一種火電機組變負荷仿真研究方法

周建玉，樂凌志，吳 科

(南京國電南自維美德自動化有限公司，江蘇 南京 210023)

一種火電機組變負荷仿真研究方法

周建玉，樂凌志，吳 科

(南京國電南自維美德自動化有限公司，江蘇 南京 210023)

對火電機組協調控制研究現狀進行分析，指出了目前火電機組協調控制研究方法的優缺點，提出了基于“算法+模型”的火電機組動態過程仿真研究方法。該方法主要通過Simulink平臺中的算法和機組的傳遞函數模型，構建與分散控制系統中的協調控制邏輯相一致的控制方式。通過在Simulink平臺中動態仿真的方式,研究火電機組的動態過程變化特性。特別是通過對變負荷過程中機組主蒸汽壓力和實發功率的精度和變化趨勢進行仿真，研究了機組協調控制系統的調節性能。通過比較機組主蒸汽壓力和實發功率表明，該方法可以仿真機組的變負荷過程的動態響應特性。“算法+模型”的研究方法提供了如何提高機組控制精度和負荷響應速率的研究思路。該方法既避免了在真實運行過程中火電機組由于變負荷試驗帶來機組運行安全的風險，又可以進一步研究火電機組協調控制系統的控制邏輯和控制系統參數的優化問題。

火電機組; 鍋爐； 分散控制系統; 非線性控制； 傳遞函數; 動態特性仿真

0 引言

火力發電機組是一個復雜的能量轉換系統。從電網的角度看，協調控制系統是連接發電機組與電網的紐帶，是自動發電控制(automatic generation control,AGC)在發電側的執行者，是電網綜合自動化的基礎。從單元機組的角度看，協調控制系統是發電機組運行過程中能量供需矛盾的協調者，它能夠綜合運用多種控制手段，克服機爐間存在的動態特性差異，使鍋爐-汽輪機系統成為一個有機的整體。從局部控制回路的角度看，協調控制系統是確保機組整體性能的指揮者，它經歷電能產生的整個過程(化學能轉變為電能)，能夠從全局的高度審視機組的運行狀況，指導燃燒控制、汽溫控制、給水控制等子系統，以更恰當的方式參與工作。因此，研究火電機組協調控制系統對于提高機組響應電網調節速率以及維持機組運行至關重要。

1 目前研究所存在的問題

單元機組協調控制系統被控對象中包含多變量、強耦合、大遲延、非線性、不確定干擾、多目標優化等控制領域熱點研究問題，引起了研究者的廣泛興趣[1-2]。通過研究近10年來國內相關課題，發現側重于理論方法研究的有模糊多模型控制、模糊內模控制、多變量魯棒控制、自適應控制、遺傳算法PID參數優化等[2-4]。余煉、谷俊杰等通過機理建模，利用虛擬分散處理單元(virtual distributed processing unit,VDPU)建立激勵式火電機組仿真系統，進行協調控制的研究[5-6]。這些方法大多利用對象模型進行仿真，從而研究先進控制算法與傳統PID控制算法的優缺點，但對前饋控制邏輯基本沒有考慮[7-8]。宋新立、房方等利用負荷/壓力增量預測控制、柔性控制、基于PID的解耦、魯棒、內模控制等改進算法來研究協調控制問題[9-11]。這些控制算法在工程應用方面存在一些困難，實際控制效果往往很難超越傳統的工程方法，實際應用與仿真結果存在較大差距。

雖然從整體上說，近些年控制理論的研究取得了飛速發展，新型控制方法層出不窮，但在多年的電廠調試和生產實際中，DCS傳統的“PID反饋+前饋”的經典控制仍占主導地位[11-13]。雖然也有基于內模的解耦控制和某些先進控制模塊在少數電廠應用的文獻報道，但對于協調控制系統而言，“PID反饋+前饋”的結構仍然是主流。

鍋爐在燃燒正常、給水正常和發電機勵磁系統正常工作的前提下，亞臨界機組鍋爐-汽輪機系統協調控制系統模型可簡化為一個具有強耦合的雙輸入雙輸出系統。機組協調控制模型如式(1)所示。

(1)

式中：N為機組的輸出電功率；PT為汽輪機前主蒸汽壓力；μ為汽機調門開度指令；β為給煤量的給定值；G11(s)為汽輪機調門與機組負荷之間的數學關系；G12(s)為給煤量與機組負荷之間的數學關系；G21(s)為汽輪機調門與主蒸汽壓力之間的數學關系；G22(s)為汽輪機調門與機組負荷之間的數學關系。

本文在綜合前人研究的基礎上，從仿真平臺和實際應用兩個方面入手，采用“算法+結構”的方式搭建協調控制系統仿真模型。機組協調控制仿真模型如圖1所示。火電機組動態特性為通過試驗得到的傳遞函數模型的特性，爐側前饋和機側前饋為DCS中所設計的前饋邏輯，鍋爐主控和汽機主控為一個反饋控制回路。鍋爐側通過蒸汽壓力來控制給煤量，汽機側通過功率指令來控制汽輪機調門開度。

圖1 機組協調控制仿真模型示意圖

2 仿真平臺的搭建

本文將借助機組協調控制仿真模型，采用“算法+模型”的結構來進行火電機組協調控制系統仿真。火電機組模型采用雙輸入雙輸出的傳遞函數結構，分別為燃料擾動下的壓力特性傳遞函數、燃料擾動下的功率特性傳遞函數、調門擾動下的壓力特性傳遞函數以及調門擾動下的功率特性傳遞函數。單元機組雙輸入雙輸出模型如圖2所示。

圖2 單元機組雙輸入雙輸出模型示意圖

Simulink平臺中的協調控制仿真模型如圖3所示。

圖3 Simulink平臺中的協調控制仿真模型示意圖

協調控制仿真平臺的主要功能是仿真在AGC指令變化的情況下機組負荷和主蒸汽壓力的變化情況。為了便于研究，不考慮協調控制系統中的模式切換邏輯。在Simulink仿真平臺中，必須要保證所搭建的算法、控制邏輯與火電機組DCS所使用的算法和邏輯相一致。在Simulink中所搭建的協調控制系統包含負荷指令生成回路、主汽壓力設定回路、鍋爐主控回路、汽機主控回路等。

負荷處理回路的任務是將電網下達的AGC目標負荷指令處理成機組的實際負荷指令，實現AGC速率限制的計算以及主蒸汽壓力設定值的計算。負荷處理回路如圖4所示。

圖4 負荷處理回路示意圖

負荷、主蒸汽壓力設定值和給煤量如表1所示。主蒸汽壓力經過慣性處理后，得到其設定值，其中慣性時間由f2(x)求得。

表1 負荷、主蒸汽壓力設定值和給煤量關系表

鍋爐主控回路根據負荷和主汽壓力的需求來控制燃料量，采用“PID反饋+前饋”控制的結構。PID反饋回路采用主蒸汽壓力設定值與實際值的差值。鍋爐主控的前饋控制回路包括靜態前饋和動態前饋，具體如圖5所示。

PID反饋的設定值為主蒸汽壓力設定值，被控量為主蒸汽壓力。其中，主蒸汽壓力設定值為負荷指令下的期望值，因此可通過負荷指令與正蒸汽壓力的函數關系來計算，本文采用的是負荷與主蒸汽壓力設定值的折線函數。鍋爐前饋包含動態前饋和靜態前饋：鍋爐主控的靜態前饋為負荷指令對應的給煤量函數；動態前饋模塊則包含主蒸汽壓力設定值的微分、主蒸汽壓力偏差的微分以及經過主蒸汽壓力偏差的修正函數f3(x)后的負荷指令的微分這三部分。靜態前饋函數f4(x)采用表1中負荷指令與給煤量的折線函數。

圖5 鍋爐主控回路示意圖

汽輪機主控仿真模型如圖6所示。系統相當于負荷指令處理回路與汽輪機數字電液控制系統之間的接口。它既能夠以自動方式工作(對應于機爐協調控制方式，或者汽輪機跟隨負荷控制方式)，也能夠以手動方式工作(對應于鍋爐跟隨負荷控制方式或者基本控制方式)。汽輪機主控系統與鍋爐主控系統一起完成單元機組在各種工況下的控制功能，協調汽輪機出力與負荷指令之間的匹配關系。汽機前饋由兩部分組成，其中功率偏差對應的函數f7(x)與主蒸汽壓力函數f5(x)對應的調門經過壓力拉回函數f6(x)修正后，共同組成汽機的前饋。

圖6 汽輪機主控仿真模型示意圖

3 協調控制仿真效果

為了達到指導實際運行的效果，根據圖2～圖6所設計的“算法+結構”方式，在Simulink中搭建仿真平臺。為了模擬變負荷情況，本文模擬電網調度指令階段增、階躍減變化的機組實發功率和主蒸汽壓力的變化情況。網調階躍指令通過速率限制轉化為斜坡指令，一般電網要求的負荷變化率為7.5 MW/min。

降負荷時，負荷指令從400 MW遞減至360 MW，每次降幅為20 MW。通過上述仿真平臺，得出降負荷工況下主蒸汽壓力和機組功率曲線如圖7所示。

圖7 降負荷工況曲線

機組的主蒸汽壓力變化趨勢和功率變化趨勢能夠反映實際的變負荷過程。其中主蒸汽壓力的最大動態偏差為0.914 8 MPa；機組功率動態偏差為14 MW，但是在穩定后有穩態偏差。這是由于變負荷初期，鍋爐由于滯后的特性，所設計的給煤量前饋跟不上汽機能量需求的變化，導致機組在變負荷初期功率變化慢。仿真結果表明，采用Simulink仿真平臺，能夠模擬機組的變負荷過程。升負荷工況曲線如圖8所示。

圖8 升負荷工況曲線

升負荷時，負荷指令從360 MW遞增至400 MW，每次增幅為20 MW。采用圖2～圖6的仿真模型進行模擬研究。升負荷工況下，仿真的功率變化速率較慢，說明鍋爐主控的前饋設計不合理。

為了增加負荷的響應速率，在鍋爐前饋中增加了對煤量的修正函數。負荷偏差和修正系數如表2所示。

表2 負荷偏差和修正系數

壓力變化的趨勢能夠反映實際的參數變化過程，且最大的動態偏差為0.890 1 MPa；機組功率動態偏差為6.65 MW，且沒有穩態偏差。機組的負荷響應速率有了很大的提升。仿真研究表明，通過對仿真模型進行優化，可以提高機組協調控制的調節性能，達到指導實際運行過程中的邏輯優化的效果。

通過升負荷和降負荷的仿真模擬研究標準，采用本文所述的仿真平臺和算法模型能夠比較準確地模擬機組的變負荷過程協調控制效果，證明了該研究方法的有效性。

4 結束語

本文通過利用Simulink系統中的傳遞函數模型，搭建與實際DCS中運行相一致的邏輯，構建了協調控制系統仿真平臺。通過該仿真平臺，模擬電網調度指令連續正向、反向變化的情況下，機組主蒸汽壓力和機組負荷的變化趨勢。試驗結果表明，通過這種方法可以實現協調控制的仿真研究。下一步可以通過該平臺，進行火電機組協調控制系統的邏輯優化和控制參數優化。該方法對機組的實際運行具有指導、優化作用。

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A Simulation Method for Variable Load of Coal-Fired Power Unit

ZHOU Jianyu,LE Lingzhi,WU Ke

(Nanjing SAC Valmet Automation Co.,Ltd.,Nanjing 210023,China)

The current status of the research on coordinated control for coal-fired power unit is analyzed,the advantages and disadvantages of the research methods for coordinated control are pointed out,and the simulation research method based on model + algorithm for dynamic process of coal-fired power unit is put forward.Through the algorithm in Simulink platform and the transfer function model of power unit,this method constructs the control mode which is consistent with the coordinated control logic in distributed control system.The dynamic process variation characteristics of power unit is researched through dynamic simulation in Simulink platform,especially the precision and trends of main steam pressure and actual generated power in variable load process of the unit are simulated to research the regulation performance of the coordinated control system (CCS) of the unit.The main steam pressure and actual generate power are compared,the result indicates that this method can simulate the dynamic response characteristics of unit in variable load process.The research method based on model + algorithm provides the research ideas on how to improve the control precision and the response speed of the unit.By this method,the risk of load change test in the real operation of the coal-fired power unit on the safe operation can be avoided,and the optimization of control logic and control system parameters of CCS can be researched in further.

Coal-fired power unit;Boiler; Distributed control system; Nonlinear control; Transfer function; Dynamic characteristic simulation

周建玉(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事智能發電過程控制系統、先進控制算法、火電機組過程控制、現場總線技術應用等方向的研究。E-mail:jianyu-zhou@sac-valmet.com。

TH7;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705012

修改稿收到日期：2017-01-18