CN112148056B - 一种火电机组的功率调节方法、装置和系统 - Google Patents

一种火电机组的功率调节方法、装置和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种火电机组的功率调节方法、装置和系统，属于热能动力工程和自动控制技术领域，该方法包括如下步骤：基于被控对象多区间动态特性模型，获得各区间所对应的子内模控制器的内部模型；根据所述内部模型，设计对应的子内模控制器；在各所述子内模控制器之间进行切换，获得相应所述子内模控制器的控制量输出值；利用所述控制量输出值对被控对象进行功率调节。本发明基于多模型内模控制方法改进了功率调节方案，在设定值跟踪以及系统鲁棒性方面均优于传统功率调节方法。

Description

一种火电机组的功率调节方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及一种火电机组的功率调节方法、装置和系统，属于热能动力工程和自动控制技术领域。
背景技术
典型火电机组汽轮机的功率调节系统如附图1所示。从图中可以看出，被控对象的输入为控制器综合阀位指令，指令经过执行机构GZ使实际阀门开度达到μ，该实际综合阀位受到阀前主蒸汽压力PT的修正使汽轮机进汽量达到Q，该蒸汽流量经过汽轮机产生机械功率Pm，机械功带动发电机产生发电功率PE，GT为汽轮机的动态特性模型，GE为发电机动态特性模型。
综合阀位指令的计算基于前馈+反馈控制结构，反馈控制采用基本PID调节器，实际整定参数仅仅包含PI调节，功率设定值Pr(来自人工设定或者AGC目标负荷值)与一次调频功率增量△Pr之和组成控制器最终功率设定值，前馈部分采用简单的比例调节Kf，前馈输入即为最终功率设定，PID反馈调节的输入量为最终设定值与实际功率反馈值的偏差，通过该闭环可保证最终功率调节无稳态偏差。
传统的功率调节控制系统，存在以下问题：
从图1中可以看出被控对象的非线性问题主要由综合阀位的非线性以及主蒸汽压力变化引起的，导致综合阀门实际开度到进入汽轮机的蒸汽流量的增益系数不固定，另外由于前馈部分的存在导致闭环反馈PID参数的整定一般较弱，造成传统控制方式抗扰动能力较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种火电机组的功率调节方法、装置和系统，提高了功率控制系统的调节性能与鲁棒性，以及增强了功率调节过程中抗扰动能力。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种火电机组的功率调节方法，包括如下步骤：
基于被控对象多区间动态特性模型，获得各区间所对应的子内模控制器的内部模型；
根据所述内部模型，设计对应的子内模控制器；
在各所述子内模控制器之间进行切换，获得相应所述子内模控制器的控制量输出值；
利用所述控制量输出值对被控对象进行功率调节。
进一步的，基于被控对象多区间动态特性模型，获得各区间所对应的子内模控制器的内部模型的方法包括如下步骤：
确定综合阀位值和实发功率之间的拟合多点函数；
根据所述拟合多点函数确定各综合阀位区间；
计算各所述综合阀位区间对应的子内模控制器的内部模型参数。
进一步的，所述拟合多点函数的建立方法包括如下步骤：
将机组设定为定压运行方式，并将机组实发功率调节到40％额定负荷；
记录40％额定负荷所对应的综合阀位值为最小阀位值；
按照5％额定负荷增量进行综合阀位值变化，直至100％额定负荷，并记录每一次阀位值变化所对应机组稳定时的实发功率值；
将各综合阀位值与对应的实发功率值进行拟合获得拟合多点函数。
进一步的，计算各所述综合阀位区间对应的子内模控制器的内部模型参数的方法包括如下步骤：
将机组切换为正常的滑压运行模式，对各所述综合阀位区间进行阶跃试验，记录阶跃过程中实发功率随时间变化的阶跃响应实验数据；
将所述阶跃响应试验数据结合系统辨识算法，采用一阶惯性过程模型结构求解各所述综合阀位区间对应的子内模控制器内部模型参数。
进一步的，计算子内模控制器的内部模型参数为子内模控制器
Figure BDA0002693889830000031
模型，采用如下式表示为：
Figure BDA0002693889830000032
式中，Tn(s)为第n个子内模控制器的惯性滤波环节模型；s为拉式算子；
Figure BDA0002693889830000033
为第n个子内模控制器内部模型
Figure BDA0002693889830000034
的逆模型。
进一步的，在各所述子内模控制器之间进行切换的方法包括如下步骤：
根据当前实际综合阀位所处于的子内模控制器内部模型所对应的综合阀位区间进行子内模控制器切换。
进一步的，根据机组实发功率和实发功率模型采用子内模控制器计算值确定当前实际综合阀位。
第二方面，本发明提供了一种装置，所述装置包括如下模块：
模型构建模块，用于基于被控对象多区间动态特性模型，获得各区间所对应的子内模控制器的内部模型；
控制器设计模块，用于根据所述内部模型，设计对应的子内模控制器；
控制量选择模块，用于在各所述子内模控制器之间进行切换，获得相应所述子内模控制器的控制量输出值；
功率调节模块，利用所述控制量输出值对被控对象进行功率调节。
进一步的，所述模型构建模块包括如下单元：
函数确定单元，用于确定综合阀位值和实发功率之间的拟合多点函数；
区间确定单元，用于根据所述拟合多点函数确定各综合阀位区间；
参数计算单元，计算各所述综合阀位区间对应的子内模控制器的内部模型参数。
第三方面，本发明提供了一种火电机组系统，包括火电机组和第一方面中任一项所述的装置，其中，通过所述装置对火电机组进行功率调节。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明基于被控对象多区间动态特性模型，获得相应的内部模型和子内模控制器，并在各子内模控制器之间进行切换，获取相应控制量输出值以实现功率调节，解决了由于阀门流量特性以及压力影响造成的流量系数非线性的问题；
通过确定综合阀位区间，进行内部模型和子内模控制器的设计，使功率调节系统的调节过程更加稳定；
通过实发功率和实发功率模型计算值的反馈，确定确定综合阀位区间进而选择合适的子内模控制器对被控对象进行功率调节，操作方便，且提高了系统鲁棒性；
本发明改进的功率调节算法计算简单且易于通过DCS平台进行组态实施，具有更大的工程应用价值。
附图说明
图1是现有技术中典型火电机组汽轮机的功率调节系统图；
图2是本发明实施例提供的一种火电机组的功率调节系统图；
图3是本发明实施例提供的一种火电机组的功率调节方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种装置的结构框图；
图中：
Pr为来自人工设定或者AGC目标负荷值；△Pr为次调频功率增量；Kf为前馈部分比例调节；PID为比例积分微分控制器；μD为综合阀位指令；GZ为执行机构动态特性；μ为实际阀门开度；PT为主蒸汽压力；Q为汽轮机进汽量；f(μ,PT)为流量函数；GT为汽轮机的动态特性模型；Pm为蒸汽流量经过汽轮机产生的机械功率；GE为发电机动态特性模型；PE为发电机产生发电功率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图2和3所示，本发明实施例提供了一种火电机组功率调节方法，基于多模型内模控制器，根据功率设定值、机组实发功率和实发功率模型计算值，在多模型内模控制器之间进行相应的切换，根据切换选择的子内模控制器及其对应的内部模型进行机组被控对象的功率调节。该功率调节方法包括如下步骤：
步骤一：建立汽轮机功率调节系统被控对象多区间动态特性模型，并基于多区间动态特性模型筛选获得子内模控制器的内部模型。
在本发明实施例中，子内模控制器的内部模型的控制量与被控量分别为汽轮机主汽阀门综合阀位指令与火电机组实发功率；通过汽轮机主汽阀门综合阀位指令对火电机组进行功率调节，进而获得火电机组的实发功率。
在本发明实施例中，基于多区间动态特性模型筛选获得子内模控制器的内部模型的方法包括如下具体步骤：
首先，将机组设定为定压运行方式，将机组实发功率调节到40％额定负荷，记录其所对应的综合阀位值，将该综合阀位值做为最小阀位值，并在此阀位基础上按照5％增量进行阀位变化，每一次阀位变化后待机组稳定后记录实发功率值，重复上述过程直至100％综合阀位。将综合阀位与对应的实发功率进行多点函数拟合，根据最终拟合的多点函数的区间段数确定需要的子内模控制器个数。
其次，将机组切换为正常的滑压运行模式，在上述确定的多点函数所对应的综合阀位区间进行阶跃试验，记录阶跃过程中实发功率随时间变化的阶跃响应实验数据；
最后，将阶跃响应试验数据结合系统辨识算法，采用一阶惯性过程模型结构求解子内模控制器内部模型参数。
步骤二：基于筛选得到的内部模型，分别进行对应的子内模控制器设计，并求解各子内模控制器的控制量输出值；其中，控制量输出值可理解为实发功率模型计算值，用于计算确定机组功率所处的综合阀位区间。
在本实施例中，子内模控制器的设计过程为：
步骤201：将被控对象的内模模型M(s)分解为：
M(s)＝M+(s)M-(s)，
其中M+(s)为模型中包含纯滞后和不稳定零点的部分，M-(s)为模型中的最小相位部分。
步骤202：在设计内模控制器时，需要在最小相位M-(s)的逆上增加滤波器，以确保系统的稳定性与鲁棒性，定义内模控制器为：
Q(s)＝f(s)/M-(s)，
式中，f(s)为低通滤波器，选择f(s)的目的之一是使Q(s)变为有理，通常选用以下形式：
f(s)＝1/(λs+1)r
式中，r应选择足够大以保证Q(s)的可实现性，一般选择为2、3、4；λ为滤波时间常数，是内模控制器仅有的设计参数，可设置为一次调频系统惯性时间的1/2。
步骤203：基于一阶惯性环节模型的内模控制器设计方法，即获得子内模控制器
Figure BDA0002693889830000071
模型，表示为：
Figure BDA0002693889830000072
其中，Tn(s)为第n个子内模控制器的惯性滤波环节模型；s为拉式算子；
Figure BDA0002693889830000073
为第n个子内模控制器内部模型
Figure BDA0002693889830000074
的逆模型。
步骤三：各个子内模控制器根据不同条件进行子内模控制器的控制量输出值切换，切换到的子内模控制器所对应的控制量输出值为最终的用于调节机组实发功率的控制量输出值。
各个子内模控制器根据不同条件进行子内模控制器的控制输出值切换，具体指：根据当前实际综合阀位所处于的子内模控制器内部模型所对应的综合阀位区间进行控制器切换。其中，当前实际综合阀位为根据反馈的机组实发功率和实发功率模型计算值计算确定，其中，子内模控制器将实发功率与内部模型输出值进行差值计算得出扰动估计值，将功率设定值与扰动估计值进行差值计算，并送入内模控制器，内模控制器输出即为包含当前实际综合阀位的综合阀位指令。
实施例二：
本发明实施例提供了一种装置，所述装置包括如下模块：
模型构建模块，用于基于被控对象多区间动态特性模型，获得各区间所对应的子内模控制器的内部模型；
控制器设计模块，用于根据所述内部模型，设计对应的子内模控制器；
控制量选择模块，用于在各所述子内模控制器之间进行切换，获得相应所述子内模控制器的控制量输出值；
功率调节模块，利用所述控制量输出值对被控对象进行功率调节。
作为本发明的一种实施例，模型构建模块包括如下单元：
函数确定单元，用于确定综合阀位值和实发功率之间的拟合多点函数；
区间确定单元，用于根据所述拟合多点函数确定各综合阀位区间；
参数计算单元，计算各所述综合阀位区间对应的子内模控制器的内部模型参数。
实施例三：
本发明提供了一种火电机组系统，包括火电机组和实施例一中任一项所述的装置，其中，通过所述装置对火电机组进行功率调节。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种火电机组的功率调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于被控对象多区间动态特性模型，获得各区间所对应的子内模控制器的内部模型；
根据所述内部模型，设计对应的子内模控制器；
在各所述子内模控制器之间进行切换，获得相应所述子内模控制器的控制量输出值；
利用所述控制量输出值对被控对象进行功率调节；
基于被控对象多区间动态特性模型，获得各区间所对应的子内模控制器的内部模型的方法包括如下步骤：
确定综合阀位值和实发功率之间的拟合多点函数；
根据所述拟合多点函数确定各综合阀位区间；
计算各所述综合阀位区间对应的子内模控制器的内部模型参数；
在各所述子内模控制器之间进行切换的方法包括如下步骤：
根据当前实际综合阀位所处于的子内模控制器内部模型所对应的综合阀位区间进行子内模控制器切换。
2.根据权利要求1所述的功率调节方法，其特征在于，所述拟合多点函数的建立方法包括如下步骤：
将机组设定为定压运行方式，并将机组实发功率调节到40％额定负荷；
记录40％额定负荷所对应的综合阀位值为最小阀位值；
按照5％额定负荷增量进行综合阀位值变化，直至100％额定负荷，并记录每一次阀位值变化所对应机组稳定时的实发功率值；
将各综合阀位值与对应的实发功率值进行拟合获得拟合多点函数。
3.根据权利要求2所述的功率调节方法，其特征在于，计算各所述综合阀位区间对应的子内模控制器的内部模型参数的方法包括如下步骤：
将机组切换为正常的滑压运行模式，对各所述综合阀位区间进行阶跃试验，记录阶跃过程中实发功率随时间变化的阶跃响应实验数据；
将所述阶跃响应试验数据结合系统辨识算法，采用一阶惯性过程模型结构求解各所述综合阀位区间对应的子内模控制器内部模型参数。
4.根据权利要求3所述的功率调节方法，其特征在于，计算子内模控制器的内部模型参数为子内模控制器
Figure FDA0003430694470000021
模型，采用如下式表示：
Figure FDA0003430694470000022
式中，Tn(s)为第n个子内模控制器的惯性滤波环节模型；s为拉式算子；
Figure FDA0003430694470000023
为第n个子内模控制器内部模型
Figure FDA0003430694470000024
的逆模型。
5.根据权利要求1所述的功率调节方法，其特征在于，根据机组实发功率和实发功率模型计算值，采用传统内模控制器计算确定当前实际综合阀位。
6.一种应用如权利要求1-5任一项所述火电机组的功率调节方法的装置，其特征在于，所述装置包括如下模块：
模型构建模块，用于基于被控对象多区间动态特性模型，获得各区间所对应的子内模控制器的内部模型；
控制器设计模块，用于根据所述内部模型，设计对应的子内模控制器；
控制量选择模块，用于在各所述子内模控制器之间进行切换，获得相应所述子内模控制器的控制量输出值；
功率调节模块，用于利用所述控制量输出值对被控对象进行功率调节。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述模型构建模块包括如下单元：
函数确定单元，用于确定综合阀位值和实发功率之间的拟合多点函数；
区间确定单元，用于根据所述拟合多点函数确定各综合阀位区间；
参数计算单元，用于计算各所述综合阀位区间对应的子内模控制器的内部模型参数。
8.一种火电机组系统，其特征在于，包括火电机组和权利要求6-7任一项所述的装置，其中，通过所述装置对火电机组进行功率调节。
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