电站热工优化控制平台协调优化组件的开发应用

李泉，朱北恒，尹峰，罗志浩，李旭侃

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

电站热工优化控制平台协调优化组件的开发应用

李泉，朱北恒，尹峰，罗志浩，李旭侃

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

大型火电机组的锅炉和汽轮发电机系统是一个多变量、非线性、强耦合的对象，具有迟滞性和大惯性，给控制系统的设计和实现带来许多困难，特别是当机组负荷发生较大变化时，许多协调控制系统通常难以维持正常运行。TOP（电站热工优化控制平台）系统的协调优化组件采用系统特性解耦、前馈闭环优化、状态观测器等技术有效解决了其中的迟滞性、强耦合性带来的控制难题，应用实践证明了其有效性。

TOP；协调优化组件；解耦；前馈优化；状态观测器

大型火电机组机炉协调控制系统是提高发电厂经济效益和实现电网自动发电控制的重要环节。作为被控对象的锅炉和汽轮发电机组具有多变量、非线性、强耦合，并且迟滞性和惯性大的特点，不利于控制系统的设计和实现，特别是当机组负荷发生较大变化时，许多协调控制系统通常难以维持正常运行。因此单元机组协调控制系统的设计与投运一直是热工自动化领域的重要研究课题之一。TOP（Thermal Optimized-control Platform，电站热工优化控制平台）系统的协调优化组件可有效解决其中的迟滞性、强耦合性带来的控制难题。

1 TOP系统协调优化组件

协调控制系统是指通过控制回路协调汽轮机和锅炉的工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机控制系统发出指令，以达到快速响应负荷变化的目的，尽可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。TOP系统的协调优化组件包括系统特性解耦模块、前馈闭环优化模块、状态观测器控制模块3个部分。

1.1 系统特性解耦模块

系统特性解耦模块是根据系统的模型特性对其进行解耦。在协调控制系统中，由于被控对象的复杂性，要实现动态完全解耦非常困难，最基础的首先采用静态解耦或单向解耦的方法获得解耦器。静态解耦器的设计如下。

对于协调控制系统，单元机组协调系统的近似动态模型：

式中：T（s）用于描述汽轮机的做功过程；B（s）近似代表燃料动态；G0（s）是机炉协调模型的核心；ΔB为煤量变化量；Δμ为汽机调门变化量；ΔPT为压力变化量；ΔN为功率变化量。

在动态模型中含有惯性系统和微分系统。当t→∞时，惯性系统趋向于增益值而微分系统趋向于0，因此可以据此计算出协调系统的静态解耦系数。

考虑时间t→∞情况，若模型中含有惯性系统，则可获得稳态增益，求解后可获得静态解耦系数，静态解耦并不能获得良好的控制效果，需要进行动态解耦。由于对角解耦非常困难，因此采用三角形解耦方式，系统模型如式（1）形式，则有：

式中：g11（s），g12（s），g21（s），g22（s）分别为机组煤量与压力、调门开度与压力、煤量及功率、调门开度与功率的特性传递函数。

由于对象特性函数g11（s），g12（s），g21（s），g22（s）和输入量ΔB，ΔN可以认为是已知信号，因此可以计算出压力变化量ΔPT：

因为ΔPT=P0-PT，则：

式中：PT为实际压力；P0为压力设定值。

如果将P0的变化放开至一定的范围±Δ，即（P0-Δ）≤P0≤（P0+Δ），可有效减小特性函数g12（s）对整个系统的耦合性影响，因此可以设计出动态解耦系统，如式（5）所示：

式中：P0为新的压力设定值。

当P0′在（P0±Δ）范围内变化时，P0′=PT，g12（s）对整个系统的耦合作用消失；当P0′在（P0±Δ）范围外变化时，P0′≠PT，产生耦合作用，但是也比常规设计的耦合作用小得多。因此，按照式（5）设计的新型系统特性解耦模块，可以明显减小特性函数g12（s）对整个系统的耦合性影响，实现了近似动态三角形解耦。

1.2 前馈闭环优化模块

前馈是协调控制系统的重要组成部分，在负荷变动中起主导作用。考虑式（2）的形式，若足够理想使得：

则Δμ=0，此时对系统的耦合作用消失，系统成为单回路，协调控制问题得到简化，转化为对滞后对象的控制问题，只需采用先进的控制算法就可解决。

工程实践中，不存在上述理想状况，因为模型是大滞后大惯性对象，其模型如式（7）所示：

动态过程中，ΔN和g21（s）×ΔB始终会存在一定的偏差，因此实际情况是动态过程中，g12无限趋近于ΔN，Δμ无限趋近于0，即g21（s）×ΔB→ΔN，Δμ→0，尽量减弱g12对系统的耦合作用。为满足指标的要求g21（s）×ΔB→ΔN，Δμ→0，可以构造出机组负荷变化指令：

式中：[g21（s）ΔB]v1为煤量作用于对象后的最大响应速率曲线；（ΔN）v2为速率限制后的功率指令曲线；（ΔN）h为功率变化幅度；（ΔN）′v1为预测功率指令幅度；[（ΔN）h-（ΔN）v1]′v2为2个幅度偏差后按速率变化的曲线。

当以式（8）所示的指令形式和机组特性g21（s）构成1个闭环回路，所产生的控制量中部分作为前馈时，实现了前馈闭环优化。

1.3 状态观测器控制模块

所谓状态观测器是指1个在物理上可以实现的动态系统，它在被观测系统的输入和输出驱动下，产生1组逼近于被观测系统的状态变量。在状态观测器的设计中，由于实际物理信号的限制，较适用的是降维状态观测器。可以证明只要系统是完全能观测的，若输出矩阵的秩为m，则只要知道其中n－m个状态，其余m个状态无需用状态观测器观测，只要观测其中n－m个状态即可。

此模块基本原理是将压力等大惯性对象分割成多个小惯性环节进行观测，以实现动态及时调节，改善系统的响应品质。

2 协调系统优化的实施方法

系统特性解耦模块、前馈闭环优化模块、状态观测器模块统一作用的整体用于协调控制系统的优化。具体实施时，各模块在协调优化系统中的作用如图1所示，系统特性解耦模块体现在负荷压力解耦器上，状态观测器控制模块和闭环优化前馈模块作用于压力控制器。智能优化算法为具有全局搜索特性的遗传优化算法，根据协调系统对象模型，对压力控制器进行离线参数寻优，该压力控制器的参数包括了状态观测器和普通的PID（比例－积分－微分）控制器等。

图1 智能协调优化控制系统

上述为通用的优化方法，对于超临界机组需进行降阶处理。针对超（超）临界直流机组，TOP系统的协调优化组件对系统进行优化的基础是降阶系统的对象特性，首先将“三入三出”的协调系统降阶为“二入二出”的被控对象，根据该对象采用先进控制算法进行优化控制。

由降阶后的控制结构可以看出，直流锅炉与亚临界锅炉的区别在于温度的控制，通过煤水配比来实现温度的基本控制。煤水的配比包括稳态配比和动态配比2个部分，稳态配比是基准量配比，即在各个负荷段稳态运行时煤量和水量的静态配比，可以通过机组实际运行的历史数据来确定；动态配比是煤量变化至水量变化的过程时间配比，一般采用三阶惯性，惯性时间的大小由负荷变动过程中分离器出口温度的波动情况决定，正常情况下，负荷正、反向变化时，煤量变化到水量变化的惯性时间是不同的，需要在线变参数控制。

在确定好煤水参数配比后，直流锅炉的协调控制策略类似于汽包炉的控制策略，锅炉主控主要控制机组压力，汽机主控侧重于控制机组负荷，当压力偏差过大时，参与调节机组压力。

3 应用效果

在AGC（自动发电量控制）工况下，不投入TOP系统的协调优化控制组件，机组在300～600 MW范围内运行，机组协调控制曲线如图2所示；投入TOP系统的协调优化控制组件，机组在300～600 MW范围内运行，机组协调控制曲线如图3所示。图2，3中的4次试验的控制品质对比如表1所示。

图2 未投入协调优化组件时变负荷下的AGC控制曲线

图3 投入协调优化组件时变负荷下的AGC控制曲线

表1 AGC工况下协调优化控制组件对比试验控制品质

从测试数据可以看出：TOP系统协调优化控制组件的应用，使机组整体的协调控制水平有了很大提高，尤其是减小了汽压过程偏差。在负荷变动过程中，最大汽压变动偏差从±0．5 MPa减小到了±0．3 MPa，最大负荷变动偏差从±8 MW减小到了±5 MW。AGC工况下，机组整体的协调控制水平也有了很大提高。

4 结语

TOP系统协调控制优化组件在保证机组安全运行的基础上，增加高级算法功能块，使机组在负荷快速跟随的情况下，压力尽量保持稳定，保证全程AGC时负荷响应快速稳定，以及满足机组的安全性与经济性要求。和传统动态前馈相比，其基于状态观测器的前馈智能修正算法能实时分析和计算机组特性，是自适应的动态前馈修正，能适应机组全程负荷变化过程，该组件的使用可以配合锅炉压力控制，很好地满足机组AGC响应速度，避免主汽压力大幅波动。

[1]尹峰，朱北恒，罗志浩，等．基于预给煤动态模型的直接指令平衡系统在火电厂协调控制中的应用[J]．中国电力，2007，4（11）∶89－92．

[2]尹峰，朱北恒，李泉．超（超）临界机组协调控制特性与控制策略[J]．中国电力，2008，41（3）∶66－68．

[3]李泉，朱北恒，尹峰，等．基于模型关联性的动态解耦算法及其在协调控制中的应用[J]．浙江电力，2010，29（10）∶28－32．

[4]苏烨，张鹏，卓鲁锋，等．AGC模式下超临界机组协调控制策略的完善及应用[J]．浙江电力，2010，29（2）∶26－29．

[5]陈波，罗志浩，苏烨．基于焓值计算的直流炉给水控制优化及实践[J]．浙江电力，2010，29（4）∶27－30．

[6]李泉，陈波，张华磊，等．超临界直流机组模型及控制优化[J]．中国电力，2010，43（12）∶60－63．

[7]陈波，张永军，罗志浩．火电机组协调控制中基于能量分析的锅炉前馈研究[J]．浙江电力，2011，30（1）∶29－33．

[8]李泉，朱北恒，尹峰，等．火电机组协调控制系统优化研究[J]．热力发电，2011，30（6）∶28－32．

（本文编辑：陆莹）

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，安徽阜阳人，硕士，高级工程师，从事发电厂热工自动化应用和研究。