模型預測控制提高機組AGC品質

國電科學技術研究院銀川電力技術分院 李健

模型預測控制提高機組AGC品質

國電科學技術研究院銀川電力技術分院 李健

針對某電廠330MW機組存在負荷升降速率低、負荷調節精度不理想及當煤種變化時控制系統不穩定等實際問題，提出了基于模型預測控制技術的先進協調控制系統。實際應用表明，先進的協調控制系統有效提高了機組AGC功能指標，減小了關鍵參數的波動，提高了機組運行的穩定性及對煤種變化的自適應能力。

自動發電控制；能量平衡；預測控制器

隨著電網容量的增加和區域間聯絡線潮流的交換，為了維持電網的安全穩定，電網對發電機組的自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）要求越來越高。電網對機組AGC功能的主要指標要求有：響應時間、調節速率、調節誤差及各主要被調參數的調節品質指標滿足相關規程的要求。寧夏某電廠2臺330MW機組，分散控制系統采用上海新華公司的XDPS-400+系統，機組協調控制系統采用傳統的“負荷指令前饋”+“PID反饋”的技術方案。電廠響應電網要求，投運AGC系統，期間發現AGC系統受煤質變化等影響，調節品質無法滿足電網技術要求。本文將對控制系統存在的問題進行分析，提出了基于模型預測控制技術的先進協調控制系統的改進方案。

1 原控制系統存在的問題

該廠2號機組在投運先進協調控制系統之前，實際AGC變負荷速率僅為1%e/minP左右（寧夏區域電網要求AGC變負荷速率不小于2%e/minP），大負荷變工況時主汽壓力波動比較劇烈，偏差最大在1MPa左右，且穩定時間過長，主蒸汽溫度和爐膛壓力等關鍵參數波動也大，導致燃料系統和風煙系統反復調節，機組運行不穩定。通過綜合分析，影響該廠2號機組AGC品質指標的主要原因有以下幾方面：

（1）DEH閥門流量特性不準確，存在較大偏差，導致負荷跟不上突變；

（2）燃用煤種變化頻繁，機組被控對象動態特性變差，常規PID系統很難對機組的大延時、大慣性和時變復雜的被控對象進行有效控制。

針對該廠2#機組主要由于煤質變化頻繁、鍋爐響應遲緩，慣性大導致的鍋爐側能量供給無法滿足汽機側能量需求，加劇汽機和鍋爐兩個互為耦合關系的系統的不匹配，影響到負荷響應及鍋爐的穩定，導致AGC系統無法穩定、達標運行的現狀，本文提出了以能量需求為核心、以模型預測控制為手段的先進協調控制策略，以能量需求消除煤質變化頻繁的影響，以模型預測控制消除鍋爐響應遲緩、慣性大帶來的主汽壓力劇烈波動。

2 基于模型預測控制的協調控制策略

先進協調控制策略采用直接能量平衡（DEB）方式下的爐跟隨控制，能量平衡信號Ps×P1/Pt為鍋爐指令，鍋爐熱量信號P1+dPb/dt為鍋爐反饋，前饋增強燃燒，模型預測控制器CC替換原有的鍋爐主控的PID控制器作為主控制器；DCS側增加無擾切換邏輯和畫面投切按鈕、通訊監視點，控制策略如圖1所示。

圖1 先進協調控制策略

圖中：NS—負荷設定值，AGC方式為AGC指令；LN—負荷升降速率；PS—壓力設定值；PT—機前壓力；P1—調節級壓力；Pb—汽包壓力；SP—能量需求；PV—鍋爐反饋；CC—模型預測控制器；Co—控制器輸出。

2.1 能量信號構建

SP：表示在不同運行工況下汽機的能量輸入，即汽機對鍋爐的能量要求。包括負荷設定和主蒸汽壓力設定的增強燃燒所需的能量，以及鍋爐指令所需的能量。

SP=??

PV：鍋爐反饋的熱量釋放信號，代表了進入鍋爐的燃料量和風量，間接表述了鍋爐供應的能量。

PV=??

2.2 模型預測控制器

模型預測控制具有依據調節回路數學模型建立預測控制的特點，可以很好地解決調節系統延遲大、慣性大的問題[1]，其原理圖如圖2所示。

圖2 模型預測控制原理圖

其中：F為一階濾波器，Q為先進控制器，P為控制對象，PM為對象模型，r、u、y分別為給定輸入、控制量和輸出，ym為模型輸出。

Q為先進控制器，是一種增量算法，以對象的階躍響應離散系數為模型，從而避免了通常的傳遞函數或狀態方程模型參數的辨識，又采用多步預估技術，能有效解決時延過程問題，又有在求取Q時無需考慮對預測誤差的修正，即反饋校正，該環節通過反饋濾波器F來體現。

F是專門針對模型失配和擾動設置的，主要解決魯棒穩定、魯棒跟蹤和魯棒性能三個問題[2]，采用一階低通濾波器。

2.3 系統通訊

先進控制系統配置一臺服務器，實現控制策略組態，并完成與DCS系統進行相關回路的數據采集與傳輸，采用OPC通訊協議。在該系統中，確定通訊的主要變量如表1所示。

表1 先進控制系統與DCS的通訊變量

在DCS側增加無擾切換邏輯，畫面設置投切按鈕、通訊監視點，根據運行需要設置先進控制系統的投入和退出。

3 預測控制應用效果

先進控制系統投運后，經過一段時間的現場調試，調節模型預測控制器部分參數，使控制效果達到最優后，正式投入運行，參與電網AGC調節。圖3、圖4分別為先進控制系統在AGC升負荷和降負荷階段的調節過程曲線，由圖3和圖4所示，機組功率能夠快速、準確響應AGC負荷指令，且機組參數（主汽壓力、主汽溫度）運行穩定。

圖3 AGC升負荷調節過程曲線

圖4 AGC降負荷調節過程曲線

表2 AGC負荷調節過程參數

調節過程參數如表2所示，AGC升負荷速率和降負荷速率分別為2.07%e/minP、2.03%e/minP，主汽壓力波動在0.5MPa以內，主汽溫度波動在6℃以內，達到電網相關規定的要求，并能保證機組安全穩定運行。

4 結語

該廠2號機組采用的基于模型預測控制的先進控制系統有效調高了機組的負荷響應能力，調高AGC功能品質指標，能夠滿足電網AGC功能要求，減小了關鍵參數的波動，提高了機組運行的穩定性及對煤種變化的自適應能力。

模型預測控制策略能有效克服機組運行時大延時、大慣性和煤種頻繁變化的特性，該類型的先進控制系統對具有同類問題的機組具有借鑒意義。

[1] 雎剛, 韋紅旗, 陳紹炳, 徐治皋. 單元機組負荷多變量模型預測控制[J]. 中國電機工程學報, 2002, (4): 144 - 148.

[2] 王國玉, 韓璞. 預測控制及其在熱工過程控制中的應用[J]. 電站系統工程, 2002, (5): 53 - 56.

Improvement of Quality of Unit AGC Based on Model Predictive Control

According to the problems of low load fluctuation rate, unsatisfied load regulation accuracy, and instability of control system under coal type change in the 330MW power plant, this paper presents an advanced coordination control system based on model predictive control technique. The practical application shows that this system can improve the performance of AGC, reduce the critical parameter fluctuations, and improve the stability of unit operation and adaptive capacity when the coal type changes.

The advanced control system; Energy balance; Predictive controller

李健（1983-），男，工程師，碩士，現就職于國電科學技術研究院銀川電力技術分院，從事發電廠熱工控制系統試驗研究工作。