基于耦合對(duì)象控制需求解析及仿人修正的協(xié)調(diào)控制方法應(yīng)用

王錫輝， 陳厚濤， 盛杰， 周科， 朱曉星， 王志杰， 何洪浩

(1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 高效清潔火力發(fā)電技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙410007; 2. 西安熱工研究院有限公司， 西安 710032)

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑[1-4]。電力系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)將發(fā)生深刻變化，火電成為保障性和調(diào)節(jié)性電源，調(diào)峰屬性進(jìn)一步明確[5-7]。燃煤機(jī)組的穩(wěn)定性和靈活調(diào)節(jié)性可以有效彌補(bǔ)新能源發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性[8-9]，相對(duì)應(yīng)的，燃煤機(jī)組通過深度調(diào)峰在輔助服務(wù)市場(chǎng)中獲得回報(bào)[10-11]。

煤電機(jī)組的寬負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和調(diào)節(jié)能力決定了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。頻繁變負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行常態(tài)化以后，機(jī)組的自動(dòng)化水平和調(diào)節(jié)品質(zhì)以及應(yīng)對(duì)異常工況的能力[12]是保障機(jī)組安全性和降低運(yùn)行人員監(jiān)盤工作強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。歐美國家火電機(jī)組靈活性改造完成較早，多采用直接能量平衡法用于協(xié)調(diào)控制，采用Smith預(yù)估法用于滯后對(duì)象控制。中國火電機(jī)組因燃料來源不穩(wěn)、運(yùn)行方式多變等問題，難以直接套用國外控制策略。大部分現(xiàn)役機(jī)組在深度調(diào)峰(低于50%額定負(fù)荷)區(qū)間變成純手操模式，“看盤”負(fù)擔(dān)驟增。李玲等[13]針對(duì)亞臨界基于仿真模型提出了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)變參數(shù)優(yōu)化方案，提高了自適應(yīng)能力。張順等[14]提出了亞臨界鍋爐的深度調(diào)峰優(yōu)化策略，控制品質(zhì)是否滿足要求未闡述。張廣才等[15]從一二次風(fēng)配比優(yōu)化提升了機(jī)組深度調(diào)峰穩(wěn)燃能力，未改善自動(dòng)化水平。王印松等[16]基于風(fēng)機(jī)特性開展了仿真研究，提出了送風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，Gao等[17]基于精確能量平衡開展協(xié)調(diào)優(yōu)化，但均未描述工程實(shí)施效果。上述研究對(duì)改善機(jī)組的寬負(fù)荷調(diào)節(jié)能力具有成效，但仍存在以下不足：優(yōu)化對(duì)象多為亞臨界機(jī)組，且工程實(shí)用效果分析較少，控制結(jié)構(gòu)和算法并未進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，能否保障協(xié)調(diào)系統(tǒng)在深度調(diào)峰工況下從根本上改變手動(dòng)控制的局面尚待觀察。與亞臨界機(jī)組相比，超臨界機(jī)組的技術(shù)難點(diǎn)在于：①各控制對(duì)象天然的存在較強(qiáng)耦合特性，且隨著負(fù)荷的變化而不同，純線性響應(yīng)難以實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷段各對(duì)象的協(xié)調(diào)；②寬負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中，對(duì)超臨界機(jī)組而言，可能存在干濕態(tài)切換，調(diào)節(jié)對(duì)象和控制特性在過程中發(fā)生變化，現(xiàn)有方法無法滿足所有模態(tài)的控制需求。

鑒于此，提出了一種基于耦合對(duì)象控制需求解析及仿人修正的協(xié)調(diào)控制方法，在某630 MW超臨界組上進(jìn)行工程應(yīng)用，以期為其他具有強(qiáng)耦合特性的應(yīng)用場(chǎng)景提供控制器設(shè)計(jì)思路。

1 控制方法

1.1 狀態(tài)分析及需求編碼

對(duì)具有n個(gè)控制目標(biāo)和控制對(duì)象的耦合系統(tǒng)，假設(shè)其被控制目標(biāo)實(shí)時(shí)輸出為Y[y1，y2，…，yn]，設(shè)定值為Y0[y01，y02，…，y0n]，分別求取被控目標(biāo)實(shí)時(shí)輸出與設(shè)定值的偏差E[e1,e2,…，en]和實(shí)時(shí)輸出變化率ΔY[dy1/dt, dy2/dt, …，dyn/dt]，將E、ΔY分別代入狀態(tài)函數(shù)f(x)獲得對(duì)應(yīng)的狀態(tài)屬性f(E)和f(ΔY)。

f(x)的表達(dá)式為

(1)

式(1)中：H、L分別為高、低限閾值。

根據(jù)對(duì)象特性設(shè)置，將S[f(e1),f(e2), …，f(en),f(dy1/dt),f(dy2/dt), …，f(dyn/dt)]定義為控制系統(tǒng)的狀態(tài)向量。狀態(tài)向量中的每個(gè)元素在任意時(shí)刻都存在1、0和-1三種取值可能，組合起來，存在32n種狀態(tài)，形成狀態(tài)矩陣。針對(duì)每一種狀態(tài)(對(duì)應(yīng)矩陣中的一個(gè)行向量)，對(duì)所有控制變量進(jìn)行修正需求分析并歸類，最少不低于3類(控制變量增、不變和減)，也可以根據(jù)變化幅度大小細(xì)分為更多檔次，同一控制系統(tǒng)的每個(gè)控制變量修正需求類別數(shù)應(yīng)設(shè)置為相同，同類需求對(duì)應(yīng)一個(gè)編碼，作為獲取修正指令的搜索指針，如圖1所示。

應(yīng)用對(duì)象為火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般簡(jiǎn)化為3輸入(汽輪機(jī)綜合閥位指令、給水指令、燃料指令)、3輸出(實(shí)發(fā)功率、主汽壓力、主汽溫度)系統(tǒng)，但在實(shí)際應(yīng)用中，大多以功率控制回路為基準(zhǔn)，通過給水和燃料控制回路的協(xié)調(diào)來達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定控制的目的。因此，將系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為2輸入、2輸出的系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)向量中包含4個(gè)元素：主汽壓力設(shè)定值與測(cè)量值偏差對(duì)應(yīng)的狀態(tài)、主汽壓力變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)、主汽溫度設(shè)定值與測(cè)量值偏差對(duì)應(yīng)的狀態(tài)以及主汽溫度變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，共存在81種組合。原則上，每一個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)修正需求。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合算法的復(fù)雜程度和控制對(duì)象調(diào)節(jié)精度要求，將輸入變量的修正需求歸類為7大類，分別對(duì)應(yīng)編碼1～7。

圖1 狀態(tài)分析及需求編碼示意圖Fig.1 Schematic diagram of state analysis anddemand coding

主汽壓力實(shí)時(shí)輸出與設(shè)定值偏差高、低限閾值設(shè)置為額定主汽壓力的±1%，實(shí)時(shí)輸出變化率高、低限閾值設(shè)置為±0.2 MPa/min；主汽溫度對(duì)應(yīng)的閾值分別為±1 ℃和±2 ℃/min。所有閾值參數(shù)設(shè)置為可變，方便工程應(yīng)用調(diào)試。

1.2 仿人修正指令

根據(jù)工藝特點(diǎn)和被控對(duì)象耦合特性分析，對(duì)每一類控制需求設(shè)計(jì)修正指令，其作用類似于在系統(tǒng)投入自動(dòng)控制的情況下，外加一位具有豐富經(jīng)驗(yàn)的操作員統(tǒng)籌所有被控對(duì)象的需求后進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)性和針對(duì)性，能夠彌補(bǔ)原控制器僅依據(jù)單個(gè)變量偏差進(jìn)行線性響應(yīng)而未考慮耦合影響造成的控制系統(tǒng)不易收斂的缺陷。修正指令可設(shè)計(jì)為固定值，也可設(shè)計(jì)為折線函數(shù)或其他形式。設(shè)計(jì)的仿人修正指令及獲取方式如圖2所示，針對(duì)7大類中的每一類控制需求，分別設(shè)計(jì)以被控變量偏差為自變量的給水修正指令函數(shù)F1(x)～F7(x)和燃料修正指令函數(shù)G1(x)～G7(x)，根據(jù)需求編碼匹配修正指令后輸出。

1.3 控制器結(jié)構(gòu)

圖3、圖4分別為火電機(jī)組一般協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)示意圖和所提控制器結(jié)構(gòu)示意圖。其主要區(qū)別在于：原控制方法中，多變量解耦和協(xié)調(diào)功能通過聯(lián)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)，屬于開環(huán)性質(zhì)，控制效果依賴于輸入變量對(duì)被控對(duì)象影響規(guī)律把握的準(zhǔn)確程度，否則聯(lián)調(diào)指令可能適得其反。在本文所述的控制方法中，對(duì)所有被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制偏差和變化趨勢(shì)的分析，響應(yīng)指令基于被控對(duì)象狀態(tài)反饋生成，屬于閉環(huán)控制，響應(yīng)更精準(zhǔn)；同時(shí)，修正指令并非簡(jiǎn)單依據(jù)單個(gè)被控對(duì)象偏差進(jìn)行運(yùn)算，而是綜合考慮所有被控對(duì)象對(duì)輸入控制指令的需求分析后，基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)給出，具有非線性響應(yīng)特點(diǎn)。以研究對(duì)象為例，分析兩種控制方法的差異。某種工況下當(dāng)主汽壓力高于設(shè)定值且趨勢(shì)增加，而主汽溫度低于設(shè)定值且趨勢(shì)下降時(shí)，一步到位的調(diào)整方法為降低給水指令。按照原控制方法，調(diào)節(jié)過程如下：燃料指令減小→給水指令減小→主汽壓力減小，主汽溫度減小或保持不變，很顯然一輪調(diào)整無法同時(shí)滿足主汽壓力和主汽溫度的控制需求；按照改進(jìn)后的控制方法，調(diào)節(jié)過程如下：燃料指令基本維持不變，階躍減少給水指令，與實(shí)際需求相符。

圖2 仿人修正指令獲取示意圖Fig.2 Schematic diagram of obtaining humanoid correction command

圖3 一般協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of general coordinated control structure

圖4 基于狀態(tài)解析及仿人修正的協(xié)調(diào)控制方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of coordination control method based on state analysis and humanoid correction

1.4 工程實(shí)施

大型火電機(jī)組一般采用分散式控制系統(tǒng)(DCS)，組態(tài)軟件高度集成化，功能模塊化，所提供模塊難以實(shí)現(xiàn)前文所述的狀態(tài)解析和編碼功能，故采用獨(dú)立外置式控制系統(tǒng)與原DCS系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)施。在原DCS中建立串級(jí)控制框架，在外置式控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象狀態(tài)分析、控制需求編碼和修正指令生成，將指令通訊至DCS系統(tǒng)后疊加至相應(yīng)控制回路。

2 應(yīng)用對(duì)象概況與存在問題

某電廠630 MW機(jī)組鍋爐為超臨界參數(shù)、帶啟動(dòng)循環(huán)泵、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、“W”型火焰燃燒、垂直內(nèi)螺紋管水冷壁、П型變壓直流鍋爐，設(shè)計(jì)額定主汽壓力24.2 MPa，額定主汽溫度為566 ℃。汽輪機(jī)為超臨界、單軸、三缸(高中壓缸合缸)四排汽、一次中間再熱、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。常態(tài)化運(yùn)行最低負(fù)荷為180 MW，鍋爐在機(jī)組功率位于230～290 MW 轉(zhuǎn)態(tài)。存在以下問題：①協(xié)調(diào)控制無法全程投入，深度調(diào)峰區(qū)間(<50%額定負(fù)荷)純手操運(yùn)行；②濕態(tài)運(yùn)行后，儲(chǔ)水箱液位失控，危及機(jī)組運(yùn)行安全；③寬負(fù)荷調(diào)峰過程中，主要運(yùn)行參數(shù)(主汽壓力、溫度)控制不穩(wěn)，影響機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)上述問題，采用所提出的控制方法實(shí)施了優(yōu)化。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況

3.1.1 濕態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

機(jī)組實(shí)發(fā)功率184 MW(29.2%額定功率)，濕態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，相關(guān)參數(shù)的控制效果如圖5所示。機(jī)組功率、主汽壓力、主汽溫度的最大穩(wěn)態(tài)控制偏差分別為1.4 MW(+0.22%Pe，其中Pe為額定功率)、

圖5 濕態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test result of stable operating condition in wet mode

-0.32 MPa(-1.4%P0，其中P0為額定壓力)和2.8 ℃。當(dāng)前并無國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出火電機(jī)組深度調(diào)峰區(qū)間(<50%額定負(fù)荷)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制品質(zhì)要求。在50%～100%額定功率區(qū)間段，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確機(jī)組功率、主汽壓力和主汽溫度的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)分別為±1%Pe、±2%P0和±3 ℃。機(jī)組的實(shí)際穩(wěn)態(tài)控制指標(biāo)滿足規(guī)程要求。實(shí)際穩(wěn)態(tài)液位處于13 015～17 158 mm，滿足安全運(yùn)行要求。

3.1.2 干態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

干態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行自動(dòng)控制效果如圖6所示?？梢钥闯?，機(jī)組功率、主汽壓力、主汽溫度的最大穩(wěn)態(tài)控制偏差分別為-3.2 MW(-0.51%Pe)、-0.33 MPa(-1.4%P0)和±3 ℃，實(shí)際控制指標(biāo)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如表1所示。

3.2 變負(fù)荷運(yùn)行工況

3.2.1 濕態(tài)變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

濕態(tài)變負(fù)荷過程控制結(jié)果如圖7所示。機(jī)組功率由180 MW(28.7%額定功率)變化至250 MW，在變負(fù)荷過程中將儲(chǔ)水箱液位的設(shè)定值擾動(dòng)了 1 000 mm。由圖7可知，機(jī)組功率的最大控制偏差為-3.06 MW(-0.49%)，主汽溫度的最大控制偏差為2.4 ℃，主汽壓力的最大控制偏差為0.36 MPa(1.5%P0)，儲(chǔ)水箱液位控制在12 000～17 200 mm。50%～100%額定功率區(qū)間段的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確機(jī)組功率、主汽壓力和主汽溫度的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)分別為±2%Pe、±3%P0和 ±8 ℃。由圖7可見，在28.7%～39.7%額定負(fù)荷區(qū)間變負(fù)荷加液位設(shè)定值雙重?cái)_動(dòng)下，機(jī)組功率、主汽壓力和主汽溫度的實(shí)際控制品質(zhì)相比正常調(diào)峰區(qū)間行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求指標(biāo)分別提升了75%、50%和70%。

表1 干態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行控制品質(zhì)分析Table 1 Control quality analysis of stable operating condition in dry mode

圖6 干態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test result of stable operating condition in dry mode

圖7 濕態(tài)模式下變負(fù)荷過程試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test result of load variation process in wet mode

3.2.2 干態(tài)變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

直流爐干態(tài)變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，主要是通過系統(tǒng)輸入量的動(dòng)態(tài)匹配維持系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定[18]。實(shí)際控制指標(biāo)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程》(DL/T 657—2015)對(duì)比如表2所示。圖8為干態(tài)變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果。為驗(yàn)證控制器應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況的有效性，在將主汽壓力設(shè)定值進(jìn)行0.56 MPa的擾動(dòng)后再進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)，變負(fù)荷過程中，機(jī)組功率、主汽壓力、主汽溫度的最大控制偏差分別為4.1 MW(0.65%Pe)、0.7 MPa(2.9%P0)和4.8 ℃。

表2 干態(tài)變負(fù)荷過程控制品質(zhì)分析Table 2 Control quality analysis of load variation process in dry mode

3.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)態(tài)自動(dòng)控制的試運(yùn)結(jié)果如圖9所示，升負(fù)荷過程中，中間點(diǎn)過熱度逐步建立，儲(chǔ)水箱液位由 20 500 mm 降低至13 600 mm，未出現(xiàn)干/濕態(tài)來回切換，機(jī)組功率、主汽壓力、主汽溫度的最大控制偏差分別為-3.2 MW(-0.51%Pe)、0.42 MPa(1.7%P0)和6.2 ℃。

4 結(jié)論

提出了基于耦合對(duì)象控制需求解析及仿人修正的協(xié)調(diào)控制方法，并在某630 MW超臨界機(jī)組開展應(yīng)用，得出以下結(jié)論。

(1)采用所述控制方法，超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在28.7%～100%額定負(fù)荷區(qū)間可全程投入自動(dòng)控制，對(duì)濕態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行、濕態(tài)變負(fù)荷、轉(zhuǎn)態(tài)、干態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行以及干態(tài)變負(fù)荷均具有優(yōu)良的適用性，全工況下的主汽溫度均能穩(wěn)定控制在額定值附近，主汽壓力穩(wěn)定控制在滑壓曲線設(shè)定的目標(biāo)值附近，無需降參數(shù)運(yùn)行，在保障火電機(jī)組寬負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的前提下提升了自動(dòng)化水平。

圖8 干態(tài)模式下變負(fù)荷過程試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test result of load variation process in dry mode

圖9 轉(zhuǎn)態(tài)過程試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test result of operating mode conversion process

(2)深度調(diào)峰區(qū)間(<50%額定負(fù)荷)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，協(xié)調(diào)控制投入后，機(jī)組濕態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)功率、主汽壓力、主汽溫度的控制偏差分別為1.4 MW(+0.22%Pe)、-0.32 MPa(-1.4%P0)和2.8 ℃；變負(fù)荷過程機(jī)組功率的最大控制偏差為-3.06 MW(-0.49%)，主汽溫度的最大控制偏差為2.4 ℃，主汽壓力的最大控制偏差為0.36 MPa(1.5%P0)，與正常調(diào)峰區(qū)間的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，各參數(shù)的控制品質(zhì)提升了30%～70%。

(3)正常調(diào)峰區(qū)間(50%～100%額定負(fù)荷)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，協(xié)調(diào)控制投入后，機(jī)組干態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，功率、主汽壓力、主汽溫度的最大控制偏差分別為-3.2 MW(-0.51%Pe)、-0.33 MPa(-1.4%P0)和±3 ℃；變負(fù)荷過程中，機(jī)組功率、主汽壓力、主汽溫度的控制偏差不超過-4.1 MW(-0.65%Pe)、0.7 MPa(2.9%P0)和4.8 ℃，控制品質(zhì)較行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求指標(biāo)提升30%～67.5%。