基于二自由度控制的火電機(jī)組功率控制器設(shè)計(jì)

劉翠梅

(南寧市三峰能源有限公司，廣西 南寧 530021)

1 引言

在互聯(lián)的電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)負(fù)荷的變化是由于電力負(fù)荷與發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的不完全匹配造成的[1]。通過(guò)對(duì)發(fā)輸配電環(huán)節(jié)的合理規(guī)劃，使電力系統(tǒng)有功功率和頻率維持在穩(wěn)定波動(dòng)的范圍，因此功率調(diào)節(jié)是電網(wǎng)運(yùn)行的基本任務(wù)之一。一次調(diào)頻和自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的重要方式，火電機(jī)組的功率控制系統(tǒng)不僅有利于保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，還可以提高電網(wǎng)運(yùn)行的質(zhì)量。

二自由度控制方式最早由Horowitz提出的[2]。近年來(lái)，許多學(xué)者根據(jù)不同的對(duì)象或控制方式設(shè)計(jì)了二自由度控制器[3-5]，使得二自由度控制方式得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。特別是二自由度控制具有較好的集點(diǎn)跟蹤性和負(fù)載干擾抑制特性?；痣姍C(jī)組的功率控制必須快速跟蹤滿(mǎn)足負(fù)荷的變化、抗干擾性好等要求，采用二自由度控制結(jié)構(gòu)對(duì)功率控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)施過(guò)程中，與經(jīng)典的前饋反饋控制和內(nèi)?？刂七M(jìn)行了比較和分析。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的二自由度控制系統(tǒng)是最有效的、穩(wěn)定的。

2 功率控制系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，如圖1所示的前饋反饋控制是一種典型的火電廠功率控制方式。有功功率PE為被控變量，功率參考點(diǎn)Pr通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)或AGC進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定。Pr與主頻調(diào)制功率增量ΔPr之和為前饋反饋控制器的設(shè)定點(diǎn)。控制器對(duì)該功率參考點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定后，再進(jìn)行有功功率反饋，發(fā)出閥位控制命令，來(lái)決定執(zhí)行器的開(kāi)度μ。μ與主蒸汽壓力PT共同決定了蒸汽流量Q的大小,蒸汽流量Q隨汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽膨脹轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機(jī)械功率PM，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將機(jī)械功率PM轉(zhuǎn)化為有功功率PE并送入到電網(wǎng)中。

圖1 功率控制系統(tǒng)

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，火電機(jī)組常采用滑壓運(yùn)行，主蒸汽壓力PT隨負(fù)荷的波動(dòng)而變化。此時(shí)，即使氣門(mén)開(kāi)度μ相同，汽輪機(jī)Q的汽流量也不同。因此，有必要考慮閥流量特性，即確定閥的開(kāi)度與進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量之間的關(guān)系。為了方便分析控制系統(tǒng)的性能,采用了閥流量特性法，汽輪機(jī)閥流量特性k表示由閥位單位當(dāng)量引起的汽輪機(jī)穩(wěn)態(tài)汽流量變化量，其表達(dá)式如下：

(1)

式中,ΔQ為汽輪機(jī)穩(wěn)態(tài)蒸汽流量變化量;Δμ為在穩(wěn)定狀態(tài)下改變閥門(mén)位置的量。

3 基于二自由度內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)

3.1 級(jí)聯(lián)二自由度內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)

級(jí)聯(lián)二自由度內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)是基于內(nèi)?？刂坪投杂啥冉怦钤硖岢龅腫4]。在圖2中，Pm為P1和P2的整體模型，P1m為P1的整體模型，C為跟蹤設(shè)定點(diǎn)的主控制器，F(xiàn)為抑制擾動(dòng)的副控制器。

3.2 控制器設(shè)計(jì)

控制過(guò)程可表示為：

(2)

(3)

如果過(guò)程中包含延時(shí)部分e-τs，可以采用Pade相似法生成分子和分母階相同的傳遞函數(shù)。式(2)和式(3)中A1(s)和A2(s)的零點(diǎn)都在右半平面內(nèi)。B1(s)，B2(s)，C1(s)和C2(s)的零點(diǎn)在左半平面上。A1(s)、A2(s)、B1(s)、B2(s)、C1(s)、C2(s)的順序分別是m11、m21、m12、m22、n1、n2。且應(yīng)該滿(mǎn)足以下關(guān)系：m11+m12

設(shè)定點(diǎn)響應(yīng)的控制相當(dāng)于開(kāi)環(huán)方式。r和y2之間的傳遞函數(shù)為：

(4)

(5)

由于控制器不是一個(gè)實(shí)數(shù)有理分式，所以添加了一個(gè)低通濾波器Lc(s)。則最終設(shè)定點(diǎn)跟蹤控制器C(s)變?yōu)椋?/p>

C(s)=C0(s)LC(s)

(6)

其中

(7)

(8)

其靈敏度函數(shù)為：

(9)

結(jié)合內(nèi)部控制理論的最優(yōu)性能指標(biāo)，實(shí)際靈敏度函數(shù)可表示為：

(10)

(11)

其中F1(s)為：

(12)

4 火電機(jī)組動(dòng)力控制系統(tǒng)

根據(jù)以上分析，可以在火電控制系統(tǒng)中采用二自由度控制，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于實(shí)際情況下不能直接測(cè)量出汽輪機(jī)的機(jī)械功率，只能測(cè)量發(fā)電機(jī)的有功功率。因此，如圖3所示的控制結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足實(shí)際控制的需要，因此需要對(duì)二自由的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 基于二自由度控制的動(dòng)力控制系統(tǒng)

通過(guò)比較機(jī)械功率與有功功率的變化趨勢(shì)，在一定條件下，兩者的變化趨勢(shì)并不完全一致。這主要是因?yàn)樵诠β薯憫?yīng)的前期，發(fā)電機(jī)的下垂特性會(huì)導(dǎo)致有功功率發(fā)生振蕩。但隨著系統(tǒng)的逐漸調(diào)整，機(jī)械功率與有功功率逐漸趨同。因此可以假定有功功率是機(jī)械功率和發(fā)電機(jī)下垂特性引起的高頻信號(hào)的疊加。可以通過(guò)設(shè)計(jì)低通濾波器Gf濾除高頻信號(hào)，將有功功率轉(zhuǎn)換為未知的機(jī)械功率。然后根據(jù)上面的分析，將圖3的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為圖4的結(jié)構(gòu)。

圖4 基于二自由度控制的變換功率控制系統(tǒng)

5 一次調(diào)頻仿真試驗(yàn)與分析

針對(duì)某火電機(jī)組的功率控制系統(tǒng)，對(duì)比先前設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，將二自由度控制方式的仿真結(jié)果與典型控制系統(tǒng)提出的內(nèi)模控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較。本文采用文獻(xiàn)[6]中的模型和參數(shù)。典型的前饋反饋控制系統(tǒng)的PI控制器：

(13)

前饋系數(shù)Kf=1，簡(jiǎn)化的驅(qū)動(dòng)器模型為：

(14)

汽輪機(jī)模型為：

(15)

其中T1= 5.4，T2= 0.2，T3= 10。

發(fā)電機(jī)模型為：

(16)

其中T4= 0.0177，T5= 0.0333。因此：

(17)

式中，k為閥門(mén)排放特性，通常k=1。根據(jù)式(7)和(11)和系統(tǒng)模型，可以得到主控制器和副控制器的表達(dá)式：

(18)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的優(yōu)化，可以確定λc和λf。PT是一個(gè)常數(shù)，ΔPT是10s時(shí)的負(fù)荷階躍，相當(dāng)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速階躍變化引起的一次調(diào)頻作用。在仿真運(yùn)行200s時(shí)P1(s)加入5%的擾動(dòng)。研究k值不同時(shí)各功率控制系統(tǒng)的控制效果。k= 0.5、1、2時(shí)的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 一次調(diào)頻試驗(yàn)時(shí)各控制系統(tǒng)有功功率

仿真結(jié)果表明，當(dāng)k過(guò)小時(shí)，前饋反饋控制系統(tǒng)的功率響應(yīng)較慢，不能滿(mǎn)足一次調(diào)頻的快速響應(yīng)需要。當(dāng)k過(guò)大時(shí)，功率響應(yīng)出現(xiàn)明顯超調(diào)，不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。與前饋反饋控制系統(tǒng)相比，文獻(xiàn)[6]中使用的內(nèi)?？刂频墓β薯憫?yīng)速度明顯較快，且隨著k的增加沒(méi)有出現(xiàn)超調(diào)。但總的來(lái)說(shuō)，本文所采用的二自由度控制的穩(wěn)定時(shí)間最短，初始階段無(wú)波動(dòng)，是最平穩(wěn)的。此外，二自由度控制的抗干擾性也是最好的。在相同的擾動(dòng)下，其沉降時(shí)間最短，波動(dòng)最小。因此可以得出結(jié)論，二自由度控制效果相對(duì)于傳統(tǒng)的一次調(diào)頻方式，能夠更平穩(wěn)地進(jìn)行控制機(jī)組的出力。

6 結(jié)論

本文采用二自由度內(nèi)?？刂茖?duì)火電機(jī)組的功率控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)?？紤]了汽輪機(jī)閥門(mén)排放特性對(duì)動(dòng)力控制系統(tǒng)的影響。對(duì)AGC的一次調(diào)頻試驗(yàn)進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的控制策略的控制效果優(yōu)于經(jīng)典的前饋反饋控制和內(nèi)?？刂?，主要體現(xiàn)在穩(wěn)定時(shí)間更快、控制效果更穩(wěn)定、魯棒性更好等方面。