直接能量平衡(DEB)協(xié)調控制系統(tǒng)參數(shù)整定

張瑞亞， 田 亮

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

直接能量平衡(DEB)協(xié)調控制系統(tǒng)參數(shù)整定

張瑞亞， 田 亮

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

為提高可再生能源消納能力，電網(wǎng)要求火電機組優(yōu)化協(xié)調控制系統(tǒng)提高發(fā)電負荷響應能力，而鍋爐側控制器參數(shù)整定是協(xié)調控制系統(tǒng)調試的重點和難點。利用亞臨界機組簡化非線性動態(tài)模型，針對DEB控制方案，推導出機側閉環(huán)爐側開環(huán)狀態(tài)下燃料量對DEB熱量信號的傳遞函數(shù)，并提出依據(jù)此傳遞函數(shù)直接計算鍋爐側PID控制器參數(shù)的方法。仿真實驗證明，應用該方法進行參數(shù)整定的DEB控制系統(tǒng)，抗AGC指令擾動、燃料量擾動能力及魯棒性明顯優(yōu)于典型爐跟機協(xié)調控制系統(tǒng)。

火電機組； DEB協(xié)調控制系統(tǒng)； PID參數(shù)； 仿真

0 引 言

可再生能源和清潔能源發(fā)電的并網(wǎng)以及用電側負荷的復雜多變，對電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性具有極大的負面影響?？赏ㄟ^對調度調節(jié)能力較好的火電機組的爐側協(xié)調控制系統(tǒng)的優(yōu)化來進一步實現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)的目的。協(xié)調控制系統(tǒng)的發(fā)展由最初按傳統(tǒng)方式劃分的機跟爐和爐跟機、DEB和IEB，歷經(jīng)現(xiàn)代控制理論和最優(yōu)控制在控制理論方面的突破、解耦理論在控制系統(tǒng)分析與設計上的應用，以及目前在解決非線性、不確定性的復雜系統(tǒng)問題時，具有很大優(yōu)勢的智能控制理論。但是目前常用的機爐協(xié)調控制系統(tǒng)仍以機跟爐或爐跟機控制方式為基礎，再輔以前饋、濾波或補償環(huán)節(jié)[1-3]。工程實際中為滿足電網(wǎng)對負荷響應的要求，常采用典型爐跟機控制[4-6]和直接能量平衡(DEB)協(xié)調控制[7]系統(tǒng)，兩種控制系統(tǒng)相同之處是均具有爐跟機的特點，不同之處為代表機爐之間能量平衡的標志，前者的標志為機前壓力pt；而后者則以熱量信號p1+dpd/dt為機爐間的協(xié)調信號，可更快、更穩(wěn)、更好的實現(xiàn)控制要求。

對于典型爐跟機控制和DEB協(xié)調控制系統(tǒng)，不同的工況下其控制效果也不同。有學者針對這兩種控制系統(tǒng)在實際工程基礎上進行了部分比較研究。文獻[8]中提出了在不完全依賴解耦的多變量系統(tǒng)中，爐跟機控制在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的同時還具有一定魯棒性；而DEB協(xié)調控制系統(tǒng)在解決機組負荷-壓力對象的非線性問題上，只克服了不同工作點下增益變化的影響，并未根本解決該問題。文獻[9]中指出爐跟機控制系統(tǒng)通過利用控制器的輸出信號對鍋爐需求信號的修正以維持機前壓力pt平衡(即機爐平衡)，但其無法克服由煤質變化帶來的擾動以及無法消除因被控過程的遲滯導致始終存在的壓力偏差，同時無法保證在較好的負荷適應性下主蒸汽壓力的穩(wěn)定性；而DEB協(xié)調控制系統(tǒng)則采用汽包壓力的變化率調整燃料輸入量來消除煤質變化的擾動，同時利用熱量信號消除壓力偏差，DEB協(xié)調控制相對于爐跟機控制更能改善系統(tǒng)的響應以及使系統(tǒng)快速進入穩(wěn)態(tài)。

目前的研究、文獻中都只是基于某一具體問題或系統(tǒng)結構上對典型爐跟機控制和DEB協(xié)調控制系統(tǒng)進行比較分析[10-15]。因此，本文通過對機側閉環(huán)爐側開環(huán)狀態(tài)下燃料量對DEB熱量信號的傳遞函數(shù)的推導，及以此傳遞函數(shù)為基礎對DEB協(xié)調控制系統(tǒng)爐側參數(shù)的整定，以確保整定結果的可靠性、確切性。同時在不加前饋作用的情形下，建立分別利用典型爐跟機控制和DEB協(xié)調控制系統(tǒng)的標準系統(tǒng)模型，在AGC指令擾動、燃料量擾動及魯棒性分析等三個方面對這兩個系統(tǒng)的控制效果進行具體的比較分析，從而得到系統(tǒng)、規(guī)范、全面的分析結果。

1 對象模型

1.1 對象模型結構及實例

300 MW-600 MW的亞臨界汽包爐通用的簡化非線性負荷-壓力動態(tài)模型[8]可表示為

(1)

(2)

Cbdpd/dt=-K3ptuT+K1rB

(3)

KtdNE/dt=-NE+K3ptuT

(4)

pt=pd-K2(K1rB)1.5

(5)

p1=0.01ptuT

(6)

式中：燃料量uB(kg/s)與汽輪機高調門開度uT(%)為模型輸入變量；機前壓力pt(MPa)與機組功率NE(MW)為模型輸出變量，p1(MPa)為汽輪機一級壓力。模型中共包含3個靜態(tài)參數(shù)和4個動態(tài)參數(shù)，分別為：燃料指令增益K1，MW/%；過熱器阻力系數(shù)K2，無量綱；汽輪機增益K3，MW/MPa%；制粉過程遲延時間τ，s；制粉動態(tài)時間Kf，s；鍋爐蓄熱系數(shù)Cb，MJ/MPa；汽輪機動態(tài)時間Kt，s。

以某電廠的600 MW火電機組為例進行仿真實驗，100%負荷下對象模型(1)～(6)中的系數(shù)值可取[8]：

τ=20(s)；Kf=100(s)；Kt=16(s)；Cb=6000(MJ/MPa)；K1=2(MW/%)；K2=0.000 1225；K3=0.044 91(MW/MPa%)。

1.2 對象模型線性化

機組負荷-壓力對象經(jīng)線性化處理后的傳遞函數(shù)：

(7)

式中：

(8)

(9)

(11)

機主控的被控對象慣性、遲延特性??；機側控制器參數(shù)整定較為簡單；機組負荷可及時跟隨外界負荷變化；機主控具有很好的魯棒性，因此我們主要討論較難控制的爐主控。

2 等效被控對象

2.1 爐跟機等效被控對象

典型爐跟機控制系統(tǒng)建立在爐跟機控制方式的基礎之上，被控變量為機組功率NE和機前壓力pt，控制輸入為汽輪機調汽門開度uT和燃料量uB。實發(fā)功率作為機主控的的反饋信號，與功率設定值比較之后經(jīng)功率調節(jié)器調節(jié)調汽門動作，從而實現(xiàn)機組實發(fā)功率快速跟蹤外界負荷的需求；機前壓力作為爐主控的反饋信號，與機前壓力設定值比較之后經(jīng)壓力調節(jié)器調節(jié)燃料量的輸入，通過改變燃料量來調節(jié)因調汽門開度變化引起的機前壓力的變化。

典型爐跟機控制通過對鍋爐蓄熱的充分利用，使得機組對外界負荷響應速度快，但機前壓力波動稍大。經(jīng)過對PID控制器參數(shù)整定后，實現(xiàn)機組輸出功率及時跟蹤外界負荷變化與機組穩(wěn)定運行以滿足電網(wǎng)負荷的要求。

當機側閉環(huán)，爐側開環(huán)時，原雙入雙出對象可簡化成輸入為燃料量、擾動為負荷指令，輸出為機前壓力的雙重對象，如圖1所示。

圖1 機側閉環(huán)爐側開環(huán)下機前壓力對燃料量的控制系統(tǒng)方框圖Fig.1 Control system block diagram of the front pressure to the fuel quantity at the open-loop state of furnace at the same time closed-loop state of machine

由梅森增益公式對上圖中機前壓力對燃料量的傳遞函數(shù)進行推導得

(12)

式中：GT(s)為汽輪機側控制器傳遞函數(shù)，工程中采用PI控制。

因機主控保證機組快速跟蹤發(fā)電負荷指令變化，故設：

(13)

將式(13)代入式(12)，可得

(14)

(15)

2.2 DEB等效被控對象

DEB協(xié)調控制系統(tǒng)直接控制輸入爐膛的能量，令其匹配于能量需求信號，從而實現(xiàn)能量平衡。它的燃料調節(jié)器具備保持機前壓力pt為給定值ptsp的能力。

DEB協(xié)調控制的能量平衡信號為(p1/pt)×ptsp，其中p1為汽機一級壓力，pt為機前壓力，ptsp為機前壓力定值[2]：

(1)壓力比p1/pt線性代表了汽機的有效閥位，能靈敏反應閥位的變化，提供了實際調門開度的精確測量。

(2)(p1/pt)×ptsp能正確反映汽機對鍋爐的能量需求，且只受外擾(汽機調門開度變化)影響，而不受鍋爐側內擾(燃料變化)的影響。

(3)用(p1/pt)×ptsp代表汽機對鍋爐的能量需求，這一信號建立了汽輪機負荷和鍋爐調門之間正確的比例關系，不受爐側擾動影響，用于協(xié)調機爐間的能量平衡，能適用于所有的運行工況。

p1+dpd/dt表示熱量信號，p1代表汽機中進入的能量(鍋爐能量的輸出)，汽包壓力pd的微分反映了鍋爐蓄能的變化。該信號兼顧了鍋爐能量的輸出與鍋爐蓄能的變化，提供了一種較為準確的且在穩(wěn)態(tài)、動態(tài)均適用的燃料量測量方法。

該系統(tǒng)直接采用(p1/pt)×ptsp作為鍋爐指令、熱量信號p1+dpd/dt作為爐主控的反饋信號，兩者經(jīng)過比較之后經(jīng)燃料調器調節(jié)鍋爐燃料量的輸入，從而實現(xiàn)機爐間的能量平衡；實發(fā)功率作為機主控的的反饋信號，與功率設定值比較之后經(jīng)功率調節(jié)器調節(jié)調汽門動作，從而實現(xiàn)機組快速跟蹤外界負荷的目的。

直接能量平衡即滿足(p1/pt)×ptsp=p1+dpd/dt。燃料控制器的入口偏差為

(16)

由此可知燃料控制信號由鍋爐負荷指令(p1/pt)×ptsp與作為反饋的熱量信號p1+dpd/dt共同構成，從而更直接、快速實現(xiàn)機爐間的平衡。

圖2 DEB協(xié)調控制機側閉環(huán)的非線性方框圖Fig.2 Nonlinear block diagram of machine side closed loop of DEB coordinated control

DEB協(xié)調控制系統(tǒng)中，能量輸出為熱量信號p1+dpd/dt，輸入為燃料量uB，因此，設熱量信號為Hp，pd=pt，則由式(3)、(6)可得

(17)

將式(6)代入到式(17)中，可得

(18)

將pd=pt代入式(18)中，可得

(19)

當機側閉環(huán)，爐側開環(huán)時，控制系統(tǒng)的輸出功率是受控的，即NE=NESP，由式(4)及圖2可知，此時pt與uT的乘積為一常數(shù)，因此對式(19)兩邊求導且拉式變換后可得

(20)

故由式(20)、(15)可知

(21)

式中：GT(s)為汽輪機側控制器傳遞函數(shù)，工程中采用PI控制。

2.3 參數(shù)整定

針對大慣性對象，工程上常用的參數(shù)整定方法為：

設慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為

(22)

經(jīng)典型PID控制器傳遞函數(shù)為

(23)

將其折算為分離型PID控制器參數(shù)，其中：Kp=1/Ks；Ti=KsTs；Kd=Ts/(3Ks)。

對象包含非最小相位環(huán)節(jié)和純遲延環(huán)節(jié)，工程上常將非最小相位的負超前時間和純遲延時間按2倍值折算為對象慣性時間。對于本例，燃料量對熱量信號的傳遞函數(shù)為

(24)

由此計算得到控制器PID參數(shù)為：Kp=22.5；Ti=7.565；Kd=1273。

3 仿真分析

3.1 AGC指令單向變化擾動

定壓運行、穩(wěn)態(tài)工況下，在200 s時對模型加入AGC階躍擾動，并令AGC階躍擾動幅度均為100MW，此時Matlab仿真模型在50%、75%、100%三種負荷情況下進行仿真實驗，仿真結果如圖3所示。50%、75%、100%三種負荷下，DEB 協(xié)調控制系統(tǒng)的機前壓力pt的超調量分別為-3.63%、3.96%、4.19%，爐跟機控制系統(tǒng)中相應的超調量為-8.46%、9.86%、11.21%。由此可知，相同的階躍擾動幅度、不同負荷下，DEB協(xié)調控制系統(tǒng)相比典型爐跟機控制系統(tǒng)來說，機前壓力pt波動幅度較小，響應快；燃料量變化快；閥門開度變化較為平穩(wěn)；系統(tǒng)的調節(jié)時間短；故DEB協(xié)調控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

圖3 不同負荷下兩種控制系統(tǒng)的對比分析Fig.3 Comparative analysis of two control systems under different loads

3.2 正反向AGC指令擾動

定壓運行、75%負荷、穩(wěn)定工況下，在200 s時對Matlab仿真模型分別加入幅值為10 MW、50 MW的AGC三角波擾動，并進行仿真實驗，仿真結果如圖4所示。幅值為10 MW的AGC三角波擾動下，DEB協(xié)調控制系統(tǒng)機前壓力pt的兩個偏差為-0.09 MPa、0.06 MPa，燃料量uB的最大變化量為11 kg/s，爐跟機控制系統(tǒng)機前壓力pt的兩個偏差為-0.09 MPa、0.06 MPa，燃料量uB的最大變化量為2.65 kg/s；而幅值為50 MW的AGC三角波擾動下，DEB協(xié)調控制系統(tǒng)機前壓力pt的兩個偏差為-0.61 MPa、0.71 MPa，燃料量uB的最大變化量為26.86 kg/s，爐跟機控制系統(tǒng)機前壓力pt的兩個偏差為-1.08 MPa、1.1 MPa，燃料量uB的最大變化量為22.14 kg/s。由此可知，不同的擾動幅度、相同的AGC擾動類型下，DEB協(xié)調控制系統(tǒng)相比典型爐跟機控制系統(tǒng)來說，機前壓力pt波動幅度較小，響應快；閥門開度響應較快；系統(tǒng)的調節(jié)時間短。

3.3 燃料量擾動

定壓運行、75%負荷、穩(wěn)定工況下，在200 s時輸入一個幅值為30 t/h的燃料量階躍擾動信號，仿真結果如圖5所示。擾動幅值為30 t/h時，DEB 協(xié)調控制系統(tǒng)的機前壓力pt的超調量為2.68%，其負荷波動相應的最大幅值為0.2 MW，爐跟機控制系統(tǒng)中機前壓力pt的超調量為7.09%，其負荷波動相應的最大幅值為0.3 MW。由此可知，相同幅度的燃料量擾動下，DEB協(xié)調控制系統(tǒng)相比典型爐跟機控制系統(tǒng)來說，機前壓力pt均波動較小且響應速度快；燃料量變化快；負荷變化波動小、響應快；系統(tǒng)的調節(jié)時間短，故DEB協(xié)調控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

圖5 幅值為30 t/h的燃料量擾動下兩種控制系統(tǒng)的對比分析Fig.5 Comparative analysis of two control systems under a magnitude of 30 t/h of fuel disturbance

3.4 魯棒性

定壓運行、100%負荷、穩(wěn)定工況下，在200 s時對Matlab仿真模型均加入幅值為100 MW的AGC階躍擾動，當燃煤發(fā)熱量發(fā)生變化時，比較兩系統(tǒng)魯棒性，仿真結果(DEB1(燃煤發(fā)熱量未改變)、DEB2、設定值1表示的是DEB協(xié)調控制在擾動下的仿真結果；爐跟機1(燃煤發(fā)熱量未改變)、爐跟機2、設定值2表示的是爐跟機控制在擾動下的仿真結果)如圖6所示。AGC指令階躍擾動下，當燃煤發(fā)熱量變化幅值相同時，DEB協(xié)調控制系統(tǒng)的機前壓力pt最大波動幅值增加了0.21 MPa，燃料量uB最大波動幅值改變量為5.03 kg/s；爐跟機控制系統(tǒng)的機前壓力pt最大波動幅值則增加了0.45 MPa，燃料量uB最大波動幅值改變量為5.87 kg/s。由此可知，DEB協(xié)調控制系統(tǒng)相比典型爐跟機控制系統(tǒng)來說，機前壓力pt、燃料量uB變化幅度小，故DEB協(xié)調控制系統(tǒng)魯棒性較好。

圖6 AGC階躍擾動下兩種控制系統(tǒng)的魯棒性對比分析Fig.6 Comparative analysis of robustness of two control systems under AGC step disturbance

4 結 論

通過機理分析及仿真實驗，可得：

(1)依據(jù)亞臨界機組簡化非線性負荷-壓力動態(tài)模型推導出機側閉環(huán)爐側開環(huán)狀態(tài)下燃料量對DEB熱量信號的傳遞函數(shù)。其增益為K1/(100K3)，慣性環(huán)節(jié)為1/(1+KfS)，具有自平衡能力。

(2)將工程中常用的整定大慣性對象的PID控制器參數(shù)的方法應用于DEB協(xié)調控制系統(tǒng)爐側參數(shù)整定中。仿真實驗證明，經(jīng)該方法整定PID控制器參數(shù)的DEB協(xié)調控制系統(tǒng)抗AGC指令擾動、燃料量擾動能力及燃煤發(fā)熱量擾動明顯優(yōu)于典型爐跟機協(xié)調控制系統(tǒng)。

[1] 張銳鋒，李小軍，潘華，等．兩種亞臨界機組負荷—壓力簡化模型對比及實驗分析[J]．中國電力，2015，48(10)：23-27．

[2] 王東風，韓璞，曾德良．單元機組協(xié)調控制系統(tǒng)發(fā)展和現(xiàn)狀[J]．中國電力，2002，35(11)：69-73．

[3] 康立杰．300 MW汽包爐協(xié)調控制系統(tǒng)優(yōu)化[D]．保定：華北電力大學，2015．

[4] 支保峰，楊建蒙，魯許鰲．直接能量平衡協(xié)調控制系統(tǒng)特性分析[J]．電力科學與工程，2007，23(4)：16-18．

[5] 劉吉臻，鄧拓宇，田亮．負荷指令非線性分解與供熱機組協(xié)調控制[J]．中國電機工程學報，2016，36(2)：446-452．

[6] 宋新立，王成山，劉濤，等．電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真中的機爐協(xié)調控制系統(tǒng)模型研究[J]．中國電機工程學報，2013，33(25)：167-172．

[7] 于達仁，徐志強，翁一武，等．DEB的新認識——增益調度控制[J]．熱能動力工程，1999，14(83)：379-381，396．

[8] 田亮．單元機組非線性動態(tài)模型的研究[D]．保定：華北電力大學，2005．

[9] 李希武．直接能量平衡法(DEB)協(xié)調控制系統(tǒng)分析[J]．中國電力，2000，33(6)：65-66．

[10] YU D R，XU Z Q．Nonlinear coordinated control of drum boiler power unit based on feedback linearization[J]． IEEE Transaction on Energy Conversion，2005，20(1)：204-210．

[11] 劉吉臻，田亮，曾德良，等．660MW機組負荷-壓力非線性特性的分析[J]．動力工程，2005，25(4)：533-540．

[12] CHENG Y Z，TABRIZI M，SAHNI M，et al．Dynamic available AGC based approach for enhancing utility scale energy storage performance[J]．IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5(2)：1070-1078．

[13] 劉吉臻，鄧拓宇，田亮．供熱機組協(xié)調控制對象非線性特性分析[J]．華北電力大學學報(自然科學版)，2016，43(2)：66-72．

[14] 鄧拓宇，田亮，王琪，等．協(xié)調控制系統(tǒng)線性解耦方案機理分析[J]．華東電力，2011，39(5)：807-811．

[15] 胡軼群．直接能量平衡協(xié)調控制系統(tǒng)在600 MW機組的應用[J]．電力科學與工程，2013，29(4)：74-78．

Parameters Tuning of Direct Energy Balance (DEB) Coordinated Control System

ZHANG Ruiya, TIAN Liang
(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

It is a trend in China to enhance the dissipation capacity of renewable energy by optimizing the coordinated control system so as to improve the power generation load response. The parameter setting of the boiler side is the key and difficulty of coordinated control system debugging. By using a simplified nonlinear dynamic model of the sub critical unit and taking the DEB control method as the base, some experiments are implemented to deduce the transfer function of the fuel quantity for the heat signal of DEB. At the same time, the machine side is at closed-loop state while the furnace side is at open-loop state. Based on the transfer function, the method for calculating PID controller parameters of boiler side is put forward. Analysis shows: DEB control system parameterized by this method is superior to the coordinated control system of typical furnace and machine in the ability of anti-disturbance of AGC, fuel quantity and robustness.

thermal power units; DEB coordinated control system; PID parameters; simulation

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.04.13

2016-10-24.

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2014MS145).

TP273

A

1007-2691(2017)04-0085-07

張瑞亞(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為大機組智能優(yōu)化控制；田亮(1976-)，男，副教授，研究方向為大型火電機組建模及軟測量。