衛(wèi)丹靖，田 亮，邊 防，張 全

(1. 華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，河北 保定 071003； 2. 京能康巴什熱電廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 550002)

“機跟爐”協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)參數(shù)整定規(guī)律研究

衛(wèi)丹靖1，田 亮1，邊 防2，張 全2

(1. 華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，河北 保定 071003； 2. 京能康巴什熱電廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 550002)

特殊情況下火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)需采用“機跟爐”控制方式維持主汽壓等關(guān)鍵參數(shù)的穩(wěn)定。研究一種利用機組簡化非線性動態(tài)模型直接求取控制器參數(shù)的方法。對模型進行工作點線性化，結(jié)合“機跟爐”控制系統(tǒng)框圖，推導(dǎo)出汽輪機側(cè)控制回路閉環(huán)條件下鍋爐燃料量對發(fā)電功率的開環(huán)傳遞函數(shù)，對其進行化簡可計算鍋爐側(cè)控制器參數(shù)，并可直觀地顯示出被控對象參數(shù)與控制器參數(shù)之間的變化規(guī)律。針對一330 MW機組進行調(diào)試，故障情況下協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)由“爐跟機”切換到“機跟爐”模式，蒸汽壓力迅速保持穩(wěn)定且發(fā)電負(fù)荷沒發(fā)生大的擾動，表明該方法得到的參數(shù)具有足夠的準(zhǔn)確度。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；機跟爐方式；參數(shù)整定；動態(tài)模型

0 引 言

火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)多是在“爐跟機”或“機跟爐”基本控制方案基礎(chǔ)上增加指令前饋、動態(tài)補償?shù)拳h(huán)節(jié)構(gòu)成的。為滿足電網(wǎng)AGC(自動發(fā)電控制)響應(yīng)速率要求，以“爐跟機”為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用最為普遍，但在特殊工況及一些特定條件下，仍需要采用以“機跟爐”為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[1]。

相對于“爐跟機”方案“機跟爐”協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠有效保證變負(fù)荷工況下主汽壓力的穩(wěn)定性，大幅減小鍋爐燃料量及汽溫、氧量等主要運行參數(shù)的波動，有利于機組安全經(jīng)濟運行[2]。上海外三1 000 MW超超臨界機組為降低發(fā)電煤耗[3]，汽輪機高壓缸進汽調(diào)節(jié)閥全開機組工作于純滑壓方式下，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)必須采用“機跟爐”方式；西門子“PROFI”火電機組優(yōu)化軟件其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也采用“機跟爐”基本方案[4]。

雖然國外內(nèi)學(xué)者提出多種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法，如：遺傳算法協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)魯棒PID參數(shù)尋優(yōu)[5]；DRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多變量自整定PID[6]；智能解耦協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)參數(shù)自整定等[7]。但由于現(xiàn)場情況相對復(fù)雜，仍然需要進行大量的調(diào)試及實驗工作。建立協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)與被控對象主要靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)之間的聯(lián)系，明確控制器參數(shù)的物理意義，是提高調(diào)試效率降低調(diào)試風(fēng)險的有效措施。針對亞臨界機組“機跟爐”協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，研究一種依據(jù)對象模型直接求取控制器參數(shù)的方法。

1 對象模型簡介

1.1 模型結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[8]給出了一種經(jīng)過驗證的火電單元機組燃料量、汽輪機調(diào)閥開度對機前壓力、發(fā)電負(fù)荷的模型。

式中：輸入變量：uB為鍋爐給煤量，t/h、uT為汽輪機高壓缸進汽調(diào)節(jié)閥開度，%；輸出變量：pt為機前壓力，MPa、NE為發(fā)電功率，MW；中間變量：rm為進入磨煤機的煤量，t/h；rB為吹出磨煤機的煤量，t/h；pd為汽包壓力，MPa；靜態(tài)參數(shù)：K1為燃料增益、K2為壓差擬合系數(shù)、K3為汽輪機增益；動態(tài)參數(shù)：τ為制粉過程遲延時間、Tf為制粉動態(tài)時間、Tt為汽輪機慣性時間；Cb為汽包蓄熱系數(shù)。

1.2 對象實例

依據(jù)LPS電廠機組設(shè)計及運行數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)，得到模型實例為

在MATLAB中SIMULINK環(huán)境下搭立對象模型，將變負(fù)荷工況下機組實際的燃料量、汽輪機調(diào)門開度信號作為輸入，對比模型輸出同機組實際的汽輪機前蒸汽壓力、發(fā)電負(fù)荷信號，如圖1所示[9-13]。

圖1 對象模型驗證曲線Fig.1 Verification curves of object model

在燃料量同汽輪機調(diào)閥開度均有較大幅度的變化的工況下，模型輸出同實際信號變化趨勢一致，機前壓力最大偏差小于±0.5 MPa，發(fā)電負(fù)荷最大偏差小于±7 MW。表明模型具有良好的復(fù)現(xiàn)性，能夠反映對象主要動態(tài)特性且具有足夠的精度。

2 理論推導(dǎo)

2.1 模型線性化

對模型進行工作點模型線性化，機組負(fù)荷-壓力的傳遞函數(shù)矩陣為[14]

(11)

將式(1)至式(5)寫成增量形式。利用小偏差線性化得到工作點附近的線性模型，求取增量方程的拉氏變換，化簡后得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)，其中：

式中：uB0為工作點處的燃料量，t/h；uT0為工作點處的汽輪機調(diào)門開度，%。

“機跟爐”協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)反饋回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。典型特點是爐側(cè)控制機組負(fù)荷，機側(cè)控制機前壓力。由于機側(cè)被控對象慣性和遲延相對較小，可以保證機前壓力的控制品質(zhì)；而爐側(cè)被控對象存在慣性大遲延，機組負(fù)荷控制品質(zhì)相對較差。

圖2 “機跟爐”協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic diagram of coordinated control system under turbine following boiler mode

2.2 簡化及假設(shè)

PID控制系統(tǒng)具有較強的魯棒性，被控對象結(jié)構(gòu)或參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時，不會對控制品質(zhì)造成明顯影響?；嗊^程中涉及的近似及假設(shè)條件，包括：

(1)串聯(lián)簡化。一個小慣性環(huán)節(jié)同一大慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)時，可忽略小慣性環(huán)節(jié)的慣性項。

(2)并聯(lián)簡化。一個小慣性環(huán)節(jié)同一帶有微分特性的大慣性大遲延環(huán)節(jié)并聯(lián)時，可忽略帶有微分特性的大慣性大遲延環(huán)節(jié)。

(3)簡單對象閉環(huán)等效傳遞函數(shù)。被控對象為小慣性環(huán)節(jié)時，優(yōu)化控制器參數(shù)可保證反饋值很好跟隨設(shè)定值，其閉環(huán)等效傳遞函數(shù)近似為1。

(4)復(fù)雜對象閉環(huán)等效傳遞函數(shù)。被控對象包含大慣性、大遲延、非最小相位環(huán)節(jié)時，參照Smith預(yù)估控制，將被控對象分解為簡單一階慣性環(huán)節(jié)同復(fù)雜慣性遲延非最小相位環(huán)節(jié)的串聯(lián)，閉環(huán)控制系統(tǒng)最終等效為簡單環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制回路同復(fù)雜環(huán)節(jié)的串聯(lián)，當(dāng)簡單環(huán)節(jié)閉環(huán)等效傳遞函數(shù)等于1后，只剩余復(fù)雜慣性遲延非最小相位環(huán)節(jié)。簡化過程如圖3所示，圖中Gc(s)為PID控制器，Gc′(s)為Smith控制器，Gp(s)為被控對象，Gp1(s)為被控對象中簡單一階慣性環(huán)節(jié)，Gp2(s)為被控對象中復(fù)雜慣性遲延非最小相位環(huán)節(jié)。

圖3 復(fù)雜對象閉環(huán)等效傳遞函數(shù)簡化過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of simplification process for closed-loop equivalent transfer function of complex object

2.3 機側(cè)等效被控對象

將“機跟爐”協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)機側(cè)開環(huán)，求取汽輪機調(diào)閥開度對機前壓力的傳遞函數(shù)，如圖4所示。

圖4 機側(cè)開環(huán)“機跟爐”控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural schematic diagram of turbine following boiler control system when turbine side is in open loop

令：

(16)

其中：

G21″(s)為簡單慣性環(huán)節(jié)，而G21′(s)為復(fù)雜慣性遲延非最小相位環(huán)節(jié)。計算圖4中輸出uB(s)對輸入NT(s)的傳遞函數(shù)：

(19)

根據(jù)近似條件，有

(20)

由式(16) ～ (20)可以推出

(21)

得到機側(cè)等效被控對象為

(22)

分析GT(s)，滿足簡化及假設(shè)條件中第(2)條?？梢缘玫綑C側(cè)等效被控對象近似為G12(s)。

2.4 爐側(cè)等效被控制對象

將“機跟爐”協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)機爐開環(huán)，求取燃料量對發(fā)電負(fù)荷的傳遞函數(shù)，如圖5所示。

圖5 爐側(cè)開環(huán)“機跟爐”控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural schematic diagram of turbine following boiler control system when boiler side is in open loop

根據(jù)近似條件，有

(23)

實際控制系統(tǒng)中，爐側(cè)機側(cè)雙閉環(huán)會對推導(dǎo)過程產(chǎn)生影響，但可以利用機側(cè)等效被控對象近似為G12(s)這一結(jié)論，結(jié)合式(23)推導(dǎo)得到圖5中輸出uT(s)對輸入pB(s)的傳遞函數(shù)：

(24)

進一步得到爐側(cè)等效被控對象為

(25)

2.5 控制器整定

工程上常使用的PID控制器包括關(guān)聯(lián)型PID(經(jīng)典型)和非關(guān)聯(lián)型PID[15]。關(guān)聯(lián)型PID控制器傳遞函數(shù)為

(26)

式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間；Kd為微分增益系數(shù)；Td為實際微分環(huán)節(jié)的慣性時間。

對于典型慣性對象，PID控制器工程整定原則是：Kp取對象增益的倒數(shù)，小慣性對象可適當(dāng)增強，大慣性對象則要適當(dāng)減弱；Ti取對象的慣性時間；Kd與Td的乘積取對象慣性時間的1/3。

機側(cè)控制器一般采用PI控制作用，由于對象慣性較小比例系數(shù)放大2倍，取

爐側(cè)控制器一般采用PID控制作用：

“機跟爐”協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，顯然爐側(cè)控制器參數(shù)更加難以整定。經(jīng)過以上分析，式(29)～(30)直觀地顯示出了爐側(cè)控制器參數(shù)與被控對象之間的對應(yīng)關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，在獲得對象模型的條件下，可以很容易地整定爐側(cè)PID控制器參數(shù)。

3 仿真與調(diào)試

3.1 仿真驗證

在MATLAB中SIMULINK環(huán)境下建立控制模型，對本文提出的“機跟爐”協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定方法進行驗證[16-19]。模型采用LPS電廠100%負(fù)荷時的機組數(shù)據(jù)。

計算后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下：

通過式(27)～(31)計算得到機爐側(cè)控制器參數(shù)如下：

構(gòu)建控制系統(tǒng)，進行仿真。其中圖6為功率定值擾動曲線，圖7為壓力定值擾動曲線。當(dāng)負(fù)荷指令以4.5 MW/min的速率變化30 MW時，實際負(fù)荷延遲120 s后開始跟隨指令變化，跟隨過程無超調(diào)無振蕩，最大動態(tài)偏差16 MW，變負(fù)荷機前壓力偏差小于0.1 MPa。當(dāng)壓力定值階躍變化0.4 MPa時，實際壓力快速跟隨壓力指令變化，響應(yīng)曲線呈現(xiàn)略有超調(diào)的“大小波”的形式，衰減率和超調(diào)量能夠滿足要求，負(fù)荷最大動態(tài)偏差小于30 MW。

圖6 功率定值擾動仿真曲線Fig.6 Simulation curves for disturbance of load set value

圖7 壓力定值擾動仿真曲線Fig.7 Simulation curves for disturbance of pressure set value

圖8 LPS電廠實際運行曲線Fig.8 Real operation curves in the LPS thermal power plant

3.2 實際應(yīng)用

LPS電廠330 MW機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括爐跟機協(xié)調(diào)、機跟爐協(xié)調(diào)、爐基機基本4種運行方式。將此方法整定得到的機側(cè)、爐側(cè)控制器參數(shù)設(shè)置到實際控制系統(tǒng)中。機組實際運行過程中，發(fā)生一臺磨煤機發(fā)生堵塞故障。圖8顯示故障時機組負(fù)荷、機前壓力設(shè)定值和實際值變化曲線。機組升負(fù)荷過程中，磨煤機發(fā)生堵塞時，實際進入爐膛的燃料量減少，導(dǎo)致機前壓力不正常地偏低；后由于一次風(fēng)壓升高磨煤機突然“吹通”，導(dǎo)致磨內(nèi)大量煤粉突然進入爐膛，機前壓力快速升高偏離設(shè)定值達(dá)到1.5 MPa(1 240 s處)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)自動退出爐跟機協(xié)調(diào)方式切為機跟爐協(xié)調(diào)方式。這時機前壓力快速變化以跟隨壓力定值，發(fā)電負(fù)荷出現(xiàn)一定擾動，但也開始緩慢跟隨負(fù)荷定值，系統(tǒng)快速重新恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，運行人員重新將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入爐跟機方式(1 440 s處)。

通過此次擾動證明，本文的“機跟爐”控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定方法能夠滿足現(xiàn)場要求，工程上切實可行。

4 結(jié) 論

依據(jù)工作點線性化后的火電機組簡化非線性動態(tài)模型設(shè)計機跟爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在滿足工程實用的假設(shè)條件下，對控制系統(tǒng)進行化簡得到機側(cè)閉環(huán)情況下爐側(cè)被控對象傳遞函數(shù)，并據(jù)此傳遞函數(shù)求得PID控制器參數(shù)，獲得了很好的實際應(yīng)用效果并由此得出結(jié)論：

(1)依據(jù)火電機組負(fù)荷-壓力對象簡化非線性動態(tài)模型直接求取“機跟爐”方式下協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的方法理論上成立，工程上可行。

(2)研究揭示了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)與被控制對象參數(shù)之間的對應(yīng)變化規(guī)律。

[1] 吳玉平，王永龍.機跟爐協(xié)調(diào)控制在300MW CFB鍋爐煤質(zhì)大幅波動時的應(yīng)用[J]. 中國電力，2008，12：42-45.

[2] WANG W，LI H X，ZHANG J T.Intelligence-based hybrid control for power plant boiler[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology，2002，10(2)：280 - 287.

[3] 楊勇平，楊志平，徐鋼，等.中國火力發(fā)電能耗狀況及展望[J]. 中國電機工程學(xué)報，2013,33(23):1-11.

[4] 魏向國.優(yōu)化控制系統(tǒng)PROFI在600MW火電機組中的應(yīng)用[D].保定：華北電力大學(xué),2012.

[5] 王爽心，楊輝，李亞光，等.協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID優(yōu)化控制與仿真研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27(35)：96-101.

[6] 孫靈芳，任棟，張玉恒，等.改進DRNN在單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)參數(shù)整定中應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備，2009，29(8)：106-109.

[7] 沈炯，陳來九．基于智能解耦的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)參數(shù)自整定方法 [J]中國電機工程學(xué)報，1993，l3(4)：13-19.

[8] 田亮.單元機組非線性動態(tài)模型的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2005.

[9] FLYNN M，MALLEY M.A drum boiler model for long term power system dynamic simulation[J].IEEE Transactions on Power Systems，1999，14(1)：209-217.

[10] GAO L，DAI Y P.A New Linear Model of Fossil Fired Steam Unit for Power System Dynamic Analysis[J]. IEEE Transactions on Power Systems， 2011，26(4)： 2390 - 2397.

[11] 劉吉臻，田亮，曾德良，等.660MW機組負(fù)荷-壓力非線性特性的分析[J]. 動力工程，2005，25(4)：533-536，540．

[12] 單英雷，陳洪剛，魯葉茂，等.660 MW超臨界火電機組建模與一次調(diào)頻[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2015，42(2)：97-103，110.

[13] 劉鑫屏，田亮，王琪，等.供熱機組發(fā)電負(fù)荷-機前壓力-抽汽壓力簡化非線性動態(tài)模型[J].動力工程學(xué)報，2014，34(2)：115-121.

[14] 劉芳,田亮.凝結(jié)水節(jié)流參與機組發(fā)電負(fù)荷雙重控制方案[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報，2014，41(2)：66-71.

[15] 謝謝，曾德良，劉吉臻，等.基于遺傳算法的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)魯棒PID參數(shù)尋優(yōu)[J].動力工程學(xué)報，2010，30(12)：937-940，959.

[16] 項丹，劉吉臻，李露，等.基于非線性內(nèi)?？刂频闹绷鳡t機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2014，41(5)：82-88.

[17] 劉鑫屏，田亮，秦治國.一種工程化的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)解耦控制方案[J].電力科學(xué)與工程，2014，32(1)：74-78.

[18] 谷俊杰，冀乃良，曹曉威，等.超臨界機組協(xié)調(diào)控制方法研究及模型分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2013，40(2)：73-77.

[19] 江溢洋，王東風(fēng).基于改進逆向解耦的超超臨界機組機爐協(xié)調(diào)控制[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2014，41(5)：89-94.

Rules of Parameters Setting for Coordinated Control System Under Turbine Following Boiler Mode

WEI Danjing1,TIAN Liang1, BIAN Fang2, ZHANG Quan2
(1. School of Control and Computer Egineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2.JingNeng KangBaShi Thermal Power Plant, Erdos 550002, China)

Coordinated control system in turbine following boiler mode of a thermal generator unit was adopted to maintain the key parameters, such as main steam pressure, stable in special conditions. This paper studied a method which uses simplified nonlinear dynamic model to calculate controller parameters. By linearizing the operation point of the model, combining the block diagram of turbine following boiler control system, the open-loop transfer function of generating power versus the fuel quantity of the boiler under closed-loop conditions of turbine side control loop was deduced. By simplifying the transfer function, the parameters of boiler side controller were calculated and the change rules of the controller parameters and controlled object parameters could be revealed intuitively. By debugging a 330 MW generator unit in the fault state, the authors found that the coordinated control system was switched to turbine following boiler mode from boiler following turbine mode. The experiment results show that the steam pressure can be maintained stable quickly and the generating load has no large disturbance. So the parameters gained by the method have enough accuracy.

coordinated control system；turbine following boiler mode；parameter setting；dynamic model

2015-12-13.

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2012CB215203).

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.06.14

TP273

A

1007-2691(2016)06-0091-06

衛(wèi)丹靖(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為火電機組建模與控制。