreover, certain boundary conditions, imposed by the feedforward control, need to be considered. Both conditions are met by so-called Bézier-Curves which are additionally beneficial due to their simplicity and numerical stability. This thesis describes both the extended unit control concept in detail as well as the results of numerical simulations based on a nonlinear process model. The comparison between the extended unit control concept and the state-of-the-art one is particularly stressed in this context. Moreover, the impact of the new trajectory planning strategy is emphasized. This comprises both an optimal trajectory planning study for load changes as well as predictive online trajectory planning. The latter is necessary in order to also cover the provision of so-called Frequency Restoration Reserve (FRR) by the combined cycle gas turbine plant. The simulation results reveal the considerable foreseen improvements in terms of control performance as well as the positive impact of suitable set-point trajectories on the required control effort.