基于耦合對象控制需求解析及仿人修正的協調控制方法應用

王錫輝， 陳厚濤， 盛杰， 周科， 朱曉星， 王志杰， 何洪浩

(1. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院， 高效清潔火力發電技術湖南省重點實驗室， 長沙410007; 2. 西安熱工研究院有限公司， 西安 710032)

構建新型電力系統是能源領域實現“雙碳”目標的重要途徑[1-4]。電力系統的電源結構將發生深刻變化，火電成為保障性和調節性電源，調峰屬性進一步明確[5-7]。燃煤機組的穩定性和靈活調節性可以有效彌補新能源發電的隨機性和間歇性[8-9]，相對應的，燃煤機組通過深度調峰在輔助服務市場中獲得回報[10-11]。

煤電機組的寬負荷運行經濟性和調節能力決定了市場競爭力。頻繁變負荷、長時間低負荷運行常態化以后，機組的自動化水平和調節品質以及應對異常工況的能力[12]是保障機組安全性和降低運行人員監盤工作強度的關鍵因素。歐美國家火電機組靈活性改造完成較早，多采用直接能量平衡法用于協調控制，采用Smith預估法用于滯后對象控制。中國火電機組因燃料來源不穩、運行方式多變等問題，難以直接套用國外控制策略。大部分現役機組在深度調峰(低于50%額定負荷)區間變成純手操模式，“看盤”負擔驟增。李玲等[13]針對亞臨界基于仿真模型提出了協調控制系統變參數優化方案，提高了自適應能力。張順等[14]提出了亞臨界鍋爐的深度調峰優化策略，控制品質是否滿足要求未闡述。張廣才等[15]從一二次風配比優化提升了機組深度調峰穩燃能力，未改善自動化水平。王印松等[16]基于風機特性開展了仿真研究，提出了送風系統優化控制策略，Gao等[17]基于精確能量平衡開展協調優化，但均未描述工程實施效果。上述研究對改善機組的寬負荷調節能力具有成效，但仍存在以下不足：優化對象多為亞臨界機組，且工程實用效果分析較少，控制結構和算法并未進行針對性改進，能否保障協調系統在深度調峰工況下從根本上改變手動控制的局面尚待觀察。與亞臨界機組相比，超臨界機組的技術難點在于：①各控制對象天然的存在較強耦合特性，且隨著負荷的變化而不同，純線性響應難以實現不同負荷段各對象的協調；②寬負荷調節過程中，對超臨界機組而言，可能存在干濕態切換，調節對象和控制特性在過程中發生變化，現有方法無法滿足所有模態的控制需求。

鑒于此，提出了一種基于耦合對象控制需求解析及仿人修正的協調控制方法，在某630 MW超臨界組上進行工程應用，以期為其他具有強耦合特性的應用場景提供控制器設計思路。

1 控制方法

1.1 狀態分析及需求編碼

對具有n個控制目標和控制對象的耦合系統，假設其被控制目標實時輸出為Y[y1，y2，…，yn]，設定值為Y0[y01，y02，…，y0n]，分別求取被控目標實時輸出與設定值的偏差E[e1,e2,…，en]和實時輸出變化率ΔY[dy1/dt, dy2/dt, …，dyn/dt]，將E、ΔY分別代入狀態函數f(x)獲得對應的狀態屬性f(E)和f(ΔY)。

f(x)的表達式為

(1)

式(1)中：H、L分別為高、低限閾值。

根據對象特性設置，將S[f(e1),f(e2), …，f(en),f(dy1/dt),f(dy2/dt), …，f(dyn/dt)]定義為控制系統的狀態向量。狀態向量中的每個元素在任意時刻都存在1、0和-1三種取值可能，組合起來，存在32n種狀態，形成狀態矩陣。針對每一種狀態(對應矩陣中的一個行向量)，對所有控制變量進行修正需求分析并歸類，最少不低于3類(控制變量增、不變和減)，也可以根據變化幅度大小細分為更多檔次，同一控制系統的每個控制變量修正需求類別數應設置為相同，同類需求對應一個編碼，作為獲取修正指令的搜索指針，如圖1所示。

應用對象為火電機組協調控制系統，該系統一般簡化為3輸入(汽輪機綜合閥位指令、給水指令、燃料指令)、3輸出(實發功率、主汽壓力、主汽溫度)系統，但在實際應用中，大多以功率控制回路為基準，通過給水和燃料控制回路的協調來達到系統穩定控制的目的。因此，將系統進一步簡化為2輸入、2輸出的系統。對應的系統狀態向量中包含4個元素：主汽壓力設定值與測量值偏差對應的狀態、主汽壓力變化趨勢對應的狀態、主汽溫度設定值與測量值偏差對應的狀態以及主汽溫度變化趨勢對應的狀態，共存在81種組合。原則上，每一個狀態都對應著一個修正需求。根據實踐經驗，結合算法的復雜程度和控制對象調節精度要求，將輸入變量的修正需求歸類為7大類，分別對應編碼1～7。

圖1 狀態分析及需求編碼示意圖Fig.1 Schematic diagram of state analysis anddemand coding

主汽壓力實時輸出與設定值偏差高、低限閾值設置為額定主汽壓力的±1%，實時輸出變化率高、低限閾值設置為±0.2 MPa/min；主汽溫度對應的閾值分別為±1 ℃和±2 ℃/min。所有閾值參數設置為可變，方便工程應用調試。

1.2 仿人修正指令

根據工藝特點和被控對象耦合特性分析，對每一類控制需求設計修正指令，其作用類似于在系統投入自動控制的情況下，外加一位具有豐富經驗的操作員統籌所有被控對象的需求后進行輔助調節，增強了調節的精準性和針對性，能夠彌補原控制器僅依據單個變量偏差進行線性響應而未考慮耦合影響造成的控制系統不易收斂的缺陷。修正指令可設計為固定值，也可設計為折線函數或其他形式。設計的仿人修正指令及獲取方式如圖2所示，針對7大類中的每一類控制需求，分別設計以被控變量偏差為自變量的給水修正指令函數F1(x)～F7(x)和燃料修正指令函數G1(x)～G7(x)，根據需求編碼匹配修正指令后輸出。

1.3 控制器結構

圖3、圖4分別為火電機組一般協調系統控制器結構示意圖和所提控制器結構示意圖。其主要區別在于：原控制方法中，多變量解耦和協調功能通過聯調控制實現，屬于開環性質，控制效果依賴于輸入變量對被控對象影響規律把握的準確程度，否則聯調指令可能適得其反。在本文所述的控制方法中，對所有被控對象進行實時控制偏差和變化趨勢的分析，響應指令基于被控對象狀態反饋生成，屬于閉環控制，響應更精準；同時，修正指令并非簡單依據單個被控對象偏差進行運算，而是綜合考慮所有被控對象對輸入控制指令的需求分析后，基于實踐經驗給出，具有非線性響應特點。以研究對象為例，分析兩種控制方法的差異。某種工況下當主汽壓力高于設定值且趨勢增加，而主汽溫度低于設定值且趨勢下降時，一步到位的調整方法為降低給水指令。按照原控制方法，調節過程如下：燃料指令減小→給水指令減小→主汽壓力減小，主汽溫度減小或保持不變，很顯然一輪調整無法同時滿足主汽壓力和主汽溫度的控制需求；按照改進后的控制方法，調節過程如下：燃料指令基本維持不變，階躍減少給水指令，與實際需求相符。

圖2 仿人修正指令獲取示意圖Fig.2 Schematic diagram of obtaining humanoid correction command

圖3 一般協調控制結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of general coordinated control structure

圖4 基于狀態解析及仿人修正的協調控制方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of coordination control method based on state analysis and humanoid correction

1.4 工程實施

大型火電機組一般采用分散式控制系統(DCS)，組態軟件高度集成化，功能模塊化，所提供模塊難以實現前文所述的狀態解析和編碼功能，故采用獨立外置式控制系統與原DCS系統聯合實施。在原DCS中建立串級控制框架，在外置式控制系統中實現被控對象狀態分析、控制需求編碼和修正指令生成，將指令通訊至DCS系統后疊加至相應控制回路。

2 應用對象概況與存在問題

某電廠630 MW機組鍋爐為超臨界參數、帶啟動循環泵、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架、“W”型火焰燃燒、垂直內螺紋管水冷壁、П型變壓直流鍋爐，設計額定主汽壓力24.2 MPa，額定主汽溫度為566 ℃。汽輪機為超臨界、單軸、三缸(高中壓缸合缸)四排汽、一次中間再熱、雙背壓、凝汽式汽輪機。常態化運行最低負荷為180 MW，鍋爐在機組功率位于230～290 MW 轉態。存在以下問題：①協調控制無法全程投入，深度調峰區間(<50%額定負荷)純手操運行；②濕態運行后，儲水箱液位失控，危及機組運行安全；③寬負荷調峰過程中，主要運行參數(主汽壓力、溫度)控制不穩，影響機組的運行經濟性。針對上述問題，采用所提出的控制方法實施了優化。

3 試驗結果與分析

3.1 穩態運行工況

3.1.1 濕態穩定運行試驗結果

機組實發功率184 MW(29.2%額定功率)，濕態穩定運行，相關參數的控制效果如圖5所示。機組功率、主汽壓力、主汽溫度的最大穩態控制偏差分別為1.4 MW(+0.22%Pe，其中Pe為額定功率)、

圖5 濕態穩定運行試驗結果Fig.5 Test result of stable operating condition in wet mode

-0.32 MPa(-1.4%P0，其中P0為額定壓力)和2.8 ℃。當前并無國家和行業標準提出火電機組深度調峰區間(<50%額定負荷)的協調系統控制品質要求。在50%～100%額定功率區間段，行業標準明確機組功率、主汽壓力和主汽溫度的穩態品質指標分別為±1%Pe、±2%P0和±3 ℃。機組的實際穩態控制指標滿足規程要求。實際穩態液位處于13 015～17 158 mm，滿足安全運行要求。

3.1.2 干態穩定運行試驗結果

干態穩定運行自動控制效果如圖6所示。可以看出，機組功率、主汽壓力、主汽溫度的最大穩態控制偏差分別為-3.2 MW(-0.51%Pe)、-0.33 MPa(-1.4%P0)和±3 ℃，實際控制指標與行業標準對比如表1所示。

3.2 變負荷運行工況

3.2.1 濕態變負荷試驗結果

濕態變負荷過程控制結果如圖7所示。機組功率由180 MW(28.7%額定功率)變化至250 MW，在變負荷過程中將儲水箱液位的設定值擾動了 1 000 mm。由圖7可知，機組功率的最大控制偏差為-3.06 MW(-0.49%)，主汽溫度的最大控制偏差為2.4 ℃，主汽壓力的最大控制偏差為0.36 MPa(1.5%P0)，儲水箱液位控制在12 000～17 200 mm。50%～100%額定功率區間段的行業標準明確機組功率、主汽壓力和主汽溫度的動態品質指標分別為±2%Pe、±3%P0和 ±8 ℃。由圖7可見，在28.7%～39.7%額定負荷區間變負荷加液位設定值雙重擾動下，機組功率、主汽壓力和主汽溫度的實際控制品質相比正常調峰區間行業標準要求指標分別提升了75%、50%和70%。

表1 干態穩定運行控制品質分析Table 1 Control quality analysis of stable operating condition in dry mode

圖6 干態穩定運行試驗結果Fig.6 Test result of stable operating condition in dry mode

圖7 濕態模式下變負荷過程試驗結果Fig.7 Test result of load variation process in wet mode

3.2.2 干態變負荷試驗結果

直流爐干態變負荷運行時，主要是通過系統輸入量的動態匹配維持系統輸出的穩定[18]。實際控制指標與行業標準《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》(DL/T 657—2015)對比如表2所示。圖8為干態變負荷試驗結果。為驗證控制器應對復雜工況的有效性，在將主汽壓力設定值進行0.56 MPa的擾動后再進行變負荷試驗，變負荷過程中，機組功率、主汽壓力、主汽溫度的最大控制偏差分別為4.1 MW(0.65%Pe)、0.7 MPa(2.9%P0)和4.8 ℃。

表2 干態變負荷過程控制品質分析Table 2 Control quality analysis of load variation process in dry mode

3.3 自動轉態試驗結果

轉態自動控制的試運結果如圖9所示，升負荷過程中，中間點過熱度逐步建立，儲水箱液位由 20 500 mm 降低至13 600 mm，未出現干/濕態來回切換，機組功率、主汽壓力、主汽溫度的最大控制偏差分別為-3.2 MW(-0.51%Pe)、0.42 MPa(1.7%P0)和6.2 ℃。

4 結論

提出了基于耦合對象控制需求解析及仿人修正的協調控制方法，并在某630 MW超臨界機組開展應用，得出以下結論。

(1)采用所述控制方法，超臨界機組的協調控制系統在28.7%～100%額定負荷區間可全程投入自動控制，對濕態穩定運行、濕態變負荷、轉態、干態穩定運行以及干態變負荷均具有優良的適用性，全工況下的主汽溫度均能穩定控制在額定值附近，主汽壓力穩定控制在滑壓曲線設定的目標值附近，無需降參數運行，在保障火電機組寬負荷調峰運行經濟性的前提下提升了自動化水平。

圖8 干態模式下變負荷過程試驗結果Fig.8 Test result of load variation process in dry mode

圖9 轉態過程試驗結果Fig.9 Test result of operating mode conversion process

(2)深度調峰區間(<50%額定負荷)的試驗結果顯示，協調控制投入后，機組濕態穩定運行時功率、主汽壓力、主汽溫度的控制偏差分別為1.4 MW(+0.22%Pe)、-0.32 MPa(-1.4%P0)和2.8 ℃；變負荷過程機組功率的最大控制偏差為-3.06 MW(-0.49%)，主汽溫度的最大控制偏差為2.4 ℃，主汽壓力的最大控制偏差為0.36 MPa(1.5%P0)，與正常調峰區間的行業標準相比，各參數的控制品質提升了30%～70%。

(3)正常調峰區間(50%～100%額定負荷)的試驗結果顯示，協調控制投入后，機組干態穩定運行時，功率、主汽壓力、主汽溫度的最大控制偏差分別為-3.2 MW(-0.51%Pe)、-0.33 MPa(-1.4%P0)和±3 ℃；變負荷過程中，機組功率、主汽壓力、主汽溫度的控制偏差不超過-4.1 MW(-0.65%Pe)、0.7 MPa(2.9%P0)和4.8 ℃，控制品質較行業標準要求指標提升30%～67.5%。