CPS評價(jià)體系下循環(huán)流化床機(jī)組協(xié)調(diào)控制方法研究

黃元生, 張利君, 鐘敏

(1.華北電力大學(xué), 河北 保定 071003; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué), 黑龍江 哈爾濱 150001)

自20世紀(jì)20年代以來,電網(wǎng)安全性在激烈的市場競爭中始終處于重中之重的位置。電網(wǎng)穩(wěn)定性不僅體現(xiàn)了系統(tǒng)發(fā)電、用電的功率平衡,而且是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一個(gè)非常重要的參數(shù)。隨著電力系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展,電網(wǎng)的穩(wěn)定性比過去更加重要,始終保持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)[1-3]。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí),為了保障電網(wǎng)安全,發(fā)電機(jī)組普遍采用以爐跟機(jī)為主的協(xié)調(diào)控制方式,導(dǎo)致主汽壓力波動(dòng)劇烈,給鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了巨大的威脅[4-6]。

隨著電網(wǎng)考核指標(biāo)由A1/A2指標(biāo)發(fā)展為CPS指標(biāo),如果能夠結(jié)合電網(wǎng)需求,在鍋爐能量高的時(shí)候多發(fā)功率,能量低的時(shí)候少發(fā),不僅能為電網(wǎng)多做貢獻(xiàn),而且也有利于機(jī)組運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)雙贏。循環(huán)流化床機(jī)組固有特點(diǎn)決定了其燃燒過程時(shí)間最長可達(dá)幾十分鐘,機(jī)組響應(yīng)大延遲、大慣性的特性意味著循環(huán)流化床機(jī)組具有更大的儲(chǔ)能能力[7-9],鍋爐能量在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中不可避免存在能量高和能量低的情況。因此,基于此思想,開展CPS指標(biāo)體系下循環(huán)流化床機(jī)組爐機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制研究,實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床機(jī)組源網(wǎng)雙贏,具有重要的實(shí)際意義。

1 循環(huán)流化床機(jī)組模型

循環(huán)流化床機(jī)組與一般火電機(jī)組在鍋爐結(jié)構(gòu)上有較大差異,主要體現(xiàn)在鍋爐受熱面布置方式上,如圖1所示。

圖1 CFB鍋爐示意圖

在機(jī)組運(yùn)行過程中,大量的燃料顆粒隨煙氣排出爐膛后,在分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)分離,最終送回爐膛后重新燃燒。在循環(huán)流化床機(jī)組燃燒過程中,CFB鍋爐吸熱主要來源于床料中大量未燃燼碳,由于這些未燃燼碳是不循環(huán)的,所以熱量的釋放存在較大的慣性,煤完全燃燒時(shí)間需要幾十分鐘,這與普通煤粉鍋爐差別較大,主要原因在于床溫較低以及進(jìn)入爐膛的煤顆粒較大,導(dǎo)致整體燃燒過程更加復(fù)雜,因此循環(huán)流化床鍋爐呈現(xiàn)大延遲、大慣性狀態(tài)[10-12]。

1.1 給煤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型

爐內(nèi)碳顆粒燃燒只要分為以下過程:①碳顆粒被加熱至床溫;②揮發(fā)成分析出后燃燼;③碳顆粒進(jìn)一步加熱至著火點(diǎn);4)爐內(nèi)循環(huán)燃燒。從質(zhì)量守恒出發(fā),進(jìn)入爐膛的燃料可能出現(xiàn)3種狀態(tài):①立即進(jìn)行燃燒;②儲(chǔ)蓄在床料中等待燃燒;③一部分在飛灰和爐渣中。因此對爐膛燃料量進(jìn)行建模

(1)

式中，B為爐內(nèi)即燃碳量,單位為kg;Wc為進(jìn)入鍋爐燃料量,單位為kg/s,Xc為收到基中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Rc為爐內(nèi)碳的燃燒速率,單位為kg/s;WPZ為排渣速率;Xc,p為底渣含碳量;WFL為飛灰流動(dòng)速率;Xc,f為飛灰含碳量。

根據(jù)上述質(zhì)量守恒方程爐膛放熱量公式如(2)式所示

QB=K1VairB

Qr=QB+QV

(2)

式中，QB為即燃碳燃燒釋放熱量,K1為模型整體系數(shù),Vair為總風(fēng)量,Qr為鍋爐燃燒總放熱量,QV為揮發(fā)分燃燒熱量。在爐膛熱量公式推導(dǎo)過程中,是以給煤量直接進(jìn)入爐膛作為計(jì)算起始點(diǎn),而實(shí)際在CFB鍋爐燃燒指令下達(dá)給燃料控制系統(tǒng)時(shí),是需要通過給煤機(jī)、輸送皮帶等物理環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的,而上述過程在研究中被驗(yàn)證可以用純延遲環(huán)節(jié)表示;而CFB鍋爐特點(diǎn)燃料是不需要考慮磨煤機(jī)過程,因此CFB鍋爐給煤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)如(3)式所示

(3)

1.2 鍋爐能量平衡模型

在汽水系統(tǒng)特性上, CFB機(jī)組與煤粉汽包爐基本一致。鍋爐蓄能主要體現(xiàn)在汽包以及管道內(nèi)儲(chǔ)存的水中。本文采用以汽包壓力為集總參數(shù)模型的結(jié)構(gòu), CFB鍋爐能量平衡方程可如(4)式表示

(4)

式中,Cb為汽水測蓄能系數(shù),kJ/MPa;pd為汽包壓力,MPa;pt為主蒸汽壓力,單位為MPa;K3為汽輪機(jī)增益,單位為(MW/MPa)%;uT為汽輪機(jī)調(diào)門開度(%);p1為汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力,單位為MPa;η為鍋爐吸熱效率,為有效吸熱量與燃料燃燒放熱量之比。

過熱器與再熱器中蒸汽流量沒有發(fā)生明顯變化,且兩者相對容積較小,變化主要體現(xiàn)在蒸汽過熱度的升高中,其蓄能可以僅考慮其壓降特性,壓差與汽包壓力、主蒸汽壓力和鍋爐有效吸熱量之間存在物理聯(lián)系。過熱器差壓特性可以描述為

pt=pd-K2(K1rB)1.5

(5)

式中,K1為燃料量增益,K2為過熱器阻力系數(shù);多項(xiàng)式系數(shù)在工程中一般取1.5。

1.3 汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)模型

針對火電機(jī)組汽輪機(jī),采用動(dòng)態(tài)變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)等方法可以獲得汽輪機(jī)詳細(xì)的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)以往研究結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析,如(6)式所示,調(diào)節(jié)級(jí)壓力p1和機(jī)組輸出功率NE基本呈現(xiàn)一階小慣性關(guān)系。

(6)

式中，NE為機(jī)組功率,MW;Kt為汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)時(shí)間,10～30 s。

2 電網(wǎng)考核評價(jià)指標(biāo)的演變

在電網(wǎng)性能考核評價(jià)指標(biāo)上,A標(biāo)準(zhǔn)于1973年提出,由于其對系統(tǒng)控制性能的評價(jià)便于實(shí)施考核因此廣泛使用于北美電網(wǎng)。A1標(biāo)準(zhǔn)成為過零標(biāo)準(zhǔn),要求各控制區(qū)域ACE在任一10分鐘的時(shí)間段內(nèi)至少經(jīng)過零點(diǎn)一次;A2標(biāo)準(zhǔn)為一致性標(biāo)準(zhǔn),要求規(guī)定ACE在10分鐘時(shí)間段內(nèi)幅值須保持在閾值以內(nèi)。然而由于A1、A2標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)施過程中會(huì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)參與AGC機(jī)組頻繁進(jìn)行無效的反向調(diào)節(jié),隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展和電網(wǎng)性能評價(jià)指標(biāo)的更新,逐漸被CPS標(biāo)準(zhǔn)取代。

CPS標(biāo)準(zhǔn)適用性廣,其對電網(wǎng)內(nèi)頻率質(zhì)量的評價(jià)十分明確,適用于控制目標(biāo)為頻率的各種電網(wǎng)。CPS考核標(biāo)準(zhǔn)主要分為兩部分:CPS1和CPS2。根據(jù)現(xiàn)階段國內(nèi)各電網(wǎng)運(yùn)行情況,CPS1指標(biāo)直接影響電廠在電網(wǎng)考核中的獎(jiǎng)懲情況。CPS1指標(biāo)定義如下

×{ΔF}T1}T2)×100%

(7)

在(7)式中,ACE稱為區(qū)域控制偏差,根據(jù)ACE具體定義,ACE=ΔP+KΔf,是由發(fā)電機(jī)組機(jī)械輸出功率ΔP和電網(wǎng)頻差Δf兩者的線性函數(shù)。在CPS標(biāo)準(zhǔn)的CPS1指標(biāo)是考慮區(qū)域控制偏差(ACE)和頻率偏差的關(guān)系。在計(jì)算結(jié)構(gòu)中,采用ACE×Δf的正負(fù)對控制方向進(jìn)行指導(dǎo),當(dāng)ACE×Δf<0時(shí),電網(wǎng)頻率偏低而機(jī)組出力偏高,或者電網(wǎng)頻率偏高而機(jī)組出力偏低,區(qū)域電網(wǎng)頻差的變化趨勢為逐漸減小;當(dāng)ACE×Δf>0時(shí),電網(wǎng)頻率偏高而機(jī)組出力偏高,或者電網(wǎng)頻率偏低而機(jī)組出力偏低,區(qū)域電網(wǎng)頻差的變化趨勢為逐漸增大。從CPS標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)定義可以看出, CPS1指標(biāo)的值直接反映了機(jī)組發(fā)電狀態(tài)對整體電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性做出的貢獻(xiàn)。

如果針對ACE指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化即可實(shí)現(xiàn)既滿足機(jī)組對機(jī)組出力和頻差的要求,又能滿足電網(wǎng)考核評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)前文介紹,CPS標(biāo)準(zhǔn)CPS1指標(biāo)與系統(tǒng)狀態(tài)變量輸出功率和電網(wǎng)頻差密切相關(guān),同時(shí)考慮ACE以及Δf。如果可以利用CPS1指標(biāo)作為其優(yōu)化目標(biāo),那么機(jī)組調(diào)節(jié)代價(jià)與電網(wǎng)考核指標(biāo)均可實(shí)現(xiàn)量化,進(jìn)而構(gòu)建控制性能指標(biāo)以及控制約束,最終實(shí)現(xiàn)兩者的綜合優(yōu)化。

3 循環(huán)流化床機(jī)組源網(wǎng)雙贏爐機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制可行性分析

由于汽輪機(jī)調(diào)門開度既能夠控制調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的功率輸出,又會(huì)導(dǎo)致鍋爐側(cè)的主蒸汽壓力造成波動(dòng),因此汽機(jī)閥門開度是連接鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)三者的橋梁。從系統(tǒng)宏觀分析可知,汽輪機(jī)閥門開大,機(jī)組出力增加,電網(wǎng)頻率上升,同時(shí)會(huì)使得鍋爐側(cè)須能減少,主蒸汽壓力下降;汽輪機(jī)閥門關(guān)小,出力減少,電網(wǎng)頻率下降,并造成主蒸汽壓力下降。而從系統(tǒng)頻率特性分析的角度上來看,一方面是電網(wǎng)頻率響應(yīng)汽機(jī)閥門開度指令的閉環(huán)頻率特性;另一方面是主汽壓響應(yīng)閥門開度指令的閉環(huán)頻率特性,即二者分別響應(yīng)哪一個(gè)頻段的閥門開度信號(hào),從而分析出汽機(jī)閥門開度在爐機(jī)網(wǎng)整體協(xié)調(diào)控制的影響和意義。

如圖2和圖3所示,分別為電網(wǎng)頻率和主蒸汽壓力對汽機(jī)閥門開度指令響應(yīng)的閉環(huán)伯德圖。

圖2 電網(wǎng)頻率對閥門開度指令伯德圖 圖3主汽壓力對閥門開度指令伯德圖

我們認(rèn)為幅值減小至10%時(shí)為信號(hào)衰減,從圖中可知電網(wǎng)頻率可以響應(yīng)汽機(jī)閥門開度指令頻率范圍在0.1 ～20 rad/s之間,即頻率響應(yīng)區(qū)間為0.016～3.2 Hz,而主汽壓響應(yīng)的閥門開度信號(hào)的頻率范圍為0～0.06 rad/s,即頻率響應(yīng)區(qū)間為0～0.01 Hz。

可以看出電網(wǎng)頻率和主蒸汽壓力響應(yīng)閥門開度的頻段是完全錯(cuò)開的;從控制理論角度分析,由于響應(yīng)頻段不同,所以不同頻段內(nèi)二者不會(huì)相互影響,即可通過調(diào)節(jié)閥門開度控制方式同時(shí)控制電網(wǎng)頻率和主蒸汽壓力。換言之,當(dāng)將集結(jié)鍋爐、汽輪機(jī)和電網(wǎng)三者的循環(huán)流化床機(jī)組進(jìn)行整體優(yōu)化,從控制理論角度可以設(shè)計(jì)優(yōu)化控制器以同時(shí)滿足電網(wǎng)頻率的控制需求和主蒸汽壓力穩(wěn)定目的。

4 基于CPS指標(biāo)的爐機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)

4.1 考慮鍋爐能量狀態(tài)的開關(guān)控制器設(shè)計(jì)

綜合考慮汽輪機(jī)的能量需求和鍋爐的能量存儲(chǔ)來設(shè)計(jì)鍋爐對外輸出能量的速率,即可在滿足電網(wǎng)性能考核指標(biāo)的基礎(chǔ)上,同時(shí)兼顧鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)雙贏的局面。在鍋爐蓄能較多的情況下,如果電網(wǎng)功率需求變大,則可通過開大汽輪機(jī)高調(diào)門,加快鍋爐能量的釋放,以實(shí)現(xiàn)功率的快速調(diào)整;在鍋爐蓄能較低時(shí),如果電網(wǎng)功率需求也較低,則可通過關(guān)小汽輪機(jī)高調(diào)門,減少鍋爐能量釋放速度,快速增加鍋爐蓄能。上述2種基本變負(fù)荷工況下的相應(yīng)操作均可在穩(wěn)定電網(wǎng)頻率的前提下,保障主蒸汽壓力的穩(wěn)定。

根據(jù)上述假設(shè)的2種基本情況,考慮構(gòu)造考慮鍋爐能量狀態(tài)的開關(guān)控制器,利用對鍋爐的狀態(tài)判斷以及汽機(jī)功率需求進(jìn)行實(shí)時(shí)切換,盡可能使得鍋爐的狀態(tài)在滿足電網(wǎng)功率需求的同時(shí),保障自身的安全穩(wěn)定。由于CFB鍋爐慣性極大的特點(diǎn),使得其爐內(nèi)蓄能的變化相對電網(wǎng)頻率狀態(tài)變化的速度要慢得多,所以,對于在某一時(shí)刻下的鍋爐能量狀態(tài),可能同時(shí)存在電網(wǎng)頻率偏高或偏低相沖突情況,并且由于汽輪機(jī)一次調(diào)頻對鍋爐主蒸汽壓力的影響較小,所以當(dāng)出現(xiàn)閥門指令相沖突的情況時(shí),將頻率調(diào)節(jié)任務(wù)完全交由汽輪機(jī)自身和AGC系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)出不同主蒸汽壓差和電網(wǎng)頻差下閥門指令的控制邏輯,主要分為以下3大類工作狀態(tài):

狀態(tài)1 當(dāng)主蒸汽壓力偏差為正且頻率偏差為正,說明鍋爐蓄能較大且汽輪機(jī)有功率需求,此時(shí)應(yīng)開大閥門釋放蓄能;

狀態(tài)2 當(dāng)主蒸汽壓力偏差為負(fù)且頻率偏差為負(fù),說明電網(wǎng)需求低,此時(shí)應(yīng)關(guān)小閥門為鍋爐蓄能;

狀態(tài)3 其余狀態(tài)下應(yīng)不給予閥門開關(guān)指令。

從設(shè)計(jì)的開關(guān)控制器邏輯中可以看出,對于狀態(tài)1和狀態(tài)2,閥門開度變化Δu與主蒸汽壓力偏差的符號(hào)一直保持相同,與電網(wǎng)頻率偏差Δf的符號(hào)保持相異,表明主蒸汽壓力偏差和電網(wǎng)頻率偏差的變化方向與閥門開度指令密切相關(guān),當(dāng)其中二者偏差的符號(hào)相同則需要?jiǎng)幼鏖y門開度,當(dāng)兩者偏差的符號(hào)不同則不需要?jiǎng)幼鏖y門開度指令,通過前文分析可知,電網(wǎng)頻率與主蒸汽壓力響應(yīng)閥門指令的頻段幾乎是錯(cuò)開的,因此,可以綜合考慮將ΔPt和Δf作為控制參量,對閥門開度指令進(jìn)行方向性控制,根據(jù)上述分析結(jié)果設(shè)計(jì)的考慮鍋爐能量的開關(guān)切換控制律如下:

當(dāng)ΔPt×Δf≤0時(shí)

Δu=-K1Δf+K2ΔPt

否則

Δu=0

其中參數(shù)K1,K2通過試湊法初步整定。

4.2 基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)

上述設(shè)計(jì)的考慮鍋爐能量狀態(tài)的開關(guān)控制器結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)是根據(jù)物理概念構(gòu)造出來的,沒有理論的、系統(tǒng)控制理論方法來確定,具體參數(shù)的調(diào)整需要去進(jìn)行試湊,過于依賴先驗(yàn)知識(shí)。為了更加系統(tǒng)可靠、有理論支撐地進(jìn)行控制器設(shè)計(jì),需要定義性能指標(biāo)及相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)。下面是基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)過程。

CPS標(biāo)準(zhǔn)作為電網(wǎng)性能考核評價(jià)指標(biāo),是控制目標(biāo)。但CPS指標(biāo)與A1、A2指標(biāo)不同,它不對ACE做硬性要求,而是指導(dǎo)電網(wǎng)的調(diào)整方向。

在CPS標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中,CPS1的值主要取決于其中的CF值:

(8)

在(8)式中,如果假定區(qū)域控制偏差A(yù)CE和頻差Δf采樣周期位一分鐘,由于其他參數(shù)始終為常值,因而得出CPS1值是d=ACE×Δf項(xiàng),又:

ACE=ΔPe+KΔf

(9)

由此可得:

d=ΔPe×Δf+KΔf2

(10)

又因?yàn)?

CPS1=(2-CF)×100%

(11)

根據(jù)CPS的指標(biāo)要求,CPS1值的目標(biāo)值為2,故希望CF的值為負(fù)值或者是盡可能小的正值。

如前所述,汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門同時(shí)控制著鍋爐、汽輪機(jī)以及電網(wǎng),通過優(yōu)化閥門控制可以實(shí)現(xiàn)三者的綜合優(yōu)化調(diào)整;根據(jù)Bode圖分析可以看出,電網(wǎng)頻率頻差、主汽壓差對閥門開度變化指令的頻域區(qū)間基本錯(cuò)開,因此根據(jù)控制原理,通過對閥門控制方式的優(yōu)化對鍋爐和電網(wǎng)兩者同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)是可行的,因此爐機(jī)網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制最終就體現(xiàn)在對汽機(jī)閥門開度指令的控制優(yōu)化上面。

即我們可以確定線性二次型最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù)為

(12)

基于上式構(gòu)造的線性二次型最優(yōu)性能指標(biāo)函數(shù),利用線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)方法,可完成基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的爐機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 開關(guān)控制器和最優(yōu)控制器對比實(shí)驗(yàn)

上文基于不同的控制思想設(shè)計(jì)了2種面向循環(huán)流化床機(jī)組的爐機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器,即考慮電網(wǎng)頻率狀態(tài)且著重兼顧鍋爐能量狀態(tài)而設(shè)計(jì)的開關(guān)切換控制器和基于CPS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的線性二次型最優(yōu)控制器。

我們進(jìn)行相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn),以分析2種不同類型控制器性能。最優(yōu)控制器參數(shù)不同變量系數(shù)經(jīng)過試湊后選擇a1=250,a2=30,a3=250,開關(guān)控制器的反饋增益系數(shù)選取為K1=100,K2=100。上述2種控制器仿真后的相關(guān)參數(shù)的幅值統(tǒng)計(jì)分布直方圖如下所示。

圖4 開關(guān)控制器與最優(yōu)控制器的CPS參數(shù)及主汽參數(shù)對比圖

基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的線性二次型最優(yōu)控制器與基于鍋爐能量狀況的開關(guān)切換控制器在仿真中CPS1指標(biāo)均處于理想水平,根據(jù)頻數(shù)統(tǒng)計(jì)可以看出兩者對CPS1指標(biāo)的有利率均較高,大部分CPS1指標(biāo)在1.8～2.2區(qū)間內(nèi);而該最優(yōu)控制器控制產(chǎn)生的主汽壓力波動(dòng)范圍([-0.002 0.002])與基于鍋爐能量狀態(tài)的開關(guān)控制器導(dǎo)致的主蒸汽壓力波動(dòng)范圍([-0.003 0.003])相比較要更小,換言之,與基于鍋爐能量狀態(tài)的開關(guān)切換控制器相比較,基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)控制器的控制效果更佳。

5.2 源網(wǎng)雙贏控制器與傳統(tǒng)控制器對比實(shí)驗(yàn)

基于上述對于不同控制器性能的仿真實(shí)驗(yàn)分析,我們通過研究時(shí)域曲線的變化進(jìn)一步對兩者的性能進(jìn)行比較。圖5與圖6分別展示了開關(guān)切換控制器與線性二次型最優(yōu)控制器與不加控制器的機(jī)組模型效果分析,參數(shù)包括主蒸汽壓力波動(dòng)和CPS1值統(tǒng)計(jì)值的時(shí)域曲線,2種控制器參數(shù)設(shè)置與上述實(shí)驗(yàn)相同。如圖5所示,無論是開關(guān)切換控制器還是線性二次型最優(yōu)控制器,CPS1值的滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)曲線明顯處于上部,主蒸汽壓力波動(dòng)也得到了明顯抑制,且2種控制器魯棒性較強(qiáng)。

圖5 開關(guān)控制與傳統(tǒng)控制的系統(tǒng)時(shí)域曲線對比

圖6 LQR控制與傳統(tǒng)控制的系統(tǒng)時(shí)域曲線對比

5.3 小結(jié)

通過上述分析對比可知,開關(guān)控制器和最優(yōu)控制器分別應(yīng)用在循環(huán)流化床機(jī)組模型上都能取得較好的控制效果,從CPS1直方圖中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以直接看出,兩者效果均較為理想,但是開關(guān)控制器相關(guān)參數(shù)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行試湊,參數(shù)不同則性能有所差異;最優(yōu)控制器是從理論出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì),效果較好但是計(jì)算過程較為復(fù)雜,兩者皆有利弊。

6 結(jié) 論

本文從CPS標(biāo)準(zhǔn)出發(fā),分析了實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)雙贏的爐機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的可能途徑,為解決汽輪機(jī)對電網(wǎng)功率調(diào)度指令的快速響應(yīng)以及滿足AGC考核指標(biāo)同發(fā)電機(jī)組頻繁參與功率調(diào)節(jié)導(dǎo)致的機(jī)組運(yùn)行安全問題之間的矛盾,進(jìn)行了一些研究,并得到如下結(jié)論:

1) 通過對循環(huán)流化床機(jī)組模型的系統(tǒng)頻率特性進(jìn)行分析,具體包括電網(wǎng)頻率和鍋爐主蒸汽壓力兩者對汽機(jī)閥門開度的閉環(huán)特性,分析其Bode圖發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)頻率和鍋爐主蒸汽壓力各自響應(yīng)汽機(jī)閥門開度指令的頻段幾乎是分開的,這為通過汽機(jī)閥門指令同時(shí)優(yōu)化對電網(wǎng)頻率和主蒸汽壓力進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)爐機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制提供了可能。

2) 從循環(huán)流化床機(jī)組實(shí)際情況出發(fā),根據(jù)鍋爐側(cè)能量狀態(tài)和汽機(jī)的理想運(yùn)行狀態(tài),滿足電網(wǎng)考核指標(biāo)同時(shí)著重考慮到鍋爐側(cè)的運(yùn)行情況,設(shè)計(jì)了基于鍋爐能量狀態(tài)的開關(guān)切換控制器,依據(jù)主汽壓差和電網(wǎng)頻差正負(fù)綜合判斷閥門開啟方向;并且在循環(huán)流化床機(jī)組模型上仿真實(shí)驗(yàn)表明,在該開關(guān)切換控制器的作用下,系統(tǒng)能滿足電網(wǎng)CPS指標(biāo)要求且其鍋爐側(cè)的主蒸汽壓力波動(dòng)得到了很好的抑制。

3) 依據(jù)電網(wǎng)性能考核評價(jià)指標(biāo)CPS標(biāo)準(zhǔn),首先分析在CPS標(biāo)準(zhǔn)中CPS1指標(biāo)的ACE×Δf對優(yōu)化機(jī)組調(diào)節(jié)方式具有指導(dǎo)作用,,在設(shè)計(jì)基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的線性二次型最優(yōu)控制器指標(biāo)函數(shù)中將主蒸汽壓力偏差融合如優(yōu)化目標(biāo)中。在循環(huán)流化床機(jī)組模型上的仿真實(shí)驗(yàn)表明,在最優(yōu)控制器的作用下,電網(wǎng)性能得到改善的同時(shí)鍋爐的主蒸汽壓力也得到了很好的抑制。

4) 開關(guān)控制器相關(guān)參數(shù)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行試湊,參數(shù)不同則性能有所差異;最優(yōu)控制器是從理論出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì),效果較好但是計(jì)算過程較為復(fù)雜。