CN116577984B - 超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法，具体包括：建立含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统动态模型，并结合机组运行数据辨识模型参数；针对系统动态模型，设计基于高阶滑模观测器的抗干扰控制律；确定控制器和观测器系数，保证控制系统的稳定性和动态性能。本发明能在机组大范围变负荷运行和多种扰动干扰下，提高汽水分离器蒸汽焓值的控制品质，为机组安全稳定运行提供理论基础。

Description

超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法

技术领域

本发明涉及热工自动控制方法，尤其是涉及一种超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法。

背景技术

由于可再生能源的间歇性和随机性，超超临界燃煤机组需要频繁参与电网调峰，稳定电网运行频率。超超临界燃煤机组中的过热汽温拥有极高的温度，需要在机组变负荷运行时保持稳定，维持机组安全经济运行。直流炉机组过热汽温控制策略是维持一定的煤水比，作为主要调节手段，利用减温水快速地调整过热汽温，维持过热汽温稳定。汽水分离器蒸汽焓值能灵敏地反映煤水比变化，可视为表示煤水比的信号。当机组实际变负荷运行时，机组中存在多种扰动，如制粉系统变时延扰动和燃煤热值扰动等，形成以谐波形式变化的热量扰动，引起汽水分离器蒸汽焓值剧烈波动，降低过热汽温控制品质。

因此，需要设计超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法，在机组大范围变负荷运行且受多种扰动干扰下，稳定汽水分离器蒸汽焓值，提升过热汽温控制品质，维持机组安全经济运行。

PID算法在火力发电控制系统中广泛应用，而传统PI控制方法，难以取得满意的控制效果，原因如下：传统前馈控制作用是由机组稳态数据和运行经验大致确定，会产生模型失配扰动，降低机炉协调系统跟踪性能；现有技术中控制系数为常数，且在机组大范围变负荷运行中保持不变，由于超超临界燃煤机组锅炉系统的非线性、变惯性和强耦合特性，现有技术无法有效地降低跟踪偏差，具有较差的汽水分离器蒸汽焓值控制品质；机组实际运行过程中存在多种扰动，如制粉系统中的变时延和煤粉质量扰动等，最终形成以谐波形式变化的热量扰动，现有技术无法及时估计并在控制律中补偿该扰动，会降低控制系统抗干扰能力。

因此，在机组大范围变负荷运行且受多种扰动干扰下，现有方法会降低超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值控制品质。

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，本发明提出一种超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法，在机组大范围变负荷运行且受多种扰动干扰下，稳定汽水分离器蒸汽焓值，提高过热汽温控制品质，维持机组安全经济运行。

技术方案：发明一种超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法，包括如下步骤：

S1.建立含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统动态模型，将动态模型与机组运行数据结合辨识模型参数；

所述的含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统动态模型中，系统动态方程为：

y₁＝x₂-g(x₂),

y₂＝x₃,

式中，

D_st＝u_tf(p_st,h_st),p_st＝x₂-g(x₂),h_st＝lh_m,Q₁＝k₁x₁.

式中，x为含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统状态变量x＝[r_B,p_m,h_m]^T，r_B,p_m,h_m分别是入炉煤量、汽水分离器蒸汽压力、汽水分离器蒸汽焓值；u是含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统输入变量u＝[u_B,D_fw]^T，u_B、D_fw分别为燃料量指令、给水流量；y是含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统输出变量y＝[p_st,h_m]^T，p_st、h_m分别为主蒸汽压力、汽水分离器焓值；为含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统状态变量x的一阶导数，/>分别是入炉煤量、汽水分离器蒸汽压力、汽水分离器蒸汽焓值的一阶导数；t是时间，τ是时延；c₀为制粉系统惯性时间，c₁,c₂,d₁,d₂为锅炉动态参数，h_fw为给水焓值，h_st为主蒸汽焓值，D_st为主蒸汽流量，Q₁为锅炉吸热量；k₁为单位入炉煤量对应的锅炉吸热量，Δp＝p_st-p_m，Δp为过热器差压；l＝h_st/h_m，u_t和h_fw可由机组设备信息和运行数据辨识得到。

S2.基于高阶滑模观测器针对锅炉系统动态模型设计抗干扰控制律；

S21、构建含扰动的锅炉系统动态模型：

y₁＝x₂-g(x₂),

y₂＝x₃,

式中，d ₁是制粉系统中的扰动；d ₂和d ₃是锅炉系统中的扰动；

S22、构建高阶滑模观测器：

式中，L_n,λⁿ _l,n＝1,2,3,4,l＝0,1,…,L,为观测器系数，sign(·)为符号函数；此外，ξ₀ ⁿ,ξ₁ ⁿ,ξ₂ ⁿ,…,ξ_L ⁿ分别是系统误差和扰动的估计值；

S23、设计抗干扰控制律：

锅炉系统输出误差动态方程为

式中，y_id和是给定的输出设定值及其导数，z_i+1是输出误差，z_i+1＝y_i-y_id，i＝1,2；锅炉蒸汽差压函数为Δp＝p_m-p_st＝0.0522p_m-0.00281，主蒸汽压力为p_st＝0.9478p_m+0.00281，即可得主蒸汽压力动态方程；

S24、采用前馈、反馈和扰动补偿控制策略，设计含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉控制系统，为了降低系统跟踪误差，令

式中，k_Pq是比例系数，q＝2,3，

结合前面的式子可得

令

A₁₁＝h_fw-d₁,A₁₂＝k₁,

A₂₁＝h_fw-d₂,A₂₂＝k₁,

A＝[A₁₁ A₁₂；A₂₁ A₂₂],B＝[B₁；B₂],

可得控制量

式中，x_1d是入炉煤量的估计值；

式中的入炉煤量估计值，能当作制粉控制系统设定值，制粉系统为一阶惯性加纯延时环节，为了提高制粉控制系统跟踪性能，在计算燃料量指令时，忽略制粉系统中的纯延时环节；

制粉系统PI控制器设为C(s)＝c₀+1/s，因此可得

式中，x_1s为入炉煤量的仿真值，用于计算燃料量指令u₁；

制粉系统方程为

令z_1s＝x_1s-x_1d，并采用PI算法减小该误差，误差导数形式为

因此，燃料量指令u₁可写为

式中，为入炉煤量设定值导数，为防止噪声污染，该导数能通过/>结合一阶惯性滤波后得到；

机组运行中存在两种以上扰动，导致入炉煤量设定值导数变化超出阈值，为便于燃料量指令计算，经仿真实验，采用一阶惯性环节T(s)＝1/(sT_f+1),对该导数进行滤波，即

式中用于计算燃料量指令u₁。

为了对比，传统PI控制方法设计如下：

式中，N_er是机组负荷设定值，MW；N_e0和u_j0是初始状态的机组负荷和控制输入，j＝1,2；k_f1和k_f2分别是控制量u₁和u₂的前馈系数。

S3.通过设计抗干扰控制律确定控制器和观测器的系数，保证控制系统的稳定性和动态性能；

为了保证控制系统闭环稳定性，控制器系数需满足以下条件，

k_pc1＞0,k_ic1＞0,k_Pv＞0,v＝2,3,

式中，k_pc1,k_ic1,k_Pv均为控制器系数。

有益效果：本发明将锅炉系统动态模型，用于设计该控制系统中的前馈作用量，且在线调整控制参数，能降低系统输出，汽水分离器焓值和主蒸汽压力，跟踪偏差，提升系统跟踪性能；本发明采用高阶滑模观测器，能准确估计系统中以谐波形式变化的热量扰动，并在控制律中补偿，提升系统抗干扰能力，对提升过热汽温控制品质，维持机组安全经济运行，具有重要意义。

附图说明

图1为基于高阶滑模观测器的超超临界燃煤机组锅炉控制系统框图。

图2是制粉系统控制方框图。

图3是传统PI控制方法示意图。

图4是系统干扰变化曲线((a)制粉系统中的斜坡扰动；(b)锅炉系统中的谐波扰动)。

图5是机组大范围变负荷运行下的锅炉控制系统被调量变化曲线((a)主蒸汽压力，(b)汽水分离器蒸汽焓值)。

图6是机组大范围变负荷运行下的锅炉控制系统跟踪偏差((a)主蒸汽压力，(b)汽水分离器蒸汽焓值)。

图7是机组大范围变负荷运行下的锅炉控制系统控制量变化曲线((a)燃料量指令，(b)给水流量)。

图8是机组大范围变负荷运行下的锅炉控制系统估计扰动变化曲线((a)主蒸汽压力模型中热量扰动，(b)汽水分离器蒸汽焓值模型中热量扰动)。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明进行详细说明，以下实例将有助于本领域技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法，其流程包括：

S1.建立含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统动态模型，将动态模型与机组运行数据结合辨识模型参数；

S2.基于高阶滑模观测器针对锅炉系统动态模型设计抗干扰控制律；

S3.通过设计抗干扰控制律确定控制器和观测器的系数，保证控制系统的稳定性和动态性能。

以下实例涉及某1000MW超超临界燃煤机组为例，锅炉为超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛单切圆燃烧，平衡通风，全悬吊结构塔式布置，锅炉型号为SG-3012/27.9-M540。

一种超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值抗干扰控制方法，包括以下主要步骤：Sa.建立含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统动态模型，并结合机组运行数据辨识模型参数。

所述的含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统动态模型中，系统动态方程为：

y₁＝x₂-g(x₂),

y₂＝x₃,

式中，

D_st＝u_tf(p_st,h_st),p_st＝x₂-g(x₂),h_st＝lh_m,Q₁＝k₁x₁.

式中，x为含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统状态变量x＝[r_B,p_m,h_m]^T，r_B,p_m,h_m分别是入炉煤量、汽水分离器蒸汽压力、汽水分离器蒸汽焓值；u是含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统输入变量u＝[u_B,D_fw]^T，u_B、D_fw分别为燃料量指令、给水流量；y是含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统输出变量y＝[p_st,h_m]^T，p_st、h_m分别为主蒸汽压力、汽水分离器蒸汽焓值；为含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统状态变量x的一阶导数，/>分别是入炉煤量、汽水分离器蒸汽压力、汽水分离器蒸汽焓值的一阶导数；t是时间，τ是时延；c₀为制粉系统惯性时间，c₁,c₂,d₁,d₂为锅炉动态参数，h_fw为给水焓值，h_st为主蒸汽焓值，D_st为主蒸汽流量，Q₁为锅炉吸热量；k₁为单位入炉煤量对应的锅炉吸热量，Δp＝p_st-p_m，Δp为过热器差压；l＝h_st/h_m，u_t和h_fw可由机组设备信息和运行数据辨识得到。

利用机组运行数据辨识得到该机组的模型参数为：

静态参数：

u_t＝0.6771,

动态参数：

τ＝20,c₀＝380,

c₂＝639(-0.005248p_mh_m-0.003204h_m+19.7835p_m+9.7266)，

c_j＝0.46kJ/(kg·℃)，m_j＝700,000kg。

非线性函数：

Δp＝g(p_m)＝0.0522p_m-0.00281,

Sb.针对锅炉系统动态模型，设计基于高阶滑模观测器的抗干扰控制律。

Sb1.构建含扰动的锅炉系统动态模型：

y₁＝x₂-g(x₂),

y₂＝x₃,

式中，d ₁是制粉系统中的扰动；d ₂和d ₃是锅炉系统中的扰动；

Sb2.构建高阶滑模观测器：

式中，L_n,λⁿ _l,n＝1,2,3,4,l＝0,1,…,L,为观测器系数，sign(·)为符号函数；此外，ξ₀ ⁿ,ξ₁ ⁿ,ξ₂ ⁿ,…,ξ_L ⁿ分别是系统误差和扰动的估计值；

Sb3.设计抗干扰控制律：

锅炉系统输出误差动态方程为

式中，y_id和是给定的输出设定值及其导数，z_i+1是输出误差，z_i+1＝y_i-y_id，i＝1,2；锅炉蒸汽差压函数为Δp＝p_m-p_st＝0.0522p_m-0.00281，主蒸汽压力为p_st＝0.9478p_m+0.00281，即可得主蒸汽压力动态方程；

Sb4.采用前馈、反馈和扰动补偿控制策略，设计含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉控制系统，为了降低系统跟踪误差，令

式中，k_Pq是比例系数，q＝2,3，

结合上面的式子可得

令

A₁₁＝h_fw-d₁,A₁₂＝k₁,

A₂₁＝h_fw-d₂,A₂₂＝k₁,

A＝[A₁₁ A₁₂；A₂₁ A₂₂],B＝[B₁；B₂],

可得控制量

式中，x_1d是入炉煤量的估计值，kg/s；

式中的入炉煤量估计值，能当作制粉控制系统设定值，制粉系统为一阶惯性加纯延时环节，如图2所示，为了提高制粉控制系统跟踪性能，在计算燃料量指令时，忽略制粉系统中的纯延时环节；

制粉系统PI控制器设为C(s)＝c₀+1/s，因此可得

式中，x_1s为入炉煤量的仿真值，用于计算燃料量指令u₁；

制粉系统方程为

令z_1s＝x_1s-x_1d，并采用PI算法减小该误差，误差导数形式为

因此，燃料量指令u₁可写为

式中，为入炉煤量设定值导数，为防止噪声污染，该导数能通过/>结合一阶惯性滤波后得到；

机组运行中存在两种以上扰动，导致入炉煤量设定值导数变化超出阈值，为便于燃料量指令计算，经仿真实验，采用一阶惯性环节T(s)＝1/(sT_f+1),对该导数进行滤波，即

式中，用于计算燃料量指令u₁。

为了对比，传统PI控制方法，如图3所示，设计如下：

式中，N_er是机组负荷设定值，MW；N_e0和u_j0是初始状态的机组负荷和控制输入，j＝1,2；k_f1和k_f2分别是控制量u₁和u₂的前馈系数。

Sc.确定控制器和观测器系数，保证控制系统的稳定性和动态性能。

为了保证控制系统闭环稳定性，控制器系数需满足以下条件，

k_pc1＞0,k_ic1＞0,k_Pv＞0,v＝2,3,

式中，k_pc1,k_ic1,k_Pv均为控制器系数。

经多次整定，确定本发明中的高阶滑模观测器系数、抗干扰和传统PI控制方法系数，如表1、表2和表3所示。

表1高阶滑模观测器系数

表2抗干扰控制方法中的系数

表3传统PI控制方法中的系数

为了验证本发明中的抗干扰控制方法的控制性能，负荷指令由330.01MW上升到1034.9MW，稳定一段时间后，再由1034.9MW下降到330.01MW，负荷变化速率为25MW/min，起止时间分别为1000s和7000s，采样时间T＝0.01s。采用抗干扰和传统PI控制方法，分别设计控制系统，系统外部扰动变化曲线如图4所示，图5-图7给出机组大范围变负荷运行过程中的两种方法控制效果，图8给出高阶滑模观测器扰动估计效果。

从图6和图7可知，抗干扰控制方法能充分运用系统信息，包括系统动态模型和设定值变化率，设计机炉协调控制系统。当设定值变化时，抗干扰控制方法能提供准确可靠的前馈控制量，并在线调整控制参数，实现机组快速跟踪控制。此外，抗干扰控制方法采用高阶滑模观测器，能准确估计系统中由多种扰动形成以谐波形式变化的热量扰动，并在控制率中补偿，提升系统抗干扰能力。然而，传统PI控制方法中的前馈作用，只考虑了机组运行稳态值，未充分利用系统动态模型，因此控制系统跟踪性能较差。此外，传统PI方法只依赖积分作用消除跟踪偏差，抵消扰动，且积分系数固定不变，导致系统跟踪偏差波动较大。因此，传统PI控制方法具有较差的负荷跟踪和抗干扰能力。

为了比较，表4给出两种控制方法的系统均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)和平均相对误差(Mean Absolute Relative Error,MARE)。

表4控制系统被调量的均方根误差和平均绝对相对误差

结论：从上述图表可以看出，抗干扰控制方法能利用系统动态模型，设计控制系统中的前馈作用量，且在线调整PI控制系数，机组大范围变负荷过程中，使锅炉系统快速准确地跟踪主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽焓值设定值，系统输出跟踪误差很小，并在线估计系统以谐波形式变化的外部扰动，提升系统扰动抑制能力，控制性能优于传统PI控制算法。

综上所述，本发明设计了超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法，在机组大范围变负荷运行且受多种扰动干扰下，能有效地抵制以谐波形式变化的热量扰动，快速跟踪主蒸汽压力设定值，稳定汽水分离器蒸汽焓值，为提升过热汽温控制品质提供技术支撑，对提高机组安全经济运行具有重大现实意义。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法，其特征在于

S1.建立含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统动态模型，将动态模型与机组运行数据结合辨识模型参数；

S2.基于高阶滑模观测器针对锅炉系统动态模型设计抗干扰控制律；

S3.通过设计抗干扰控制律确定控制器和观测器的系数，保证控制系统的稳定性和动态性能；

步骤S1所述的含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统动态模型中系统动态方程为：

y₁＝x₂-g(x₂),

y₂＝x₃,

式中，

D_st＝u_tf(p_st,h_st),p_st＝x₂-g(x₂),h_st＝lh_m,Q₁＝k₁x₁，

式中，x为含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统状态变量，x＝[r_B,p_m,h_m]^T，r_B,p_m,h_m分别是入炉煤量、汽水分离器蒸汽压力、汽水分离器蒸汽焓值；u是含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统输入变量，u＝[u_B,D_fw]^T，u_B、D_fw分别为燃料量指令、给水流量；y是含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统输出变量y＝[p_st,h_m]^T，p_st、h_m分别为主蒸汽压力、汽水分离器焓值；为含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉系统状态变量x的一阶导数，/>分别是入炉煤量、汽水分离器蒸汽压力、汽水分离器蒸汽焓值的一阶导数；t是时间，τ是时延；c₀为制粉系统惯性时间，c₁,c₂,d₁,d₂为锅炉动态参数，h_fw为给水焓值，h_st为主蒸汽焓值，D_st为主蒸汽流量，Q₁为锅炉吸热量；k₁为单位入炉煤量对应的锅炉吸热量，Δp＝p_st-p_m，Δp为过热器差压；l＝h_st/h_m，u_t和h_fw为预设的参数，可由机组设备信息和运行数据辨识得到；

步骤S2所述的基于高阶滑模观测器针对锅炉系统动态模型设计抗干扰控制律，具体实现如下：

S21、构建含扰动的锅炉系统动态模型：

y₁＝x₂-g(x₂),

y₂＝x₃,

式中，d ₁是制粉系统中的扰动；d ₂和d ₃是锅炉系统中的扰动；

S22、构建高阶滑模观测器：

式中，L_n,λⁿ _l,n＝1,2,3,4,l＝0,1,…,L,为观测器系数，sign(·)为符号函数；此外，ξ₀ ⁿ,ξ₁ ⁿ,ξ₂ ⁿ,…,ξ_L ⁿ是系统误差和扰动的估计值；

S23、设计抗干扰控制律：

锅炉系统输出误差动态方程为：

式中，y_id和是给定的输出设定值及其导数，z_i+1是输出误差，z_i+1＝y_i-y_id，i＝1,2；锅炉蒸汽差压函数为Δp＝p_m-p_st＝0.0522p_m-0.00281，主蒸汽压力为p_st＝0.9478p_m+0.00281，即可得主蒸汽压力动态方程；

S24、采用前馈、反馈和扰动补偿控制策略，设计含汽水分离器蒸汽焓值的锅炉控制系统，为了降低系统跟踪误差，令

式中，k_Pq是比例系数，q＝2,3，

结合前面的可得：

令

A₁₁＝h_fw-d₁,A₁₂＝k₁,

A₂₁＝h_fw-d₂,A₂₂＝k₁,

A＝[A₁₁ A₁₂；A₂₁ A₂₂],B＝[B₁；B₂],

可得控制量

式中，x_1d是入炉煤量的估计值，

式中的入炉煤量估计值，能当作制粉控制系统设定值，制粉系统为一阶惯性加纯延时环节，为了提高制粉控制系统跟踪性能，在计算燃料量指令时，忽略制粉系统中的纯延时环节；

制粉系统PI控制器设为C(s)＝c₀+1/s，因此可得：

式中，x_1s为入炉煤量的仿真值，用于计算燃料量指令u₁；

制粉系统方程为：

令z_1s＝x_1s-x_1d，并采用PI算法减小该误差，误差导数形式为：

因此，燃料量指令u₁可写为：

式中，为入炉煤量设定值导数，为防止噪声污染，该导数能通过/>结合一阶惯性滤波后得到；k_pc1,k_ic1为控制器系数；

机组运行中存在两种以上扰动，导致入炉煤量设定值导数变化超出阈值，为便于燃料量指令计算，经仿真实验，采用一阶惯性环节T(s)＝1/(sT_f+1),对该导数进行滤波，即

式中，用于计算燃料量指令u₁。

2.根据权利要求1所述一种超超临界燃煤机组汽水分离器蒸汽焓值的抗干扰控制方法，其特征在于，步骤S3所述确定控制器和观测器系数，保证控制系统的稳定性和动态性能，具体实现如下：

为了保证控制系统闭环稳定性，控制器系数需满足以下条件，

k_pc1＞0，k_ic1＞0，

式中，k_pc1,k_ic1均为控制器系数。