在当前新能源大规模并网的特定历史时期,火电机组的定位将由传统的主力发电单元逐步转变为主要的调峰调频电源,这对火电机组在快速变负荷时的响应能力提出了更高的要求,火电灵活性改造需求迫切。随着大容量的超临界燃煤机组正逐渐成为主要的火电电源,做好超临界机组的灵活性改造至关重要。由于超临界机组具有机组蓄热能力低、非线性强等特点,协调控制难度较大。同时,相较亚临界机组,超临界机组运行压力和温度更高,过热器工作温度接近金属材料承受极限,运行中频发的爆管事故严重影响了机组运行的安全经济性。本文试图在超临界机组对象特性研究的基础上,分析当前协调控制系统存在的问题,兼顾过热器安全保护,优化协调控制系统,提高机组的灵活性。为开展上述研究,本文首先通过机理建模的方法,建立了用于对象特性分析和控制系统优化的超临界机组模型,并利用超临界机组的实际运行数据进行模型参数辨识和校验,开展模型特性分析。在此基础上,以某机组实际应用的协调控制逻辑为依托,建立了超临界机组的协调控制系统仿真模型,并对典型控制逻辑进行细致分析,为后续的控制系统优化奠定了基础。其次,为了对控制系统的优化效果进行有效评价,本文明确了评价火电机组灵活性控制性能的评价指标。通过对AGC指令信号的分析,建立了AGC负荷需求状态的划分和判断规则,在不同状态下采用不同的负荷指令限速策略,实现了基于当前负荷需求状态判断的负荷指令变限速优化,并通过仿真证明了优化策略的有效性。针对燃料热值校正环节存在的矛盾和不足,通过仿真证明了BTU热值校正过快对温度控制存在不利影响,在优化环节,对燃料热值校正系数的求取策略进行重构,使其中受机组负荷-热耗规律影响的因素得以剥离。最后,针对过热器壁温安全控制问题,从温度控制角度对造成过热器爆管的直接原因,以及当前已有的过热蒸汽温度控制手段在其中发挥的作用和不足进行了分析,明确了通过汽温控制优化实现壁温安全控制的方向——防止超温和温度频繁波动。在机组原汽温控制逻辑的基础上,本文通过前向超前调节回路、后向控制裕度调节回路以及反向正反馈补偿回路的设计对过热段各环节的温度设定值进行动态调节,从而实现对过热汽温及过热器壁温的优化控制;特别的,针对过热器壁温超温异常问题设计了相应的安全保护环节实现异常处理。