基于自抗擾Smith預估補償方法的超臨界機組再熱汽溫控制研究

崔曉波，劉久斌，朱紅霞，張軒振，顧慧，王亮

（南京工程學院能源與動力工程學院，江蘇省 南京市 211167）

0 引言

目前超臨界火電機組普遍存在再熱汽溫波動大、擋板自動難于投入以及噴水量大造成機組循環效率低等問題[1-3]，主要原因：一方面是擋板調節再熱汽溫存在大慣性、大滯后問題；另一方面由于擋板與噴水閥門以及負荷的變化均會帶來再熱汽溫系統的非線性特性問題。再熱汽溫系統擋板自動不能投入則汽溫調節主要依賴事故噴水，造成再熱器噴水量大，從而嚴重影響機組的經濟性。因此，設計再熱汽溫系統的先進控制策略十分重要。

國內外學者對再熱汽溫系統控制的研究分為兩類，一類研究未考慮擋板調節，僅考慮噴水調節，與主汽溫控制研究類似[4-6]。另一類考慮擋板調節集中在近5年內，所采用的控制策略大多基于預測控制[7-10]，而預測控制較復雜、計算量較大，通過DCS平臺實現相對困難。

該文以某電廠 600 MW 機組再熱汽溫系統為研究對象，基于現場實測數據，首先建立再熱汽溫系統的動態特性模型，其次將自抗擾控制(active disturbance rejection controller，ADRC)技術與Smith預估補償控制有機融合設計先進再熱汽溫優化控制系統，通過與目前實際DCS控制策略的比較，驗證了該控制策略的有效性。

1 再熱汽溫系統

考慮到機組經濟性的影響，目前再熱汽溫的調節手段主要采用煙氣側調節為主、蒸汽側調節為輔的方式。由于采用分隔煙道擋板調溫，結構簡單，操作方便，目前是主要的煙氣側調節手段；蒸汽側仍采用噴水減溫調節方式，考慮到再熱噴水減溫對經濟性影響較大，該調節方式僅做為超溫緊急事故噴水。

1.1 再熱汽溫擋板調節

再熱汽溫擋板調節原理如圖1所示，尾部煙道被分為兩側，A側煙道中包含低溫再熱器與省煤器，B側煙道中包含低溫過熱器與省煤器，煙道下方設置煙氣擋板，通過調節兩側的煙氣擋板開度改變兩側煙氣量的比例，從而改變低溫再熱器與低溫過熱器的吸熱比例，最終實現再熱汽溫的調節。

圖1 再熱汽溫擋板調節示意圖Fig. 1 Diagram of damper adjustment for reheated steam temperature

1.2 事故噴水調節

事故噴水調節原理如圖2所示，噴水來自給水泵抽頭，噴水閥門設置在低溫再熱器與高溫再熱器之間，分為A與B兩側，通過調節噴水閥門開度改變噴水量實現再熱汽溫的調節。

2 再熱汽溫動態特性模型

2.1 動態特性數學模型

圖2 事故噴水調節示意圖Fig. 2 Diagram of spraying water adjustment

通過采集現場階躍試驗的相關數據，采用系統辨識的方法建立再熱汽溫系統動態特性數學模型，所建立的模型分為擋板-再熱汽溫通道動態特性數學模型(式(1))和噴水-再熱汽溫通道動態特性數學模型(式(2))：

式中：YΔ為再熱汽溫變化量，℃；1UΔ為擋板開度變化量，%；2UΔ為事故噴水閥門開度變化量，%。

模型(1)與模型(2)所對應的穩態值見表1。

表1 模型穩態值Tab. 1 Steady-state value for the model

表1中的數據分別為現場試驗過程中的初始狀態值，包括負荷、煙氣擋板與事故噴水閥門初始開度以及再熱汽溫初值。

2.2 模型驗證

通過現場采集的試驗數據與模型(1)、模型(2)的計算輸出進行對比，對比結果如圖3、圖4所示。

圖3 擋板開度階躍響應實測值與模型計算對比曲線Fig. 3 Comparison curve between measured values and model calculation value for step response of damper opening

圖4 噴水閥門開度階躍響應實測值與模型計算對比曲線Fig. 4 Comparison curve between measured values and model calculation value for step response of spraying valve opening

從圖3與圖4中可以看出，擋板開度階躍與噴水閥門開度階躍模型計算值與實測值基本吻合，只有在個別時間段內存在一定偏差，模型計算精度較高，因此基于所建立的模型可以用于控制器的設計與仿真驗證。

3 先進再熱汽溫控制方案

3.1 ADRC技術

ADRC思想由韓京清先生于 1998年正式提出，該思想提出后，大量國內外學者圍繞ADRC技術進行了工程與理論研究，取得了較多實用性與理論性成果[11]。

ADRC技術的基本思想主要包括3個部分：1）非線性微分跟蹤器(tracking differentiator，TD)；2）擴張狀態觀測器(extended state observer，ESO)；3）非線性組合(nonlinear combination，NLC)。

二階非線性微分跟蹤器TD可由式(3)、式(4)表示：

式中：1v為輸入信號的跟蹤信號；2v為1v的微分信號；h為采樣時間；r為速度因子；h0為TD的濾波因子；fhan(?)為最優綜合控制函數。

由式(5)建立ESO方程：

式中：y為系統輸出；fal(?)為最優綜合控制函數的近似分段線性函數。

非線性誤差反饋控制策略NLC方程如式(7)—(9)所示：

式中0δ為間斷點。

3.2 Smith預估補償控制技術

Smith預估補償控制算法的基本原理是把系統的被控對象與一個純滯后的環節并聯，通過對被控對象的補償，實現等效傳遞函數無純滯后環節，加速調節過程和減少超調量，消除大滯后帶來的影響。實際工程上設計Smith預估器時，將其并聯在控制器D(s)上，得到圖5所示的形式。

圖5 Smith預估補償原理示意圖Fig. 5 Diagram of Smith predictive compensation principle

圖 5 中：R(s)、E1(s)、E2(s)、U(s)、Y(s)分別為設定值、偏差1、偏差2、控制量以及被控量的虛線部分是帶純滯后補償控制的控制器，其傳遞函數為

3.3 先進再熱汽溫控制方案

將ADRC技術與Smith預估補償控制有機融合，將其用于再熱汽溫系統控制器設計，具體控制方案如圖6、7所示。

圖6為先進再熱汽溫擋板調節控制結構，其中r為再熱汽溫設定值；r1與r2分別為二階微分跟蹤器的輸出v1與v2的值，由式(3)和式(4)計算；z1、z2、z3分別由擴張狀態觀測器式(6)計算；u0通過式(8)計算；最終的擋板開度指令 u1由式(9)計算得出。

圖6 先進再熱汽溫擋板控制原理圖Fig. 6 Advanced damper control principle for reheated steam temperature

圖7 先進再熱汽溫噴水調節原理圖Fig. 7 Advanced spraying water control principle for reheated steam temperature

圖7 為先進再熱汽溫事故噴水調節控制結構圖，基本結構與圖6類似，自抗擾部分控制計算與圖5相同，區別在于自抗擾參考輸入r0=r+rs，考慮到噴水調節為事故噴水，為了提高機組經濟性，在再熱汽溫設定值基礎上增加再熱汽溫正偏置修正，提高噴水調節設定值，實現小幅超溫范圍內僅采用擋板調節，大幅超溫時噴水協助調節的目的；另外從圖7可以看出，對于噴水減溫控制方案保留了串級控制策略，實現快速消除內擾的目的，對于Smith預估補償控制的設計需將“廣義對象”Gp(s)(虛線方框部分)作為整體被控對象進行補償設計；最終的噴水閥門開度指令u2由內回路的PI調節器計算得出。

上述先進再熱汽溫控制策略的設計是基于單個負荷點的模型設計的，當機組負荷變化時，對象的動態特性會發生變化，即：被控對象存在非線性問題。該問題可以通過多模型切換的方法來解決，基于不同負荷條件下設計相應控制器，在不同負荷區間切換或者加權連接[12]。

4 仿真研究

通過與常規DCS中的PID控制策略進行仿真實驗對比，來驗證所提算法的有效性，PID表達式采用 P+I/s+Ds，P為比例增益，I為積分系數，D為微分系數。為了比較的公平性，PID參數的整定通過粒子群優化算法基于時間乘以誤差絕對值積分(integrated time and absolute error，ITAE)性能指標優化計算得出。需要說明的是對于 ADRC控制器的設計需被控對象符合相應階次，本文采用 pade降階法[13]對原被控對象進行降階處理。具體控制器參數設定見表2。

表2 控制器參數設置Tab. 2 Controller parameter setting

仿真實驗包含2個部分：1）再熱汽溫設定值階躍響應對比實驗，驗證所提控制算法的設定值跟蹤能力；2）保持再熱汽溫設定值不變，在控制系統中加入定值擾動，測試所提算法的抗擾動能力。

圖8—10分別為設定值階躍再熱汽溫響應曲線、設定值階躍擋板開度曲線和噴水閥門開度曲線，從圖8—10中可以看出先進控制調節過程無震蕩，調節時間、調節精度均優于傳統PID控制。設定值階躍過程中先進再熱汽溫噴水閥門始終關閉，機組經濟性高于傳統PID控制策略。

圖8 設定值階躍再熱汽溫響應曲線Fig. 8 Curve of reheated steam temperature under set point step

圖9 設定值階躍擋板開度動作曲線Fig. 9 Curve of damper opening under set point step

圖10 設定值階躍噴水閥門開度動作曲線Fig. 10 Curve of spraying water valve opening under set point step

圖11 定值抗擾再熱汽溫度響應曲線Fig. 11 Curve of reheated steam temperature under constant disturbance

圖 11—13分別為定值抗擾再熱汽溫響應曲線、擋板開度曲線與噴水閥門開度曲線，從圖11—13中可以看出與傳統PID控制策略相比先進控制算法在定值抗擾動過程中無震蕩，調節時間短，調節精度高。先進控制在抗擾過程中，噴水閥門調節幅度較小，抗干擾結束后噴水閥門全部關閉，機組經濟性高于傳統PID控制。

圖12 定值抗擾擋板開度動作曲線Fig. 12 Curve of damper opening under constant disturbance

圖13 定值抗擾噴水閥門開度動作曲線Fig. 13 Curve of spraying water valve opening under constant disturbance

5 結論

通過ADRC技術與Smith預估補償控制的有機融合，設計了先進再熱汽溫控制策略，通過與傳統DCS控制方案進行仿真比較，該控制方法無論在設定值跟蹤特性還是抗擾動能力方面均優于傳統PID控制方案，調節速度與精度都得到提高，并且通過ADRC可以實現調節過程無震蕩，大大提高了再熱汽溫控制的穩定性；另外先進再熱汽溫控制方案在系統穩定時實現噴水閥門的全部關閉，提高了機組的經濟性。所提出的先進再熱汽溫控制方案易于在DCS平臺通過組態搭建實現，具有較大的工程應用價值。