國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院銀川電力技術(shù)分院 李健

模型預(yù)測(cè)控制提高機(jī)組AGC品質(zhì)

國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院銀川電力技術(shù)分院 李健

針對(duì)某電廠330MW機(jī)組存在負(fù)荷升降速率低、負(fù)荷調(diào)節(jié)精度不理想及當(dāng)煤種變化時(shí)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定等實(shí)際問題，提出了基于模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)的先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，先進(jìn)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有效提高了機(jī)組AGC功能指標(biāo)，減小了關(guān)鍵參數(shù)的波動(dòng)，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性及對(duì)煤種變化的自適應(yīng)能力。

自動(dòng)發(fā)電控制；能量平衡；預(yù)測(cè)控制器

隨著電網(wǎng)容量的增加和區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線潮流的交換，為了維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）要求越來越高。電網(wǎng)對(duì)機(jī)組AGC功能的主要指標(biāo)要求有：響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)誤差及各主要被調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)品質(zhì)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)程的要求。寧夏某電廠2臺(tái)330MW機(jī)組，分散控制系統(tǒng)采用上海新華公司的XDPS-400+系統(tǒng)，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的“負(fù)荷指令前饋”+“PID反饋”的技術(shù)方案。電廠響應(yīng)電網(wǎng)要求，投運(yùn)AGC系統(tǒng)，期間發(fā)現(xiàn)AGC系統(tǒng)受煤質(zhì)變化等影響，調(diào)節(jié)品質(zhì)無(wú)法滿足電網(wǎng)技術(shù)要求。本文將對(duì)控制系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，提出了基于模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)的先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的改進(jìn)方案。

1 原控制系統(tǒng)存在的問題

該廠2號(hào)機(jī)組在投運(yùn)先進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)之前，實(shí)際AGC變負(fù)荷速率僅為1%e/minP左右（寧夏區(qū)域電網(wǎng)要求AGC變負(fù)荷速率不小于2%e/minP），大負(fù)荷變工況時(shí)主汽壓力波動(dòng)比較劇烈，偏差最大在1MPa左右，且穩(wěn)定時(shí)間過長(zhǎng)，主蒸汽溫度和爐膛壓力等關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)也大，導(dǎo)致燃料系統(tǒng)和風(fēng)煙系統(tǒng)反復(fù)調(diào)節(jié)，機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。通過綜合分析，影響該廠2號(hào)機(jī)組AGC品質(zhì)指標(biāo)的主要原因有以下幾方面：

（1）DEH閥門流量特性不準(zhǔn)確，存在較大偏差，導(dǎo)致負(fù)荷跟不上突變；

（2）燃用煤種變化頻繁，機(jī)組被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性變差，常規(guī)PID系統(tǒng)很難對(duì)機(jī)組的大延時(shí)、大慣性和時(shí)變復(fù)雜的被控對(duì)象進(jìn)行有效控制。

針對(duì)該廠2#機(jī)組主要由于煤質(zhì)變化頻繁、鍋爐響應(yīng)遲緩，慣性大導(dǎo)致的鍋爐側(cè)能量供給無(wú)法滿足汽機(jī)側(cè)能量需求，加劇汽機(jī)和鍋爐兩個(gè)互為耦合關(guān)系的系統(tǒng)的不匹配，影響到負(fù)荷響應(yīng)及鍋爐的穩(wěn)定，導(dǎo)致AGC系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)運(yùn)行的現(xiàn)狀，本文提出了以能量需求為核心、以模型預(yù)測(cè)控制為手段的先進(jìn)協(xié)調(diào)控制策略，以能量需求消除煤質(zhì)變化頻繁的影響，以模型預(yù)測(cè)控制消除鍋爐響應(yīng)遲緩、慣性大帶來的主汽壓力劇烈波動(dòng)。

2 基于模型預(yù)測(cè)控制的協(xié)調(diào)控制策略

先進(jìn)協(xié)調(diào)控制策略采用直接能量平衡（DEB）方式下的爐跟隨控制，能量平衡信號(hào)Ps×P1/Pt為鍋爐指令，鍋爐熱量信號(hào)P1+dPb/dt為鍋爐反饋，前饋增強(qiáng)燃燒，模型預(yù)測(cè)控制器CC替換原有的鍋爐主控的PID控制器作為主控制器；DCS側(cè)增加無(wú)擾切換邏輯和畫面投切按鈕、通訊監(jiān)視點(diǎn)，控制策略如圖1所示。

圖1 先進(jìn)協(xié)調(diào)控制策略

圖中：NS—負(fù)荷設(shè)定值，AGC方式為AGC指令；LN—負(fù)荷升降速率；PS—壓力設(shè)定值；PT—機(jī)前壓力；P1—調(diào)節(jié)級(jí)壓力；Pb—汽包壓力；SP—能量需求；PV—鍋爐反饋；CC—模型預(yù)測(cè)控制器；Co—控制器輸出。

2.1 能量信號(hào)構(gòu)建

SP：表示在不同運(yùn)行工況下汽機(jī)的能量輸入，即汽機(jī)對(duì)鍋爐的能量要求。包括負(fù)荷設(shè)定和主蒸汽壓力設(shè)定的增強(qiáng)燃燒所需的能量，以及鍋爐指令所需的能量。

SP=??

PV：鍋爐反饋的熱量釋放信號(hào)，代表了進(jìn)入鍋爐的燃料量和風(fēng)量，間接表述了鍋爐供應(yīng)的能量。

PV=??

2.2 模型預(yù)測(cè)控制器

模型預(yù)測(cè)控制具有依據(jù)調(diào)節(jié)回路數(shù)學(xué)模型建立預(yù)測(cè)控制的特點(diǎn)，可以很好地解決調(diào)節(jié)系統(tǒng)延遲大、慣性大的問題[1]，其原理圖如圖2所示。

圖2 模型預(yù)測(cè)控制原理圖

其中：F為一階濾波器，Q為先進(jìn)控制器，P為控制對(duì)象，PM為對(duì)象模型，r、u、y分別為給定輸入、控制量和輸出，ym為模型輸出。

Q為先進(jìn)控制器，是一種增量算法，以對(duì)象的階躍響應(yīng)離散系數(shù)為模型，從而避免了通常的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程模型參數(shù)的辨識(shí)，又采用多步預(yù)估技術(shù)，能有效解決時(shí)延過程問題，又有在求取Q時(shí)無(wú)需考慮對(duì)預(yù)測(cè)誤差的修正，即反饋校正，該環(huán)節(jié)通過反饋濾波器F來體現(xiàn)。

F是專門針對(duì)模型失配和擾動(dòng)設(shè)置的，主要解決魯棒穩(wěn)定、魯棒跟蹤和魯棒性能三個(gè)問題[2]，采用一階低通濾波器。

2.3 系統(tǒng)通訊

先進(jìn)控制系統(tǒng)配置一臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)控制策略組態(tài)，并完成與DCS系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)回路的數(shù)據(jù)采集與傳輸，采用OPC通訊協(xié)議。在該系統(tǒng)中，確定通訊的主要變量如表1所示。

表1 先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS的通訊變量

在DCS側(cè)增加無(wú)擾切換邏輯，畫面設(shè)置投切按鈕、通訊監(jiān)視點(diǎn)，根據(jù)運(yùn)行需要設(shè)置先進(jìn)控制系統(tǒng)的投入和退出。

3 預(yù)測(cè)控制應(yīng)用效果

先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)后，經(jīng)過一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，調(diào)節(jié)模型預(yù)測(cè)控制器部分參數(shù)，使控制效果達(dá)到最優(yōu)后，正式投入運(yùn)行，參與電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)。圖3、圖4分別為先進(jìn)控制系統(tǒng)在AGC升負(fù)荷和降負(fù)荷階段的調(diào)節(jié)過程曲線，由圖3和圖4所示，機(jī)組功率能夠快速、準(zhǔn)確響應(yīng)AGC負(fù)荷指令，且機(jī)組參數(shù)（主汽壓力、主汽溫度）運(yùn)行穩(wěn)定。

圖3 AGC升負(fù)荷調(diào)節(jié)過程曲線

圖4 AGC降負(fù)荷調(diào)節(jié)過程曲線

表2 AGC負(fù)荷調(diào)節(jié)過程參數(shù)

調(diào)節(jié)過程參數(shù)如表2所示，AGC升負(fù)荷速率和降負(fù)荷速率分別為2.07%e/minP、2.03%e/minP，主汽壓力波動(dòng)在0.5MPa以內(nèi)，主汽溫度波動(dòng)在6℃以內(nèi)，達(dá)到電網(wǎng)相關(guān)規(guī)定的要求，并能保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

該廠2號(hào)機(jī)組采用的基于模型預(yù)測(cè)控制的先進(jìn)控制系統(tǒng)有效調(diào)高了機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力，調(diào)高AGC功能品質(zhì)指標(biāo)，能夠滿足電網(wǎng)AGC功能要求，減小了關(guān)鍵參數(shù)的波動(dòng)，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性及對(duì)煤種變化的自適應(yīng)能力。

模型預(yù)測(cè)控制策略能有效克服機(jī)組運(yùn)行時(shí)大延時(shí)、大慣性和煤種頻繁變化的特性，該類型的先進(jìn)控制系統(tǒng)對(duì)具有同類問題的機(jī)組具有借鑒意義。

[1] 雎剛, 韋紅旗, 陳紹炳, 徐治皋. 單元機(jī)組負(fù)荷多變量模型預(yù)測(cè)控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2002, (4): 144 - 148.

[2] 王國(guó)玉, 韓璞. 預(yù)測(cè)控制及其在熱工過程控制中的應(yīng)用[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2002, (5): 53 - 56.

Improvement of Quality of Unit AGC Based on Model Predictive Control

According to the problems of low load fluctuation rate, unsatisfied load regulation accuracy, and instability of control system under coal type change in the 330MW power plant, this paper presents an advanced coordination control system based on model predictive control technique. The practical application shows that this system can improve the performance of AGC, reduce the critical parameter fluctuations, and improve the stability of unit operation and adaptive capacity when the coal type changes.

The advanced control system; Energy balance; Predictive controller

李健（1983-），男，工程師，碩士，現(xiàn)就職于國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院銀川電力技術(shù)分院，從事發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究工作。