超臨界機組的多變量模型預測控制

管彥詔，李金旭（山東大學，250000）

超臨界機組的多變量模型預測控制

管彥詔，李金旭
（山東大學，250000）

本文從工程應用角度總結和分析了超超臨界機組控制發展現狀和控制難點，在分析了超超臨界機組輸入-輸出關系基礎上，提出了一種以輸入為燃料量、汽輪機調門開度和給水流量以及輸出為機前壓力、機組負荷和分離器出口蒸汽溫度的火電機組多模型預測控制方案，并給出了具體實施方案與步驟，仿真試驗結果表明所提出的方法控制效果良好，具有較好的推廣應用價值。

超超臨界；火電機組；多變量；多模型；模型預測

0　引言

我國的能源結構決定了我國電力是以燃煤發電為主。按照國家制訂的2020年電力發展規劃，我國發電裝機容量將從目前14億千瓦增加到2020年的18億千瓦，其中燃煤機組比例約占總裝機容量的75%左右，而超超臨界機組具有繼承性好，容易實現大型化的特點，因此在火電機組中比重不斷加大。超超臨界機組鍋爐傳統控制多采用常規PID加前饋控制，其優點是控制結構簡單并具有一定的魯棒性 ，但實際應用控制效果并不理想 ，不能適應負荷的大幅變化，常出現負荷和壓力偏差較大的情況。而預測控制（Model predictive control，MPC）技術可以較好地解決時滯和多變量控制中存在的問題，并且已在在許多領域成功應用。近年來，預測控制技術也被推廣至火電機組控制領域，

本文針對超超臨界機組協調控制的特點，提出了一種以輸入為燃料量、汽輪機調門開度和給水流量以及輸出為機前壓力、機組負荷和分離器出口蒸汽溫度的火電機組多模型預測控制方法，并給出了具體的方案與詳細實施步驟，仿真試驗結果表明所提出的方法控制效果良好，具有較好的推廣應用價值。

1　超超臨界機組多模型預測控制

在一定的工況段范圍內，機組的模型可以近似為線性模型，通過施加階躍擾動可以建立起輸入輸出的階躍響應矩陣關系。

其中，

預測控制完成帶有約束的滾動優化過程：

對優化指標J求極值得到當前k時刻的控制變量為：

A為機組預測模型的的動態矩陣，W為設定值向量，Q為誤差權矩陣，R為控制權矩陣。誤差權矩陣Q表征了在未來P個時域內對誤差控制程度，而控制權矩陣R則表征了對控制增量的約束程度。實際的控制工程往往從系統整體經濟指標（綜合考慮產出和控制能量、生產物料的節約）的角度去制定控制策略。實際中，多變約束控制將預測控制的滾動優化與整體經濟指標線性優化相結合，將全局線性規劃與滾動優化相結合的策略，由此實現系統穩態和動態優化的結合。

火電機組在負荷變化過程中要將系統由一個穩態控制過渡到另一個穩態。現有成熟的MPC技術多采用線性模型，非線性過程建模與控制在實際過程中應用非常困難，因此采用多個線性模型來解決過程的非線性是一種切實可行的方法。在建立好局部的動態模型后，設計適用于負荷變化的多模型預測控制策略也非常重要，因為模型是局部的，過程動態特性卻是全局的，當使用模型進行大范圍預測時，將出現較大程度失真。多模型預測控制（MMPC）是非線性預測控制的一種基本形式 ，是采用多個線性化的局部模型來描述同一個非線性對象，MMPC控制針對局部模型設計控制器，以切換或加權形式獲得全局輸出。多模型預測控制針對多個局部模型分別設計預測控制器，每個控制周期中得到多組控制輸出增量通過加權形式獲得實際控制輸出增量，這樣能夠平滑過渡不同時期的控制輸出，有效提高機組的負荷和壓力響應特性，從而適應大范圍的工況變化，模型切換采用插值的方式進行加權。以負荷L（k）為調度變量的話，插值規則可以定義為：

采用模型預測技術，可以有效克服控制對象的大遲延、大滯后特性。通過多變量模型預測控制技術以及智能邏輯進行狀態判斷，從而實現混合模型的無擾切換。在一定的工況段范圍內，機組的模型可以近似為線性模型，通過施加階躍擾動可以建立起相應的輸入輸出階躍響應矩陣關系。

建立機組25%，50%，75%及100%MCR四個負荷段的模型，模型之間的切換采用插值方式進行，確保MPC控制的準確性。

對于多模型預測控制用于協調控制的基本實施思路如圖1所示：

超超臨界機組的協調控制系統可簡化為一個三輸入三輸出系統，輸入為燃料量M （%），汽輪機調門開度μT（ %）和給水流量W（%）；輸出為機前壓力 P?T（MPa），機組負荷 NE（MW） ，分離器出口蒸汽溫度 （θ）或焓值 （KJ/kg），其相互間的作用關系如圖4 所示。燃料量增大，負荷、壓力、溫度均增大；調門開度增大，負荷增大，壓力、溫度降低；給水流量增大，負荷、壓力增大，溫度降低。圖中實線為強相關關系，虛線為弱相關關系，在調節系統構建與參數配置時，弱相關關系將予以忽略，而通過對各強相關分量的不同系數配比.

首先通過模型辨識方法建立機組25%，50%，75%及100%BMCR負荷段3*3傳遞函數模型矩陣。其中預測控制的過程變量（CV）選取為機前壓力、機組負荷和中間點溫度，控制變量（MV）選取為調門開度、鍋爐給煤量和給水量，擾動變量選取為煤質波動量和負荷波動量。若主汽壓力或負荷偏離設定值，則通過預測控制算法運算得到煤量、給水流量和調門開度偏置值疊加到協調控制回路的煤主控，給水主控和汽機主控的動態前饋回路上進行校正，從而達到理想的控制效果。

2　模型預測預測控制實施步驟

控制方案的投運分為仿真階段和現場實施兩個階段，具體實施步驟如下：

（1）步驟1：控制器前期設計

在應用預測控制器時，需要對過程對象非常熟悉。所以，在這個步驟中需要熟悉過程對象的相關知識并與操作人員進行交流，以完成控制器的前期設計和預測控制器的控制變量。

（2）步驟2：過程對象數據測試

在對象的初步測試中，需要一定時間確認預測控制器所涉及變量的信號是否正常，變量所涉及的變送器或者閥門如果出現故障都要修復，以確保預測控制器的順利投入。如果確認預測控制器投入所涉及的變量均正常，進行過程對象的測試。測試通過對每一個輸入變量進行擾動試驗，同時記錄、采集過程的數據。

圖1　MPC先進控制系統的整體示意圖

（3）步驟3：過程模型辨識

數據測試完成后，通過利用對象測試得到的數據來進行對象模型辨識，將對象測試時所得到的數據通過系統辨識得到系統的傳遞函數矩陣或者階躍響應模型，進而建立對象模型。

（4）步驟4：建立控制器配置文件及離線仿真

通過辨識的對象模型，利用機組的仿真模型進行仿真和參數調整，從而確定被控變量設定值、控制變量和被控變量的上下限等，評估控制器的性能后可以進一步調整參數來得到期望的性能。

（5）步驟5：控制器在線試運行

預測控制器在線控制程序需要以試運行模式運行一段時間，來檢驗程序是否正常運行，同時檢驗模型的準確性，開始控制器的輸出不加到被控對象上，所有的控制變量上下限將被固定在與當前設定值非常接近的范圍內，同時控制器將只能有很小的動作，跟蹤和觀察預測控制器運行的平穩性。如果預測控制器運行正常，則可以將控制變量施加到對象上，評測控制器的實際控制性能，并進行相應調整。

（6）步驟6：預測控制器維護

對于預測控制器，根據控制對象的運行狀況，需要進行控制性能的評估，通過維護和參數調整來確保性能最優。對火電機組來說，每次大修后建議進行一次預測控制器的維護。

3　超超臨界機組多模型預測控制應用

針對某1000MW機組超超臨界機組全激勵仿真系統，其鍋爐和汽輪機均為上海電氣產品，鍋爐采用ASTOM技術，汽輪機采用SIEMENS技術。MPC控制器的參數設置為預測步長600s，控制步長200s。操作變量（μ，M，W）和被控變量（Ne，P，θ）如前述選擇，Ne和P設為定值控制，θ設為區間控制。操作變量和被控變量的權矩陣選為Q=diag［1000 200 80］，R=diag ［10 10 10］。

本文主要考察滑壓控制模式下的超超臨界機組變負荷時不同方法的控制效果。在變負荷過程中，PID控制和MPC控制的輸出功率均很好地跟蹤了負荷指令，MPC控制效果優于PID。MPC控制的主蒸汽壓力下降較平滑，穩態工況時壓力均能夠跟蹤準確，具有較好的穩態性能和動態性能；PID控制的主蒸汽壓力下降滯后較嚴重，在穩態工況時壓力有偏差，MPC控制效果明顯好于PID控制效果。全激勵仿真系統的控制結果顯示出MPC在多變量控制中的優勢。

4　結語

本文詳細分析了超超臨界火電機組控制發展現狀和控制難點。針對超超火電機組臨界機組協調控制的輸入-輸出關系，提出了以輸入為燃料量、汽輪機調門開度和給水流量以及輸出為機前壓力、機組負荷和分離器出口蒸汽溫度的多模型預測控制方案，仿真試驗結果表明所提出的方法控制效果良好，具有較好的推廣應用價值。

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Multivariable model predictive control for supercritical unit

Guan Yanzhao，Li Jinxu
（Shandong University，250000）

This paper from the point of view of engineering application， this paper summary and analysis of the ultra supercritical unit control development present situation and the difficulty of control，on the analysis of the ultra super critical unit input - output based on the relationship，and puts forward a kind of input for fuel，steam turbine control valve open degree and water flow and output for machine pressure，the unit load and separator outlet steam temperature of thermal power units and multi model prediction control scheme，and gives the specific implementation plan and steps，simulation test results show that the proposed method has good control effect， has good popularization and application value.

ultra supercritical；thermal power unit；multi variable；multi model；model prediction