電廠直接空冷系統汽輪機背壓的控制方法

王宏宇 白 焰

(華北電力大學控制與計算機工程學院,北京 102206)

電廠直接空冷系統汽輪機背壓的控制方法

王宏宇 白 焰

(華北電力大學控制與計算機工程學院,北京 102206)

針對傳統PID對直接空冷系統背壓控制效果差的問題，提出一種基于動態矩陣控制算法的直接空冷系統汽輪機背壓控制方法。根據動態矩陣控制算法建立了背壓控制器模型，并將它與PID控制的背壓控制效果進行了仿真對比，結果表明：與傳統PID控制相比，動態矩陣控制算法的響應更快、更穩定。

背壓控制 汽輪機 直接空冷系統 動態矩陣控制算法 PID

電廠是用水大戶，當采用循環供水系統時，每1 000MW機組電廠耗水指標為1m3/s。因此，當在缺水地區建設電廠時，許多電廠以水定電，即根據可取得的水量決定建廠規模。相對于傳統的濕冷機組，電廠直接空冷系統在冷端系統采用空氣作為冷卻介質，沒有冷卻塔蒸發、風吹和排污損失，以節水65%以上的優勢在一次能源蘊藏豐富而水資源相對缺乏的地區與領域(如煤化工行業)具有巨大的應用前景[1～4]。

設計背壓的選擇對于直接空冷系統汽輪機的設計制造和直接空冷系統的優化設計是至關重要的，也是業主、制造廠家和設計單位所關心的重要技術問題之一，它直接影響整個機組的經濟性和安全性。機組背壓增加，會導致機組降負荷運行，嚴重時甚至會造成停機[4～6]。因此，對直接空冷系統汽輪機背壓的控制進行研究具有重要的實際意義。

由于直接空冷凝汽器安裝在室外，暴露于自然環境之中，因此環境溫度和環境風對直接空冷系統的背壓將產生很大影響。實際生產中，直接空冷系統是一個非線性、時變、多變量、大時滯對象，很難直接對它建立精確的數學模型，因此傳統的PID控制不能達到理想的控制效果[7]。預測控制算法是一種基于模型、滾動優化并結合反饋校正的優化控制，具有控制效果好、魯棒性強和對模型精確性要求不高的優點，能有效解決時延問題，適用于直接空冷系統[8～11]。因此，筆者基于預測控制算法，提出一種適用于直接空冷系統汽輪機背壓控制的方法，以克服傳統PID控制的缺陷，提高背壓控制效果。

動態矩陣控制(Dynamic Matrix Control,DMC)算法是預測控制算法中一種重要的方法，它由預測模型、滾動優化和反饋校正3部分組成(圖1)[9]。DMC算法采用工程上易于測取的被控對象的階躍響應作為模型，算法簡單，計算量較少，魯棒性較強。

1.1預測模型

DMC算法首先對控制對象的階躍響應進行采樣，得到采樣值集合a{a1,a2,…,an}并將它作為DMC算法的模型參數，其中ai(i=1,2，…，n)為iT時刻的采樣值，T為采樣周期。

j-1),i=1,…,N

1.2滾動優化

DMC通過優化確定其算法，其k時刻的優化性能指標可表示為：

圖1 動態矩陣控制算法

其中，w(k+i)為k時刻給定的k+i時刻的期望值，qi、rj分別為誤差權系數和控制權系數，M、P分別為控制時域與優化時域。

1.3反饋校正

該誤差信息反映了對象模型中對輸出造成影響的不定因素，可以將它加入到控制模型中來補充預測結果，如修正未來輸出的預測：

2 控制器設計與仿真

直接空冷系統采用調節變頻風機轉速的方法對背壓進行控制。根據文獻[7]中的數據模型，通過辨識得到的系統階躍響應模型為：

A(z-1)=a1z-1+a2z-2+…+aN-1z-(N-1)+

aNz-N,N=100

當直接空冷系統近似為一階慣性加純滯后環節時，其時間常數T=25.142，系統反應時間過長。此時，使用DMC算法使閉環系統的響應速度加快，即當控制權系數rj=0時，系統可近似為一階慣性環節，其時間常數T*≤4。

采樣周期取T0=1s，經采樣保持后系統的傳遞函數G(z)為：

其中，σ=exp(-T0/T),l=τ/T，τ為純滯后。

可以得到，當P≤7時，T*≤4。

以調節時間最短為優化目標，利用Matlab優化PID參數(比例帶δ=7.661，積分時間常數TI=28.01，微分增益KD=14.83，微分時間常數TD=0.9619)，并將其仿真效果與DMC算法(控制權系數r=1，優化時域P*=7)對系統的控制效果進行對比，結果如圖2所示。

圖2 PID控制與DMC算法的仿真結果對比

選取階躍響應作為控制系統輸入信號，測定閉環控制系統的動態性能見表1。DMC方法具有更快的速度響應輸入信號，可以更快地使系統達到穩定，并具有更好的平穩；與傳統的直接空冷PID控制方法相比，DMC方法具有更好的控制效果。

表1 控制系統動態性能指標

3 結束語

筆者基于預測控制算法的優點，提出將預測控制中的DMC算法應用于直接空冷系統的背壓控制中，根據直接空冷系統模型參數，設計出相應的DMC控制器。通過對DMC控制系統與PID控制系統的控制效果進行比較，發現DMC控制系統比PID控制系統具有更好的快速性、平穩性，DMC在直接空冷系統汽輪機背壓控制中具有良好的應用價值。

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ControloverSteamTurbineBackPressureinAir-cooledPowerPlantBasedonPredictiveControl

WANG Hong-yu, BAI Yan

(SchoolofControlandComputerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

Considering poor control effect of the conventional PID control over the back pressure of air-cooled system, a dynamic matrix control (DMC)-based back-pressure control method for the steam turbine of the air-cooled system was proposed, including the DMC-based model for the back-pressure control. Having it compared with the control effect of PID control shows that, as compared to the conventional PID control, the DMC algorithm’s response speed is faster and more stable.

back-pressure control, steam turbine,air-cooled system, DMC,PID

TH862+.6

A

1000-3932(2016)06-0584-03

2016-01-05(修改稿)