大機組新型協調控制策略研究

摘 要：在大型火電廠，單元機組協調控制系統在實現電網調度自動化、提高火電廠經濟效益方面具有重要的作用，該系統是一個復雜的多變量控制系統，被控對象存在著非線性特性與不確定性干擾。文章對火電廠單元機組的特點、控制要求進行了分析，提出了一種基于模糊PID的協調控制方法，可以解決火電廠協調控制系統超調量大、調節時間長等問題，能夠提高火電廠相應過程參數的控制精度。

關鍵詞：協調控制系統；模糊PID控制；單元機組

引言

單元機組協調控制系統在實現電網調度自動化、提高火電廠經濟效益方面起著非常重要的作用。由于在鍋爐側存在著較大的滯后，而鍋爐側和汽機側又存在著強烈的耦合特性，因而對火電廠單元機組協調控制系統進行深入的研究具有很大的實際意義。本文對火電廠單元機組的特點、控制要求進行了分析，提出了一種基于模糊PID的協調控制方案，從而可以解決火電廠控制中存在的超調量大、調節時間長等實際存在的問題。基于模糊PID的協調控制方法主要是將模糊控制方法與傳統的PID控制方法相互結合，利用模糊控制理論整定PID控制器中的比例、積分和微分系數，即建立控制器參數整定的模糊規則表，利用模糊合成推理方法得到模糊控制決策表。最后對550MW單元機組協調控制系統進行了仿真研究，結果表明建立的參數模糊規則表合理，與常規PID控制器相比較，模糊PID控制器在系統響應速度和穩態精度等方面優于常規PID控制器。由于模糊PID控制器對系統模型的要求不太高，在有干擾信號或系統模型發生變化的時侯，它能夠滿足系統的要求，提高單元機組在壓力和溫度方面的控制精度。

1 協調控制系統

協調控制系統主要包括被控對象、局部子控制系統和機爐主控制系統。機爐主控制系統是整個協調控制系統的核心，它包含機爐主控制器、負荷管理中心兩個部分。機爐主控制器根據實際負荷與目標負荷的偏差信號來調節鍋爐的子系統，由機前壓力信號的偏差來調節汽機的子系統，根據汽機、鍋爐實際運行工況來選擇不同負荷控制方式；負荷管理中心是接收ADS負荷分配指令，改變負荷指令和電網頻率自動調整指令等外部指令，根據單元機組當時運行工況，同時在保證機組安全穩定運行條件下，向機組輸出實際的負荷指令，并限制機組的最低負荷與最高負荷，為保證機組安全運行進行甩負荷的保護。機爐子控制系統是協調控制系統的基礎，它的控制質量直接影響到負荷控制質量。單元機組協調控制系統組成框圖如下圖1所示。

圖1 協調控制系統框圖

2 模糊PID控制

模糊控制器和PID調節器相比較，模糊控制器具有更小的超調和更快的響應，且對過程參數的變化不敏感，即它具有很強魯棒性，能克服非線性因素影響。但是由于它受計算機的存儲量限制，只能夠取得有限控制等級，從而對模糊控制的精度提高有所限制，它被認為是一種粗糙控制器。然而PID控制的算法對多數的過程都會有較好的控制效果與其適應性，至今也仍在控制過程中得到廣泛的采用。

模糊PID控制器是對輸出的響應波形進行在線監控，從而求出控制性能指標，并且運用專家調整的知識來建立調整IF-THEN模型規則，同時采用模糊的邏輯推理來實時調整PID的參數，使PID控制器能夠適應其被控對象變化，并能夠獲得較好的控制性能。模糊PID控制器的結構形式有很多，它們的工作原理基本相同。在運用模糊數學基本方法和原理時，人們把規則的條件和操作用模糊集來進行表示，并且把這些模糊的控制規則和有關的信息作為知識存到計算機知識庫當中，計算機根據系統實際響應情況運用模糊推理，對PID參數自動進行最佳的調整。自調整模糊PID控制器是用偏差變化率ec和偏差e作為輸入，利用模糊控制規則對PID參數進行在線調整，從而構成自調整的模糊PID控制器，它的結構圖如圖2所示。

3 仿真研究

以某電廠550MW機組為例進行仿真試驗。文獻[5]中給出了550MW單元機組協調控制系統的線性化模型為：

對機組的線性化模型進行變量解耦，并采用Pade降階算法對鍋爐側和汽機側數學模型進行降階處理，降階后的等效數學模型如下。

汽機側等效傳遞函數

鍋爐側等效傳遞函數

機組的額定參數如下表1所示：

表1 額定參數

對負荷跟隨能力進行試驗：主蒸汽壓力定值PT=16.18 Mpa不變，t=1s 時，將機組負荷指令由額定功率 500MW 降至450MW，此時參數變化響應曲線如圖3所示。由圖知，負荷響應速度快，5分鐘左右就可達到負荷目標值；壓力波動范圍約為0.2Mpa，滿足機組實際運行要求。

a）功率響應曲線（N/MW） b）壓力響應曲線（PT/MPa）

c）燃料量變化曲線（B/%） d）調門開度變化曲線（ /%）

圖3 負荷跟隨能力仿真曲線

4 結束語

隨著電力工業的迅速發展，自動化水平的不斷提高，火電廠的單元機組要求具有快速調峰能力和電網自動發電控制。火電廠單元機組協調控制系統的控制對象是一個多變量的控制系統，具有大延遲、大慣性、復雜性、強耦合、時變性和非線性等特點。目前采用常規控制方法難以達到理想控制效果，本文對協調控制系統的原理、組成、控制要求、模糊PID控制器組成、解耦方法、協調控制系統在火電廠的地位及作用進行了闡述，對火電廠單元機組進行了數學建模和分析；建立了控制器參數整定模糊規則，應用Matlab搭建一個經過解耦、降階后的仿真模型，接著采用所建立的模糊PID控制器進行系統仿真，仿真結果表明該方法具有較好的控制效果。

參考文獻

[1]劉紅娜.單元機組協調控制應用研究[D].華北電力大學（北京），2008.

[2]李妍妍.SVM理論及其在船舶機爐協調智能中的應用研究[D].哈爾濱工程大學，2007.

[3]王東.330MW機組協調控制系統的優化與實現[D].華北電力大學（北京），2008.

[4]禹紅杰.火電機組協調控制系統研究[D].華北電力大學（北京），2010.

[5]Lu S，Hogg B W. Predictive coordinate design for Power-Plants steam pressure and Power output[J].Control eng.1997，5（l）：79-84.

[6]沈炯，陳來九.基于智能解耦的協調控制系統參數整定[J].中國電機工程學報，1993，13（4）：14-19.

[7]沈炯，陳來九.單元機組負荷控制系統的在線自整定[J].中國電機工程學報，1994，14（2）：13-19.

[8]陳朱娟.爐機協調控制的應用研究[D].東南大學，2010.

[9]王蕊.火電機組一次調頻特性的分析即仿真研究[D].北京交通大學，2009.

[10]阮靜.火電機組協調控制系統的研究與設計[D].大連理工大學，2006.

作者簡介：張鵬飛（1984，8-），男，籍貫：河北唐山，現職稱：助理工程師，學歷：工學學士（工程碩士在讀），研究方向：控制工程方向。