CN104793610A - 协调系统前馈控制器参数的确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协调系统前馈控制器参数的确定方法及装置，该方法包括：利用机组热力特性扰动试验进行机组特性建模；根据建模结果和电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的参数，设计前馈控制器；根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定前馈控制器的参数；在将前馈控制器和前馈控制器的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统之后，进行不同速率下的变负荷试验，并根据试验结果调整前馈控制器的参数，以使机组在负荷变动过程中满足运行要求。从本质上彻底解决机组的调频调峰性能及安全性、稳定性，大大增加了机组的经济性。

Description

协调系统前馈控制器参数的确定方法及装置

技术领域

本发明涉及电力控制技术领域，尤其涉及一种协调系统前馈控制器参数的确定方法及装置。

背景技术

为了满足电力监管部门和电网的要求，迫切需要大幅度提高机组的调频调峰性能。为此，对机组协调控制系统的参数的优化和控制品质提出了更高的要求，协调控制系统能够安全稳定地运行、又有很好的负荷跟随和压力调节性能，并尽量使稳态误差为零，并且在大幅度提高调峰性能的同时，最大限度地降低机组控制系统对运行安全性、稳定性和经济性的影响。在多年的电厂调试和生产实际中，机组协调系统控制对象为：汽机控制负荷和锅炉控制主汽压力，采用前馈+PID(Proportion IntegrationDifferentiation，比例积分微分)反馈结构的经典控制仍然占主导地位(95％以上)，上述经典协调控制结构如图1所示，其中炉主控即锅炉PID控制器为反馈调节，通过调整机组燃料控制实际主汽压力，机主控即汽机PID控制器为反馈调节，通过调整汽机调节阀控制机组实际负荷，前馈控制器是当机组负荷设定值或主汽压力设定值发生变化时(不通过PID控制器的反馈调节)，直接快速调节实现对机组变化的快速响应。

目前多数600MW及以上的主流机组采用冷一次风正压直吹式制粉系统，制粉过程具有较大的时间迟延，从燃料量指令的变化到机组负荷和压力的改变往往要经历80至145s的纯迟延过程，尤其是当一次风配比不太理想的情况下，迟延时间会长达2至5min。想要克服如此大的迟延过程，满足电网对机组的调频调峰性能的同时还确保机组锅炉和汽机的平衡的重要功能，只能通过前馈控制器提高燃料通道的响应速度来实现，在变负荷调节时前馈控制的输出一般占总燃料输出的90％以上，前馈控制器的设计和参数的整定对变负荷过程的参数控制起了至关重要的作用，直接决定了机组AGC(Automatic Generation Control，自动发电控制)性能的优劣。当负荷或者压力指令发生变化时，合理利用锅炉的蓄热，同时快速对燃料进行超调是前馈控制的核心。

常规的协调控制器中前馈控制器的结构和参数的确定往往由人为的经验进行试凑，然后通过实际的变负荷试验不断修正。为得到较适合的参数需要联系电网调度使机组在定压和滑压运行方式下，投入协调，不断地进行变负荷试验。试验范围在50％～100％负荷段，每次变负荷拟定50至100MW，不断调整控制器参数，从1％Pe/min的变负荷速率逐渐增大1.5％Pe/min、2％Pe/min、2.5％Pe/min、3％Pe/min，在每个速率下至少进行4至8次的负荷设定值变化，同时观察机组压力调节品质，进行锅炉前馈控制器的整体优化。整个过程需要电网调度运行人员、电厂运行人员、电厂热控人员、调试优化工程师等多部门多专业配合，每台机组耗时约4至10天。

上述方案的缺点如下：

经验法具有较强的主观性，并会耗费大量的时间和试验机会，机组长时间处于试验状态，对机组安全稳定运行也是一个较大的隐患。同时锅炉动态前馈作用的大小、锅炉前馈发生和复归的时机、锅炉前馈和负荷变动速率及变动范围的关系等问题，都关系到前馈设计和整定的合理与否。因此经验法的优化效果差异较大，完全取决于自动调试专业工作者的水平，实际电厂也因此控制水平参差不齐，有的甚至不尊重机炉特性完全靠主观判断，优化效果很差，不仅造成机组在响应电网AGC的负荷大幅变动时机组主汽温、主汽压控制失稳，造成机组超温、安全门动作、汽包水位波动等不安全事项，而且协调控制前馈设计和参数是否合理关系到电厂的经济效益。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种协调系统前馈控制器参数的确定方法及装置，以至少解决现有技术中前馈控制器的结构和参数的确定由人为经验进行试凑，主观性较强，耗费大量的时间和试验机会，机组长时间处于试验状态，存在安全隐患的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种协调系统前馈控制器参数的确定方法，包括：利用机组热力特性扰动试验进行机组特性建模；根据建模结果和电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的参数，设计前馈控制器；根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定所述前馈控制器的参数；在将所述前馈控制器和所述前馈控制器的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统之后，进行不同速率下的变负荷试验，并根据试验结果调整所述前馈控制器的参数，以使机组在负荷变动过程中满足运行要求。

在一个实施例中，所述前馈控制器包括：静态前馈B_ffs和动态前馈B_ffd；其中，所述静态前馈B_ffs用于保持不同负荷所需要的燃烧率，所述静态前馈B_ffs为机组稳态时负荷和燃料的对应关系f(N_e)，记为B_ffs＝FF₁＝f(N_e)；所述动态前馈B_ffd用于克服燃料环节的时间延迟，所述动态前馈B_ffd为机组负荷指令、压力指令及压力偏差的微分函数。

在一个实施例中，

所述动态前馈B_ffd的表达式为：B_ffd＝FF₂+FF₃+FF₄，

FF₂为负荷指令前馈，表达式为

FF₃为压力指令前馈，表达式为

FF₄为压力偏差前馈，表达式为

其中，上述表达式均为时域过程的拉氏变换，为负荷指令的变化速率，f(N_SP)为不同负荷下前馈的补偿函数，为压力指令的变化速率，f(P_SP)为不同压力下前馈的补偿函数，f(ΔP)为压力指令值和压力实际值的差值，τ₂₁、τ₂₂、τ₃₁、τ₃₂、τ₄₁、τ₄₂分别为各个前馈下的微分时间常数。

在一个实施例中，根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定所述前馈控制器的参数，包括：对所述电厂DCS历史数据库中机组各个稳态工况下的负荷和燃料的曲线进行拟合，以确定FF₁；确定FF₂的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₂₂；根据不同负荷下的模型修正f(N_SP)，以补偿模型的非线性；根据蓄热释放与回补的关系式以及机组负荷变化确定τ₂₁；确定FF₃的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₃₂；根据不同负荷下的模型修正f(P_SP)，以补偿模型的非线性；计算出τ₂₁后，投入汽机主控自动，手动进行燃料扰动，根据主汽压力的变化趋势、变化幅度和变化速率，采用计算PID微分增益的方法计算得到τ₃₁；确定FF₄的参数：在确定FF₁、FF₂和FF₃后，投入机炉主控自动，使协调系统工作在炉跟机协调方式，进行定负荷变压试验，采用闭环反馈回路中计算PID微分时间和微分增益的方法确定τ₄₁和τ₄₂。

在一个实施例中，根据蓄热释放与回补的关系式以及机组负荷变化确定τ₂₁，包括：采用以下公式计算得到锅炉的蓄热系数C_b：其中，t₀为起始时间，t₁为截止时间，N_e表示负荷，P_t表示主汽压力；根据蓄热的释放与超调加的燃料所转换的能量对蓄热的回补保持平衡的原则，采用以下公式计算得到τ₂₁：其中，为负荷指令的变化速率，f(N_e)为机组稳态时负荷和燃料的对应关系。

根据本发明的另一个方面，提供了一种协调系统前馈控制器参数的确定装置，包括：建模单元，用于利用机组热力特性扰动试验进行机组特性建模；前馈控制器设计单元，用于根据建模结果和电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的参数，设计前馈控制器；参数确定单元，用于根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定所述前馈控制器的参数；试验及参数调整单元，用于在将所述前馈控制器和所述前馈控制器的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统之后，进行不同速率下的变负荷试验，并根据试验结果调整所述前馈控制器的参数，以使机组在负荷变动过程中满足运行要求。

在一个实施例中，所述前馈控制器包括：静态前馈B_ffs和动态前馈B_ffd；其中，所述静态前馈B_ffs用于保持不同负荷所需要的燃烧率，所述静态前馈B_ffs为机组稳态时负荷和燃料的对应关系f(N_e)，记为B_ffs＝FF₁＝f(N_e)；所述动态前馈B_ffd用于克服燃料环节的时间延迟，所述动态前馈B_ffd为机组负荷指令、压力指令及压力偏差的微分函数。

在一个实施例中，

所述动态前馈B_ffd的表达式为：B_ffd＝FF₂+FF₃+FF₄，

FF₂为负荷指令前馈，表达式为

FF₃为压力指令前馈，表达式为

FF₄为压力偏差前馈，表达式为

其中，上述表达式均为时域过程的拉氏变换，为负荷指令的变化速率，f(N_SP)为不同负荷下前馈的补偿函数，为压力指令的变化速率，f(P_SP)为不同压力下前馈的补偿函数，f(ΔP)为压力指令值和压力实际值的差值，τ₂₁、τ₂₂、τ₃₁、τ₃₂、τ₄₁、τ₄₂分别为各个前馈下的微分时间常数。

在一个实施例中，所述参数确定单元包括：第一确定模块，用于对所述电厂DCS历史数据库中机组各个稳态工况下的负荷和燃料的曲线进行拟合，以确定FF₁；第二确定模块，用于确定FF₂的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₂₂；根据不同负荷下的模型修正f(N_SP)，以补偿模型的非线性；根据蓄热释放与回补的关系式以及机组负荷变化确定τ₂₁；第三确定模块，用于确定FF₃的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ_32；根据不同负荷下的模型修正f(P_SP)，以补偿模型的非线性；计算出τ₂₁后，投入汽机主控自动，手动进行燃料扰动，根据主汽压力的变化趋势、变化幅度和变化速率，采用计算PID微分增益的方法计算得到τ₃₁；第四确定模块，用于确定FF₄的参数：在确定FF₁、FF₂和FF₃后，投入机炉主控自动，使协调系统工作在炉跟机协调方式，进行定负荷变压试验，采用闭环反馈回路中计算PID微分时间和微分增益的方法确定τ₄₁和τ₄₂。

在一个实施例中，所述第二确定模块具体用于：采用以下公式计算得到锅炉的蓄热系数C_b：其中，t₀为起始时间，t₁为截止时间，N_e表示负荷，P_t表示主汽压力；根据蓄热的释放与超调加的燃料所转换的能量对蓄热的回补保持平衡的原则，采用以下公式计算得到τ₂₁：其中，为负荷指令的变化速率，f(N_e)为机组稳态时负荷和燃料的对应关系。

通过本发明的协调系统前馈控制器参数的确定方法及装置，采用机组锅炉和汽机建模获取动态特性，通过机组模型的机理分析，找出其中的关联性因素(即锅炉蓄热的补偿和释放)，并进行定量的分析确定和调整，支撑协调控制系统前馈设计和参数优化，从而设计出协调前馈控制器的结构，并提供快速有效的锅炉前馈控制器参数确定方法，最终大大提高机组协调控制系统的调整效率。上述前馈控制器的设计和参数确定方案，能从本质上彻底解决机组的调频调峰性能及安全性、稳定性，大大增加了机组的经济性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是现有技术中典型机组协调控制器的控制结构图；

图2是本发明实施例的协调系统前馈控制器参数的确定方法的流程图；

图3是本发明实施例的协调系统前馈控制器参数的确定装置的结构框图；

图4是本发明实施例的燃料对负荷和压力的动态特性曲线图；

图5是本发明实施例的大机调门对负荷和压力的动态特性曲线图；

图6是本发明实施例的计算蓄热系数的曲线示意图；

图7是本发明实施例的各个前馈分量在变负荷过程中的曲线图；

图8是本发明实施例的实际500-550MW变负荷过程中负荷、压力、锅炉前馈变化趋势图；

图9是本发明实施例的50MW滑压变负荷试验时该回路仿真出的负荷压力的变化趋势图；

图10是本发明实施例的机组同等变负荷工况下实际趋势图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种协调系统前馈控制器参数的确定方法，图2是本发明实施例的协调系统前馈控制器参数的确定方法的流程图。如图2所示，该方法包括：

步骤S201，利用机组热力特性扰动试验进行机组特性建模。机组热力特性试验可以包括：燃料扰动试验和汽机调阀扰动试验。

步骤S202，根据建模结果和电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的参数，设计前馈控制器。

步骤S203，根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定前馈控制器的参数。

步骤S204，在将前馈控制器和前馈控制器的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统之后，进行不同速率下的变负荷试验，并根据试验结果调整前馈控制器的参数，以使机组在负荷变动过程中各个参数均满足运行要求。

通过上述方法，采用机组锅炉和汽机建模获取动态特性，通过机组模型的机理分析，找出其中的关联性因素(即锅炉蓄热的补偿和释放)，并进行定量的分析确定和调整，支撑协调控制系统前馈设计和参数优化，从而设计出协调前馈控制器的结构，并提供快速有效的锅炉前馈控制器参数确定方法，最终大大提高机组协调控制系统的调整效率。上述前馈控制器的设计和参数确定方案，能从本质上彻底解决机组的调频调峰性能及安全性、稳定性，大大增加了机组的经济性。

锅炉和汽机在适应电网负荷变化上存在差异，衡量具体的差异可以采用机组锅炉和汽机建模获取动态特性实现。单元机组在适应电网的负荷变化要求时，为了提高负荷响应时间，在负荷响应初始阶段所需要的蒸汽量几乎全由前期锅炉释放蓄热量来产生，锅炉蓄热量的中期持续回补和后期的复归是否合理由锅炉的前馈控制器决定，前馈最终决定了主汽压力和负荷的控制品质。

在一个实施例中，前馈控制器包括：静态前馈B_ffs和动态前馈B_ffd，如式(1)所示。

B_ff＝B_ffs+B_ffd            (1)

静态前馈B_ffs用于保持不同负荷所需要的燃烧率，决定了负荷从一个稳态到另一个稳态时其初值和终值对应的燃料的水平。可用机组稳态时负荷和燃料的对应关系f(N_e)表示静态前馈B_ffs，如式(2)所示。为了与动态前馈的参数统一说明，此处引入了参数FF₁。

B_ffs＝FF₁＝f(N_e)           (2)

动态前馈B_ffd用于克服燃料环节的时间延迟，合理完成锅炉蓄热的前期迅速转化、中期持续回补、后期消失的过程。锅炉的动态前馈直接与机组负荷指令、压力指令及压力偏差相关，在控制中微分具有超前作用，适合于克服燃烧环节的大迟延，因此将锅炉的动态前馈设计为负荷指令、压力指令及压力偏差的微分函数。如式(3)所示。

B_ffd＝FF₂+FF₃+FF₄             (3)

FF₂为负荷指令前馈，FF₃为压力指令前馈，FF₄为压力偏差前馈，其表达式(时域过程的拉氏变换)分别为：

$F{F}_2={\mathrm{\δ}}_{N_{\mathrm{SP}}}\·f\left(N_{\mathrm{SP}}\right)\·\frac{{\mathrm{\τ}}_{21}s}{{\mathrm{\τ}}_{22}s+1}---\left(4\right)$

$F{F}_3={\mathrm{\δ}}_{P_{\mathrm{SP}}}\·f\left(N_{\mathrm{SP}}\right)\·\frac{{\mathrm{\τ}}_{31}s}{{\mathrm{\τ}}_{32}s+1}---\left(5\right)$

$F{F}_4=f\left(\mathrm{\ΔP}\right)\·\frac{{\mathrm{\τ}}_{41}s}{{\mathrm{\τ}}_{42}s+1}---\left(6\right)$

其中，为负荷指令的变化速率，f(N_SP)为不同负荷下前馈的补偿函数，为压力指令的变化速率，f(P_SP)为不同压力下前馈的补偿函数，f(ΔP)为压力指令值P_SP和压力实际值P_t的差值(进行PID调节时，自动考虑这个偏差)，ΔP＝P_SP-P_t，τ₂₁、τ₂₂、τ₃₁、τ₃₂、τ₄₁、τ₄₂分别为各个前馈下的微分时间常数。

最终前馈控制器设计为：

B_ff＝B_ffs+B_ffd

$=f\left(N_e\right)+{\mathrm{\δ}}_{N_{\mathrm{SP}}}\·f\left(N_{\mathrm{SP}}\right)\·\frac{{\mathrm{\τ}}_{21}s}{{\mathrm{\τ}}_{22}s+1}+{\mathrm{\δ}}_{P_{\mathrm{SP}}}\·f\left(P_{\mathrm{SP}}\right)\·\frac{{\mathrm{\τ}}_{31}s}{{\mathrm{\τ}}_{32}s+1}+f\left(\mathrm{\ΔP}\right)\·\frac{{\mathrm{\τ}}_{41}s}{{\mathrm{\τ}}_{42}s+1}---\left(7\right)$

以下说明根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定前馈控制器的参数的具体过程。

由于前馈控制器中的待定参数不是孤立存在的，各参数之间具有一定的相关性，一些参数的获得往往要依赖于其他参数。因此，需要合理安排参数的确定流程，将现场试验与理论计算结合起来。前馈控制器的参数确定中最复杂的是动态前馈参数的确定。

1、静态前馈FF₁的确定。静态前馈FF₁不需计算，可通过电厂DCS历史数据库中机组各个稳态工况下的负荷和燃料的曲线进行拟合确定。

2、确定FF₂的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₂₂；根据不同负荷下的模型修正f(N_SP)，以补偿模型的非线性；根据蓄热释放与回补的关系式以及机组负荷变化确定τ₂₁。

具体的，FF₂中τ₂₂取决于燃料系统的动态特性，受制粉系统动态特性的限制，对于一般中速直吹磨，一般有τ₂₂＝15～35s，τ₂₂为经验值，根据直吹磨的特性取值，例如，磨的速度快，则τ₂₂可为15s，磨的速度慢，则τ₂₂可为30s或35s。

FF₂的峰值由决定，f(N_SP)作为不同负荷下前馈对应的补偿函数，用于补偿模型的非线性。由于已知，f(N_SP)可根据不同负荷下模型参数进行修正，因此FF₂中最难确定的关键参数是τ₂₁。

根据蓄热释放与回补的关系式以及机组负荷变化确定τ₂₁，具体可通过以下原理和步骤实现：

机组负荷变化和蓄热释放的关系为：

$N=\mathrm{kQ}-C_b\frac{d{P}_t}{\mathrm{dt}}-B---\left(8\right)$

式(8)中，N为电负荷，Q为锅炉的热负荷，P_t为主汽压力，C_b为锅炉的蓄热系数，B为汽机抽汽等放出的热量，k为与机组效率有关的系数，t表示时间。锅炉蓄热系数C_b的物理意义是单位主汽压力变化导致锅炉所释放或吸收的能量。C_b可通过汽轮机调门扰动实验，利用式(9)来计算求取：

$C_b=\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(N_e\left(t\right)-N_e\left(t_0\right))\mathrm{dt}}{P_t\left(t_1\right)-P_t\left(t_0\right)}---\left(9\right)$

式(9)中，t₀为起始时间，t₁为截止时间，N_e表示负荷，P_t表示主汽压力。

动态变负荷需要的就是对蓄热的实时补偿。将C_b折算为单位压力下锅炉释放的热量对应的稳态时的煤量C'_b，表征蓄热与锅炉动态前馈的关联量，如式(10)所示：

C'_b＝C_b·f(N_e)              (10)

负荷响应初始阶段所需要的蒸汽量几乎全由前期释放蓄热量来产生，在升负荷的过程中，蓄热的释放(为满足负荷上升)与回补(超调加燃料)是个持续的动态过程，若能满足：

$C_b^{\′}\·t_N=\left({\mathrm{\δ}}_{N_{\mathrm{SP}}}{\mathrm{\τ}}_{21}\right)\·t_N---\left(11\right)$

其中，t_N为上述蓄热的释放与回补整个动态过程的持续时间，定压变负荷时，要求压力保持稳定，因此变负荷整个过程的蓄热的释放与超调加的燃料转换的能量对蓄热的回补是平衡的，有：

$C_b\·f\left(N_e\right)={\mathrm{\δ}}_{N_{\mathrm{SP}}}{\mathrm{\τ}}_{21}---\left(12\right)$

${\mathrm{\τ}}_{21}=C_b\·f\left(N_e\right)/{\mathrm{\δ}}_{N_{\mathrm{SP}}}---\left(13\right)$

由此，根据式(9)和式(13)可以计算得到τ₂₁。

3、确定FF₃的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₃₂；根据不同负荷下的模型修正f(P_SP)，以补偿模型的非线性；计算出τ₂₁后，投入汽机主控(汽机调门调节负荷)自动，手动进行燃料扰动(例如，4t/h的燃料扰动)，根据主汽压力的变化趋势、变化幅度和变化速率，采用常规计算PID微分增益的方法计算得到τ₃₁。常规计算PID微分增益的方法是本领域技术人员结合本申请的公开以及现有技术的记载容易想到的，此处不做详细介绍。

具体的，FF₃中τ₃₂取决于燃料系统的动态特性，受制粉系统动态特性的限制，对于一般中速直吹磨，一般有τ₃₂＝15～35s，τ₃₂为经验值，根据直吹磨的特性取值，例如，磨的速度快，则τ₃₂可为15s，磨的速度慢，则τ₃₂可为30s或35s。

实际上锅炉的前馈幅度还受到负荷偏差、压力偏差、机组所处于的负荷段、压力段等因素修正，需要通过模型作不同负荷对应的修正函数f(N_SP)、f(P_SP)，补偿模型的非线性。

4、确定FF₄的参数：在整定FF₁、FF₂和FF₃后，投入机炉主控自动，使协调系统工作在炉跟机协调方式，进行定负荷变压试验，可按照常规计算PID的微分时间、微分增益的方法确定FF₄的参数，即采用闭环反馈回路中常规的整定PID微分的方法确定τ₄₁和τ₄₂。常规的整定PID微分的方法是本领域技术人员结合本申请的公开以及现有技术的记载容易想到的，此处不做详细介绍。

由此，完成前馈控制器中所有待定参数的整定。

基于同一发明构思，本发明实施例中提供了一种协调系统前馈控制器参数的确定装置，可以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与上述方法相似，因此该装置的实施可以参见上述方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图3是本发明实施例的协调系统前馈控制器参数的确定装置的结构框图，如图3所示，该装置包括：建模单元31、前馈控制器设计单元32、参数确定单元33和试验及参数调整单元34。下面对该结构进行具体说明。

建模单元31，用于利用机组热力特性扰动试验进行机组特性建模；

前馈控制器设计单元32，用于根据建模结果和电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的参数，设计前馈控制器；

参数确定单元33，用于根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定前馈控制器的参数；

试验及参数调整单元34，用于在将前馈控制器和前馈控制器的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统之后，进行不同速率下的变负荷试验，并根据试验结果调整前馈控制器的参数，以使机组在负荷变动过程中满足运行要求。

通过上述装置，采用机组锅炉和汽机建模获取动态特性，通过机组模型的机理分析，找出其中的关联性因素(即锅炉蓄热的补偿和释放)，并进行定量的分析确定和调整，支撑协调控制系统前馈设计和参数优化，从而设计出协调前馈控制器的结构，并提供快速有效的锅炉前馈控制器参数确定方法，最终大大提高机组协调控制系统的调整效率。上述前馈控制器的设计和参数确定方案，能从本质上彻底解决机组的调频调峰性能及安全性、稳定性，大大增加了机组的经济性。

在一个实施例中，前馈控制器包括：静态前馈B_ffs和动态前馈B_ffd，其中，静态前馈B_ffs用于保持不同负荷所需要的燃烧率，静态前馈B_ffs为机组稳态时负荷和燃料的对应关系f(N_e)，记为B_ffs＝FF₁＝f(N_e)；动态前馈B_ffd用于克服燃料环节的时间延迟，动态前馈B_ffd为机组负荷指令、压力指令及压力偏差的微分函数。

动态前馈B_ffd的表达式可以为：B_ffd＝FF₂+FF₃+FF₄。

FF₂为负荷指令前馈，表达式为

FF₃为压力指令前馈，表达式为

FF₄为压力偏差前馈，表达式为

其中，上述表达式均为时域过程的拉氏变换，为负荷指令的变化速率，f(N_SP)为不同负荷下前馈的补偿函数，为压力指令的变化速率，f(P_SP)为不同压力下前馈的补偿函数，f(ΔP)为压力指令值和压力实际值的差值，τ₂₁、τ₂₂、τ₃₁、τ₃₂、τ₄₁、τ₄₂分别为各个前馈下的微分时间常数。

在一个实施例中，参数确定单元33包括：第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块和第四确定模块。

第一确定模块，用于对电厂DCS历史数据库中机组各个稳态工况下的负荷和燃料的曲线进行拟合，以确定FF₁；第二确定模块，用于确定FF₂的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₂₂；根据不同负荷下的模型修正f(N_SP)，以补偿模型的非线性；根据蓄热释放与回补的关系式以及机组负荷变化确定τ₂₁；第三确定模块，用于确定FF₃的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₃₂；根据不同负荷下的模型修正f(P_SP)，以补偿模型的非线性；计算出τ₂₁后，投入汽机主控自动，手动进行燃料扰动，根据主汽压力的变化趋势、变化幅度和变化速率，采用计算PID微分增益的方法计算得到τ₃₁；第四确定模块，用于确定FF₄的参数：在确定FF₁、FF₂和FF₃后，投入机炉主控自动，使协调系统工作在炉跟机协调方式，进行定负荷变压试验，采用闭环反馈回路中计算PID微分时间和微分增益的方法确定τ₄₁和τ₄₂。

第二确定模块具体用于：采用以下公式计算得到锅炉的蓄热系数C_b：其中，t₀为起始时间，t₁为截止时间，N_e表示负荷，P_t表示主汽压力；根据蓄热的释放与超调加的燃料所转换的能量对蓄热的回补保持平衡的原则，采用以下公式计算得到τ₂₁：其中，为负荷指令的变化速率，f(N_e)为机组稳态时负荷和燃料的对应关系。

当然，上述单元或模块划分只是一种示意划分，本发明并不局限于此。该装置还可以仅包括：建模单元和确定单元，建模单元执行与建模、设计前馈控制器相关的功能，确定单元执行与确定参数、试验、调整参数相关的功能，只要能实现本发明的目的的模块划分，均应属于本发明的保护范围。

为了对上述协调系统前馈控制器参数的确定方法及装置进行更为清楚的解释，下面结合具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。

某电厂600MW锅炉为亚临界参数、控制循环、四角切向燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、紧身封闭、全钢构架的∏型汽包炉；为满足提高机组稳定安全程度、提高AGC控制品质的要求，机组需优化协调系统前馈控制器，确保机组的良好安全性和经济性。

以机炉(汽机和锅炉)为对象模型进行试验。

首先进行燃料扰动试验，例如煤量扰动试验，对锅炉蒸汽产生时间和煤量扰动下负荷和压力的特性测试。

图4是本发明实施例的燃料对负荷和压力的动态特性曲线图，如图4所示，负荷的设定值曲线和实际测得值曲线几乎重合，主汽压力的设定值曲线和实际测得值曲线几乎重合。图4的横坐标表示时间，图4所示的时间段为试验当天的9点01分至9点半，每个刻度为30秒。

其次进行大机调门扰动试验，对综合调门特性进行测试，得到汽机调门特性的传递函数。图5是本发明实施例的大机调门对负荷和压力的动态特性曲线图，如图5所示，负荷的设定值曲线和实际测得值曲线几乎重合。图5的横坐标表示时间，图5所示的时间段为试验当天的9点24分21秒至9点53分21秒，每个刻度为30秒。

将各个扰动试验的实际数据建立机炉系统的数学模型，燃料扰动下压力的动态特性G₁₁(s)；燃料扰动下负荷的动态特性G₁₂(s)；调门扰动下压力的动态特性G₂₁(s)；调门扰动下负荷的动态特性G₂₂(s)，分别如式(14)至(17)所示。

$G_{11}\left(s\right)=\frac{0.075(5s+1)}{10000s^2+288s+1}{e}^{-35s}---\left(14\right)$

$G_{12}\left(s\right)=\frac{1.3(5s+1)}{188s+1}{e}^{-25s}---\left(15\right)$

$G_{21}\left(s\right)=\frac{-0.27}{230s+1}{e}^{-8s}---\left(16\right)$

$G_{22}\left(s\right)=\frac{4.6\·160s}{5400s^2+160s+1}{e}^{-4s}---\left(17\right)$

完成仿真建模后，可构建系统仿真回路，在MATLAB中搭建按照式(7)设计的协调控制器与DCS可实施的前馈控制方案，以及仿真回路。

确定的锅炉前馈参数如下：

1)FF₁＝f(N_e)，即稳态下负荷对燃料的曲线，如表1所示。

表1

负荷(MW)	0	100	300	450	540	600
							燃料(t/h)	0	34	104	140	194	204

2)根据G₁₂(s)、G₂₂(s)和式(9)至(13)计算蓄热系数，由于模型仿真搭建在MATLAB中进行，因此蓄热系数的计算也可用MATLAB中的相关函数计算得到。

$C_b=\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(N_e\left(t\right)-N_e\left(t_0\right))\mathrm{dt}}{P_t\left(t_1\right)-P_t\left(t_0\right)}=\frac{54.6}{1.2}=45.5---\left(18\right)$

图6是本发明实施例的计算蓄热系数的曲线示意图，如图6所示，横坐标表示时间，纵坐标表示功率(负荷)，C_b即为灰色部分的面积。

设定负荷速率为12MW/min，

${\mathrm{\δ}}_{N_{\mathrm{SP}}}=\frac{12}{60}=0.2---\left(19\right)$

${\mathrm{\τ}}_{21}=C_b\·f\left(N_e\right)/{\mathrm{\δ}}_{N_{\mathrm{SP}}}=(45.5\×34/100)/0.2=77.5s---\left(20\right)$

3)进行定负荷变压试验：在负荷400MW时手动进行3t/h的燃料扰动，主汽压力以0.26Mpa/min的变化速率变化了2.5Mpa。根据燃料动态特性，设定τ₂₂＝15s，τ₃₂＝25s，可算出：

${\mathrm{\τ}}_{31}=\frac{3}{2.5}\·\frac{60}{0.25}=288s---\left(21\right)$

不同的负荷下，前馈参数不同，其中f(P_SP)如表2所示，f(N_SP)如表3所示。

表2

负荷(MW)	0	250	300	450	540	600
							f(PSP)	1	1.0	1.03	1.05	1.08	0.96

表3

负荷(MW)	0	250	300	450	540	600
							f(NSP)	1	1.0	1	1	0.92	0.88

在仿真平台中将 ${\mathrm{FF}}_2={\mathrm{\δ}}_{N_{\mathrm{SP}}}\·f\left(N_{\mathrm{SP}}\right)\·\frac{77.5s}{15s+1},$ ${\mathrm{FF}}_3={\mathrm{\δ}}_{P_{\mathrm{SP}}}\·f\left(P_{\mathrm{SP}}\right)\·\frac{288s}{25s+1}$ 设置好参数，进行仿真。通过上述方法整定原则计算出来的前馈控制器的参数，在变负荷过程中合理的补充蓄热，使压力静态偏差不大于0.2Mpa，动态偏差不大于0.35Mpa，符合行业标准中优良指标。仿真趋势验证了前馈控制器整定原则的有效性。

4)在整定完FF₁、FF₂和FF₃的参数并经过验证后，将上述参数设置入仿真回路，然后投入机炉主控自动，使协调工作在炉跟机协调方式，进行定负荷变压试验，可进行FF4参数的整定，得到

图7是本发明实施例的各个前馈分量在变负荷过程中的曲线图，如图7所示，MATLAB曲线图中，横坐标表示时间，纵坐标表示燃料量。

考虑到DCS系统中功能块的特点，以电厂所采用的艾默生DCS为例，协调控制中锅炉前馈在DCS系统中实施方案可以采用DCS现有的功能块，如微分块、超前滞后块、线性函数块、绝对值等功能块进行组态，搭建控制逻辑，并设置相关参数，实现在MATLAB中仿真验证和优化后整体控制策略，从而完成上述控制策略的DCS实施工作。上述在DSC系统中的实施方案是本领域技术人员结合本申请的公开以及现有技术的记载能够实现的，此处不做详细介绍。

该电厂在实际500-550MW变负荷过程中，负荷、压力、锅炉前馈变化趋势如图8所示。图8的横坐标表示时间，图8所示的时间段为16点55分38秒至17点24分38秒，每个刻度为30秒。

MATLAB仿真系统优化后，图9是本发明实施例的50MW滑压变负荷试验时该回路仿真出的负荷压力的变化趋势图，负荷变化速率为12MW/MIN。图9中横坐标表示时间，纵坐标表示负荷和主汽压力的参数。图10是本发明实施例的机组同等变负荷工况下实际趋势图，图10的横坐标表示时间，图10所示的时间段为9点14分15秒至9点43分15秒，每个刻度为30秒。对比图9和图10，可明显看出压力和负荷的静态超调量和调节过程衰减率，与MATLAB的simulink仿真结果中参数接近，且控制效果精准，指标优良。

该电厂机组运行指标明显提高，AGC性能综合评价指标Kp由原来的小于1，提高到3左右。试验结果和指标数据如表4所示。

表4

在表4中，Kp、K1、K2、K3为规定的用于计算AGC性能的指标。

K1为调节速率指标，K1＝机组实际速率/基准速率，600MW机组基准速率为2％Pe。

K2为调节精度，K2＝2-调节精度积分/允许偏差，允许偏差为1％Pe。

K3为响应时间，K2＝2-实际响应时间/标准响应时间，标准响应时间为小于60s。

Kp为AGC性能综合评价指标，Kp＝K1×K×K3。

通过上述优化，2012-2013年度该电厂获益超过800多万元。

综上所述，本发明实施例首次提出基于锅炉蓄热建模分析的协调系统前馈设计及参数确定的整体方法，明确了前馈控制器的4个分量；首次提出基于锅炉蓄热建模分析的协调系统前馈设计及参数确定的实际试验和计算流程，推导了锅炉蓄热量与前馈参数值的计算公式。

本发明的技术方案优点如下：

1、工作方式规范化，从解析机炉特性核心出发、改变由人为经验试凑的思路和方法，获取关键因素合理设计前馈控制器结构和参数，使控制方案和参数完全符合机组特性，控制结果稳定。

2、工作方式规范化，从解析机炉特性核心出发、改变由人为经验试凑的思路和方法，获取关键因素合理设计前馈控制器结构和参数，使控制方案和参数完全符合记录特性，控制精确合理。

3、大大缩短工期(1-2天)，更安全，控制效果明显，电厂安全性和经济性大幅提高。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种协调系统前馈控制器参数的确定方法，其特征在于，包括：

利用机组热力特性扰动试验进行机组特性建模；

根据建模结果和电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的参数，设计前馈控制器；

根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定所述前馈控制器的参数；

在将所述前馈控制器和所述前馈控制器的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统之后，进行不同速率下的变负荷试验，并根据试验结果调整所述前馈控制器的参数，以使机组在负荷变动过程中满足运行要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前馈控制器包括：静态前馈B_ffs和动态前馈B_ffd；

其中，所述静态前馈B_ffs用于保持不同负荷所需要的燃烧率，所述静态前馈B_ffs为机组稳态时负荷和燃料的对应关系f(N_e)，记为B_ffs＝FF₁＝f(N_e)；

所述动态前馈B_ffd用于克服燃料环节的时间延迟，所述动态前馈B_ffd为机组负荷指令、压力指令及压力偏差的微分函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述动态前馈B_ffd的表达式为：B_ffd＝FF₂+FF₃+FF₄，

FF₂为负荷指令前馈，表达式为

FF₃为压力指令前馈，表达式为

FF₄为压力偏差前馈，表达式为

其中，上述表达式均为时域过程的拉氏变换，为负荷指令的变化速率，f(N_SP)为不同负荷下前馈的补偿函数，为压力指令的变化速率，f(P_SP)为不同压力下前馈的补偿函数，f(ΔP)为压力指令值和压力实际值的差值，τ₂₁、τ₂₂、τ₃₁、τ₃₂、τ₄₁、τ₄₂分别为各个前馈下的微分时间常数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定所述前馈控制器的参数，包括：

对所述电厂DCS历史数据库中机组各个稳态工况下的负荷和燃料的曲线进行拟合，以确定FF₁；

确定FF₂的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₂₂；根据不同负荷下的模型修正f(N_SP)，以补偿模型的非线性；根据蓄热释放与回补的关系式以及机组负荷变化确定τ₂₁；

确定FF₃的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₃₂；根据不同负荷下的模型修正f(P_SP)，以补偿模型的非线性；计算出τ₂₁后，投入汽机主控自动，手动进行燃料扰动，根据主汽压力的变化趋势、变化幅度和变化速率，采用计算PID微分增益的方法计算得到τ₃₁；

确定FF₄的参数：在确定FF₁、FF₂和FF₃后，投入机炉主控自动，使协调系统工作在炉跟机协调方式，进行定负荷变压试验，采用闭环反馈回路中计算PID微分时间和微分增益的方法确定τ₄₁和τ₄₂。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据蓄热释放与回补的关系式以及机组负荷变化确定τ₂₁，包括：

采用以下公式计算得到锅炉的蓄热系数C_b：其中，t₀为起始时间，t₁为截止时间，N_e表示负荷，P_t表示主汽压力；

根据蓄热的释放与超调加的燃料所转换的能量对蓄热的回补保持平衡的原则，采用以下公式计算得到τ₂₁：其中，为负荷指令的变化速率，f(N_e)为机组稳态时负荷和燃料的对应关系。

6.一种协调系统前馈控制器参数的确定装置，其特征在于，包括：

建模单元，用于利用机组热力特性扰动试验进行机组特性建模；

前馈控制器设计单元，用于根据建模结果和电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的参数，设计前馈控制器；

参数确定单元，用于根据电厂DCS历史数据库中机组各个工况下的稳态参数、定负荷变压试验和定压变负荷试验，确定所述前馈控制器的参数；

试验及参数调整单元，用于在将所述前馈控制器和所述前馈控制器的参数进行DCS逻辑组态并下装到电厂DCS系统之后，进行不同速率下的变负荷试验，并根据试验结果调整所述前馈控制器的参数，以使机组在负荷变动过程中满足运行要求。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述前馈控制器包括：静态前馈B_ffs和动态前馈B_ffd；

其中，所述静态前馈B_ffs用于保持不同负荷所需要的燃烧率，所述静态前馈B_ffs为机组稳态时负荷和燃料的对应关系f(N_e)，记为B_ffs＝FF₁＝f(N_e)；

所述动态前馈B_ffd用于克服燃料环节的时间延迟，所述动态前馈B_ffd为机组负荷指令、压力指令及压力偏差的微分函数。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述动态前馈B_ffd的表达式为：B_ffd＝FF₂+FF₃+FF₄，

FF₂为负荷指令前馈，表达式为

FF₃为压力指令前馈，表达式为

FF₄为压力偏差前馈，表达式为

其中，上述表达式均为时域过程的拉氏变换，为负荷指令的变化速率，f(N_SP)为不同负荷下前馈的补偿函数，为压力指令的变化速率，f(P_SP)为不同压力下前馈的补偿函数，f(ΔP)为压力指令值和压力实际值的差值，τ₂₁、τ₂₂、τ₃₁、τ₃₂、τ₄₁、τ₄₂分别为各个前馈下的微分时间常数。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述参数确定单元包括：

第一确定模块，用于对所述电厂DCS历史数据库中机组各个稳态工况下的负荷和燃料的曲线进行拟合，以确定FF₁；

第二确定模块，用于确定FF₂的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₂₂；根据不同负荷下的模型修正f(N_SP)，以补偿模型的非线性；根据蓄热释放与回补的关系式以及机组负荷变化确定τ₂₁；

第三确定模块，用于确定FF₃的参数：根据制粉系统中直吹磨的特性确定τ₃₂；根据不同负荷下的模型修正f(P_SP)，以补偿模型的非线性；计算出τ₂₁后，投入汽机主控自动，手动进行燃料扰动，根据主汽压力的变化趋势、变化幅度和变化速率，采用计算PID微分增益的方法计算得到τ₃₁；

第四确定模块，用于确定FF₄的参数：在确定FF₁、FF₂和FF₃后，投入机炉主控自动，使协调系统工作在炉跟机协调方式，进行定负荷变压试验，采用闭环反馈回路中计算PID微分时间和微分增益的方法确定τ₄₁和τ₄₂。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块具体用于：

采用以下公式计算得到锅炉的蓄热系数C_b：其中，t₀为起始时间，t₁为截止时间，N_e表示负荷，P_t表示主汽压力；

根据蓄热的释放与超调加的燃料所转换的能量对蓄热的回补保持平衡的原则，采用以下公式计算得到τ₂₁：其中，为负荷指令的变化速率，f(N_e)为机组稳态时负荷和燃料的对应关系。