電站熱工優化控制平臺協調優化組件的開發應用

李泉，朱北恒，尹峰，羅志浩，李旭侃

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

電站熱工優化控制平臺協調優化組件的開發應用

李泉，朱北恒，尹峰，羅志浩，李旭侃

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

大型火電機組的鍋爐和汽輪發電機系統是一個多變量、非線性、強耦合的對象，具有遲滯性和大慣性，給控制系統的設計和實現帶來許多困難，特別是當機組負荷發生較大變化時，許多協調控制系統通常難以維持正常運行。TOP（電站熱工優化控制平臺）系統的協調優化組件采用系統特性解耦、前饋閉環優化、狀態觀測器等技術有效解決了其中的遲滯性、強耦合性帶來的控制難題，應用實踐證明了其有效性。

TOP；協調優化組件；解耦；前饋優化；狀態觀測器

大型火電機組機爐協調控制系統是提高發電廠經濟效益和實現電網自動發電控制的重要環節。作為被控對象的鍋爐和汽輪發電機組具有多變量、非線性、強耦合，并且遲滯性和慣性大的特點，不利于控制系統的設計和實現，特別是當機組負荷發生較大變化時，許多協調控制系統通常難以維持正常運行。因此單元機組協調控制系統的設計與投運一直是熱工自動化領域的重要研究課題之一。TOP（Thermal Optimized-control Platform，電站熱工優化控制平臺）系統的協調優化組件可有效解決其中的遲滯性、強耦合性帶來的控制難題。

1 TOP系統協調優化組件

協調控制系統是指通過控制回路協調汽輪機和鍋爐的工作狀態，同時給鍋爐自動控制系統和汽輪機控制系統發出指令，以達到快速響應負荷變化的目的，盡可能發揮機組的調頻、調峰能力，穩定運行參數。TOP系統的協調優化組件包括系統特性解耦模塊、前饋閉環優化模塊、狀態觀測器控制模塊3個部分。

1.1 系統特性解耦模塊

系統特性解耦模塊是根據系統的模型特性對其進行解耦。在協調控制系統中，由于被控對象的復雜性，要實現動態完全解耦非常困難，最基礎的首先采用靜態解耦或單向解耦的方法獲得解耦器。靜態解耦器的設計如下。

對于協調控制系統，單元機組協調系統的近似動態模型：

式中：T（s）用于描述汽輪機的做功過程；B（s）近似代表燃料動態；G0（s）是機爐協調模型的核心；ΔB為煤量變化量；Δμ為汽機調門變化量；ΔPT為壓力變化量；ΔN為功率變化量。

在動態模型中含有慣性系統和微分系統。當t→∞時，慣性系統趨向于增益值而微分系統趨向于0，因此可以據此計算出協調系統的靜態解耦系數。

考慮時間t→∞情況，若模型中含有慣性系統，則可獲得穩態增益，求解后可獲得靜態解耦系數，靜態解耦并不能獲得良好的控制效果，需要進行動態解耦。由于對角解耦非常困難，因此采用三角形解耦方式，系統模型如式（1）形式，則有：

式中：g11（s），g12（s），g21（s），g22（s）分別為機組煤量與壓力、調門開度與壓力、煤量及功率、調門開度與功率的特性傳遞函數。

由于對象特性函數g11（s），g12（s），g21（s），g22（s）和輸入量ΔB，ΔN可以認為是已知信號，因此可以計算出壓力變化量ΔPT：

因為ΔPT=P0-PT，則：

式中：PT為實際壓力；P0為壓力設定值。

如果將P0的變化放開至一定的范圍±Δ，即（P0-Δ）≤P0≤（P0+Δ），可有效減小特性函數g12（s）對整個系統的耦合性影響，因此可以設計出動態解耦系統，如式（5）所示：

式中：P0為新的壓力設定值。

當P0′在（P0±Δ）范圍內變化時，P0′=PT，g12（s）對整個系統的耦合作用消失；當P0′在（P0±Δ）范圍外變化時，P0′≠PT，產生耦合作用，但是也比常規設計的耦合作用小得多。因此，按照式（5）設計的新型系統特性解耦模塊，可以明顯減小特性函數g12（s）對整個系統的耦合性影響，實現了近似動態三角形解耦。

1.2 前饋閉環優化模塊

前饋是協調控制系統的重要組成部分，在負荷變動中起主導作用。考慮式（2）的形式，若足夠理想使得：

則Δμ=0，此時對系統的耦合作用消失，系統成為單回路，協調控制問題得到簡化，轉化為對滯后對象的控制問題，只需采用先進的控制算法就可解決。

工程實踐中，不存在上述理想狀況，因為模型是大滯后大慣性對象，其模型如式（7）所示：

動態過程中，ΔN和g21（s）×ΔB始終會存在一定的偏差，因此實際情況是動態過程中，g12無限趨近于ΔN，Δμ無限趨近于0，即g21（s）×ΔB→ΔN，Δμ→0，盡量減弱g12對系統的耦合作用。為滿足指標的要求g21（s）×ΔB→ΔN，Δμ→0，可以構造出機組負荷變化指令：

式中：[g21（s）ΔB]v1為煤量作用于對象后的最大響應速率曲線；（ΔN）v2為速率限制后的功率指令曲線；（ΔN）h為功率變化幅度；（ΔN）′v1為預測功率指令幅度；[（ΔN）h-（ΔN）v1]′v2為2個幅度偏差后按速率變化的曲線。

當以式（8）所示的指令形式和機組特性g21（s）構成1個閉環回路，所產生的控制量中部分作為前饋時，實現了前饋閉環優化。

1.3 狀態觀測器控制模塊

所謂狀態觀測器是指1個在物理上可以實現的動態系統，它在被觀測系統的輸入和輸出驅動下，產生1組逼近于被觀測系統的狀態變量。在狀態觀測器的設計中，由于實際物理信號的限制，較適用的是降維狀態觀測器。可以證明只要系統是完全能觀測的，若輸出矩陣的秩為m，則只要知道其中n－m個狀態，其余m個狀態無需用狀態觀測器觀測，只要觀測其中n－m個狀態即可。

此模塊基本原理是將壓力等大慣性對象分割成多個小慣性環節進行觀測，以實現動態及時調節，改善系統的響應品質。

2 協調系統優化的實施方法

系統特性解耦模塊、前饋閉環優化模塊、狀態觀測器模塊統一作用的整體用于協調控制系統的優化。具體實施時，各模塊在協調優化系統中的作用如圖1所示，系統特性解耦模塊體現在負荷壓力解耦器上，狀態觀測器控制模塊和閉環優化前饋模塊作用于壓力控制器。智能優化算法為具有全局搜索特性的遺傳優化算法，根據協調系統對象模型，對壓力控制器進行離線參數尋優，該壓力控制器的參數包括了狀態觀測器和普通的PID（比例－積分－微分）控制器等。

圖1 智能協調優化控制系統

上述為通用的優化方法，對于超臨界機組需進行降階處理。針對超（超）臨界直流機組，TOP系統的協調優化組件對系統進行優化的基礎是降階系統的對象特性，首先將“三入三出”的協調系統降階為“二入二出”的被控對象，根據該對象采用先進控制算法進行優化控制。

由降階后的控制結構可以看出，直流鍋爐與亞臨界鍋爐的區別在于溫度的控制，通過煤水配比來實現溫度的基本控制。煤水的配比包括穩態配比和動態配比2個部分，穩態配比是基準量配比，即在各個負荷段穩態運行時煤量和水量的靜態配比，可以通過機組實際運行的歷史數據來確定；動態配比是煤量變化至水量變化的過程時間配比，一般采用三階慣性，慣性時間的大小由負荷變動過程中分離器出口溫度的波動情況決定，正常情況下，負荷正、反向變化時，煤量變化到水量變化的慣性時間是不同的，需要在線變參數控制。

在確定好煤水參數配比后，直流鍋爐的協調控制策略類似于汽包爐的控制策略，鍋爐主控主要控制機組壓力，汽機主控側重于控制機組負荷，當壓力偏差過大時，參與調節機組壓力。

3 應用效果

在AGC（自動發電量控制）工況下，不投入TOP系統的協調優化控制組件，機組在300～600 MW范圍內運行，機組協調控制曲線如圖2所示；投入TOP系統的協調優化控制組件，機組在300～600 MW范圍內運行，機組協調控制曲線如圖3所示。圖2，3中的4次試驗的控制品質對比如表1所示。

圖2 未投入協調優化組件時變負荷下的AGC控制曲線

圖3 投入協調優化組件時變負荷下的AGC控制曲線

表1 AGC工況下協調優化控制組件對比試驗控制品質

從測試數據可以看出：TOP系統協調優化控制組件的應用，使機組整體的協調控制水平有了很大提高，尤其是減小了汽壓過程偏差。在負荷變動過程中，最大汽壓變動偏差從±0．5 MPa減小到了±0．3 MPa，最大負荷變動偏差從±8 MW減小到了±5 MW。AGC工況下，機組整體的協調控制水平也有了很大提高。

4 結語

TOP系統協調控制優化組件在保證機組安全運行的基礎上，增加高級算法功能塊，使機組在負荷快速跟隨的情況下，壓力盡量保持穩定，保證全程AGC時負荷響應快速穩定，以及滿足機組的安全性與經濟性要求。和傳統動態前饋相比，其基于狀態觀測器的前饋智能修正算法能實時分析和計算機組特性，是自適應的動態前饋修正，能適應機組全程負荷變化過程，該組件的使用可以配合鍋爐壓力控制，很好地滿足機組AGC響應速度，避免主汽壓力大幅波動。

[1]尹峰，朱北恒，羅志浩，等．基于預給煤動態模型的直接指令平衡系統在火電廠協調控制中的應用[J]．中國電力，2007，4（11）∶89－92．

[2]尹峰，朱北恒，李泉．超（超）臨界機組協調控制特性與控制策略[J]．中國電力，2008，41（3）∶66－68．

[3]李泉，朱北恒，尹峰，等．基于模型關聯性的動態解耦算法及其在協調控制中的應用[J]．浙江電力，2010，29（10）∶28－32．

[4]蘇燁，張鵬，卓魯鋒，等．AGC模式下超臨界機組協調控制策略的完善及應用[J]．浙江電力，2010，29（2）∶26－29．

[5]陳波，羅志浩，蘇燁．基于焓值計算的直流爐給水控制優化及實踐[J]．浙江電力，2010，29（4）∶27－30．

[6]李泉，陳波，張華磊，等．超臨界直流機組模型及控制優化[J]．中國電力，2010，43（12）∶60－63．

[7]陳波，張永軍，羅志浩．火電機組協調控制中基于能量分析的鍋爐前饋研究[J]．浙江電力，2011，30（1）∶29－33．

[8]李泉，朱北恒，尹峰，等．火電機組協調控制系統優化研究[J]．熱力發電，2011，30（6）∶28－32．

（本文編輯：陸瑩）

Development and Application of Coordinated&Optimized Module on Power Plant Thermal Optimized-control Platform

LIQuan，ZHU Bei-heng，YIN Feng，LUO Zhi-hao，LI Xu-kan
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The boiler and steam turbine generating system of the large-capacity thermal power unit are of multivariable，non-linear and close coupling，and they are characterized by the hysteresis and great inertia, which brings difficulties to the design and implementation of control system；especially when the unit load changes a lot，many coordinated control systems can no longer be in normal operation．The coordinated-control optimization module of the power plant thermal optimized-control platform（TOP）system uses the system performance decoupling and feedforward closed loop optimization，state observer and other technologies to effectively solve the control difficult problems that hysteresis and close coupling have caused，and the application has proven its validity．

TOP；coordinated-controloptimization module；decoupling；feedforward optimization；state observer

TK232∶TP273

：A

：1007－1881（2013）03－0046－04

2013-01-28

李泉（1979-），男，安徽阜陽人，碩士，高級工程師，從事發電廠熱工自動化應用和研究。