CN109668139B - 一种超临界火电机组机炉协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界火电机组的直接能量平衡自抗扰协调控制方法。首先基于直接能量平衡的原理，构造热量信号与热量信号设定值用于主蒸汽压力回路控制。之后针对主蒸汽压力回路、中间点焓值回路及负荷回路分别设计自抗扰控制器，以减小煤质变化等不可测扰动对调节过程的影响。通过进一步在主蒸汽压力回路控制中引入时滞观测器，增强自抗扰控制器处理超临界火电机组大时滞对象时的性能。本发明的算法能在实现机组负荷大范围快速平稳跟踪的同时具有良好的扰动抑制性能。

Description

一种超临界火电机组机炉协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种超临界火电机组机炉协调控制方法，属于热力过程自动控制领域。

背景技术

火电机组的协调控制是火电机组运行中最重要的问题之一，其核心是对锅炉侧的慢动态过程及汽轮机组侧的快动态过程进行协调，使机组的实际功率及时准确地响应电网的负荷需求，同时保证机组运行的安全及效率。

超临界燃煤火电机组具有效率高、排放低的优点，逐渐成为我国电力系统中的主力机型。但近年来，随着大量间歇性可再生能源并入电网，燃煤火电机组面临越来越严峻的调峰压力，对机组的快速调峰能力提出了更高的要求。超临界火电机组的被控过程具有大时滞大惯性、强非线性、多变量耦合的特点，使得基于常规PID控制器的机炉协调系统控制难以适应越来越严苛的调峰需求。

同时，由于入炉煤种复杂多变，但煤质的测量往往离线进行，无法用于实时控制，且煤质的不确定性变化对各被控参数的影响是个大时滞大惯性过程，更加剧了协调控制的难度。因此，设计既能克服煤质变化和时滞带来的扰动，又能快速响应负荷指令的机炉协调系统控制，对提高超临界燃煤火电机组的运行控制水平具有重要意义。

自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)是一种应对非线性系统不确定性的先进控制方法，其关键思想是将各种内部和外部扰动、系统的未建模动态、模型的未知动力学特性等视为“总扰动”，通过扩张状态观测器进行观测和补偿，从而保证不确定性下的控制效果。目前，ADRC控制器已逐渐在过程控制各领域获得应用，显示出很好的抗扰能力，但对于大时滞过程的控制效果仍有待改善。

发明内容

本发明旨在提供一种超临界火电机组机炉协调控制方法，该方法基于自抗扰控制原理，并结合时滞观测器改善大时滞过程的控制效果，提高系统的负荷响应能力。

本发明通过以下技术方案实现：

一种超临界火电机组机炉协调控制方法，所述超临界火电机组包括锅炉和汽轮机组，所述控制方法包括：

获取所述超临界火电机组的运行状态参数，所述运行状态参数包括给煤量现值u_p0、给水量现值u_h0、主汽调门开度现值u_g0、发电负荷值N_e、主蒸汽压力值P_T、汽轮机组第一级压力值P₁、中间点蒸汽压力值P_m和中间点蒸汽焓值h_m；

将所述超临界火电机组的发电负荷指令N_er作为设定值，分别得到对应所述发电负荷指令N_er的主蒸汽压力设定值P_Tr和中间点蒸汽焓值设定值h_mr；

获取锅炉给煤量曲线g(N)以及与锅炉给煤指令u_p相对应的锅炉给水量曲线f(u_p)，根据所述锅炉给煤量曲线g(N)得到所述发电负荷指令N_er对应的锅炉给煤量预调值g(N_er)；

获取锅炉蓄热系数C_b，基于能量平衡构建锅炉热量信号Q_m和汽轮机组热量需求信号Q_r，并设计锅炉主控自抗扰控制器，并以所述给煤量现值u_p0和锅炉热量信号Q_m为输入值通过所述锅炉主控自抗扰控制器计算输出得到锅炉给煤量调控量Δu_p，从而得到锅炉给煤指令u_p，u_p＝g(N_er)+Δu_p；

根据所述锅炉给水量曲线f(u_p)得到所述锅炉给煤指令u_p对应的锅炉给水量预调值f(u_p)；

分别设计给水主控自抗扰控制器和汽轮机组主控自抗扰控制器，并以所述锅炉给煤指令u_p、中间点蒸汽焓值设定值h_mr和中间点蒸汽焓值h_m作为输入值，通过所述给水主控自抗扰控制器设计计算输出得到锅炉给水量调控值Δu_h，从而得到锅炉给水指令u_h，u_h＝f(u_p)+Δu_h；通过汽轮机组主控自抗扰控制器设计获得主汽调门开度u_g；

分别通过锅炉给煤指令u_p、锅炉给水指令u_h和主汽调门开度u_g对所述超临界火电机组的给煤量、给水量和主蒸汽阀门进行调控。

上述技术方案中，所述锅炉主控自抗扰控制器设计包括：

通过主蒸汽压力值P_T、汽轮机组第一级压力值P₁、中间点蒸汽压力值P_m、主蒸汽压力设定值P_Tr、锅炉蓄热系数C_b，基于能量平衡构建汽轮机组热量需求信号Q_r和锅炉热量信号Q_m，所述

构建时滞观测器

和扰动模型

得到锅炉热量信号观测值Q_m,o；式中，β_1,td和β_1,td为时滞观测器的可调参数，A、B、C为锅炉主控回路参考模型的系数，

是时滞观测器的输出；

设计锅炉主控扩张状态观测器

通过给煤量现值u_p0和锅炉热量信号观测值Q_m,o，得到锅炉主控扩张状态观测器ESO1的输出z_2,p；式中，b_0,p和k_p,p为锅炉主控ADRC的可调参数，β_1,p和β_2,2为ESO1的可调参数；

通过

得到锅炉给煤量调控量Δu_p。

上述技术方案中，所述给水主控自抗扰控制器设计包括：

设计给水主控扩张状态观测器ESO2

通过给水量现值u_h0和中间点蒸汽焓值h_m，得到给水主控扩张状态观测器ESO2的输出z_2,h；式中，b_0,h和k_p,h为给水主控ADRC的可调参数，β_1,h和β_2,h为ESO2的可调参数；

通过

得到锅炉给水量调控值Δu_h。

上述技术方案中，所述汽轮机组主控自抗扰控制器设计包括：

设计汽轮机组主控扩张状态观测器ESO3

通过主汽调门开度现值u_g0和发电负荷值N_e，得到汽轮机组主控扩张状态观测器ESO3的输出z_2,g；式中，b_0,g和k_p,g为汽轮机组主控ADRC的可调参数，β_1,g和β_2,g为ESO3的可调参数。

通过

得到主汽调门开度u_g。

上述技术方案中，锅炉给煤量曲线g(N)和锅炉给水量曲线f(u_p)通过锅炉设计计算书或现场测试得到；所述锅炉蓄热系数C_b通过现场测试得到。

本发明具有以下优点及有益效果：1)所设计的分散ADRC控制器相比于常规PID控制器，具有抗干扰能力强、适应煤质不确定性变化、兼顾各控制回路间耦合影响的特点，同时控制系统结构简单，整定方便，便于现场实施；2)利用时滞观测器和扰动模型能够预估给煤指令对锅炉热量信号的延迟影响，使得进入锅炉主控ESO1的输入输出信号相位差减小，从而提高ESO1的性能，改善大时滞过程的控制效果。

附图说明

图1为本发明所涉及的超临界火电机组机炉协调系统控制结构示意图。

图2为本发明所涉及的时滞观测器结构示意图。

图3为本发明所涉及的时滞补偿自抗扰控制结构示意图。

图4为本发明实施例所示的主蒸汽压力调控示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

超临界火电机组包括锅炉和汽轮机组。超临界机组的机炉协调控制系统的控制目标是通过协调锅炉的慢特性和汽轮机组的快特性，使其发电功率能够快速跟踪负荷指令，同时对影响机组经济性与安全性的重要参数即主蒸汽压力和汽水分离器出口焓值进行控制。因此，超临界火电机组的协调系统被控过程是一个三输入三输出的系统，被控量(输出)包括发电功率、主蒸汽压力和汽水分离器出口焓值，控制量(输入)包括给煤量、给水量和主汽调门开度。所设计的协调控制系统产生给煤指令、给水流量指令和主汽调门开度指令，通过相应的执行机构改变给煤量、给水量和主汽调门开度，从而实现对发电功率、主蒸汽压力和汽水分离器出口焓值的协调控制。

本发明的目的是针对如上所述的被控过程，提出了一种基于自抗扰控制原理和时滞观测器的超临界燃煤火电机组机炉协调控制方法。该方法针对发电功率、主蒸汽压力和中间点焓值控制回路，分别设计自抗扰控制器，能够将煤质扰动、强非线性、各控制回路间的耦合、模型不确定性等的影响通过扩张状态观测器进行观测和补偿，从而适应工况的大范围变化以及减小未知干扰的影响；同时针对给煤指令对被控参数影响具有大滞后的特点，设计时滞观测器和扰动模型，能够预估给煤指令对锅炉热量信号的延迟影响，从而改善大时滞过程的控制效果，提高系统的负荷响应能力。本发明能够实现机组对负荷指令的稳定快速跟踪，同时提高机组控制系统的抗扰动性能。

本发明所提出的超临界火电机组协调控制方法以直接能量平衡为基础，整体结构如图1所示。包括三个相对独立又有联系的控制回路：负荷控制回路、主蒸汽压力控制回路、中间点焓值控制回路，分别设计了汽轮机组主控自抗扰控制器(ADRC)、锅炉主控自抗扰控制器(ADRC)、给水主控自抗扰控制器(ADRC)；其中主蒸汽压力回路的锅炉主控ADRC采用基于时滞观测补偿的改进ADRC控制器，以提高ADRC对大时滞过程的适应能力。

具体方法包括：

获取所述超临界火电机组的运行状态参数，所述运行状态参数包括给煤量现值u_p0、给水量现值u_h0、主汽调门开度现值u_g0、发电负荷值N_e、主蒸汽压力值P_T、汽轮机组第一级压力(通常为汽轮机组高压缸的压力)值P₁、中间点蒸汽压力值P_m和中间点蒸汽焓值h_m；

将所述超临界火电机组的发电负荷指令N_er作为设定值，分别得到对应所述发电负荷指令N_er的主蒸汽压力设定值P_Tr和中间点蒸汽焓值设定值h_mr；

获取锅炉给煤量曲线g(N)以及与锅炉给煤指令u_p相对应的锅炉给水量曲线f(u_p)，锅炉给煤量曲线g(N)和锅炉给水量曲线f(u_p)通过锅炉设计计算书或现场测试得到。根据所述锅炉给煤量曲线g(N)得到所述发电负荷指令N_er对应的锅炉给煤量预调值g(N_er)。

获取锅炉蓄热系数C_b，锅炉蓄热系数C_b通过现场测试得到。基于能量平衡构建锅炉热量信号Q_m和汽轮机组热量需求信号Q_r，并设计锅炉主控自抗扰控制器，并以所述给煤量现值u_p0和锅炉热量信号Q_m为输入值通过所述锅炉主控自抗扰控制器计算输出得到锅炉给煤量调控量Δu_p，从而得到锅炉给煤指令u_p，u_p＝g(N_er)+Δu_p；

根据所述锅炉给水量曲线f(u_p)得到所述锅炉给煤指令u_p对应的锅炉给水量预调值f(u_p)；

分别设计给水主控自抗扰控制器和汽轮机组主控自抗扰控制器，并以所述锅炉给煤指令u_p、中间点蒸汽焓值设定值h_mr和中间点蒸汽焓值h_m作为输入值，通过所述给水主控自抗扰控制器设计计算输出得到锅炉给水量调控值Δu_h，从而得到锅炉给水指令u_h，u_h＝f(u_p)+Δu_h；通过汽轮机组主控自抗扰控制器设计获得主汽调门开度u_g；

分别通过锅炉给煤指令u_p、锅炉给水指令u_h和主汽调门开度u_g对所述超临界火电机组的给煤量、给水量和主蒸汽阀门进行调控。

锅炉主控自抗扰控制器设计包括：

通过主蒸汽压力值P_T、汽轮机组第一级压力值P₁、中间点蒸汽压力值P_m、主蒸汽压力设定值P_Tr、锅炉蓄热系数C_b，基于能量平衡构建汽轮机组热量需求信号Q_r和锅炉热量信号Q_m，所述

构建时滞观测器

和扰动模型

以给煤量现值u_p0和锅炉热量信号Q_m为输入，得到锅炉热量信号观测值Q_m,o；式中，β_1,td和β_1,td为时滞观测器的可调参数，A、B、C为锅炉主控回路参考模型的系数，

是时滞观测器的输出；

设计锅炉主控扩张状态观测器

通过给煤量现值u_p0和锅炉热量信号观测值Q_m,o，得到锅炉主控扩张状态观测器ESO1的输出z_2,p；式中，b_0,p和k_p,p为锅炉主控ADRC的可调参数，β_1,p和β_2,p为ESO2的可调参数，z_2,p为ESO1的输出；

通过

得到锅炉给煤量调控量Δu_p。

相比于锅炉热量信号Q_m，通过时滞观测器和扰动模型得到的锅炉热量信号观测值Q_m,o能够提前反映给煤指令的影响，因此能够改善大时滞过程的控制效果，提高系统的负荷响应能力。

给水主控自抗扰控制器设计包括：

设计给水主控扩张状态观测器ESO2

通过给水量现值u_h0和中间点蒸汽焓值h_m，得到给水主控扩张状态观测器ESO2的输出z_2,h；式中，b_0,h和k_p,h为给水主控ADRC的可调参数，β_1,h和β_2,h为ESO1的可调参数；

通过

得到锅炉给水量调控值Δu_h。

汽轮机组主控自抗扰控制器设计包括：

设计汽轮机组主控扩张状态观测器ESO3

通过主汽调门开度现值u_g0和发电负荷值N_e，得到汽轮机组主控扩张状态观测器ESO3的输出z_2,g；式中，b_0,g和k_p,g为汽轮机组主控ADRC的可调参数，β_1,g和β_2,g为ESO3的可调参数。

通过

得到主汽调门开度u_g。

实施例将通过某燃煤机组压力主控ADRC可调参数的选取，说明其中可调参数的选取方法。

ADRC的可调参数包括b₀、k_p、β_1,g和β_2,g，控制效果如图4所示。

为进行控制器参数调整，对上述参数进行参数调整时结合以下规律：

(1)β_1,g和β_2,g越大，ESO3的观测速度越快，同时观测器对噪声也越敏感。因此，应该从一个较小的值开始逐渐增大，直至观测精度满足要求。

(2)k_p越大，b₀越小，系统动态输出响应就越快，但震荡和超调会越严重。

对于图4所示的主蒸汽压力控制效果，可以适当减小k_p增大b₀从而减少超调达到满意的控制效果。

基于上述考虑，本发明设计基于直接能量平衡和自抗扰控制的超临界机组协调控制系统，提高机组适应工况大范围变化的能力并减小未知干扰的影响；同时针对给煤指令对被控参数影响具有大滞后的特点，本发明对锅炉主控自抗扰控制器进行改进，设计了时滞观测器和扰动模型，将时滞的影响视为外部扰动进行估计和补偿，从而提高系统的负荷响应能力。本发明能够实现机组对负荷指令的稳定快速跟踪，同时提高机组控制系统的抗扰动性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超临界火电机组机炉协调控制方法，所述超临界火电机组包括锅炉和汽轮机组，其特征在于，所述控制方法包括：

获取所述超临界火电机组的运行状态参数，所述运行状态参数包括给煤量现值u_p0、给水量现值u_h0、主汽调门开度现值u_g0、发电负荷值N_e、主蒸汽压力值P_T、汽轮机组第一级压力值P₁、中间点蒸汽压力值P_m和中间点蒸汽焓值h_m；

将所述超临界火电机组的发电负荷指令N_er作为设定值，分别得到对应所述发电负荷指令N_er的主蒸汽压力设定值P_Tr和中间点蒸汽焓值设定值h_mr；

获取锅炉给煤量曲线g(N)以及与锅炉给煤指令u_p相对应的锅炉给水量曲线f(u_p)，根据所述锅炉给煤量曲线g(N)得到所述发电负荷指令N_er对应的锅炉给煤量预调值g(N_er)；

获取锅炉蓄热系数C_b，基于能量平衡构建锅炉热量信号Q_m和汽轮机组热量需求信号Q_r，并设计锅炉主控自抗扰控制器，并以所述给煤量现值u_p0和锅炉热量信号Q_m为输入值通过所述锅炉主控自抗扰控制器计算输出得到锅炉给煤量调控量Δu_p，从而得到锅炉给煤指令u_p，u_p＝g(N_er)+Δu_p；

根据所述锅炉给水量曲线f(u_p)得到所述锅炉给煤指令u_p对应的锅炉给水量预调值f(u_p)；

分别设计给水主控自抗扰控制器和汽轮机组主控自抗扰控制器，并以所述锅炉给煤指令u_p、中间点蒸汽焓值设定值h_mr和中间点蒸汽焓值h_m作为输入值，通过所述给水主控自抗扰控制器设计计算输出得到锅炉给水量调控值Δu_h，从而得到锅炉给水指令u_h，u_h＝f(u_p)+Δu_h；通过汽轮机组主控自抗扰控制器设计获得主汽调门开度u_g；

分别通过锅炉给煤指令u_p、锅炉给水指令u_h和主汽调门开度u_g对所述超临界火电机组的给煤量、给水量和主蒸汽阀门进行调控。

2.根据权利要求1所述的一种超临界火电机组机炉协调控制方法，其特征在于，所述锅炉主控自抗扰控制器设计包括：

通过主蒸汽压力值P_T、汽轮机组第一级压力值P₁、中间点蒸汽压力值P_m、主蒸汽压力设定值P_Tr、锅炉蓄热系数C_b，基于能量平衡构建汽轮机组热量需求信号Q_r和锅炉热量信号Q_m，所述

构建时滞观测器

和扰动模型

得到锅炉热量信号观测值Q_m,o；

设计锅炉主控扩张状态观测器ESO1

通过给煤量现值u_p0和锅炉热量信号观测值Q_m,o，得到锅炉主控扩张状态观测器ESO1的输出z_2,p；

通过

得到锅炉给煤量调控量Δu_p。

3.根据权利要求1所述的一种超临界火电机组机炉协调控制方法，其特征在于，所述给水主控自抗扰控制器设计包括：

设计给水主控扩张状态观测器ESO2

通过给水量现值u_h0和中间点蒸汽焓值h_m，得到给水主控扩张状态观测器ESO2的输出z_2,h；

通过

得到锅炉给水量调控值Δu_h。

4.根据权利要求1所述的一种超临界火电机组机炉协调控制方法，其特征在于，所述汽轮机组主控自抗扰控制器设计包括：

设计汽轮机组主控扩张状态观测器ESO3

通过主汽调门开度现值u_g0和发电负荷值N_e，得到汽轮机组主控扩张状态观测器ESO3的输出z_2,g；

通过

得到主汽调门开度u_g。

5.根据权利要求1所述的一种超临界火电机组机炉协调控制方法，其特征在于，锅炉给煤量曲线g(N)和锅炉给水量曲线f(u_p)通过锅炉设计计算书或现场测试得到；所述锅炉蓄热系数C_b通过现场测试得到。

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