電站熱工優(yōu)化控制平臺(tái)汽溫優(yōu)化組件的開發(fā)應(yīng)用

陳波，孫耘，李泉，張永軍，丁寧

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

電站熱工優(yōu)化控制平臺(tái)汽溫優(yōu)化組件的開發(fā)應(yīng)用

陳波，孫耘，李泉，張永軍，丁寧

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

目前大型火電機(jī)組的鍋爐過熱汽溫和再熱汽溫控制仍采用常規(guī)的串級(jí)控制系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，汽溫就偏離設(shè)定值8～10℃左右，超溫很頻繁。TOP（電站熱工優(yōu)化控制平臺(tái)）系統(tǒng)的汽溫優(yōu)化組件采用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，用系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)來描述系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)的任意配置，從而構(gòu)成線性最優(yōu)調(diào)節(jié)器；采用溫度動(dòng)態(tài)特性狀態(tài)重構(gòu)技術(shù)，獲得具有較強(qiáng)穩(wěn)定性和魯棒性的控制系統(tǒng)，有效解決了汽溫偏離設(shè)定值的問題。

TOP；汽溫優(yōu)化組件；控制；極點(diǎn)配置；狀態(tài)重構(gòu)

0 引言

大型火電機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)大多采用DCS（分散控制系統(tǒng)）來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于復(fù)雜的控制算法較難于應(yīng)用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，鍋爐過熱汽溫和再熱汽溫控制幾乎仍采用常規(guī)的串級(jí)控制系統(tǒng)，不少機(jī)組汽溫被控對(duì)象的滯后很大，且噴水閥存在嚴(yán)重的非線性。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，汽溫偏離設(shè)定值8～10℃左右，超溫很頻繁。過熱汽溫是機(jī)組熱力系統(tǒng)中的重要參數(shù)，其控制品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

TOP（ThermalOptimized-controlPlatform，電站熱工優(yōu)化控制平臺(tái)）系統(tǒng)的汽溫優(yōu)化組件采用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，相對(duì)于經(jīng)典控制理論具有明顯的優(yōu)越性?，F(xiàn)代控制理論可以用系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)來描述系統(tǒng)，采用狀態(tài)反饋可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)的任意配置，從而構(gòu)成線性最優(yōu)調(diào)節(jié)器。該組件以實(shí)際工程問題為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，采用溫度動(dòng)態(tài)特性狀態(tài)重構(gòu)技術(shù)，獲得具有較強(qiáng)穩(wěn)定性和魯棒性的控制系統(tǒng)。

1 TOP系統(tǒng)汽溫優(yōu)化組件的原理

TOP系統(tǒng)的汽溫優(yōu)化組件根據(jù)現(xiàn)代控制原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過工程化近似方法設(shè)計(jì)出優(yōu)化控制系統(tǒng)。下面將分別論述該優(yōu)化組件中狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)、帶狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)、汽溫狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)等原理。

1.1 狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)

所謂狀態(tài)觀測(cè)器時(shí)指1個(gè)在物理上可以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在被觀測(cè)系統(tǒng)的輸入和輸出驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生1組逼近于被觀測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)變量。在狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)中，由于實(shí)際物理信號(hào)的限制，較適用的是降維狀態(tài)觀測(cè)器?？梢宰C明只要系統(tǒng)是完全能觀測(cè)的，若輸出矩陣的秩為m，則只要知道其中n－m個(gè)狀態(tài)，其余m個(gè)狀態(tài)無需用狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)，只要觀測(cè)其中n－m個(gè)狀態(tài)即可。

若多變量線性系統(tǒng)∑={A，B，C}是完全能觀的，且C是滿秩的，則存在線性變換x=Px，將系統(tǒng)變換為∑={A，B，C}。

一般形式的狀態(tài)方程，可通過非奇異相似變換將其變?yōu)槭剑?）的形式。非奇異相似變換的求取過程為重新排列C的列，使C化為式（2）的形式。

其中C2為m×m非奇異陣，則：

下面構(gòu)造觀測(cè)x1的狀態(tài)觀測(cè)器，顯然它是n－m維的，取系統(tǒng)的的狀態(tài)反饋矩陣為F，根據(jù)觀測(cè)器形式設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)降維觀測(cè)器為：

變量替換得：

式（5）為降維觀測(cè)器的狀態(tài)方程。全部狀態(tài)估計(jì)由下式求得：

降維觀測(cè)器的輸入仍為u與y，但維數(shù)只有n－m維。

1.2 帶觀測(cè)器的狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)

由帶觀測(cè)器的狀態(tài)反饋結(jié)構(gòu)可得系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為：

由式（7）得系統(tǒng)的特征方程為：

狀態(tài)反饋矩陣K只影響狀態(tài)反饋系統(tǒng)的極點(diǎn)，而狀態(tài)反饋系統(tǒng)的極點(diǎn)與觀測(cè)器的增益矩陣Ke無關(guān)，因此極點(diǎn)配置和觀測(cè)器設(shè)計(jì)可分別獨(dú)立進(jìn)行。

1.3 汽溫狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)

火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)控制中，一般把過熱器分為導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)，被控對(duì)象的傳遞函數(shù)可以表達(dá)為：

正常情況下，導(dǎo)前區(qū)階數(shù)為1，惰性區(qū)階數(shù)為4，如果遇到階數(shù)更高的可以使用前面論述的降維觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。受控對(duì)象的傳遞函數(shù)可以表達(dá)為如下形式：

工程實(shí)踐中，導(dǎo)前汽溫可以直接測(cè)量，因此只需設(shè)計(jì)惰性區(qū)的狀態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，得出其系數(shù)矩陣，結(jié)合1．1和1．2節(jié)的方法可以設(shè)計(jì)出帶狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)反饋汽溫控制系統(tǒng)。

2 TOP系統(tǒng)汽溫優(yōu)化組件的實(shí)施方法

現(xiàn)代控制理論是汽溫狀態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，基于上述原理，該組件實(shí)施時(shí)采用了常用的工程極點(diǎn)配置方法，包括基于二項(xiàng)式定理的設(shè)計(jì)方法和任意配置極點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法等，從而便于工程整定。

2.1 基于二項(xiàng)式定理的設(shè)計(jì)

仍然采用式（10）的受控對(duì)象模型，沿惰性區(qū)輸出到輸入的方向，依次選取各串聯(lián)的單階慣性環(huán)節(jié)出口溫度為系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)如圖1所示的狀態(tài)反饋控制。在圖1中，經(jīng)過比例控制后，可以得到：

圖1 汽溫對(duì)象狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)

根據(jù)二項(xiàng)式定理，取kc1=4β/kG，kc2=6β2/kG，kc3=4β3/kG，kc4=β4/（kGk2），則有如下式：

由式（12）可以看出，廣義對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)縮小到原來的1/（1+β）。

2.2 基于極點(diǎn)配置的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)某種優(yōu)化指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)需將極點(diǎn)配置在不同的位置，此時(shí)采用極點(diǎn)配置的設(shè)計(jì)方法。如果按照某種優(yōu)化性能指標(biāo)計(jì)算出的期望極點(diǎn)為{－α1，－α2，－α3，－α4}，則相應(yīng)的特征多項(xiàng)式為：

式（13）可變換為：

即可以根據(jù)某種性能指標(biāo)將廣義被控對(duì)象的極點(diǎn)配置到需要位置{－α1，－α2，－α3，－α4}。

2.3 觀測(cè)器增益系數(shù)的工程整定

狀態(tài)觀測(cè)器反饋系數(shù)的合理配置，會(huì)使觀測(cè)到的過熱汽溫狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)偏差較小，在穩(wěn)定工況下偏差最終衰減到零?？梢圆捎脴O點(diǎn)配置法計(jì)算狀態(tài)觀測(cè)增益。根據(jù)錯(cuò)開原則，觀測(cè)器特征值實(shí)部應(yīng)遠(yuǎn)大于控制系統(tǒng)的特征值，以保證觀測(cè)器的狀態(tài)重構(gòu)響應(yīng)快于整個(gè)控制系統(tǒng)響應(yīng)。因此，確定包含1對(duì)主導(dǎo)極點(diǎn)離虛軸越遠(yuǎn)，則重構(gòu)速度越快。但觀測(cè)器反應(yīng)太快，在汽溫過程輸出存在擾動(dòng)的情況下，會(huì)增大噪聲干擾的影響，故需要兼顧快速性和抗干擾性。

觀測(cè)器增益大，有利于加強(qiáng)對(duì)狀態(tài)觀測(cè)誤差的校正作用，加快誤差的衰減。但是，觀測(cè)器增益大于一定值后，調(diào)節(jié)過程特性對(duì)增益變得不敏感，此時(shí)觀測(cè)器模型進(jìn)入1個(gè)與控制對(duì)象基本等效的范圍，再增大觀測(cè)器增益無太多意義。

一般情況下，也可根據(jù)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，利用仿真試驗(yàn)的方法整定觀測(cè)器增益。

3 應(yīng)用效果

在AGC（自動(dòng)發(fā)電量控制）工況下，不投入TOP系統(tǒng)的汽溫優(yōu)化控制組件，機(jī)組在300～600 MW范圍內(nèi)運(yùn)行，機(jī)組汽溫控制品質(zhì)如圖2所示；投入TOP系統(tǒng)的汽溫優(yōu)化控制組件，機(jī)組在300～600 MW范圍內(nèi)運(yùn)行，機(jī)組汽溫控制品質(zhì)如圖3所示。上述4次試驗(yàn)的控制品質(zhì)對(duì)比如表3中所示。

表3 AGC工況下汽溫優(yōu)化控制組件對(duì)比試驗(yàn)控制品質(zhì)

圖2 未投入汽溫優(yōu)化組件時(shí)AGC工況下汽溫控制曲線

圖3 投入汽溫優(yōu)化組件時(shí)AGC工況下汽溫控制曲線

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：TOP系統(tǒng)汽溫優(yōu)化控制組件的應(yīng)用，大大提高了機(jī)組整體的汽溫控制水平。在負(fù)荷變動(dòng)過程中，汽溫變動(dòng)偏差從±10℃減小到了±3℃。AGC工況下，機(jī)組整體的汽溫控制水平也有了很大提高，平均主汽溫度從564℃提高到了570℃。

4 結(jié)語

TOP系統(tǒng)的汽溫優(yōu)化控制組件為提高機(jī)組的燃燒效率和節(jié)能水平，減少發(fā)電廠運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度，更好地保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行提供了良好的解決方案。組件設(shè)計(jì)的汽溫先進(jìn)控制算法與應(yīng)用系統(tǒng)，在保證機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，使機(jī)組在負(fù)荷變動(dòng)過程中主汽溫維持穩(wěn)定，并控制在較高的設(shè)定點(diǎn)上，有效提高了機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

[1]張長青，楊鋒，孟祖浩，等．鍋爐汽溫控制狀態(tài)反饋極點(diǎn)配置的兩種簡易設(shè)計(jì)方法[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（9）∶62－65．

[2]陳一秀，陳永紅．純滯后系統(tǒng)的狀態(tài)反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]．控制工程，2004，11（3）∶223－225．

[3]李泉．超（超超）臨界機(jī)組主汽溫控制系統(tǒng)控制傳遞策略研究與應(yīng)用[J]．華東電力，2010，38（7）∶28－32．

[4]陳小強(qiáng)，羅志浩，趙洪宇．兩類超超臨界1 000 MW直流鍋爐中間點(diǎn)溫度控制策略和效果分析[J]．華東電力，2009，37（8）∶1418－1421．

[5]李泉，朱北恒，孫耘，等．火電機(jī)組主汽溫控制優(yōu)化策略的研究[J]．浙江電力，2010，29（3）∶26－29．

[6]陳波，張永軍，羅志浩．超臨界機(jī)組汽溫控制中減溫水聯(lián)控方式的研究與實(shí)現(xiàn)[J]．電站系統(tǒng)工程，2010，26（4）∶54－56．

（本文編輯：陸瑩）

Development and Application of the Steam Temperature Optimization Module on Power Plant Thermal Optimized-control Platform

CHEN Bo，SUN Yun，LI Quan，ZHANG Yong-jun，DING Ning
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

At present，superheater steam temperature and reheater steam temperature control of large thermal generating units still adopts conventional cascade control system．In case the unit load changes，the steam temperature varies 8 to 10 centidegrees from the set value and there is frequent superheat．The design of steam temperature optimization module on the power plant thermal optimized-control platform employs modern control theory，and the system is described by its internal state to randomly configure poles of close-loop system，hence linear optimal adjuster is structured．Dynamic temperature characteristic restructuring technology is employed to make the control system more stable and robust，which solves the set value variation of steam temperature．

TOP；steam temperature optimization module；control；pole assignment；state restructuring

TK232∶TP273

：A

：1007－1881（2013）03－0050－04

2013-01-28

陳波（1980-），男，武漢人，碩士，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠熱工自動(dòng)化應(yīng)用和研究。