國電科學(xué)技術(shù)研究院銀川電力技術(shù)分院 李健

模型預(yù)測控制提高機組AGC品質(zhì)

國電科學(xué)技術(shù)研究院銀川電力技術(shù)分院 李健

針對某電廠330MW機組存在負荷升降速率低、負荷調(diào)節(jié)精度不理想及當煤種變化時控制系統(tǒng)不穩(wěn)定等實際問題，提出了基于模型預(yù)測控制技術(shù)的先進協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明，先進的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有效提高了機組AGC功能指標，減小了關(guān)鍵參數(shù)的波動，提高了機組運行的穩(wěn)定性及對煤種變化的自適應(yīng)能力。

自動發(fā)電控制；能量平衡；預(yù)測控制器

隨著電網(wǎng)容量的增加和區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線潮流的交換，為了維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，電網(wǎng)對發(fā)電機組的自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）要求越來越高。電網(wǎng)對機組AGC功能的主要指標要求有：響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)誤差及各主要被調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)指標滿足相關(guān)規(guī)程的要求。寧夏某電廠2臺330MW機組，分散控制系統(tǒng)采用上海新華公司的XDPS-400+系統(tǒng)，機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的“負荷指令前饋”+“PID反饋”的技術(shù)方案。電廠響應(yīng)電網(wǎng)要求，投運AGC系統(tǒng)，期間發(fā)現(xiàn)AGC系統(tǒng)受煤質(zhì)變化等影響，調(diào)節(jié)品質(zhì)無法滿足電網(wǎng)技術(shù)要求。本文將對控制系統(tǒng)存在的問題進行分析，提出了基于模型預(yù)測控制技術(shù)的先進協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的改進方案。

1 原控制系統(tǒng)存在的問題

該廠2號機組在投運先進協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)之前，實際AGC變負荷速率僅為1%e/minP左右（寧夏區(qū)域電網(wǎng)要求AGC變負荷速率不小于2%e/minP），大負荷變工況時主汽壓力波動比較劇烈，偏差最大在1MPa左右，且穩(wěn)定時間過長，主蒸汽溫度和爐膛壓力等關(guān)鍵參數(shù)波動也大，導(dǎo)致燃料系統(tǒng)和風煙系統(tǒng)反復(fù)調(diào)節(jié)，機組運行不穩(wěn)定。通過綜合分析，影響該廠2號機組AGC品質(zhì)指標的主要原因有以下幾方面：

（1）DEH閥門流量特性不準確，存在較大偏差，導(dǎo)致負荷跟不上突變；

（2）燃用煤種變化頻繁，機組被控對象動態(tài)特性變差，常規(guī)PID系統(tǒng)很難對機組的大延時、大慣性和時變復(fù)雜的被控對象進行有效控制。

針對該廠2#機組主要由于煤質(zhì)變化頻繁、鍋爐響應(yīng)遲緩，慣性大導(dǎo)致的鍋爐側(cè)能量供給無法滿足汽機側(cè)能量需求，加劇汽機和鍋爐兩個互為耦合關(guān)系的系統(tǒng)的不匹配，影響到負荷響應(yīng)及鍋爐的穩(wěn)定，導(dǎo)致AGC系統(tǒng)無法穩(wěn)定、達標運行的現(xiàn)狀，本文提出了以能量需求為核心、以模型預(yù)測控制為手段的先進協(xié)調(diào)控制策略，以能量需求消除煤質(zhì)變化頻繁的影響，以模型預(yù)測控制消除鍋爐響應(yīng)遲緩、慣性大帶來的主汽壓力劇烈波動。

2 基于模型預(yù)測控制的協(xié)調(diào)控制策略

先進協(xié)調(diào)控制策略采用直接能量平衡（DEB）方式下的爐跟隨控制，能量平衡信號Ps×P1/Pt為鍋爐指令，鍋爐熱量信號P1+dPb/dt為鍋爐反饋，前饋增強燃燒，模型預(yù)測控制器CC替換原有的鍋爐主控的PID控制器作為主控制器；DCS側(cè)增加無擾切換邏輯和畫面投切按鈕、通訊監(jiān)視點，控制策略如圖1所示。

圖1 先進協(xié)調(diào)控制策略

圖中：NS—負荷設(shè)定值，AGC方式為AGC指令；LN—負荷升降速率；PS—壓力設(shè)定值；PT—機前壓力；P1—調(diào)節(jié)級壓力；Pb—汽包壓力；SP—能量需求；PV—鍋爐反饋；CC—模型預(yù)測控制器；Co—控制器輸出。

2.1 能量信號構(gòu)建

SP：表示在不同運行工況下汽機的能量輸入，即汽機對鍋爐的能量要求。包括負荷設(shè)定和主蒸汽壓力設(shè)定的增強燃燒所需的能量，以及鍋爐指令所需的能量。

SP=??

PV：鍋爐反饋的熱量釋放信號，代表了進入鍋爐的燃料量和風量，間接表述了鍋爐供應(yīng)的能量。

PV=??

2.2 模型預(yù)測控制器

模型預(yù)測控制具有依據(jù)調(diào)節(jié)回路數(shù)學(xué)模型建立預(yù)測控制的特點，可以很好地解決調(diào)節(jié)系統(tǒng)延遲大、慣性大的問題[1]，其原理圖如圖2所示。

圖2 模型預(yù)測控制原理圖

其中：F為一階濾波器，Q為先進控制器，P為控制對象，PM為對象模型，r、u、y分別為給定輸入、控制量和輸出，ym為模型輸出。

Q為先進控制器，是一種增量算法，以對象的階躍響應(yīng)離散系數(shù)為模型，從而避免了通常的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程模型參數(shù)的辨識，又采用多步預(yù)估技術(shù)，能有效解決時延過程問題，又有在求取Q時無需考慮對預(yù)測誤差的修正，即反饋校正，該環(huán)節(jié)通過反饋濾波器F來體現(xiàn)。

F是專門針對模型失配和擾動設(shè)置的，主要解決魯棒穩(wěn)定、魯棒跟蹤和魯棒性能三個問題[2]，采用一階低通濾波器。

2.3 系統(tǒng)通訊

先進控制系統(tǒng)配置一臺服務(wù)器，實現(xiàn)控制策略組態(tài)，并完成與DCS系統(tǒng)進行相關(guān)回路的數(shù)據(jù)采集與傳輸，采用OPC通訊協(xié)議。在該系統(tǒng)中，確定通訊的主要變量如表1所示。

表1 先進控制系統(tǒng)與DCS的通訊變量

在DCS側(cè)增加無擾切換邏輯，畫面設(shè)置投切按鈕、通訊監(jiān)視點，根據(jù)運行需要設(shè)置先進控制系統(tǒng)的投入和退出。

3 預(yù)測控制應(yīng)用效果

先進控制系統(tǒng)投運后，經(jīng)過一段時間的現(xiàn)場調(diào)試，調(diào)節(jié)模型預(yù)測控制器部分參數(shù)，使控制效果達到最優(yōu)后，正式投入運行，參與電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)。圖3、圖4分別為先進控制系統(tǒng)在AGC升負荷和降負荷階段的調(diào)節(jié)過程曲線，由圖3和圖4所示，機組功率能夠快速、準確響應(yīng)AGC負荷指令，且機組參數(shù)（主汽壓力、主汽溫度）運行穩(wěn)定。

圖3 AGC升負荷調(diào)節(jié)過程曲線

圖4 AGC降負荷調(diào)節(jié)過程曲線

表2 AGC負荷調(diào)節(jié)過程參數(shù)

調(diào)節(jié)過程參數(shù)如表2所示，AGC升負荷速率和降負荷速率分別為2.07%e/minP、2.03%e/minP，主汽壓力波動在0.5MPa以內(nèi)，主汽溫度波動在6℃以內(nèi)，達到電網(wǎng)相關(guān)規(guī)定的要求，并能保證機組安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

該廠2號機組采用的基于模型預(yù)測控制的先進控制系統(tǒng)有效調(diào)高了機組的負荷響應(yīng)能力，調(diào)高AGC功能品質(zhì)指標，能夠滿足電網(wǎng)AGC功能要求，減小了關(guān)鍵參數(shù)的波動，提高了機組運行的穩(wěn)定性及對煤種變化的自適應(yīng)能力。

模型預(yù)測控制策略能有效克服機組運行時大延時、大慣性和煤種頻繁變化的特性，該類型的先進控制系統(tǒng)對具有同類問題的機組具有借鑒意義。

[1] 雎剛, 韋紅旗, 陳紹炳, 徐治皋. 單元機組負荷多變量模型預(yù)測控制[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2002, (4): 144 - 148.

[2] 王國玉, 韓璞. 預(yù)測控制及其在熱工過程控制中的應(yīng)用[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2002, (5): 53 - 56.

Improvement of Quality of Unit AGC Based on Model Predictive Control

According to the problems of low load fluctuation rate, unsatisfied load regulation accuracy, and instability of control system under coal type change in the 330MW power plant, this paper presents an advanced coordination control system based on model predictive control technique. The practical application shows that this system can improve the performance of AGC, reduce the critical parameter fluctuations, and improve the stability of unit operation and adaptive capacity when the coal type changes.

The advanced control system; Energy balance; Predictive controller

李?。?983-），男，工程師，碩士，現(xiàn)就職于國電科學(xué)技術(shù)研究院銀川電力技術(shù)分院，從事發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)試驗研究工作。