大機組新型協(xié)調(diào)控制策略研究

摘 要：在大型火電廠，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化、提高火電廠經(jīng)濟效益方面具有重要的作用，該系統(tǒng)是一個復雜的多變量控制系統(tǒng)，被控對象存在著非線性特性與不確定性干擾。文章對火電廠單元機組的特點、控制要求進行了分析，提出了一種基于模糊PID的協(xié)調(diào)控制方法，可以解決火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長等問題，能夠提高火電廠相應過程參數(shù)的控制精度。

關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；模糊PID控制；單元機組

引言

單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化、提高火電廠經(jīng)濟效益方面起著非常重要的作用。由于在鍋爐側(cè)存在著較大的滯后，而鍋爐側(cè)和汽機側(cè)又存在著強烈的耦合特性，因而對火電廠單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行深入的研究具有很大的實際意義。本文對火電廠單元機組的特點、控制要求進行了分析，提出了一種基于模糊PID的協(xié)調(diào)控制方案，從而可以解決火電廠控制中存在的超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長等實際存在的問題。基于模糊PID的協(xié)調(diào)控制方法主要是將模糊控制方法與傳統(tǒng)的PID控制方法相互結(jié)合，利用模糊控制理論整定PID控制器中的比例、積分和微分系數(shù)，即建立控制器參數(shù)整定的模糊規(guī)則表，利用模糊合成推理方法得到模糊控制決策表。最后對550MW單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行了仿真研究，結(jié)果表明建立的參數(shù)模糊規(guī)則表合理，與常規(guī)PID控制器相比較，模糊PID控制器在系統(tǒng)響應速度和穩(wěn)態(tài)精度等方面優(yōu)于常規(guī)PID控制器。由于模糊PID控制器對系統(tǒng)模型的要求不太高，在有干擾信號或系統(tǒng)模型發(fā)生變化的時侯，它能夠滿足系統(tǒng)的要求，提高單元機組在壓力和溫度方面的控制精度。

1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括被控對象、局部子控制系統(tǒng)和機爐主控制系統(tǒng)。機爐主控制系統(tǒng)是整個協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心，它包含機爐主控制器、負荷管理中心兩個部分。機爐主控制器根據(jù)實際負荷與目標負荷的偏差信號來調(diào)節(jié)鍋爐的子系統(tǒng)，由機前壓力信號的偏差來調(diào)節(jié)汽機的子系統(tǒng)，根據(jù)汽機、鍋爐實際運行工況來選擇不同負荷控制方式；負荷管理中心是接收ADS負荷分配指令，改變負荷指令和電網(wǎng)頻率自動調(diào)整指令等外部指令，根據(jù)單元機組當時運行工況，同時在保證機組安全穩(wěn)定運行條件下，向機組輸出實際的負荷指令，并限制機組的最低負荷與最高負荷，為保證機組安全運行進行甩負荷的保護。機爐子控制系統(tǒng)是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的控制質(zhì)量直接影響到負荷控制質(zhì)量。單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成框圖如下圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖

2 模糊PID控制

模糊控制器和PID調(diào)節(jié)器相比較，模糊控制器具有更小的超調(diào)和更快的響應，且對過程參數(shù)的變化不敏感，即它具有很強魯棒性，能克服非線性因素影響。但是由于它受計算機的存儲量限制，只能夠取得有限控制等級，從而對模糊控制的精度提高有所限制，它被認為是一種粗糙控制器。然而PID控制的算法對多數(shù)的過程都會有較好的控制效果與其適應性，至今也仍在控制過程中得到廣泛的采用。

模糊PID控制器是對輸出的響應波形進行在線監(jiān)控，從而求出控制性能指標，并且運用專家調(diào)整的知識來建立調(diào)整IF-THEN模型規(guī)則，同時采用模糊的邏輯推理來實時調(diào)整PID的參數(shù)，使PID控制器能夠適應其被控對象變化，并能夠獲得較好的控制性能。模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)形式有很多，它們的工作原理基本相同。在運用模糊數(shù)學基本方法和原理時，人們把規(guī)則的條件和操作用模糊集來進行表示，并且把這些模糊的控制規(guī)則和有關(guān)的信息作為知識存到計算機知識庫當中，計算機根據(jù)系統(tǒng)實際響應情況運用模糊推理，對PID參數(shù)自動進行最佳的調(diào)整。自調(diào)整模糊PID控制器是用偏差變化率ec和偏差e作為輸入，利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進行在線調(diào)整，從而構(gòu)成自調(diào)整的模糊PID控制器，它的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 仿真研究

以某電廠550MW機組為例進行仿真試驗。文獻[5]中給出了550MW單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的線性化模型為：

對機組的線性化模型進行變量解耦，并采用Pade降階算法對鍋爐側(cè)和汽機側(cè)數(shù)學模型進行降階處理，降階后的等效數(shù)學模型如下。

汽機側(cè)等效傳遞函數(shù)

鍋爐側(cè)等效傳遞函數(shù)

機組的額定參數(shù)如下表1所示：

表1 額定參數(shù)

對負荷跟隨能力進行試驗：主蒸汽壓力定值PT=16.18 Mpa不變，t=1s 時，將機組負荷指令由額定功率 500MW 降至450MW，此時參數(shù)變化響應曲線如圖3所示。由圖知，負荷響應速度快，5分鐘左右就可達到負荷目標值；壓力波動范圍約為0.2Mpa，滿足機組實際運行要求。

a）功率響應曲線（N/MW） b）壓力響應曲線（PT/MPa）

c）燃料量變化曲線（B/%） d）調(diào)門開度變化曲線（ /%）

圖3 負荷跟隨能力仿真曲線

4 結(jié)束語

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，自動化水平的不斷提高，火電廠的單元機組要求具有快速調(diào)峰能力和電網(wǎng)自動發(fā)電控制。火電廠單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制對象是一個多變量的控制系統(tǒng)，具有大延遲、大慣性、復雜性、強耦合、時變性和非線性等特點。目前采用常規(guī)控制方法難以達到理想控制效果，本文對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的原理、組成、控制要求、模糊PID控制器組成、解耦方法、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在火電廠的地位及作用進行了闡述，對火電廠單元機組進行了數(shù)學建模和分析；建立了控制器參數(shù)整定模糊規(guī)則，應用Matlab搭建一個經(jīng)過解耦、降階后的仿真模型，接著采用所建立的模糊PID控制器進行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明該方法具有較好的控制效果。

參考文獻

[1]劉紅娜.單元機組協(xié)調(diào)控制應用研究[D].華北電力大學（北京），2008.

[2]李妍妍.SVM理論及其在船舶機爐協(xié)調(diào)智能中的應用研究[D].哈爾濱工程大學，2007.

[3]王東.330MW機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化與實現(xiàn)[D].華北電力大學（北京），2008.

[4]禹紅杰.火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)研究[D].華北電力大學（北京），2010.

[5]Lu S，Hogg B W. Predictive coordinate design for Power-Plants steam pressure and Power output[J].Control eng.1997，5（l）：79-84.

[6]沈炯，陳來九.基于智能解耦的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)參數(shù)整定[J].中國電機工程學報，1993，13（4）：14-19.

[7]沈炯，陳來九.單元機組負荷控制系統(tǒng)的在線自整定[J].中國電機工程學報，1994，14（2）：13-19.

[8]陳朱娟.爐機協(xié)調(diào)控制的應用研究[D].東南大學，2010.

[9]王蕊.火電機組一次調(diào)頻特性的分析即仿真研究[D].北京交通大學，2009.

[10]阮靜.火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].大連理工大學，2006.

作者簡介：張鵬飛（1984，8-），男，籍貫：河北唐山，現(xiàn)職稱：助理工程師，學歷：工學學士（工程碩士在讀），研究方向：控制工程方向。