電站熱工優(yōu)化控制平臺協(xié)調(diào)優(yōu)化組件的開發(fā)應(yīng)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(yōu)化控制平臺協(xié)調(diào)優(yōu)化組件的開發(fā)應(yīng)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(fā)電機系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)帶來許多困難，特別是當機組負荷發(fā)生較大變化時，許多協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通常難以維持正常運行。TOP（電站熱工優(yōu)化控制平臺）系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化組件采用系統(tǒng)特性解耦、前饋閉環(huán)優(yōu)化、狀態(tài)觀測器等技術(shù)有效解決了其中的遲滯性、強耦合性帶來的控制難題，應(yīng)用實踐證明了其有效性。

TOP；協(xié)調(diào)優(yōu)化組件；解耦；前饋優(yōu)化；狀態(tài)觀測器

大型火電機組機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是提高發(fā)電廠經(jīng)濟效益和實現(xiàn)電網(wǎng)自動發(fā)電控制的重要環(huán)節(jié)。作為被控對象的鍋爐和汽輪發(fā)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(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，特別是當機組負荷發(fā)生較大變化時，許多協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通常難以維持正常運行。因此單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計與投運一直是熱工自動化領(lǐng)域的重要研究課題之一。TOP（Thermal Optimized-control Platform，電站熱工優(yōu)化控制平臺）系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)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(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化組件

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是指通過控制回路協(xié)調(diào)汽輪機和鍋爐的工作狀態(tài)，同時給鍋爐自動控制系統(tǒng)和汽輪機控制系統(tǒng)發(fā)出指令，以達到快速響應(yīng)負荷變化的目的，盡可能發(fā)揮機組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，穩(wěn)定運行參數(shù)。TOP系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化組件包括系統(tǒng)特性解耦模塊、前饋閉環(huán)優(yōu)化模塊、狀態(tài)觀測器控制模塊3個部分。

1.1 系統(tǒng)特性解耦模塊

系統(tǒng)特性解耦模塊是根據(jù)系統(tǒng)的模型特性對其進行解耦。在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，由于被控對象的復雜性，要實現(xiàn)動態(tài)完全解耦非常困難，最基礎(chǔ)的首先采用靜態(tài)解耦或單向解耦的方法獲得解耦器。靜態(tài)解耦器的設(shè)計如下。

對于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，單元機組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的近似動態(tài)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(tài)；G0（s）是機爐協(xié)調(diào)模型的核心；ΔB為煤量變化量；Δμ為汽機調(diào)門變化量；ΔPT為壓力變化量；ΔN為功率變化量。

在動態(tài)模型中含有慣性系統(tǒng)和微分系統(tǒng)。當t→∞時，慣性系統(tǒng)趨向于增益值而微分系統(tǒng)趨向于0，因此可以據(jù)此計算出協(xié)調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)解耦系數(shù)。

考慮時間t→∞情況，若模型中含有慣性系統(tǒng)，則可獲得穩(wěn)態(tài)增益，求解后可獲得靜態(tài)解耦系數(shù)，靜態(tài)解耦并不能獲得良好的控制效果，需要進行動態(tài)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(tǒng)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(diào)門開度與壓力、煤量及功率、調(diào)門開度與功率的特性傳遞函數(shù)。

由于對象特性函數(shù)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(shè)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(shù)g12（s）對整個系統(tǒng)的耦合性影響，因此可以設(shè)計出動態(tài)解耦系統(tǒng)，如式（5）所示：

式中：P0為新的壓力設(shè)定值。

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

1.2 前饋閉環(huán)優(yōu)化模塊

前饋是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的重要組成部分，在負荷變動中起主導作用?？紤]式（2）的形式，若足夠理想使得：

則Δμ=0，此時對系統(tǒng)的耦合作用消失，系統(tǒng)成為單回路，協(xié)調(diào)控制問題得到簡化，轉(zhuǎn)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(tài)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(tài)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(tǒng)的耦合作用。為滿足指標的要求g21（s）×ΔB→ΔN，Δμ→0，可以構(gòu)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(yīng)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(gòu)成1個閉環(huán)回路，所產(chǎn)生的控制量中部分作為前饋時，實現(xiàn)了前饋閉環(huán)優(yōu)化。

1.3 狀態(tài)觀測器控制模塊

所謂狀態(tài)觀測器是指1個在物理上可以實現(xiàn)的動態(tài)系統(tǒng)，它在被觀測系統(tǒng)的輸入和輸出驅(qū)動下，產(chǎn)生1組逼近于被觀測系統(tǒng)的狀態(tài)變量。在狀態(tài)觀測器的設(shè)計中，由于實際物理信號的限制，較適用的是降維狀態(tài)觀測器?？梢宰C明只要系統(tǒng)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(tài)，其余m個狀態(tài)無需用狀態(tài)觀測器觀測，只要觀測其中n－m個狀態(tài)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(huán)節(jié)進行觀測，以實現(xiàn)動態(tài)及時調(diào)節(jié)，改善系統(tǒng)的響應(yīng)品質(zhì)。

2 協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的實施方法

系統(tǒng)特性解耦模塊、前饋閉環(huán)優(yōu)化模塊、狀態(tài)觀測器模塊統(tǒng)一作用的整體用于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化。具體實施時，各模塊在協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng)中的作用如圖1所示，系統(tǒng)特性解耦模塊體現(xiàn)在負荷壓力解耦器上，狀態(tài)觀測器控制模塊和閉環(huán)優(yōu)化前饋模塊作用于壓力控制器。智能優(yōu)化算法為具有全局搜索特性的遺傳優(yōu)化算法，根據(jù)協(xié)調(diào)系統(tǒng)對象模型，對壓力控制器進行離線參數(shù)尋優(yōu)，該壓力控制器的參數(shù)包括了狀態(tài)觀測器和普通的PID（比例－積分－微分）控制器等。

圖1 智能協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)

上述為通用的優(yōu)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(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化組件對系統(tǒng)進行優(yōu)化的基礎(chǔ)是降階系統(tǒng)的對象特性，首先將“三入三出”的協(xié)調(diào)系統(tǒng)降階為“二入二出”的被控對象，根據(jù)該對象采用先進控制算法進行優(yōu)化控制。

由降階后的控制結(jié)構(gòu)可以看出，直流鍋爐與亞臨界鍋爐的區(qū)別在于溫度的控制，通過煤水配比來實現(xiàn)溫度的基本控制。煤水的配比包括穩(wěn)態(tài)配比和動態(tài)配比2個部分，穩(wěn)態(tài)配比是基準量配比，即在各個負荷段穩(wěn)態(tài)運行時煤量和水量的靜態(tài)配比，可以通過機組實際運行的歷史數(shù)據(jù)來確定；動態(tài)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(shù)控制。

在確定好煤水參數(shù)配比后，直流鍋爐的協(xié)調(diào)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(cè)重于控制機組負荷，當壓力偏差過大時，參與調(diào)節(jié)機組壓力。

3 應(yīng)用效果

在AGC（自動發(fā)電量控制）工況下，不投入TOP系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制組件，機組在300～600 MW范圍內(nèi)運行，機組協(xié)調(diào)控制曲線如圖2所示；投入TOP系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制組件，機組在300～600 MW范圍內(nèi)運行，機組協(xié)調(diào)控制曲線如圖3所示。圖2，3中的4次試驗的控制品質(zhì)對比如表1所示。

圖2 未投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化組件時變負荷下的AGC控制曲線

圖3 投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化組件時變負荷下的AGC控制曲線

表1 AGC工況下協(xié)調(diào)優(yōu)化控制組件對比試驗控制品質(zhì)

從測試數(shù)據(jù)可以看出：TOP系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制組件的應(yīng)用，使機組整體的協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)控制水平也有了很大提高。

4 結(jié)語

TOP系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化組件在保證機組安全運行的基礎(chǔ)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(wěn)定，保證全程AGC時負荷響應(yīng)快速穩(wěn)定，以及滿足機組的安全性與經(jīng)濟性要求。和傳統(tǒng)動態(tài)前饋相比，其基于狀態(tài)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(yīng)的動態(tài)前饋修正，能適應(yīng)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(yīng)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(tài)模型的直接指令平衡系統(tǒng)在火電廠協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)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(xié)調(diào)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(guān)聯(lián)性的動態(tài)解耦算法及其在協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)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(xié)調(diào)控制策略的完善及應(yīng)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(yōu)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(yōu)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(xié)調(diào)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(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究[J]．熱力發(fā)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(fā)電廠熱工自動化應(yīng)用和研究。