分布式控制理論在火電廠協調控制系統中的應用淺析

劉志杰

摘? ?要：火電廠的協調控制系統是一個多變量控制系統，它是火電生產系統的重要組成部分之一，不但復雜而且還具有很大的不確定性，呈現出強耦合性、大時滯性、非線性等特點。因此，對火電廠單元機組協調控制系統的優化研究具有非常重要的意義，本文基于分布式控制理論，重點剖析了分布式控制理論在火電機爐協調控制系統的應用前景，相較于傳統的集中式控制系統，分布式理論協調控制系統明顯更具優勢，能提供更好的控制質量。

關鍵詞：協調控制系統? 分布式? 穩定性

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0019-02

近幾十年來，隨著我國經濟快速發展，我們國家的電力事業也取得了非常大的成就，特別是是電力行業的科技水平更是不斷更新換代，在全球能源格局將來越朝著以電為中心轉變的今天，再電氣化表現為電力能源對化石能源的廣泛替代。伴隨著電驅動、電加熱、電取暖等技術和設施的迅猛發展，電力能源應用的范圍呈幾何式擴大。電力能源占終端能源消費比重在不斷攀升。從2019年中國發電量結構圖來看，火電占比高達72%。火電仍然在電力行業中占據主導地位，雖然近年來，國家大力提倡發展新清潔能源，并嚴格限制燃煤火電的發展，但是在未來很長一段時間內，火電還是電力能源領域的中流砥柱。火電廠是由很多系統和設備組成的，各個系統都可能對火電廠的經濟效益造成影響，而單元機組協調控制系統作為火電機組的重要組成之一，對整個火電廠的運行起著極其重要的作用。對單元機組協調控制系統的優化，能顯著的提高火電廠協調控制系統的控制品質。

1? 火電廠的協調控制系統

火電廠單元機組的協調控制系統包括以下三部分：

（1）機爐主控制系統;

（2）子控制系統;

（3）被控制對象。

一般來說，不同類型的單元機組，它的各個控制子系統都有所區別。火力發電機組的負荷指令處理機制包括選擇機組外部負荷指令，以及單元機組在運行設備確定安全的情況下最快響應機組負荷指令。基于實際機組功率信號偏差、機前實際主蒸汽壓力的偏差與機爐主控制器按負荷指令的處理給出的實際功率，按一定的規律進行集中計算，最后發出鍋爐和汽輪機指令，并將指令送回機爐子控制系統的回路。子控制系統的回路主要有兩個作用：一是消除內外擾動產生的各種參數變化;二是接受機爐主控器發出的指令信號，協調控制各個子系統統一協作。

火電單元機組的協調控制系統主要作用是：接受運行值班人員的負荷指令及電網頻率信號，及時反應，并滿足中調負荷的變化需要;協調機爐間的運行，在機爐功率波動時，保持機爐之間能量平衡，維持住機組主汽壓力的穩定性;協調系統內各個子系統的平衡，消除各種不利擾動，穩定火電單元機組的平穩運行。

火電單元機組協調控制系統的主要特性有以下四點：（1）不對稱性，這種不對稱性指的是在響應速度上的差異，它不但在結構上有所體現，在協調控制系統中的各種延遲和干擾都使得快速響應負荷指令有一定困難;（2）全過程性，全過程特性是一個客觀的事實，電力的產生是連續的，協調控制系統只要機組還在運行就應該持續運行，但就目前的協調控制水平來說還沒能夠達到全程不間斷運行的水平;（3）復雜性，協調控制系統中各被控對象的關聯里有很多變量具有耦合關系，控制對象是在動靜態之間隨時間變化的，并且協調控制系統之中還有很多隨機因素;（4）模糊性，根據實際設備情況，模糊地判別實際工作狀態的需要是協調控制系統的另一顯著特性。

火電單元機組協調控制系統目前最常見問題有：參數的整定、控制器的適應性、子系統的調整優化，很多火電廠單元機組型號一致，協調控制系統也相同，但協調控制的質量有很大差異，部分機組可能都不能正常工作，這里面最根本的原因是，協調控制系統的參數整定沒有很好的適應系統結構;單元機組的控制器適應性表現在日常運行的很多方面，比如主、輔設備運行狀態、工作環境的變化等等，要優化系統的適應性，必先接受先進理念，并在日常維護過程中注意對結構有意識的優化;單元機組協調控制系統的各個子系統的優化也十分重要，它們調試水平的好壞和參數整定是否適應系統都會直接影響到系統的控制品質。

2? 基于分布式控制理論的協調控制系統

現階段火電廠在實際生產過程中主要用到的系統方案有三類：第一類是基于多變量解耦理論的協調控制系統;第二類是以鍋爐控制為主的控制協調系統;第三類是基于汽機控制的協調控制系統。現今的控制理論研究越來越先進，出現了一些更前沿的控制算法，如模糊控制，魯棒控制，智能控制，分布式控制，本文主要討論分布式控制理論在鍋爐控制為主的協調控制系統的應用。

目前主流的調度控制方案大致有三種：集中式，分散式，分布式。傳統的電網調度方式主要就是集中式，在此方案中，控制中心匯總所有的用電負荷及發電機的信息，然后通過集中計算出最佳調度協調方案，再根據計算出的方案給所有發電機發出指令，盡管集中式的控制計算模式有很高的效率，但它的局限性也非常突出：（1）控制中心要有很強的計算能力去收集全部可控單元的信息;（2）此結構的魯棒性很差，只要有節點退出或加入系統，控制中心就需要做出對應調整;（3）控制中心的故障會導致整個系統出現故障。在分散式控制系統中，各受控對象只需采集本地信息就可以做出決策，而不必和其他子控制器進行信息交互。分散式的優點主要體現在：各個子控制器信息無需交互，所以整體控制成本較低，控制可靠性良好。分散式的缺點在于受控對象難以協調，只能實現一些簡單的控制功能。分布式的控制方式剛好能克服集中式與分散式的缺點，分布式控制對通信可靠性的要求不高，有較好的容錯性，也不需要中央控制器將全部對象相聯通，更不要求關聯的電源一定要存在聯系，但最終可以達到理想狀態下集中式系統的效果。

火電廠的單元機組協調控制系統在動態的調整過程中，外界擾動、不確定性和延遲都主要存在于鍋爐側，機爐的響應速度與復雜結構之間有著強烈的不對稱性。因此，分布式控制協調系統中理想的控制目標是協調機爐之間各個子系統的交互協作，充分保證系統運行的穩定，并實現單元機組的快速響應，以確保電網負荷的供需平衡。分布式控制系統是把整個系統依據其物理結構與動態特性的不同劃分為若干個子系統，以便將系統的狀態變量和控制變量進行劃分，并將控制系統的各個功能劃分為相應的子系統來實現預測控制，最終實現單元機組對電網負荷變化的快速響應。

3? 結語

電力始終是推動工業發展、社會福祉和改善醫療的驅動力，其重要性將會越來越大。交通和供暖等終端用戶行業的廣泛電氣化使電力成為世界能源供應中日益增長的支柱。本文在對火電廠內的單元機組現有控制系統的詳細調研之后，針對機爐控制協調系統的強耦合性、時滯性，探討分布式控制理論控制系統的可行性、優越性，可以看到基于分布式控制理論的協調控制系統具有很大的研究價值，且對于維護電網長期運行的穩定性具有非常深遠的意義。

參考文獻

[1] 張興華.鍋爐—汽輪機機爐協調控制系統在火電廠中的應用[J].江西建材，2016（17）：221，225.

[2] 高玉峰.火力發電廠鍋爐和汽輪機組協調控制策略研究[J].信息記錄材料，2019，20（8）：200-202.

[3] 高起棟.分布式預測控制理論在火電廠協調控制系統中的應用[J].能源與節能，2018（6）：174-176.