火電機(jī)組靈活性關(guān)鍵控制技術(shù)研究
——基于模型優(yōu)化的狀態(tài)反饋控制應(yīng)用研究

段秋剛

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

當(dāng)前，規(guī)?；履茉措娏ο{已成為我國(guó)電力系統(tǒng)面臨的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，提升燃煤火電機(jī)組的靈活運(yùn)行能力是解決我國(guó)規(guī)?；履茉聪{問(wèn)題的重要途徑。在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的決策下，提高火電機(jī)組的靈活性，以促進(jìn)新能源的接入和消納，是相當(dāng)一段時(shí)間火電機(jī)組的主要研究課題?；痣姍C(jī)組靈活性的核心在于機(jī)組變負(fù)荷的快速性和深度性，傳統(tǒng)火電機(jī)組雖然具有一定的變負(fù)荷能力，但其變負(fù)荷速率和深度已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻需求?；痣姍C(jī)組蓄能利用概念的提出，為進(jìn)一步提高機(jī)組快速響應(yīng)負(fù)荷能力提供了可能。靈活性研究關(guān)鍵是針對(duì)火電機(jī)組在深度調(diào)峰工況下的負(fù)荷靈活性控制，而協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS（coordinated control system）作為單元機(jī)組的負(fù)荷控制方式已被廣泛應(yīng)用。進(jìn)一步研究機(jī)組深度調(diào)峰工況下的負(fù)荷控制，以不斷完善和優(yōu)化其控制品質(zhì)，適應(yīng)電網(wǎng)消納新能源的需求，是負(fù)荷靈活性控制的核心。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于單元機(jī)組負(fù)荷控制的研究主要還是停留在智能前饋加傳統(tǒng)的PID控制，不能從根本上解決控制系統(tǒng)的耦合和大滯后問(wèn)題；也有一些專業(yè)研究機(jī)構(gòu)將預(yù)測(cè)控制理論應(yīng)用到單元機(jī)組負(fù)荷控制中，取得了一定的效果，但由于需要外掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，成本高、開(kāi)放性和維護(hù)性欠缺，工程推廣應(yīng)用還存在一定的困難。本文基于火電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換和做功機(jī)理，從全新的角度對(duì)負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了工程實(shí)用性優(yōu)化，使其更適應(yīng)于仿真研究和CCS控制方案優(yōu)化，并采用基于模型優(yōu)化的狀態(tài)反饋控制方法解決CCS的耦合和大滯后問(wèn)題。主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)在于：優(yōu)化了負(fù)荷控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，提高了其工程實(shí)用性，更便于仿真研究和控制方案優(yōu)化；提出基于模型解耦的壓力設(shè)定值算法，一定程度上解決了控制系統(tǒng)的耦合問(wèn)題；采用基于優(yōu)化模型的狀態(tài)反饋控制方法有效解決了控制系統(tǒng)的大滯后問(wèn)題。

1 負(fù)荷控制特征

單元機(jī)組負(fù)荷控制有2個(gè)特點(diǎn)：一是機(jī)、爐對(duì)象特性的差異——汽輪機(jī)負(fù)荷響應(yīng)快，慣性??；鍋爐負(fù)荷響應(yīng)慢，慣性大。二是負(fù)荷響應(yīng)速度和主蒸汽壓力穩(wěn)定這兩個(gè)要求存在矛盾。解決矛盾的方式是負(fù)荷控制方式。單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象的特性為多變量耦合的大滯后系統(tǒng)。鍋爐燃燒率Ub和汽輪機(jī)門(mén)開(kāi)度Ut的變化，將同時(shí)影響機(jī)組負(fù)荷Nt和主汽壓力Pt，參數(shù)的變化彼此互相關(guān)聯(lián)，在通常的相關(guān)資料描述中，單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象為一雙輸入、雙輸出的雙變量對(duì)象，可用式（1）傳遞函數(shù)來(lái)表示。

其中，Nt為機(jī)組負(fù)荷；WNU（s）為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度與機(jī)組負(fù)荷通道的傳遞函數(shù)；Ut為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度；WNB（s）則為鍋爐燃燒率與機(jī)組負(fù)荷通道傳遞函數(shù)；Ub為鍋爐燃燒率；Pt為主汽壓力；WPU（s）為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度與主汽壓力通道的傳遞函數(shù)；WPB（s）為鍋爐燃燒率與主汽壓力通道傳遞函數(shù)。

由于鍋爐和汽輪機(jī)的動(dòng)態(tài)特性存在較大的差異，鍋爐相對(duì)于汽輪機(jī)熱慣性較大，使得在燃燒率Ub擾動(dòng)的情況下，機(jī)組負(fù)荷Nt和主汽壓力Pt響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性較為相似，可近似為一個(gè)具有較大遲延的慣性環(huán)節(jié)；而當(dāng)調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度Ut發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，機(jī)組負(fù)荷Nt響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性為一個(gè)近似的實(shí)際微分環(huán)節(jié)，主汽壓力Pt響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性為一個(gè)帶有遲延慣性的環(huán)節(jié)。

單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象除具有多變量耦合、大滯后等固有特征外，由于燃用煤質(zhì)的變化、運(yùn)行工況的變化等因素，因此還具有較大的非線性、時(shí)變性和不確定性，均對(duì)機(jī)組的靈活性控制產(chǎn)生較大的影響。

2 模型優(yōu)化

許多先進(jìn)的控制理論應(yīng)用是基于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此對(duì)單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的研究非常重要。機(jī)組在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，其熱力特性和汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)特性遵循能量平衡機(jī)理，在機(jī)組的正常調(diào)峰運(yùn)行區(qū)間，主蒸汽溫度等主要參數(shù)在額定范圍內(nèi)，Ut=P1/Pt關(guān)系成立[1-3]，即調(diào)節(jié)級(jí)壓力（P1）與主汽壓力（Pt）的比值代表了汽輪機(jī)的流量線性閥位（Ut），而調(diào)節(jié)級(jí)壓力又作為機(jī)組計(jì)算主汽流量的依據(jù)，因此在工程應(yīng)用中，調(diào)節(jié)級(jí)壓力可粗略地代替主汽流量作為機(jī)組的熱負(fù)荷使用。以此為依據(jù)，并結(jié)合式（1）中所提到的負(fù)荷控制對(duì)象特性和機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行特征，通過(guò)大量的理論研究和仿真對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了工程實(shí)用性優(yōu)化。

機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型[4]為

其中，P1為調(diào)節(jié)級(jí)壓力（機(jī)組熱負(fù)荷）；Tb1為鍋爐熱量產(chǎn)生時(shí)間常數(shù)；Tb2為爐膛蓄熱時(shí)間常數(shù)；Tt1為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)；Tt2為汽包蓄熱時(shí)間常數(shù)；Ch為高壓缸負(fù)荷系數(shù)；Ci為中、低壓缸負(fù)荷系數(shù)；T為中、低壓缸負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

依據(jù)上述傳遞函數(shù)形成的負(fù)荷控制對(duì)象優(yōu)化模型如圖1所示。

圖1 單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象優(yōu)化框圖

通過(guò)對(duì)單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，提出了一個(gè)不同于以往相關(guān)資料描述的全新的數(shù)學(xué)模型，更有利于仿真研究和工程實(shí)現(xiàn)，也為先進(jìn)控制理論的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。通過(guò)典型數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行了仿真測(cè)試，結(jié)果表明其特性完全符合機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，能夠滿足控制系統(tǒng)的需求。

3 壓力設(shè)定值解耦算法

在機(jī)組大范圍負(fù)荷快速調(diào)節(jié)過(guò)程中，負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往由于機(jī)組的壓力設(shè)定值與主汽壓力變化不同步，而使機(jī)組在動(dòng)態(tài)過(guò)程中和動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)整，不能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其原因是機(jī)組在負(fù)荷變化過(guò)程中，主汽壓力不僅要受鍋爐燃燒率變化的影響，同時(shí)還要受汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化的影響，系統(tǒng)相互耦合。而在傳統(tǒng)的CCS負(fù)荷控制方案中，壓力設(shè)定值是由機(jī)組的負(fù)荷指令根據(jù)鍋爐燃燒率對(duì)主汽壓力響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性確定的，而沒(méi)有考慮汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化對(duì)主汽壓力的影響。即

其中，P0為壓力設(shè)定值；N0為負(fù)荷指令。

這樣，機(jī)組在負(fù)荷變化過(guò)程中，主汽壓力要同時(shí)受到鍋爐燃燒率變化和汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化的影響，而壓力設(shè)定值在計(jì)算形成過(guò)程中卻沒(méi)有考慮汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化的影響，從而使壓力設(shè)定值與主汽壓力在負(fù)荷變化過(guò)程中不同步，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于鍋爐燃燒率變化和汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化對(duì)主汽壓力響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在傳統(tǒng)壓力設(shè)定值算法的基礎(chǔ)上，引入汽輪機(jī)壓力響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化對(duì)主汽壓力響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行修正，生成壓力設(shè)定值優(yōu)化算法，從機(jī)組能量轉(zhuǎn)換機(jī)理上徹底完善了在負(fù)荷響應(yīng)過(guò)程中汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，從而在某種意義上達(dá)到解耦的目的。具體解決方案如圖2所示。

圖2 基于模型解耦的壓力設(shè)定值算法回路

依據(jù)單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型在負(fù)荷變化過(guò)程中的機(jī)組負(fù)荷與主汽壓力響應(yīng)特性，以負(fù)荷指令變化趨勢(shì)與鍋爐負(fù)荷響應(yīng)特性趨勢(shì)偏差作為汽輪機(jī)在負(fù)荷響應(yīng)過(guò)程中的調(diào)節(jié)量計(jì)算汽輪機(jī)開(kāi)度變化的流量調(diào)節(jié)系數(shù)，再通過(guò)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化對(duì)主汽壓力響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性與在負(fù)荷變化過(guò)程中的機(jī)組負(fù)荷與主汽壓力的關(guān)系進(jìn)行修正運(yùn)算（依據(jù)負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型），形成最終的壓力設(shè)定值，從而達(dá)到解耦的目的。

4 狀態(tài)反饋控制

狀態(tài)反饋控制是通過(guò)對(duì)狀態(tài)變量控制方法進(jìn)行優(yōu)化形成的一種用于解決控制系統(tǒng)大滯后問(wèn)題的控制方法。提出的初衷是用于解決汽溫控制的大滯后問(wèn)題。其控制原理如圖3所示。圖3中，Xm為被控變量偏差，Ys為控制變量設(shè)定點(diǎn)，Ym為觀測(cè)（控制）變量，fx1、fx2、fx3為控制系數(shù)，fb1、fb2、fb3為狀態(tài)觀測(cè)系數(shù)；fbz為擾動(dòng)觀測(cè)系數(shù)。

圖3 狀態(tài)反饋控制原理

狀態(tài)反饋控制與狀態(tài)變量控制的本質(zhì)區(qū)別在于狀態(tài)反饋控制將狀態(tài)變量引入閉環(huán)控制中，同時(shí)對(duì)模型觀測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，可以從根本上解決控制系統(tǒng)的大滯后問(wèn)題。而狀態(tài)變量控制僅僅將狀態(tài)變量作為導(dǎo)前信號(hào)應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，具有一定的局限性。

在單元機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)中鍋爐的熱慣性比較大，其滯后特性不亞于汽溫控制，是影響控制品質(zhì)的主要因素。目前，有一些專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將預(yù)測(cè)控制理論應(yīng)用到單元機(jī)組負(fù)荷控制中來(lái)解決大滯后的問(wèn)題，取得了一定的效果，但由于需要外掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，成本高、開(kāi)放性和維護(hù)性差，工程推廣應(yīng)用還存在一定的困難。本文提出一種基于模型優(yōu)化的狀態(tài)反饋控制方法，把狀態(tài)反饋控制方法用于負(fù)荷控制中的主汽壓力控制，這是一種新的嘗試。

圖4是一種將狀態(tài)反饋控制應(yīng)用于典型的以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的壓力控制方法，它將狀態(tài)反饋控制與傳統(tǒng)的反饋、前饋控制相結(jié)合，解決負(fù)荷控制中的大滯后問(wèn)題。圖4中，Db為鍋爐燃料量；Ut為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度；Ub為鍋爐燃燒率；P0為壓力設(shè)定值；Pt為主汽壓力；DEB為直接能量平衡指令。

圖4 狀態(tài)反饋控制在CCS中的應(yīng)用框圖

5 仿真研究

采用本文所提出的模型優(yōu)化算法，搭建機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用上述控制方案進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)表明，該方法對(duì)提高負(fù)荷的響應(yīng)速率和主汽壓力的穩(wěn)定性、抑制控制系統(tǒng)超調(diào)效果顯著。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于單元機(jī)組負(fù)荷控制模型優(yōu)化的壓力設(shè)定值解耦算法和狀態(tài)反饋控制與傳統(tǒng)的反饋、前饋PID控制相融合應(yīng)用在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，能夠有效解決控制系統(tǒng)的耦合和滯后問(wèn)題。其意義在于：基于能量平衡機(jī)理，對(duì)單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了工程實(shí)用性優(yōu)化；提出了基于模型優(yōu)化的解耦方法；對(duì)狀態(tài)變量控制方法進(jìn)行改進(jìn)，形成一種新的狀態(tài)反饋控制方法，并應(yīng)用于單元機(jī)組負(fù)荷控制，解決其大滯后問(wèn)題。