CN113267994B - 基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法及系统 - Google Patents

基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法及系统，本发明基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法包括设计三级控制器串联结构，所述三级控制器串联结构包括依次串联的多模型预测控制器、锅炉主控以及燃料主控；整定三级控制器串联结构中的锅炉主控、燃料主控的参数；设计多种工况下的模型预测控制器，将多个工况下的模型预测控制器的输出求和后再累加，以累加输出作为多模型预测控制器总体输出。本发明能够改善主汽压力控制响应速度，减小主汽压力动态偏差，以及提高自动发电控制稳定性，能够在变负荷时能够快速调整燃料量，从而提高主汽压响应速度、减小动态偏差。

Description

基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法及系统
技术领域
本发明属于火电机组热工控制技术领域，具体涉及一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法及系统。
背景技术
火电机组主汽压力控制特性具有大时延、大惯性、非线性等控制难点，随着电力辅助服务——自动发电控制对火电机组负荷响应速率要求的提高，机组在快速变负荷过程中常规主汽压力控制方法响应速度慢，主汽压力动态偏差大，既影响机组本身的安全稳定运行，也限制了机组快速变负荷的潜力。
目前，常规的火电机组主汽压力控制由协调控制系统中锅炉主控、燃料主控配合完成(控制框图如附图1所示)。一般来说，协调控制系统锅炉主控采用前馈-反馈PID控制方式，其中PID的输入为主汽压力与其设定值的偏差；前馈输入为负荷指令，其输出由输入经一个分段线性插值函数计算得到；最终锅炉主控的总体输出等于PID输出与前馈输出之和，并作为燃料主控的设定值。燃料主控是一PID控制器，PID控制器的设定值为锅炉主控输出，过程量为计算燃料量，两者之差作为PID控制器的输入经PID运算后形成输出，并作为磨煤机容量风门指令(球式磨煤机)或给煤量指令(中速磨)。实际应用表明，由于PID控制对主汽压力大时滞、大时延控制特性的适用性不佳，以上常规火电机组主汽压力控制方法中主汽压力响应速度慢、动态偏差大的问题难以完全通过对常规火电机组主汽压力控制方法的控制参数进行优化调整加以解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法及系统，用于改善主汽压力控制响应速度，减小主汽压力动态偏差，以及提高自动发电控制稳定性，能够在变负荷时能够快速调整燃料量，从而提高主汽压响应速度、减小动态偏差。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，包括：
1)设计三级控制器串联结构，所述三级控制器串联结构包括依次串联的多模型预测控制器、锅炉主控以及燃料主控；
2)整定三级控制器串联结构中的锅炉主控、燃料主控的参数；
3)设计多种工况下的模型预测控制器，将多个工况下的模型预测控制器的输出求和后再累加，以累加输出作为多模型预测控制器总体输出。
可选地，步骤1)中的多模型预测控制器的输入分别为主汽压力、主汽压力设定、负荷指令，输出为第一级控制器输出指令。
可选地，步骤1)中的锅炉主控为PID控制器，且多模型预测控制器输出的第一级控制器输出指令、主汽压力之差作为锅炉主控的输入，锅炉主控的输出为第二级控制器输出指令。
可选地，步骤1)中的燃料主控为PID控制器，且锅炉主控输出的第二级控制器输出指令、计算燃料量之差作为燃料主控的输入，燃料主控的输出为钢球磨的容量风门开度或中速磨的给煤量指令。
可选地，步骤3)包括：
3.1)构建多种工况下的被控对象模型，得到被控对象模型组；
3.2)根据确定的被控对象模型组，并利用商用模型预测控制器设计工具整定模型预测控制器，形成与被控对象模型组对应的模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}；
3.3)针对得到的模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}，令每一模型预测控制器的输出与其上一采样时间的输出之差作为输出增量，将负荷指令输入增益环节得到加权系数，将加权系数、输出增量相乘作为该模型预测控制器的增量式输出；
3.4)将模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}内所有模型预测控制器的增量式输出求和后再累加，并以累加输出作为多模型预测控制器总体输出。
可选地，步骤3.1)中的多种工况包括最高/最低以及中间负荷三种工况(非必要)。
可选地，步骤3.1)中每一种工况下的被控对象模型包括：被控对象中可控部分的传递函数G(s)、被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)以及求和环节，所述被控对象中可控部分的传递函数G(s)的输入为模型预测控制器的输出，所述被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)的输入为去除一次调频作用的负荷指令，所述求和环节的输入为被控对象中可控部分的传递函数G(s)以及被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)的输出、输出为主汽压力。
此外，本发明还提供一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，包括：
S1)通过三级控制器串联结构中第一级的多模型预测控制器基于输入的主汽压力、主汽压力设定、负荷指令计算得到第一级控制器输出指令；所述多模型预测控制器包括多种工况下的模型预测控制器，每一模型预测控制器的输出与其上一采样时间的输出之差作为输出增量，将负荷指令输入增益环节得到加权系数，将加权系数、输出增量相乘作为该模型预测控制器的增量式输出，且多个工况下的模型预测控制器的输出求和后再累加，以累加输出作为多模型预测控制器总体输出的第一级控制器输出指令；
S2)通过三级控制器串联结构中第二级的锅炉主控基于输入的第一级控制器输出指令、主汽压力之差计算得到第二级控制器输出指令；
S3)通过三级控制器串联结构中第三级的燃料主控基于输入的第二级控制器输出指令、计算燃料量之差计算得到钢球磨的容量风门开度或中速磨的给煤量指令。
此外，本发明还提供一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明的有益效果主要包括：本发明通过配置多模型预测控制器提高了主汽压力控制鲁棒性；通过三级控制器串联将多模型预测控制器的被控对象构建为一具有自平衡能力的热工控制对象，解决了直接用多模型预测控制器作为锅炉主控可能由煤质变化、煤质计量不准等非线性因素导致主汽压控制效果恶化或产生稳态偏差的问题；将负荷指令对主汽压力的影响作为可观不可控的扰动，并据此设计多模型预测控制器，使本方法能够在变负荷时能够快速调整燃料量，从而提高主汽压响应速度、减小动态偏差。
附图说明
图1为现有技术的火电机组主汽压力控制原理示意图。
图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图3为本发明实施例中的三级控制器串联结构示意图。
图4为本发明实施例中被控对象模型组的结构示意图。
图5为本发明实施例中单个模型预测控制器的实现原理示意图。
图6为本发明实施例中多个模型预测控制器的组合原理示意图。
图7为应用本发明实施例方法得到的变负荷历史趋势曲线图。
具体实施方式
下文将以某660MW超临界火电机组作为实施对象，按本发明基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法及系统进行该机组主汽压力控制优化，对本发明基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法及系统进行进一步的详细说明。
如图2所示，本实施例基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法包括：
1)设计三级控制器串联结构，所述三级控制器串联结构包括依次串联的多模型预测控制器、锅炉主控以及燃料主控；
2)整定三级控制器串联结构中的锅炉主控、燃料主控的参数；
3)设计多种工况下的模型预测控制器，将多个工况下的模型预测控制器的输出求和后再累加，以累加输出作为多模型预测控制器总体输出。
如图3所示，本实施例步骤1)中的多模型预测控制器的输入分别为主汽压力、主汽压力设定、负荷指令，输出为第一级控制器输出指令。
如图3所示，本实施例步骤1)中的锅炉主控为PID控制器，且多模型预测控制器输出的第一级控制器输出指令、主汽压力之差作为锅炉主控的输入，锅炉主控的输出为第二级控制器输出指令。
步骤2)整定三级控制器串联结构中的锅炉主控、燃料主控的参数可根据经验设定。例如本实施例中采用经验法整定锅炉主控、燃料主控参数，其中锅炉主控PID参数整定为：比例系数＝12、积分系数＝0.0222、微分系数＝0；燃料主控PID参数整定为：比例系数＝1.75、积分系数＝0.0333、微分系数＝0。
如图3所示，本实施例步骤1)中的燃料主控为PID控制器，且锅炉主控输出的第二级控制器输出指令、计算燃料量之差作为燃料主控的输入，燃料主控的输出为钢球磨的容量风门开度或中速磨的给煤量指令。
本实施例中，步骤3)包括：
3.1)构建多种工况下的被控对象模型，得到被控对象模型组；
作为一种可选的是实施方式，本实施例步骤3.1)中的多种工况包括最高/最低以及中间负荷三种工况，此外也可以根据需要选择其他不同工况。
被控对象模型是模型预测控制器的整定依据。如图4所示，本实施例步骤3.1)中每一种工况下的被控对象模型包括：被控对象中可控部分的传递函数G(s)、被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)以及求和环节，所述被控对象中可控部分的传递函数G(s)的输入为模型预测控制器的输出，所述被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)的输入为去除一次调频作用的负荷指令，所述求和环节的输入为被控对象中可控部分的传递函数G(s)以及被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)、输出为主汽压力。令G(s)的输入阶跃变化、D(s)的输入维持不变，记录G(s)、D(s)输出之和——主汽压力的变化数据，根据该数据通过常规方法(如系统辨识)确定G(s)的参数；令D(s)的输入阶跃变化、G(s)的输入维持不变，记录G(s)、D(s)输出之和——主汽压力的变化数据，根据该数据通过常规方法(如系统辨识)确定D(s)的参数。依次确定选择的所有工况下G(s)、D(s)，形成被控对象模型组。
本实施例中具体选择50％、60％、70％、80％、90％、100％额定负荷作为建模工况。结合机理建模、系统辨识确定对应工况的被控对象模型，被控对象中可控部分的传递函数G(s)、被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)的函数表达式为：
Figure BDA0003035413150000051
Figure BDA0003035413150000052
且其中各个参数设置如表1和表2所示。
表1：传递函数G(s)的参数设置表。
Figure BDA0003035413150000053
表2：传递函数D(s)的参数设置表。
Figure BDA0003035413150000054
Figure BDA0003035413150000061
3.2)根据确定的被控对象模型组，并利用商用模型预测控制器设计工具整定模型预测控制器，形成与被控对象模型组对应的模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}；
本实施例中具体利用商用模型预测控制器设计工具(如Matlab/MpcDesigner)整定模型预测控制器，形成与被控对象模型组对应的模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}，且模型预测控制器为常规模型预测控制器(如采用Matlab/MpcDesigner内置模型预测控制算法)。
3.3)针对得到的模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}，令每一模型预测控制器的输出与其上一采样时间的输出之差作为输出增量，将负荷指令输入增益环节得到加权系数，将加权系数、输出增量相乘作为该模型预测控制器的增量式输出。对模型预测控制器组内全部控制器作以上增量化处理，处理后单个模型预测控制器结构如图5所示。通过实现增量式输出，这样使得单个模型预测控制器的控制作用权重将根据负荷指令变化相应调整以匹配被控对象控制特性的变化。
3.4)将模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}内所有模型预测控制器的增量式输出求和后再累加，并以累加输出作为多模型预测控制器总体输出，如图6所示。通过对模型预测控制器组内全部控制器的增量式输出求和后再累加，以累加输出作为多模型预测控制器总体输出，该总体输出能够在各种工况下与被控对象较好地匹配，从而保持较好的控制效果。
最终，应用本实施例基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法后，对该660MW机组进行变负荷试验，按照12MW/min的设定速率，令机组负荷由450MW上升至510MW，稳定10分钟后再由510MW下降至450MW。变负荷历史趋势如图7所示，由图7可以计算得到主汽压力最大动态偏差≤0.5MPa，优于规程≤±0.6MPa的要求。综上所述，本实施例基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法通过配置多模型预测控制器提高了主汽压力控制鲁棒性；通过三级控制器串联将多模型预测控制器的被控对象构建为一具有自平衡能力的热工控制对象，解决了直接用多模型预测控制器作为锅炉主控可能由煤质变化、煤质计量不准等非线性因素导致主汽压控制效果恶化或产生稳态偏差的问题；将负荷指令对主汽压力的影响作为可观不可控的扰动，并据此设计多模型预测控制器，使本方法能够在变负荷时能够快速调整燃料量，从而提高主汽压响应速度、减小动态偏差。
此外，本实施例还提供一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，包括：
S1)通过三级控制器串联结构中第一级的多模型预测控制器基于输入的主汽压力、主汽压力设定、负荷指令计算得到第一级控制器输出指令；所述多模型预测控制器包括多种工况下的模型预测控制器，每一模型预测控制器的输出与其上一采样时间的输出之差作为输出增量，将负荷指令输入增益环节得到加权系数，将加权系数、输出增量相乘作为该模型预测控制器的增量式输出，且多个工况下的模型预测控制器的输出求和后再累加，以累加输出作为多模型预测控制器总体输出的第一级控制器输出指令；
S2)通过三级控制器串联结构中第二级的锅炉主控基于输入的第一级控制器输出指令、主汽压力之差计算得到第二级控制器输出指令；
S3)通过三级控制器串联结构中第三级的燃料主控基于输入的第二级控制器输出指令、计算燃料量之差计算得到钢球磨的容量风门开度或中速磨的给煤量指令。
此外，本实施例还提供一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法的步骤。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，其特征在于，包括：
1）设计三级控制器串联结构，所述三级控制器串联结构包括依次串联的多模型预测控制器、锅炉主控以及燃料主控；多模型预测控制器的输入分别为主汽压力、主汽压力设定、负荷指令，输出为第一级控制器输出指令；所述第一级控制器输出指令、主汽压力之差作为锅炉主控的输入，锅炉主控的输出为第二级控制器输出指令；所述第二级控制器输出指令、计算燃料量之差作为汽机主控的输入，燃料主控的输出为钢球磨的容量风门开度或中速磨的给煤量指令；
2）整定三级控制器串联结构中的锅炉主控、燃料主控的参数；
3）设计多种工况下的模型预测控制器，将多个工况下的模型预测控制器的输出求和后再累加，以累加输出作为多模型预测控制器总体输出。
2.根据权利要求1所述的基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，其特征在于，步骤1）中的锅炉主控为PID控制器。
3.根据权利要求2所述的基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，其特征在于，步骤1）中的燃料主控为PID控制器。
4.根据权利要求1所述的基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，其特征在于，步骤3）包括：
3.1）构建多种工况下的被控对象模型，得到被控对象模型组；
3.2）根据确定的被控对象模型组，并利用商用模型预测控制器设计工具整定模型预测控制器，形成与被控对象模型组对应的模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}；
3.3）针对得到的模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}，令每一模型预测控制器的输出与其上一采样时间的输出之差作为输出增量，将负荷指令输入增益环节得到加权系数，将加权系数、输出增量相乘作为该模型预测控制器的增量式输出；
3.4）将模型预测控制器组{MPC1，……，MPCN}内所有模型预测控制器的增量式输出求和后再累加，并以累加输出作为多模型预测控制器总体输出。
5.根据权利要求4所述的基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，其特征在于，步骤3.1）中的多种工况包括最高/最低以及中间负荷三种工况。
6.根据权利要求4所述的基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，其特征在于，步骤3.1）中每一种工况下的被控对象模型包括：被控对象中可控部分的传递函数G(s)、被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)以及求和环节，所述被控对象中可控部分的传递函数G(s)的输入为模型预测控制器的输出，所述被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)的输入为去除一次调频作用的负荷指令，所述求和环节的输入为被控对象中可控部分的传递函数G(s)以及被控对象中可观但不可控部分的传递函数D(s)的输出、输出为主汽压力。
7.一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法，其特征在于，包括：
S1）通过三级控制器串联结构中第一级的多模型预测控制器基于输入的主汽压力、主汽压力设定、负荷指令计算得到第一级控制器输出指令；所述多模型预测控制器包括多种工况下的模型预测控制器，每一模型预测控制器的输出与其上一采样时间的输出之差作为输出增量，将负荷指令输入增益环节得到加权系数，将加权系数、输出增量相乘作为该模型预测控制器的增量式输出，且多个工况下的模型预测控制器的输出求和后再累加，以累加输出作为多模型预测控制器总体输出的第一级控制器输出指令；
S2）通过三级控制器串联结构中第二级的锅炉主控基于输入的第一级控制器输出指令、主汽压力之差计算得到第二级控制器输出指令；
S3）通过三级控制器串联结构中第三级的燃料主控基于输入的第二级控制器输出指令、计算燃料量之差计算得到钢球磨的容量风门开度或中速磨的给煤量指令。
8.一种基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述基于三级控制串联的火电机组主汽压力控制方法的计算机程序。
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