超臨界機(jī)組的多變量模型預(yù)測控制

管彥詔，李金旭（山東大學(xué)，250000）

超臨界機(jī)組的多變量模型預(yù)測控制

管彥詔，李金旭
（山東大學(xué)，250000）

本文從工程應(yīng)用角度總結(jié)和分析了超超臨界機(jī)組控制發(fā)展現(xiàn)狀和控制難點(diǎn)，在分析了超超臨界機(jī)組輸入-輸出關(guān)系基礎(chǔ)上，提出了一種以輸入為燃料量、汽輪機(jī)調(diào)門開度和給水流量以及輸出為機(jī)前壓力、機(jī)組負(fù)荷和分離器出口蒸汽溫度的火電機(jī)組多模型預(yù)測控制方案，并給出了具體實(shí)施方案與步驟，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明所提出的方法控制效果良好，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

超超臨界；火電機(jī)組；多變量；多模型；模型預(yù)測

0　引言

我國的能源結(jié)構(gòu)決定了我國電力是以燃煤發(fā)電為主。按照國家制訂的2020年電力發(fā)展規(guī)劃，我國發(fā)電裝機(jī)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(jī)組比例約占總裝機(jī)容量的75%左右，而超超臨界機(jī)組具有繼承性好，容易實(shí)現(xiàn)大型化的特點(diǎn)，因此在火電機(jī)組中比重不斷加大。超超臨界機(jī)組鍋爐傳統(tǒng)控制多采用常規(guī)PID加前饋控制，其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡單并具有一定的魯棒性 ，但實(shí)際應(yīng)用控制效果并不理想 ，不能適應(yīng)負(fù)荷的大幅變化，常出現(xiàn)負(fù)荷和壓力偏差較大的情況。而預(yù)測控制（Model predictive control，MPC）技術(shù)可以較好地解決時(shí)滯和多變量控制中存在的問題，并且已在在許多領(lǐng)域成功應(yīng)用。近年來，預(yù)測控制技術(shù)也被推廣至火電機(jī)組控制領(lǐng)域，

本文針對(duì)超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制的特點(diǎn)，提出了一種以輸入為燃料量、汽輪機(jī)調(diào)門開度和給水流量以及輸出為機(jī)前壓力、機(jī)組負(fù)荷和分離器出口蒸汽溫度的火電機(jī)組多模型預(yù)測控制方法，并給出了具體的方案與詳細(xì)實(shí)施步驟，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明所提出的方法控制效果良好，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1　超超臨界機(jī)組多模型預(yù)測控制

在一定的工況段范圍內(nèi)，機(jī)組的模型可以近似為線性模型，通過施加階躍擾動(dòng)可以建立起輸入輸出的階躍響應(yīng)矩陣關(guān)系。

其中，

預(yù)測控制完成帶有約束的滾動(dòng)優(yōu)化過程：

對(duì)優(yōu)化指標(biāo)J求極值得到當(dāng)前k時(shí)刻的控制變量為：

A為機(jī)組預(yù)測模型的的動(dòng)態(tài)矩陣，W為設(shè)定值向量，Q為誤差權(quán)矩陣，R為控制權(quán)矩陣。誤差權(quán)矩陣Q表征了在未來P個(gè)時(shí)域內(nèi)對(duì)誤差控制程度，而控制權(quán)矩陣R則表征了對(duì)控制增量的約束程度。實(shí)際的控制工程往往從系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（綜合考慮產(chǎn)出和控制能量、生產(chǎn)物料的節(jié)約）的角度去制定控制策略。實(shí)際中，多變約束控制將預(yù)測控制的滾動(dòng)優(yōu)化與整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)線性優(yōu)化相結(jié)合，將全局線性規(guī)劃與滾動(dòng)優(yōu)化相結(jié)合的策略，由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)化的結(jié)合。

火電機(jī)組在負(fù)荷變化過程中要將系統(tǒng)由一個(gè)穩(wěn)態(tài)控制過渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)?，F(xiàn)有成熟的MPC技術(shù)多采用線性模型，非線性過程建模與控制在實(shí)際過程中應(yīng)用非常困難，因此采用多個(gè)線性模型來解決過程的非線性是一種切實(shí)可行的方法。在建立好局部的動(dòng)態(tài)模型后，設(shè)計(jì)適用于負(fù)荷變化的多模型預(yù)測控制策略也非常重要，因?yàn)槟Ｐ褪蔷植康模^程動(dòng)態(tài)特性卻是全局的，當(dāng)使用模型進(jìn)行大范圍預(yù)測時(shí)，將出現(xiàn)較大程度失真。多模型預(yù)測控制（MMPC）是非線性預(yù)測控制的一種基本形式 ，是采用多個(gè)線性化的局部模型來描述同一個(gè)非線性對(duì)象，MMPC控制針對(duì)局部模型設(shè)計(jì)控制器，以切換或加權(quán)形式獲得全局輸出。多模型預(yù)測控制針對(duì)多個(gè)局部模型分別設(shè)計(jì)預(yù)測控制器，每個(gè)控制周期中得到多組控制輸出增量通過加權(quán)形式獲得實(shí)際控制輸出增量，這樣能夠平滑過渡不同時(shí)期的控制輸出，有效提高機(jī)組的負(fù)荷和壓力響應(yīng)特性，從而適應(yīng)大范圍的工況變化，模型切換采用插值的方式進(jìn)行加權(quán)。以負(fù)荷L（k）為調(diào)度變量的話，插值規(guī)則可以定義為：

采用模型預(yù)測技術(shù)，可以有效克服控制對(duì)象的大遲延、大滯后特性。通過多變量模型預(yù)測控制技術(shù)以及智能邏輯進(jìn)行狀態(tài)判斷，從而實(shí)現(xiàn)混合模型的無擾切換。在一定的工況段范圍內(nèi)，機(jī)組的模型可以近似為線性模型，通過施加階躍擾動(dòng)可以建立起相應(yīng)的輸入輸出階躍響應(yīng)矩陣關(guān)系。

建立機(jī)組25%，50%，75%及100%MCR四個(gè)負(fù)荷段的模型，模型之間的切換采用插值方式進(jìn)行，確保MPC控制的準(zhǔn)確性。

對(duì)于多模型預(yù)測控制用于協(xié)調(diào)控制的基本實(shí)施思路如圖1所示：

超超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可簡化為一個(gè)三輸入三輸出系統(tǒng)，輸入為燃料量M （%），汽輪機(jī)調(diào)門開度μT（ %）和給水流量W（%）；輸出為機(jī)前壓力 P?T（MPa），機(jī)組負(fù)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(guān)系如圖4 所示。燃料量增大，負(fù)荷、壓力、溫度均增大；調(diào)門開度增大，負(fù)荷增大，壓力、溫度降低；給水流量增大，負(fù)荷、壓力增大，溫度降低。圖中實(shí)線為強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，虛線為弱相關(guān)關(guān)系，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)建與參數(shù)配置時(shí)，弱相關(guān)關(guān)系將予以忽略，而通過對(duì)各強(qiáng)相關(guān)分量的不同系數(shù)配比.

首先通過模型辨識(shí)方法建立機(jī)組25%，50%，75%及100%BMCR負(fù)荷段3*3傳遞函數(shù)模型矩陣。其中預(yù)測控制的過程變量（CV）選取為機(jī)前壓力、機(jī)組負(fù)荷和中間點(diǎn)溫度，控制變量（MV）選取為調(diào)門開度、鍋爐給煤量和給水量，擾動(dòng)變量選取為煤質(zhì)波動(dòng)量和負(fù)荷波動(dòng)量。若主汽壓力或負(fù)荷偏離設(shè)定值，則通過預(yù)測控制算法運(yùn)算得到煤量、給水流量和調(diào)門開度偏置值疊加到協(xié)調(diào)控制回路的煤主控，給水主控和汽機(jī)主控的動(dòng)態(tài)前饋回路上進(jìn)行校正，從而達(dá)到理想的控制效果。

2　模型預(yù)測預(yù)測控制實(shí)施步驟

控制方案的投運(yùn)分為仿真階段和現(xiàn)場實(shí)施兩個(gè)階段，具體實(shí)施步驟如下：

（1）步驟1：控制器前期設(shè)計(jì)

在應(yīng)用預(yù)測控制器時(shí)，需要對(duì)過程對(duì)象非常熟悉。所以，在這個(gè)步驟中需要熟悉過程對(duì)象的相關(guān)知識(shí)并與操作人員進(jìn)行交流，以完成控制器的前期設(shè)計(jì)和預(yù)測控制器的控制變量。

（2）步驟2：過程對(duì)象數(shù)據(jù)測試

在對(duì)象的初步測試中，需要一定時(shí)間確認(rèn)預(yù)測控制器所涉及變量的信號(hào)是否正常，變量所涉及的變送器或者閥門如果出現(xiàn)故障都要修復(fù)，以確保預(yù)測控制器的順利投入。如果確認(rèn)預(yù)測控制器投入所涉及的變量均正常，進(jìn)行過程對(duì)象的測試。測試通過對(duì)每一個(gè)輸入變量進(jìn)行擾動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)記錄、采集過程的數(shù)據(jù)。

圖1　MPC先進(jìn)控制系統(tǒng)的整體示意圖

（3）步驟3：過程模型辨識(shí)

數(shù)據(jù)測試完成后，通過利用對(duì)象測試得到的數(shù)據(jù)來進(jìn)行對(duì)象模型辨識(shí)，將對(duì)象測試時(shí)所得到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)辨識(shí)得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣或者階躍響應(yīng)模型，進(jìn)而建立對(duì)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(shí)的對(duì)象模型，利用機(jī)組的仿真模型進(jìn)行仿真和參數(shù)調(diào)整，從而確定被控變量設(shè)定值、控制變量和被控變量的上下限等，評(píng)估控制器的性能后可以進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)來得到期望的性能。

（5）步驟5：控制器在線試運(yùn)行

預(yù)測控制器在線控制程序需要以試運(yùn)行模式運(yùn)行一段時(shí)間，來檢驗(yàn)程序是否正常運(yùn)行，同時(shí)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，開始控制器的輸出不加到被控對(duì)象上，所有的控制變量上下限將被固定在與當(dāng)前設(shè)定值非常接近的范圍內(nèi)，同時(shí)控制器將只能有很小的動(dòng)作，跟蹤和觀察預(yù)測控制器運(yùn)行的平穩(wěn)性。如果預(yù)測控制器運(yùn)行正常，則可以將控制變量施加到對(duì)象上，評(píng)測控制器的實(shí)際控制性能，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

（6）步驟6：預(yù)測控制器維護(hù)

對(duì)于預(yù)測控制器，根據(jù)控制對(duì)象的運(yùn)行狀況，需要進(jìn)行控制性能的評(píng)估，通過維護(hù)和參數(shù)調(diào)整來確保性能最優(yōu)。對(duì)火電機(jī)組來說，每次大修后建議進(jìn)行一次預(yù)測控制器的維護(hù)。

3　超超臨界機(jī)組多模型預(yù)測控制應(yīng)用

針對(duì)某1000MW機(jī)組超超臨界機(jī)組全激勵(lì)仿真系統(tǒng)，其鍋爐和汽輪機(jī)均為上海電氣產(chǎn)品，鍋爐采用ASTOM技術(shù)，汽輪機(jī)采用SIEMENS技術(shù)。MPC控制器的參數(shù)設(shè)置為預(yù)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(shè)為定值控制，θ設(shè)為區(qū)間控制。操作變量和被控變量的權(quán)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(jī)組變負(fù)荷時(shí)不同方法的控制效果。在變負(fù)荷過程中，PID控制和MPC控制的輸出功率均很好地跟蹤了負(fù)荷指令，MPC控制效果優(yōu)于PID。MPC控制的主蒸汽壓力下降較平滑，穩(wěn)態(tài)工況時(shí)壓力均能夠跟蹤準(zhǔn)確，具有較好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能；PID控制的主蒸汽壓力下降滯后較嚴(yán)重，在穩(wěn)態(tài)工況時(shí)壓力有偏差，MPC控制效果明顯好于PID控制效果。全激勵(lì)仿真系統(tǒng)的控制結(jié)果顯示出MPC在多變量控制中的優(yōu)勢。

4　結(jié)語

本文詳細(xì)分析了超超臨界火電機(jī)組控制發(fā)展現(xiàn)狀和控制難點(diǎn)。針對(duì)超超火電機(jī)組臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制的輸入-輸出關(guān)系，提出了以輸入為燃料量、汽輪機(jī)調(diào)門開度和給水流量以及輸出為機(jī)前壓力、機(jī)組負(fù)荷和分離器出口蒸汽溫度的多模型預(yù)測控制方案，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明所提出的方法控制效果良好，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)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