超超臨界火電機(jī)組AGC系統(tǒng)優(yōu)化控制算法應(yīng)用

柯 炎 ，席德慶 ，馬世京

（1.江蘇國華陳家港發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224631；2.華北電力大學(xué)河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071000）

0 引言

電能品質(zhì)重要指標(biāo)之一是上網(wǎng)頻率，其偏離會威脅電網(wǎng)的自身安全。由于用電負(fù)荷具有隨機(jī)性的特點(diǎn)，為維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，要求機(jī)組具有快速跟蹤負(fù)荷及較強(qiáng)的調(diào)峰能力。國家對新能源發(fā)電大力支持，越來越多的光電、風(fēng)電等可再生資源發(fā)電并網(wǎng)，增加了發(fā)電量的隨機(jī)性，因此優(yōu)化火力發(fā)電機(jī)組參與的調(diào)峰能力越來越重要。自動發(fā)電控制系統(tǒng)（Automatic Generation Control，AGC）是 EMS（能量管理系統(tǒng)）的重要組成部分。爐側(cè)與機(jī)側(cè)之間的能量匹配問題關(guān)系著機(jī)組與電網(wǎng)調(diào)度中心之間的協(xié)調(diào)控制，是設(shè)備能否安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵過程。AGC系統(tǒng)的主要功能就是參與鍋爐與汽機(jī)之間的能量匹配調(diào)節(jié)。因此優(yōu)化火電機(jī)組AGC系統(tǒng)的響應(yīng)時間和精確度是一個很有價值的研究方向。

AGC系統(tǒng)的優(yōu)化方向是提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，主要包括各種先進(jìn)控制算法、優(yōu)化控制策略等方法。給煤機(jī)接受AGC指令，給煤量出現(xiàn)波動，文獻(xiàn)［1］增加了一個慣性環(huán)節(jié)，作用是對前饋信號濾波，優(yōu)化波動幅度。文獻(xiàn)［2］提出了一種負(fù)荷補(bǔ)償方案，具體方法是采集流功率的反饋信號對凝結(jié)水進(jìn)行節(jié)流。文獻(xiàn)［3］的解決方案是優(yōu)化定滑壓聯(lián)合調(diào)節(jié)，通過AGC跟隨試驗(yàn)及曲線分析，證明此優(yōu)化方案的可行性。但大多數(shù)相關(guān)理論研究人員對于AGC系統(tǒng)的認(rèn)識不夠深入，停留在理論分析和理論論證中，實(shí)踐太少；工程使用AGC的人員，對系統(tǒng)了解透徹，實(shí)踐多但理論知識欠缺，遇到實(shí)際問題缺乏理論體系支撐，導(dǎo)致問題不能有效解決。針對機(jī)組AGC系統(tǒng)響應(yīng)不及時和曲線超限不達(dá)標(biāo)的具體問題進(jìn)行深入研究，并以理論結(jié)合實(shí)踐的方式提出優(yōu)化方法，并且通過實(shí)踐驗(yàn)證該方法的先進(jìn)性。

1 AGC系統(tǒng)問題分析

機(jī)組DEH系統(tǒng)為西門子T3000系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)為國電智深EDPF-NT+系統(tǒng)，2018年2月、3月、4月連續(xù)三個月機(jī)組AGC系統(tǒng)考核不達(dá)標(biāo)。調(diào)取現(xiàn)場歷史曲線，重點(diǎn)對曲線超限部分進(jìn)行了分析。為了驗(yàn)證分析結(jié)果，與電網(wǎng)調(diào)度中心共同完成了AGC系統(tǒng)性能特性試驗(yàn)，并且分析了試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過對歷史曲線和試驗(yàn)曲線分析，得出導(dǎo)致AGC系統(tǒng)控制品質(zhì)差的原因。

負(fù)荷變化速率設(shè)定值不符合要求。鍋爐側(cè)的燃燒調(diào)節(jié)反應(yīng)速率相對較慢，負(fù)荷變化速率較快，導(dǎo)致負(fù)荷變化速率快的時候，鍋爐跟蹤不及時，導(dǎo)致主蒸汽實(shí)際壓力與被跟蹤值偏差較大，機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性就會變差。為了使主汽壓變化速率與負(fù)荷變化速率都能滿足穩(wěn)定性和安全性，不得不把機(jī)組的負(fù)荷變化率設(shè)定為遠(yuǎn)低于火電機(jī)組運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)值，從而使得負(fù)荷變化率達(dá)不到規(guī)定值的下限，導(dǎo)致系統(tǒng)考核不合格。

負(fù)荷測量精度問題。與電網(wǎng)調(diào)度中心合作測試機(jī)組的信號時發(fā)現(xiàn)，調(diào)度發(fā)出的AGC指令450.0 MW，DCS接受的AGC指令為449.5 MW，機(jī)組DCS系統(tǒng)采集的實(shí)際負(fù)荷為449.5 MW，國網(wǎng)調(diào)度接收到的機(jī)組實(shí)發(fā)功率為448.0 MW。以上可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組準(zhǔn)確執(zhí)行接收到的AGC時，省調(diào)發(fā)出的命令與省調(diào)接收到實(shí)發(fā)功率之間有2 MW左右的偏差。這將會造成機(jī)組AGC調(diào)節(jié)精度變差。主要是由于進(jìn)入RTU裝置的功率表與進(jìn)入DCS系統(tǒng)的功率表之間由測量誤差，且測量信號經(jīng)過AO／AI卡后會有一定的衰減損失。

機(jī)組滑壓變化速率低。在測試AGC上限時，高壓調(diào)節(jié)門處于100%開度狀態(tài)，主蒸汽壓力決定了機(jī)組的負(fù)荷。機(jī)組變負(fù)荷速率設(shè)定為9.5 MW／min，從而限定了機(jī)組滑壓速率，導(dǎo)致滑壓速率滿足不了變負(fù)荷速率需求，致使AGC系統(tǒng)上限考核不達(dá)標(biāo)。

2 AGC系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

分析AGC系統(tǒng)考核不達(dá)標(biāo)的原因，可得出AGC系統(tǒng)存在兩方面的設(shè)計(jì)問題，一方面是由于算法模型的缺陷，原PID控制不能克服在變負(fù)荷過程中鍋爐側(cè)動態(tài)變化率遲延較大而帶來的機(jī)組穩(wěn)定性缺陷。針對這個問題，采取了帶有預(yù)測控制算法的多模型多變量的控制方法，來解決機(jī)爐間耦合性強(qiáng)以及燃燒調(diào)節(jié)控制滯后的問題。為了解決預(yù)測控制中模型失配的問題，建立高、中、低3組控制模型，而且采用了模糊控制切換的方法。另一方面是測量設(shè)備精度和信號處理缺陷，針對這一問題，采用偏差補(bǔ)償法，具體的補(bǔ)償策略包括對電網(wǎng)調(diào)度信號與RTU信號之間的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，對電網(wǎng)調(diào)度發(fā)送的指令信號與DCS接收的信號偏差進(jìn)行補(bǔ)償，原則是保證偏差越小越好。

2.1 預(yù)測控制算法

20世紀(jì)70年代在實(shí)際應(yīng)用中成功實(shí)現(xiàn)了模型的預(yù)測控制。預(yù)測控制在近幾十年的發(fā)展中不斷改進(jìn)，并且形成了控制理論體系，該體系具有滾動優(yōu)化這一特性，滾動優(yōu)化是模型預(yù)測控制與通常的最優(yōu)算法之間的主要區(qū)別。模型預(yù)測控制是有限時域的優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)整體時域中部分時域的優(yōu)化，并且反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化。對于實(shí)際生產(chǎn)過程控制中存在的模型失配、干擾等現(xiàn)象，相對于全時域有緣，滾動優(yōu)化更能體現(xiàn)出優(yōu)越性。

預(yù)測控制的多變量模型是具有N（大于2）路輸入輸出的模型結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[4-5]表明這種結(jié)構(gòu)的控制模型可以實(shí)現(xiàn)多變量調(diào)節(jié)。模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 中，r1，r2，…，rn為模型輸入變量，u1，u2，…，un為預(yù)測控制模型優(yōu)化后的輸入變量，y1，y2，…，yn為控制系統(tǒng)輸出變量。

圖1 預(yù)測控制多變量模型結(jié)構(gòu)

為了有效解決被控對象之間耦合的問題，可以采用多變量預(yù)測控制的綜合誤差函數(shù)來解決。多變量預(yù)測控制算法原理與單變量模型預(yù)測控制算法原理一樣，因此多變量預(yù)測控制可根據(jù)單變量預(yù)測控制的模型算法引入Diophantine方程來實(shí)現(xiàn)，這樣就可以拆分成一個輸入量變化對某一輸出帶來的影響，多變量預(yù)測控制的算法就是多組單變量模型疊加實(shí)現(xiàn)的，從而得出預(yù)測模型

根據(jù)單變量預(yù)測控制性能指標(biāo)矩陣，則可得出多變量預(yù)測控制算法的綜合誤差函數(shù)

式中：Ys為設(shè)定值矩陣；為性能權(quán)重矩陣，如果想得到理想的輸出效果可通過調(diào)節(jié)中不同輸出權(quán)重；為控制量權(quán)重矩陣，為了避免控制器增量變化過于劇烈，可以調(diào)節(jié)式（2）中控制量變化速度和性能二者間的平衡關(guān)系。想得到t時刻的最優(yōu)控制輸出，需要對J求極值。

取函數(shù)ΔU（t）的第一項(xiàng)為增量控制，將該增量代入于各個對應(yīng)公式中的控制量，即可得到新的控制量。

2.2 模糊切換多模型

在多模型模糊切換過程中為了保證模型預(yù)測控制的精確度，控制算法需要精確度很高的的數(shù)學(xué)模型。由于不同機(jī)組在不同負(fù)荷點(diǎn)，或同一臺機(jī)組在不同負(fù)荷點(diǎn)的動態(tài)性能都會出現(xiàn)差異，這些差異很有可能會導(dǎo)致模型出現(xiàn)失配問題。所以采用了高、中、低負(fù)荷多組控制模型，模型切換采用線性隸屬度函數(shù)進(jìn)行切換。傳遞函數(shù)采用粒子群算法建立模型，分別取300 MW、450 MW、600 MW負(fù)荷進(jìn)行了系統(tǒng)動態(tài)測試，然后通過MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱，辨識出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。隸屬度函數(shù)曲線如圖2所示。圖2 中，μ1、μ2、μ3分別為 300 MW、450 MW、600 MW 所占權(quán)重系數(shù)。

圖2 隸屬度函數(shù)的多模型切換

隸屬度函數(shù)的建立是模糊控制成功應(yīng)用的基礎(chǔ)，辨識出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型最終輸出為3組模型的加權(quán)，模型表達(dá)式為

式中：Y1、Y2、Y3代表機(jī)組 300 MW、450 MW、600 MW負(fù)荷的模型輸出值。

2.3 AGC控制策略的優(yōu)化

鍋爐主控經(jīng)過優(yōu)化后的邏輯如圖3所示，利用多模型多變量預(yù)測控制模型替換掉優(yōu)化前系統(tǒng)的控制模型，優(yōu)化前后的控制模型基本結(jié)構(gòu)沒有太大的變化。多模型的模糊切換的依據(jù)是預(yù)測控制算法輸出值，該輸出值是根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷輸出加權(quán)后的輸出值，多模型多變量預(yù)測控制器的輸出值是根據(jù)預(yù)測值、當(dāng)前負(fù)荷值和主蒸汽壓力偏差計(jì)算出最優(yōu)給煤量。采用的多模型多變量預(yù)測控制器較原控制系統(tǒng)有了預(yù)判功能，可以提前做出反應(yīng)，大大減小了系統(tǒng)偏差，適合大滯后的控制過程，同時前饋模塊的導(dǎo)入進(jìn)一步提高鍋爐側(cè)的響應(yīng)速率。

圖3 爐側(cè)主控系統(tǒng)（優(yōu)化后）

圖4 優(yōu)化后AGC系統(tǒng)運(yùn)行曲線

系統(tǒng)優(yōu)化前，當(dāng)滑壓速率設(shè)定值超過9.5 MW／min時，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致滑壓速率給定值設(shè)定不達(dá)標(biāo)，考核不通過。系統(tǒng)優(yōu)化后，滑壓速率給定值滿足考核標(biāo)準(zhǔn)的情況下系統(tǒng)依然能保持穩(wěn)定，證明了采用的優(yōu)化控制方法是具有可行性的，但是滑壓速率過高仍然會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以為了兼顧滑壓速率和系統(tǒng)穩(wěn)定，可將原有滑壓速率給定值提高0.1 MPa／min。

3 工程實(shí)踐

對AGC系統(tǒng)采用新的控制策略優(yōu)化后進(jìn)行了變負(fù)荷測試，在機(jī)組上以13MW／min的速率投入AGC系統(tǒng)，機(jī)組負(fù)荷由460 MW上升到負(fù)荷660 MW，如圖4所示。

由圖4中曲線可看出機(jī)組在運(yùn)行過程中實(shí)際負(fù)荷上升速率基本是按照設(shè)定值的大小在變化，曲線跟蹤得非常緊密，體現(xiàn)出動態(tài)過程的平穩(wěn)度很好，跟蹤曲線幾乎沒有震蕩就趨于平穩(wěn)，曲線超調(diào)得到了很大的緩解，曲線品質(zhì)得到了很大提升。經(jīng)過優(yōu)化后，各個考核指標(biāo)都達(dá)到了考核標(biāo)準(zhǔn)，滑壓變化速率給定值滿足火電機(jī)組運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，主蒸汽實(shí)踐壓力曲線跟隨壓力設(shè)定值曲線非常緊密，整個動態(tài)跟蹤很平穩(wěn)，超調(diào)量和偏差大大小于優(yōu)化前的曲線，達(dá)到了AGC系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)。

4 結(jié)語

針對機(jī)組AGC考核不合格的問題進(jìn)行分析并提出了采用多變量多模型預(yù)測控制策略的AGC優(yōu)化控制策略，在改變負(fù)荷速率限制和滑壓速率后可以有效提高機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速率，并減小主蒸汽壓力的波動，滿足電網(wǎng)AGC考核要求，同時驗(yàn)證了模型預(yù)測控制在機(jī)組AGC系統(tǒng)上應(yīng)用的有效性。