基于預(yù)測(cè)控制的超超臨界直流機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化方法研究

胡建根+尹峰+李泉+吳功興

摘 要 本文研究了超超臨界直流機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化方法，首先分析了其協(xié)同控制中存在的問題，然后提出了基于預(yù)測(cè)的協(xié)同控制系統(tǒng)優(yōu)化方法，從閉環(huán)控制的核心組件、特性參數(shù)以及運(yùn)行模式等方面運(yùn)用預(yù)測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，能夠使機(jī)組功率反應(yīng)速度進(jìn)一步提高，同時(shí)進(jìn)一步降低熱能動(dòng)力的損耗。

關(guān)鍵詞 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 優(yōu)化 預(yù)測(cè)控制 超超臨界直流機(jī)組

中圖分類號(hào)：TM621.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.03.014

Abstract This paper studies the ultra supercritical unit coordinated control system optimization method， firstly analyzes the existing problems in the cooperative control， and then puts forward the collaborative optimization method based on predictive control system， from the aspects of core components， the closed-loop control parameters and operation mode， etc. to optimize the use of prediction method， can make the power unit the reaction speed is further improved， and further reduce the thermal power loss.

Keywords coordinated control system； optimization； predictive control； supercritical DC unit

0 引言

電網(wǎng)與電廠作為電力傳輸?shù)闹饕髽I(yè)，其聯(lián)系非常緊密，一方面電網(wǎng)希望電廠能夠具有較快的功率響應(yīng)速度，同時(shí)其機(jī)組能進(jìn)行實(shí)施調(diào)整；另一方面對(duì)于電廠來說，其關(guān)心的是機(jī)組能否正常的工作，由于對(duì)頻率和峰值的調(diào)整會(huì)影響機(jī)組受力的變化，并由此產(chǎn)生熱力沖擊，使蒸汽閥被壓損的可能性增大，同時(shí)提高了電廠自身運(yùn)營(yíng)的成本?；诖耍碌臋C(jī)組生產(chǎn)過程控制技術(shù)的研究與開發(fā)迫在眉睫，通過這種技術(shù)，能使機(jī)組功率反應(yīng)速度進(jìn)一步提高，同時(shí)進(jìn)一步降低熱能動(dòng)力的損耗。[1]

為了滿足電力用戶的需求，電網(wǎng)和電廠的運(yùn)行模式都有適當(dāng)?shù)囊?。在德?guó)，DVG （Deutsche Verbund Gesellschaft）要求入網(wǎng)機(jī)組在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，能夠在30s內(nèi)增加機(jī)組出力的5%，其中的一半即機(jī)組出力的2.5%要在一次調(diào)頻動(dòng)作后的5s內(nèi)達(dá)到。[2]在國(guó)內(nèi)，以華東電網(wǎng)為例，華東電網(wǎng)出臺(tái)了“兩個(gè)細(xì)則”，對(duì)并網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻按照一次調(diào)頻功能、投運(yùn)時(shí)間、一次調(diào)頻性能等進(jìn)行考核。每次機(jī)組的調(diào)頻指標(biāo)按以下規(guī)律進(jìn)行，即月平均值應(yīng)不低于60%，而對(duì)于小于60%的機(jī)組則采用另外的考核方式，即電量考核形式；對(duì)機(jī)組AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）運(yùn)行則根據(jù)機(jī)組AGC平均調(diào)節(jié)速率、AGC調(diào)節(jié)精度進(jìn)行考核。以調(diào)節(jié)精度為例，如果日平均調(diào)節(jié)精度系數(shù)小于0.8，將進(jìn)行電量考核。這些要求對(duì)并網(wǎng)機(jī)組都有一定的難度。

1 機(jī)組控制存在的問題分析

（1）磨煤機(jī)磨出煤粉后進(jìn)入爐膛，鍋爐中的熱量釋放是經(jīng)常波動(dòng)的，即便制粉系統(tǒng)在手動(dòng)控制方式下。另外，煤粉的發(fā)熱量也是經(jīng)常變化的；

（2）制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性受制于眾多因素，包括煤粉的成分、細(xì)度、濕度和給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速等。

通常制粉系統(tǒng)的延遲時(shí)間在一分鐘到幾分鐘的范圍，上述兩個(gè)問題對(duì)于機(jī)組控制的困擾是顯而易見的，無法重現(xiàn)的制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和不精確的鍋爐燃燒控制。圖1展示了機(jī)組協(xié)調(diào)壓力控制的關(guān)鍵部分，被控系統(tǒng)是一個(gè)具有高階滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，只有通過控制器調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。這意味著在當(dāng)前模式下，控制器不能切換到手動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)橹髌麎毫赡懿▌?dòng)到最大或最小值，從而迫使控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鯄耗Ｊ?。如果受控系統(tǒng)的所有參數(shù)可以穩(wěn)定的獲得，控制器的設(shè)計(jì)就不會(huì)麻煩。問題在于重要的時(shí)間常數(shù)時(shí)常會(huì)變化，這些時(shí)間常數(shù)包括制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、鍋爐升壓或降壓的慣性參數(shù)。如果控制器的控制參數(shù)是常數(shù)，一旦主要參數(shù)發(fā)生變化，如制粉系統(tǒng)的慣性時(shí)間，將不可避免的引起系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。此外，受制于磨煤機(jī)的慢速響應(yīng)，一旦磨煤機(jī)輸出的煤粉量發(fā)生波動(dòng)，僅僅依靠調(diào)節(jié)器的輸出改變是無法來補(bǔ)償?shù)?。事?shí)上，如果調(diào)節(jié)器的輸出變化幅度加快，反而引起系統(tǒng)的波動(dòng)。簡(jiǎn)而言之，如果閉環(huán)控制的響應(yīng)比擾動(dòng)響應(yīng)慢很多，控制系統(tǒng)無法很好的克服擾動(dòng)，從而導(dǎo)致鍋爐燃燒持續(xù)的不穩(wěn)定。

圖1中反饋控制由3個(gè)控制環(huán)路組成，這幾個(gè)環(huán)路必須精確的匹配。汽輪機(jī)功率控制（包括汽機(jī)調(diào)閥位置控制）和凝結(jié)水節(jié)流控制（包括到除氧器和低加抽汽調(diào)閥的控制）倒還不是問題，因?yàn)檫@些控制迅速且模型參數(shù)都容易獲得?；谀Ｐ偷腻仩t主控才是最重要的，前饋控制的參數(shù)是鍋爐熱負(fù)荷設(shè)定值。

傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制最薄弱的環(huán)節(jié)在于，具有高階慣性的鍋爐燃燒系統(tǒng)，卻要控制主汽壓力。鍋爐熱負(fù)荷指令通過制粉系統(tǒng)（數(shù)分鐘的慣性時(shí)間）轉(zhuǎn)換為熱能，這中間要經(jīng)過受熱面換熱、工質(zhì)傳輸，最后鍋爐升壓。這是一個(gè)具有高階慣性的系統(tǒng)，開環(huán)控制會(huì)引起波動(dòng)，必須通過控制器的調(diào)節(jié)才能使系統(tǒng)穩(wěn)定。如果相關(guān)的所有參數(shù)是已知的，上述目標(biāo)不難實(shí)現(xiàn)。即一旦制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、鍋爐燃燒的動(dòng)態(tài)特性和鍋爐燃燒升壓時(shí)間是確定的，基于模型的控制器可以將主汽壓力控制在設(shè)定值。但如果一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（如制粉系統(tǒng)的延遲時(shí)間）發(fā)生變化，除非控制器重新整定，否則系統(tǒng)就很難穩(wěn)定?？梢娺@種類型的控制系統(tǒng)魯棒性不高。

此外一個(gè)問題在于鍋爐燃燒的波動(dòng)。鍋爐燃燒率在1-2分鐘內(nèi)波動(dòng)€？%，則慢速的制粉系統(tǒng)無法補(bǔ)償。反饋控制器調(diào)節(jié)器的輸出幅度越大，系統(tǒng)的紊亂就越厲害。即連續(xù)的小波動(dòng)被放大，增大了系統(tǒng)設(shè)備的磨損。制粉系統(tǒng)始終處在動(dòng)態(tài)，出口煤粉細(xì)度增大，飛灰含碳升高，鍋爐燃燒效率下降。一旦發(fā)生大的擾動(dòng)，將導(dǎo)致系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間不穩(wěn)定、主汽壓力和汽溫偏差增大，增大機(jī)組跳機(jī)的危險(xiǎn)。

2 基于預(yù)測(cè)的新型協(xié)調(diào)控制方法

為了解決以上問題，本文所采取的技術(shù)如下：將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測(cè)控制技術(shù)綜合應(yīng)用到火電機(jī)組中來。目前AGC實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)集成了多種國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的系統(tǒng)控制方法，是針對(duì)以上機(jī)組控制中存在的問題與難點(diǎn)設(shè)計(jì)研發(fā)的高級(jí)控制系統(tǒng)。該先進(jìn)控制系統(tǒng)具有的主要特點(diǎn)如下：

2.1 機(jī)組閉環(huán)控制的核心技術(shù)使用預(yù)測(cè)的方法處理

該系統(tǒng)從全局上看，采用目前比較流行的綜合前饋與反饋的控制形式，然而與一般控制系統(tǒng)相比，其主要區(qū)別是預(yù)測(cè)控制技術(shù)的應(yīng)用，能夠解決一般DCS反饋控制系統(tǒng)滯后性的問題，替換了原來常規(guī)的PID控制系統(tǒng)。該技術(shù)的應(yīng)用，主要技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)如下：對(duì)于主汽壓力、汽溫等參數(shù)隨時(shí)間的變化情況能進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，再根據(jù)相關(guān)參數(shù)的變化情況進(jìn)行調(diào)整與監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提升機(jī)組AGC控制系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性和抗擾動(dòng)能力。

2.2 重要運(yùn)行參數(shù)的全天候自適應(yīng)修正

常規(guī)DCS的控制回路，當(dāng)其控制參數(shù)確定后，隨著時(shí)間變化不會(huì)再改變，因此若今后機(jī)組運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化則影響巨大；而AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種具有競(jìng)爭(zhēng)性網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，能夠在訓(xùn)練中不斷學(xué)習(xí)并自適應(yīng)調(diào)整機(jī)組中與控制相關(guān)的參數(shù)變化，燃料熱值、汽耗率、機(jī)組滑壓曲線、中間點(diǎn)溫度設(shè)定曲線、制粉系統(tǒng)慣性時(shí)間等重要控制參數(shù)均可通過該算法自動(dòng)校正，其后根據(jù)以上參數(shù)的變換情況，計(jì)算AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)中與之相關(guān)的閉環(huán)回路控制參數(shù)，保證系統(tǒng)不斷進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，使其與控制相關(guān)的性能逐漸逼近最優(yōu)值。

2.3 進(jìn)一步優(yōu)化了AGC運(yùn)行方式

常規(guī)DCS控制方案不區(qū)分機(jī)組運(yùn)行CCS方式和AGC方式，由于AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)中包含了特別優(yōu)化模塊，其作用如下：嵌入了智能預(yù)測(cè)方法，一方面通過分析比較機(jī)組當(dāng)前的AGC指令、實(shí)發(fā)功率、電網(wǎng)頻率等參數(shù)，對(duì)“調(diào)度EMS系統(tǒng)AGC指令”未來的變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)；另一方面記錄機(jī)組的燃料量、風(fēng)量、給水流量等參數(shù)并進(jìn)行測(cè)試與挖掘，對(duì)表征鍋爐做功能力的“鍋爐熱功率信號(hào)”未來的變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過以上兩者的關(guān)聯(lián)匹配程度來調(diào)整鍋爐指令的變化量。相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明：增加AGC模式特別優(yōu)化模塊后，在不影響AGC負(fù)荷響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上能明顯減小機(jī)組燃料量、風(fēng)量、給水流量、減溫水流量的波動(dòng)幅度，且能有效延長(zhǎng)鍋爐管材壽命，減少爆管情況發(fā)生。

2.4 獨(dú)立硬件平臺(tái)的建立，安全性和兼容性顯著提升

AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)主要建立了獨(dú)立的硬件平臺(tái)，采用了modbus通訊方式，將其作為一個(gè)擴(kuò)展的DPU融入到DCS系統(tǒng)中。此外，DCS原有的控制邏輯單元不發(fā)生變化，只是增加少量切換邏輯，工作人員可以便利地在DCS系統(tǒng)和AGC優(yōu)化控制系統(tǒng)間進(jìn)行無干擾的切換。同時(shí)，對(duì)該擴(kuò)展部分控制邏輯的測(cè)試、修改對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行不產(chǎn)生影響，因此能極大地提高優(yōu)化控制系統(tǒng)的調(diào)試效率和機(jī)組運(yùn)行的安全性，也為今后新技術(shù)的應(yīng)用升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)超超臨界直流機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先分析了其協(xié)同控制中存在的問題，然后提出了基于預(yù)測(cè)的協(xié)同控制系統(tǒng)優(yōu)化方法，從閉環(huán)控制的核心組件、特性參數(shù)以及運(yùn)行模式等方面運(yùn)用預(yù)測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，能夠使機(jī)組功率反應(yīng)速度進(jìn)一步提高，同時(shí)進(jìn)一步降低熱能動(dòng)力的損耗，具有極大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李建，戴錫輝.600MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化.華電技術(shù)，2013.35（6）：25-36.

[2] 吳桐國(guó)，王友權(quán).協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在伊敏發(fā)電廠中的應(yīng)用.電力技術(shù)，2010.19（19）：86-90.