基于預測控制的超超臨界直流機組協調控制系統優化方法研究

胡建根+尹峰+李泉+吳功興

摘 要 本文研究了超超臨界直流機組協調控制系統的優化方法，首先分析了其協同控制中存在的問題，然后提出了基于預測的協同控制系統優化方法，從閉環控制的核心組件、特性參數以及運行模式等方面運用預測方法對其進行優化，能夠使機組功率反應速度進一步提高，同時進一步降低熱能動力的損耗。

關鍵詞 協調控制系統 優化 預測控制 超超臨界直流機組

中圖分類號：TM621.3 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.03.014

Abstract This paper studies the ultra supercritical unit coordinated control system optimization method， firstly analyzes the existing problems in the cooperative control， and then puts forward the collaborative optimization method based on predictive control system， from the aspects of core components， the closed-loop control parameters and operation mode， etc. to optimize the use of prediction method， can make the power unit the reaction speed is further improved， and further reduce the thermal power loss.

Keywords coordinated control system； optimization； predictive control； supercritical DC unit

0 引言

電網與電廠作為電力傳輸的主要企業，其聯系非常緊密，一方面電網希望電廠能夠具有較快的功率響應速度，同時其機組能進行實施調整；另一方面對于電廠來說，其關心的是機組能否正常的工作，由于對頻率和峰值的調整會影響機組受力的變化，并由此產生熱力沖擊，使蒸汽閥被壓損的可能性增大，同時提高了電廠自身運營的成本。基于此，新的機組生產過程控制技術的研究與開發迫在眉睫，通過這種技術，能使機組功率反應速度進一步提高，同時進一步降低熱能動力的損耗。[1]

為了滿足電力用戶的需求，電網和電廠的運行模式都有適當的要求。在德國，DVG （Deutsche Verbund Gesellschaft）要求入網機組在一次調頻動作時，能夠在30s內增加機組出力的5%，其中的一半即機組出力的2.5%要在一次調頻動作后的5s內達到。[2]在國內，以華東電網為例，華東電網出臺了“兩個細則”，對并網機組的一次調頻按照一次調頻功能、投運時間、一次調頻性能等進行考核。每次機組的調頻指標按以下規律進行，即月平均值應不低于60%，而對于小于60%的機組則采用另外的考核方式，即電量考核形式；對機組AGC（自動發電控制）運行則根據機組AGC平均調節速率、AGC調節精度進行考核。以調節精度為例，如果日平均調節精度系數小于0.8，將進行電量考核。這些要求對并網機組都有一定的難度。

1 機組控制存在的問題分析

（1）磨煤機磨出煤粉后進入爐膛，鍋爐中的熱量釋放是經常波動的，即便制粉系統在手動控制方式下。另外，煤粉的發熱量也是經常變化的；

（2）制粉系統的動態特性受制于眾多因素，包括煤粉的成分、細度、濕度和給煤機的轉速等。

通常制粉系統的延遲時間在一分鐘到幾分鐘的范圍，上述兩個問題對于機組控制的困擾是顯而易見的，無法重現的制粉系統動態特性和不精確的鍋爐燃燒控制。圖1展示了機組協調壓力控制的關鍵部分，被控系統是一個具有高階滯后環節的系統，只有通過控制器調節來實現穩定。這意味著在當前模式下，控制器不能切換到手動狀態，因為主汽壓力可能波動到最大或最小值，從而迫使控制結構轉變為初壓模式。如果受控系統的所有參數可以穩定的獲得，控制器的設計就不會麻煩。問題在于重要的時間常數時常會變化，這些時間常數包括制粉系統的動態特性、鍋爐升壓或降壓的慣性參數。如果控制器的控制參數是常數，一旦主要參數發生變化，如制粉系統的慣性時間，將不可避免的引起系統穩定性問題。此外，受制于磨煤機的慢速響應，一旦磨煤機輸出的煤粉量發生波動，僅僅依靠調節器的輸出改變是無法來補償的。事實上，如果調節器的輸出變化幅度加快，反而引起系統的波動。簡而言之，如果閉環控制的響應比擾動響應慢很多，控制系統無法很好的克服擾動，從而導致鍋爐燃燒持續的不穩定。

圖1中反饋控制由3個控制環路組成，這幾個環路必須精確的匹配。汽輪機功率控制（包括汽機調閥位置控制）和凝結水節流控制（包括到除氧器和低加抽汽調閥的控制）倒還不是問題，因為這些控制迅速且模型參數都容易獲得。基于模型的鍋爐主控才是最重要的，前饋控制的參數是鍋爐熱負荷設定值。

傳統協調控制最薄弱的環節在于，具有高階慣性的鍋爐燃燒系統，卻要控制主汽壓力。鍋爐熱負荷指令通過制粉系統（數分鐘的慣性時間）轉換為熱能，這中間要經過受熱面換熱、工質傳輸，最后鍋爐升壓。這是一個具有高階慣性的系統，開環控制會引起波動，必須通過控制器的調節才能使系統穩定。如果相關的所有參數是已知的，上述目標不難實現。即一旦制粉系統的動態特性、鍋爐燃燒的動態特性和鍋爐燃燒升壓時間是確定的，基于模型的控制器可以將主汽壓力控制在設定值。但如果一個關鍵參數（如制粉系統的延遲時間）發生變化，除非控制器重新整定，否則系統就很難穩定。可見這種類型的控制系統魯棒性不高。

此外一個問題在于鍋爐燃燒的波動。鍋爐燃燒率在1-2分鐘內波動€？%，則慢速的制粉系統無法補償。反饋控制器調節器的輸出幅度越大，系統的紊亂就越厲害。即連續的小波動被放大，增大了系統設備的磨損。制粉系統始終處在動態，出口煤粉細度增大，飛灰含碳升高，鍋爐燃燒效率下降。一旦發生大的擾動，將導致系統長時間不穩定、主汽壓力和汽溫偏差增大，增大機組跳機的危險。

2 基于預測的新型協調控制方法

為了解決以上問題，本文所采取的技術如下：將BP神經網絡、預測控制技術綜合應用到火電機組中來。目前AGC實時優化控制系統集成了多種國內外優秀的系統控制方法，是針對以上機組控制中存在的問題與難點設計研發的高級控制系統。該先進控制系統具有的主要特點如下：

2.1 機組閉環控制的核心技術使用預測的方法處理

該系統從全局上看，采用目前比較流行的綜合前饋與反饋的控制形式，然而與一般控制系統相比，其主要區別是預測控制技術的應用，能夠解決一般DCS反饋控制系統滯后性的問題，替換了原來常規的PID控制系統。該技術的應用，主要技術特點表現如下：對于主汽壓力、汽溫等參數隨時間的變化情況能進行有效預測，再根據相關參數的變化情況進行調整與監測，進一步提升機組AGC控制系統的閉環穩定性和抗擾動能力。

2.2 重要運行參數的全天候自適應修正

常規DCS的控制回路，當其控制參數確定后，隨著時間變化不會再改變，因此若今后機組運行環境發生變化則影響巨大；而AGC優化控制系統所采用的神經網絡算法是一種具有競爭性網絡的系統，能夠在訓練中不斷學習并自適應調整機組中與控制相關的參數變化，燃料熱值、汽耗率、機組滑壓曲線、中間點溫度設定曲線、制粉系統慣性時間等重要控制參數均可通過該算法自動校正，其后根據以上參數的變換情況，計算AGC優化控制系統中與之相關的閉環回路控制參數，保證系統不斷進行在線學習，使其與控制相關的性能逐漸逼近最優值。

2.3 進一步優化了AGC運行方式

常規DCS控制方案不區分機組運行CCS方式和AGC方式，由于AGC優化控制系統中包含了特別優化模塊，其作用如下：嵌入了智能預測方法，一方面通過分析比較機組當前的AGC指令、實發功率、電網頻率等參數，對“調度EMS系統AGC指令”未來的變化情況進行預測；另一方面記錄機組的燃料量、風量、給水流量等參數并進行測試與挖掘，對表征鍋爐做功能力的“鍋爐熱功率信號”未來的變化情況進行預測，通過以上兩者的關聯匹配程度來調整鍋爐指令的變化量。相關應用實踐結果表明：增加AGC模式特別優化模塊后，在不影響AGC負荷響應速度的基礎上能明顯減小機組燃料量、風量、給水流量、減溫水流量的波動幅度，且能有效延長鍋爐管材壽命，減少爆管情況發生。

2.4 獨立硬件平臺的建立，安全性和兼容性顯著提升

AGC優化控制系統主要建立了獨立的硬件平臺，采用了modbus通訊方式，將其作為一個擴展的DPU融入到DCS系統中。此外，DCS原有的控制邏輯單元不發生變化，只是增加少量切換邏輯，工作人員可以便利地在DCS系統和AGC優化控制系統間進行無干擾的切換。同時，對該擴展部分控制邏輯的測試、修改對機組的正常運行不產生影響，因此能極大地提高優化控制系統的調試效率和機組運行的安全性，也為今后新技術的應用升級奠定了堅實的基礎。

3 結論

本文針對超超臨界直流機組協調控制系統的設計，首先分析了其協同控制中存在的問題，然后提出了基于預測的協同控制系統優化方法，從閉環控制的核心組件、特性參數以及運行模式等方面運用預測方法對其進行優化，能夠使機組功率反應速度進一步提高，同時進一步降低熱能動力的損耗，具有極大的現實應用價值。

參考文獻

[1] 李建，戴錫輝.600MW機組協調控制系統優化.華電技術，2013.35（6）：25-36.

[2] 吳桐國，王友權.協調控制系統在伊敏發電廠中的應用.電力技術，2010.19（19）：86-90.