（控制理论与控制工程专业论文）火力发电单元机组协调控制系统研究.pdf

硕七学位论文 摘要 单元火电机组控制目标的本质是保证能量转换过程顺利地进行，保证能量转 换过程各环节能量流的供需平衡。整个能量转换过程是一个复杂的、多输入、多 输出的过程，在输入和输出之间存在着相互关联和耦合。以炉跟机为基础的协调 运行方式的主要优点是负荷响应快，缺点是主汽压波动过大。 针对单元机组以炉跟机为基础的协调运行方式的特点，本文利用模糊控制和 常规p i d 控制的优点，将两者结合应用到协调控制器的设计中以快速满足电网负 荷指令的需求，保证机组的稳定运行。 本文对单元机组的动态特性做了比较详细的分析，得出了单元机组作为协调 控制对象，其锅炉对象存在的非线性特性是造成机组参数变化的主要原因；介绍 了单元机组的运行方式和各自特点；详细给出了单向解耦原理；详细描述了变论 域模糊控制和模糊自整定p i d 控制的原理及设计方法；提出了智能功率前馈控制。 由于火电厂单元机组协调控制系统是一个多变量被控对象，具有非线性、参 数时变、大迟延等特性，常规的机炉协调控制系统控制策略往往不能满足电网对 单元机组协调控制系统的要求。本文在分析了协调控制对象动态特性的基础上采 用单向解耦的方法以消除协调控制系统存在的耦合现象；针对锅炉对象和汽机对 象各自的特点，提出了用变论域二级模糊控制器作为锅炉主控制器和使用模糊自 整定p i d 控制器作为汽机主控制器；在锅炉侧采用智能功率前馈控制，解决了系 统的动态和静态能量问题，使锅炉主汽压力与期望值基本一致；同时，对3 0 0 m w 单元机组协调控制系统进行了大量的仿真试验。结果表明：本文采用的控制方法 具有良好的控制品质，是切实可行的控制方案。本文对于模糊控制以及多变量系 统的研究，具有一定的理论意义和工程应用价值。 关键词：协调控制；单向解耦；变论域模糊控制；模糊自整定p i d 控制；智能功 率前馈控制 火力发电争兀机组协调控制系统研究 a b s t r a c t t h eo b j e c to fb o i l * 细b i n eu n i t si st os u c c e s s 似l ya s s 1 】r em ep r o c e s so fe n e 唱y 妇n s i t i o na n de i l e r g yc u r r c i n tb a l a i l c e t h ew h o l ep r o c e s so fe i l e f g yt r a i l s i t i o ni sa c o m p l i c a t i e dp r o c e s sw i t hc o n l p o u n di n p u ta i l do u 单u tw “c hi sa s s o c i a t e da 1 1 dc o u p l e d t h em a i np r i o r i t ) ，o fc o o r d i n a t e dc o n 臼0 lm e t h o db 嬲c do nb o i l e rf o l l o 、析n gt u r b i n ei s m a t l ec o n t m ls y s t 锄h a sr 印i dl o a dr e s p o n s e ，t l l es h o r t c o m i n gi sm a tt h es t e 锄 p r e s s u r eo f t h ec o n t l 0 ls y s t e mf l u c t u a t e s 伊e a t l y a c c o r d i n gt ot l l ec h a r a c t e ro fc o o r d i n a t e dc o r l 仃0 1s y s t e m ( c c s ) b a s e do nb o i l e r f o l l o w i n gt i l r b i n e ，m e 向z z yc o n t r 0 1s 仃a t e g ya r l dm ec o n v e n t i o n a lp i dc o n 仃d 1a r e i n 臼d d u c e di nc c sf o rm e e t i n ge l e c t r i c i t yn e tl o a di n s t m c t i o nd e m a n d 觚de n s 嘶n gt h e s t a b i l i z a t i o no fb o i l e f 二t l 】r b i n eu l l i t s ac o n c l u s i o nw a sd r a w ni nm ep a p e rt h a tm en o n l i n e a rf e a t u r eo fm eb o i l e ri sm e m a i nr e a s o nt ol e a dm ev 撕a b l ep a r 锄e t e ro fm eu m tb ya i l a i y z i n gt h ed y n a i 】= l i c c h a r a c t 丽s t i co ft h eb o i l * t u r b i n eu n i ti nd e t a i l ；i n 仰d u c i n gm ec h a r a c t 嘶s t i c so fa l l k i n d so fr u n n i n gm 锄e r so fc c s ；p r e s e n t e dt h ep r i n c i p l e so fo n e w a yd e c o u p l i n ga n d 西v e nm ep r i n c i p l e so f t 、) l ，os t a g ec h a n g e a b l eu 1 1 i v e r s e 如z z yc o n t r o l l e ra i l ds e l f t u n j n g f h z z yp i d c o n t l l e ri nd e t a i li nt h i sp a p 既 b e c a u s et h ec o o r d i n a t e dc o n t r 0 1s y s t 锄f o rb o i l e r - t u r b i n eu 1 1 i ti sac o m p l i c a t e d m “t i v 撕a b l ec o n t r o lp l a n t ，a i l di th a l ss o m ec h a r a c t e r ss u c ha sn o n l i n e a r ，p a r a m e t e r s t i m ev a r 姐n ga n dl a r g ed e l a y s om ec o n t r o ls t r a t e g yo fc o i e n t i o n a lc o o r d i n a t e dc o n t r o l s y s t e mi s f a r 行o mr e s p o n d i n gt ot h er e q u e s to fm ee l e c t r i cn e t w o r k o n e - w a y d e c o u p l i n gr e s e a r c hw a sd o n ea r e ra n a l y z i n gt h ed ) ，n 锄i cc h a r a c t e r so fc c s b a s e do n m e 如z z yc o n t r o lt h e o a 铆os t a g ec h a i l g e a b l eu i l i v e r s e 如z z yc o n t r o l l e ra n d s e l f ：t u n i n gn l z z yp i dc o n t r o l l e rw e r ep r e s e n t e d i n t e l l i g e i l tp o w e rf e e d f o 刑a r d c o n t r o l l e ri su s e di nt l l eb o i l e rs i d e st oo v e r c o m et l l ee n e r g yp r o b l e m si nd y n 锄i ca r l d s t a t i cp r o c e s ss oa st om a k et h ep r a c t i c a lm a i ns t e 锄p r e s s u r ee q u a lt om es e tv a l u e t h e s ec o n t r o l l e r sw e r eu s e di i lc c s a n dal o to fs i i n u l a t i o ne x p 嘶m e n t sw e r ed o n et 0 t h ec c s f r o mm es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw ec a l lg e tt h er e s u l t s ：m ec o n t r o lm e m o di n 眦sp a p e rh a sg o o dc o n t 】lq u a l i t y t h er e s e a r c ht o 如z z yc o n t r o la i l dm u l t i v 撕a b l e s c o n 咖ls y s t e mh a sc e n a i nt h e o r ym e a j l i n ga n dp r o j e c tu s i n gv a l u e k e yw o r d s ：n ec o o r d i n a t e dc o n 们ls y s t 锄( c c s ) ；o n e - w a yd e c o u p l i n g ；t h ev 撕a b l e l l i l i v e r s e 觎z yc o n 仃0 1 ；s e l f - t u l l i n g 钇z yp i dc o l l 仃o l ；i n t e l l i g e n tp o w e r f b e d f i o n a r do o n t r d l i i 硕上学位论义 插图索引 图2 1 单元机组非线性数学模型图7 图2 2 锅炉汽包对象框图9 图2 3 锅炉跟随汽机原理图l o 图2 4 汽机跟随锅炉原理图1 l 图2 5以锅炉跟随为基础的协调控制方式原理图1 2 图3 1 协调控制对象传递函数框图1 6 图3 2 串联补偿解耦原理图”1 9 图3 3 单向解耦等效图2 1 图4 1 模糊控制系统原理图2 5 图5 1 二级变论域模糊控制原理图3 3 图5 2 模糊自整定p i d 控制原理图3 6 图5 3 协调控制系统设计原理图4 0 图5 4 常规前馈功率补偿原理图4 3 图5 5 智能前馈功率补偿原理图4 3 图6 1 1 0 0 负荷功率定值阶跃响应4 4 图6 2 功率阶跃扰动下的压力响应4 4 图6 31 0 0 负荷压力定值阶跃响应4 4 图6 4 压力阶跃扰动下的功率响应4 4 图6 5 阀门开度阶跃扰动下的功率响应4 5 图6 6 燃料量阶跃扰动下的压力响应4 5 图6 77 0 负荷功率定值阶跃响应4 5 图6 87 0 负荷压力定值阶跃响应4 5 i i l 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：龙帖日期：渺学年g 月他日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 七鹇 弓伊吻 日期：跏8 年6 月d 日 日期：口沙9 了年6 月z 口日 i v 硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 火电厂单元机组作为电网的基本单位，承担着满足电网基本负荷要求和调峰、 调频的任务，直接影响着电网的稳定和经济运行。随着电网运行自动化水平的不 断提高，对单元机组的控制水平要求也越来越高。以单元机组协调控制系统为基 础，构成整个电网级的协调控制和优化管理系统，已成为电力生产自动化的发展 趋势。这使得单元机组协调控制系统的优化设计成为火电厂自动控制中的重要研 究课题。 单元机组协调控制系统是在常规的机炉局部控制系统的基础上发展起来的复 杂控制系统。常规的机炉局部控制系统结构简单，功能单一，适应不同运行方式 和工况的能力也比较差。单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮机发电机组作为一 个整体进行控制，具有多种控制功能，能够满足不同运行方式和不同工况下的控 制要求。 电网综合自动化对单元机组协调控制系统的基本要求主要包括：机组并网运 行时，应使机组满足电网对机组负荷的需求，具有较高的负荷适应能力。同时， 机组本身的运行参数必须稳定在允许的范围内【。 但是由于协调控制系统的被控对象是一个多变量被控对象，具有非线性、参 数时变、大迟延等特性。而且机、炉耦合严重，机、炉响应特性差异巨大，精确 的数学模型难于得到，常规机炉协调控制系统的控制策略远远不能满足电网对单 元机组协调控制系统的要求。因此，需要对单元机组协调控制系统的被控对象特 性及控制策略进行深入研究。 近年来，以不要求控制对象精确数学模型为前提的智能控制方法在电厂热工 控制系统中逐渐得到应用。智能控制方法主要有模糊控制、神经网络、遗传算法、 专家系统等。 1 。2 单元机组协调控制系统的研究现状 单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮机发电机组作为一个整体进行控制，采 用了递阶控制系统结构，把自动调节、逻辑控制、联锁保护等功能有机的结合在 一起，构成一种具有多种控制功能，满足不同运行方式和不同工况下控制要求的 综合控制系统。单元机组协调控制系统的设计充分利用了机炉对象特性方面的特 点，采用了前馈、补偿、多变量解耦等控制策略，使控制系统具有合理、可靠、 火力发电单元机组协调控制系统研究 易于维护调整等优点l l 】 单元机组协调控制系统的研究可以分为模型的研究和控制策略的研究两个方 面。 1 2 1单元机组协调控制模型的研究现状 模型是控制系统设计的基础。协调控制系统的建模可以分为三类：试验建模、 机理建模，或者两者相结创2 1 。 试验建模法主要对实际机组进行现场扰动试验，记录大量的实验数据，通过 对这些实验数据进行深入的分析和总结，得出控制对象的数学模型。由于现场试 验时噪声、干扰等因素不可避免，并且要做大量的试验也比较困难。因此，如何 结合现场试验对复杂系统进行有效的辨识，在理论和实践上都具有重要意义。 根据基本的物理定律从系统内部工作过程的机理出发，建立系统数学模型的 方法称为机理建模法。这种方法一般要求对系统的工作机理有全面清楚的认识， 而且过程能用成熟的理论进行描述。如1 9 9 1 年f p d em e l l o 在机理分析的基础上 给出了一个通用大型单元机组协调控制系统低阶非线性模型【l 】，根据这个模型结 构，可以方便地将数学模型扩展到其它类似的机组上。同年，b m c ep g i b b s 描述 了一个燃煤机组的非线性模型，该模型被用于构造一个多变量非线性模型的预测 控制算法。曾德良在研究了fp d em e l l o 等人的研究成果的基础上，对单元机组模 型进行了进一步的深入分析，并总结出了协调控制系统对象的两个非线性特征【3 1 ： ( 1 ) 汽包压力和主蒸汽压力的压力降同汽包出口蒸汽流量之间存在着平方关系 ( 2 ) 主蒸汽流量同汽轮机调节门流通面积和主蒸汽压力的乘积成比例关系。 l 沁c h a n 西i a n g 在对陕西渭河电厂某机组的特性进行合理假定的基础上，利用质量 守恒，能量守恒定律，以燃料量、给水流量、汽机阀门开度作为输入，汽包压力、 汽包水位、主蒸汽流量作为输出，建立了一个可用于控制研究的较细致的火电单 元机组3 0 0 m w 机组热工过程动态模型【4 】。但是以上这些模型的描述都不是用微分 方程描述的，因而限制了模型的推广和应用。 在对模型进行机理建模的基础上用试验数据对模型进行修正，这是一种有效 的建模方法。如1 9 8 7 年，b e l l 和a s 仃c 胁等人在研究了一台1 6 0 m w 燃油机组的特 性之后，通过机理分析和试验修正，给出了一个基于n 6 g 1 6 汽包式燃油机组的协 调控制系统低阶非线性数学模型，该模型是用微分方程描述的单元机组协调控制 模型。此模型在控制界被广泛引用。 1 2 2 单元机组协调控制策略的研究现状 从单元机组协调控制策略的发展历程来看，可以分为传统的协调控制、采用 先进控制算法的协调控制两个阶段。 2 硕上学位论文 1 2 2 1 传统协调控制的研究 传统意义上的协调控制有两种划分方式：一种是根据系统发展的基础，按照 机跟炉方式和炉跟机方式来划分。但随着系统结构的不断更新和变化，许多系统 已经难以区分究竟属于机跟炉还是炉跟机形式。 另一种分类方法是从能量平衡的观点出发，把协调控制系统划分为直接能量 平衡( d e b ) 和间接能量平衡( i e b ) 两大类。这两类控制算法经历了几十年的发展， 目前在大多数火电单元机组协调控制中仍然被广泛采用。 间接能量平衡( i e b ) 协调控制系统一般选择机前压力作为锅炉能量输出与汽轮 机能量需求之间平衡的特征参数，通过控制这些间接参数维持整个机组能量平衡。 当机炉之间的能量供需出现不平衡时，将导致机前压力偏离f 常给定值，出现压 力偏差。根据压力偏差采取必要的控制手段。如改变锅炉能量输入，或者调整汽 轮机的负荷，最终达到新的平衡。由于机前压力间接表征的能量平衡总存在一定 的惰性，会使调节作用不够及时。为克服这一缺点，采用引入前馈作用的办法， 比如常用的机组功率定值前馈信号，以便提前给出一定的控制量，适应外界负荷 的需求。间接能量平衡( i e b ) 协调控制系统一般采用p i d 控制器作为机炉主控制器。 直接能量平衡( d e b ) 协调控制系统是一种以汽轮机能量需求信号直接对锅炉 输入能量进行控制的协调控制系统，这种协调方式的基本出发点是在任何工况下 都保证锅炉能量的输入与汽轮机能量的需求相平衡。直接能量平衡( d e b ) 协调控制 系统最早是由美国l e a d s & n o r 吐唧公司提出的。经过不断的完善与改进，已经形 成一类特定的协调控制系统策略，并在工程领域得到了广泛的应用。其主要特点 为：机组的功率由汽机调节汽门进行控制，具有炉跟机控制方式的特点，机组 对外界负荷的响应性好。采用了一个代表汽轮机机组能量需求的信号，作为能 量平衡信号，控制锅炉的输入能量，保证任何工况下机组内部能量供需的平衡。 但是由于d e b 调节方式不能完全补偿单元机组协调控制系统的全部非线性特性， 因此在大范围内变动负荷时，控制效果会变差。 这些传统协调控制方案的研究和应用，大大促进了协调控制的实际应用水平。 1 2 2 2 现代控制理论的应用 早在上个世纪7 0 年代国外的机组就突破了传统的炉跟机或机跟炉模式，在大 型单元机组上采用了协调控制系统。控制理论也突破了经典p i d 算法，引入了现 代控制理论和最优控制理论的内容。j 0 1 u 1 p ，h a qg 分析了对象极点随负荷变化 的规律，提出了用最优线性调节理论分析和设计2 0 万千瓦火力发电机组的控制系 统，把状态空间描述为基础的时域法应用于火力发电机组的自动控制中【引。陈允济， 易凡以上海吴径热电厂试验数据为对象，对炉跟踪协调控制方式进行了仿真试验， 火力发电单元机组协调控制系统研究 以解决现场调整难度高、国产机组协调控制系统难投入等问题【6 】。另外，采用现代 频率法对火电厂协调控制中的应用研究，也取得了有意义的成果【_ 7 1 。 由于协调控制系统是一个典型的多输入多输出系统，为了消除耦合作用对整 个系统控制效果的影响，根据多变量过程控制系统解耦理论，首先要对控制系统 进行解耦p 】。因此采用解耦理论对单元机组协调控制系统进行分析和设计是一个很 重要的方向。潘维加，张茂川根据现代控制理论的解耦理论，利用状态方程解除 控制系统中各对象之间的耦合关系，实现控制回路之间的相互独立【9 】。由于传统的 解耦理论要求建立被控对象的精确数学模型，按动态解耦原理设计出的补偿环节 可能会因在物理上不可能实现或实现过于复杂退而求静态解耦。为克服这个问题， 一些新的解耦策略被提出来，张建华，侯国莲，杨黎应用b p 神经网络对机炉协调 控制系统进行动态解耦，使得调节器参数整定简便易行【l o j 。由于解耦控制系统对 参数变化十分敏感，而模糊控制系统的突出特点之一就是其不敏感性【1 1 1 ，因此将 模糊理论用于多变量系统的解耦控制成为一个重要研究方向。在有关文献中详细 描述了以模糊关系为补偿器的串联补偿解耦系统【1 2 ，1 3 1 。 f p d em e l l o ，f e l l o w 等探讨了锅炉和汽轮机的动态模型以及与控制系统之 间的关系【1 4 j 。c h a n 分s u nh w a u l g ，d o n 哥w a nk i m 利用一种协调控制系统的非线性 模型结构，通过工作点线性化的方法，得到状态空间模型，从而构造协调控制系 统的鲁棒控制方法【1 5 j 。w a t a r os h i n o h a r a 采用了一个超临界直流炉机组的简化状态 空间模型设计一个非线性控制器【1 6 j 。b m c ep g i b b s 在1 9 9 1 年描述了一个燃煤机组 的非线性模型【l7 1 ，该模型被用于构造一个多变量的、非线性的模型预测控制算法。 j o c h e no h i 在1 9 9 6 年介绍了利用神经元网络辨识机组非线性模型的应用实例【1 8 】， 并给出了辨识结果的对比结论。 1 2 2 3 智能控制理论在协调控制系统中的应用 目前，研究的热点是智能控制理论在协调控制系统中的应用，例如基于模糊一 神经网络的单元机组协调控制系统方法的研究，基于速率优化的智能协调控制系 统的研究和应用，基于模糊p i d 的协调控制系统。 智能控制理论模仿人类所特有的逻辑思维、逻辑推理、综合判断能力，在解 决非线性、不确定性的复杂系统的问题时，具有很大的优越性，自提出以来已经 在诸多领域取得了很大的成功。沈炯，陈来九从多变量系统的特点和多变量的控 制理论出发，使用专家系统的原理对负荷控制系统的p d 控制器的参数进行自整 定，以达到提高系统鲁棒性的目的【1 9 】。柴天佑，刘红波等人将模糊推理、解耦控 制、参数自适应自整定等先进控制方法与传统控制技术有机结合起来，经现场实 4 硕士学位论文 际应用取得了令人满意的控制效果【2 0 】。施海平，吴征等采用直接能量平衡控制方 式和模糊p d ( f 1 l z z yp i d ) 复合控制策略，成功地实现了2 0 0 m w 单元机组协调控制 系统的控制，满足了机组协调控制系统的快速性和稳定性的要求【2 1 1 。兰鸿森等人 提出一种多变量智能控制的分层递阶方式，将控制系统分为三层：协调层、执行 层和控制层。协调层由多变量智能协调控制器构成，负责协调执行层中各个智能 控制器的执行，执行层由智能控制器组成，控制层由常规p d 控制器组成【2 2 1 。施 海平，吴征等人设计了基于自适应神经元模型的火电单元机组负荷控制系统【2 引。 曾德良，刘吉臻系统的提出了智能协调控制系统的理论框架，并探讨了这种体系 的算法结构，智能化协调机制以及时延补偿等问题【2 4 】。刘吉臻，孙万云等在综合 应用了基于规则的控制器参数自调整、基于规则的智能控制，有效地提高了协调 控制系统的动态和稳态性能【2 5 。 实际工作中有许多具体的问题和现场的经验也十分值得借鉴，例如采用分段、 变参数控制，采用p d 控制规律实现负荷指令前馈信号，微分时间和强度变参数控 制，主蒸汽压力控制器实现积分分段，锅炉指令前馈等实用方法，大大改善了协 调控制系统调节品质，提高了协调控制系统对外界负荷的响应能力和升、降负荷 速率，有效抑制了主蒸汽压力的超调，扩大了协调的投运范围【2 6 。3 2 1 。还有许多的 文章从实用技术的角度出发介绍了协调控制系统的设计、优化和参数整定等，常 规协调控制系统的参数整定方法在相关文献中有详细的介绍1 3 引。 1 3 模糊控制的研究和发展现状 模糊数学和模糊控制的概念首先由美国加利福尼亚大学著名教授扎德( l a z a d e h ) 提出。模糊的含义是让数学进入模糊现象这个客观存在的世界。采用模糊 控制方式是因为在实际工程中，许多系统和过程都十分复杂，难以建立确切的数 学模型和设计出通常意义下的控制器，只能由熟练的操作者凭借经验以手动方式 控制，其控制规则常常以模糊的形式存在于操作者的经验中，很难用传统的数学 语言来描述。而模糊数学和模糊控制的产生则很好地提取了这种模糊的经验，并 应用于系统控制中，因而产生了良好的控制效果【3 4 1 。 八十年代以来，自动控制系统被控对象的复杂化，它不仅表现在控制系统具 有多输入多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性特性，更突出的是从系 统对象所能获得的知识信息量相对减少，与此相反地对控制性能的要求却曰益高 度化。此时，要想精确地描述复杂控制对象与系统间的任何物理现象和运动状态， 实际上已经不可能。因此，模糊控制理论的研究和应用在现代控制领域中有着重 要的地位和意义【35 。 5 火力发电单兀机组协调控制系统研究 模糊控制是基于模糊变量，模糊规则和模糊推理的一种智能控制方法。它与 常规控制方法相比有以下优点【3 4 。3 9 】： ( 1 ) 模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现系统的控制，无需建立数 学模型，是解决不确定系统的一种有效途径。 ( 2 ) 模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化，对模糊控制的影响不 明显，可用于非线性，时变，时滞系统的控制。 ( 3 ) 以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。 ( 4 ) 控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，为智能控制 应用打下了基础。 虽然经典模糊控制理论已经在工程中获得了许多成功的应用，但目前仍处于 发展过程的初级阶段，还存在大量有待解决的问题，目前所面临的主要任务是： ( 1 ) 建立一套系统的模糊控制理论。解决模糊控制的机理、稳定性分析、系统 化设计方法、新型自适应模糊控制系统、专家模糊控制系统、神经模糊控制系统 和多变量模糊控制系统的分析与设计等一系列问题。 ( 2 ) 模糊控制器的核心是模糊控制规则，而寻找或建立模糊规则和隶属函数要 花费想当长的时间，而且很难保证十分精确与合理，尤其是对于复杂的系统而言。 ( 3 ) 多参数建立的模糊关系方程求解比较困难，所以常采用试探性算法。它对 线性系统非常有效，但用于非线性系统则只能是近似。所以要尽快解决模糊控制 在非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的建立和推力算法的深入研究。 ( 4 ) 自学习模糊控制策略和智能化系统及应用。 ( 5 ) 常规模糊控制系统稳态性能的改善。 ( 6 ) 把已经取得的研究成果应用到工程实际中。因此，需要加快简单、实用的 模糊系统的硬件开发与推广应用。 1 4 论文的主要工作及内容 基于国产3 0 0 m w 火电单元机组的数学模型，本论文主要研究的内容是以下几 个方面： ( 1 ) 协调控制系统对象进行模型分析； ( 2 ) 对协调控制系统对象进行单向解耦研究； ( 3 ) 设计锅炉侧变论域二级自适应模糊控制器； ( 4 ) 设计汽机侧模糊自整定p i d 控制器； ( 5 ) 提出了智能功率前馈控制器 6 硕上学位论文 第2 章单元机组协调控制系统 2 1 单元机组的协调控制对象特性 2 1 1 单元机组的非线性动态数学模型 火力发电厂的工艺过程是一个能量转换与平衡的过程。储存在燃料( 煤) 中的 化学能，通过锅炉燃烧、传热，转换成蒸汽的热力势能；又通过汽轮机，将热力 势能转换成机械能，再通过发电机，将机械能转换成电能，最后将电能传输给用 户。所以单元机组是由发电机、汽轮机和锅炉来共同适应电网的能量需求，共同 保持机组的稳定运行的，我们应将其看作一个有机的整体，而不能将汽轮机和锅 炉的负荷分割开讨论。 单元机组是一个相互关联的复杂被控对象，图2 1 给出了一个单元机组的数学 模型【加4 l 】，该模型虽然简单，但是其中包括了单元机组主要的非线性特性。 图2 1 单元机组非线性数学模型 2 1 1 1 汽轮发电机组特性 根据同步发电机并列运行特性，可以认为汽轮机实发功率等于发电机输出电 功率又根据中间再热机组的特性，高压缸可近似为一个纯比例环节，中、低压缸 可近似为一个一阶惯性环节，由此可知汽轮机的功率特性如下： 筹= 。+ 南 其中汽轮机实发功率 7 ( 2 1 ) 火力发电争i 机组协调控制系统研究 只调节级压力，它代表了进入汽轮机的蒸汽流量 c 0 汽轮机高压缸功率占整机总功率的比例 汽轮机中、低压缸功率占整机总功率的比例 再热器时间常数 这里所有变量均取相对值，下同。 进入汽轮机的蒸汽流量，与机前蒸汽压力和调门开度成正比： = 弓( 2 2 ) 其中辟机前主汽压力，即主汽压力 汽轮机高压调门开度 由式2 1 、2 2 可以看出汽轮发电机组的负荷对于调门开度和主汽压力0 的响应时间常数较小，是一个快速过程。 2 2 2 2 锅炉特性 锅炉的能量转换过程，即工质从水变化为蒸汽，可以简化为三个环节【4 2 1 ( 1 ) 锅炉热容 燃料在炉膛燃烧，转换成热能。热能通过水冷壁，将水加热，然后在汽包中 蒸发为蒸汽。蒸发量与燃烧量成正比。转换过程中，部分热量变为金属与水的蓄 能。 dl 一= 一心 乙占+ l ( 2 3 ) 其中d 蒸发量；岛燃料量；乙热容时间常数 ( 2 ) 汽包热容 汽包蒸汽压力取决于进入汽包的蒸发量与从汽包流出的蒸汽量的平衡，后者 即为汽轮机进汽量： 只 1 一：= 一d 一日 乃s 其中汽包蒸汽压力 ( 2 4 ) 硕，l ! 学位论文 乃汽包容积时间常数 ( 3 ) 过热器 汽包出来的蒸汽经过过热器加热为过热蒸汽。过热器加热过程中，金属和蒸 汽容积要吸收蓄能，同时，过热器出口压力( 即主汽压力弓) 要受过热器流动阻力的 影响，使出口压力随蒸汽流量的增加而降低： 1 弓2 南一群 2 5 其中过热器容积时间 r 过热器阻力系数 可以看出式2 3 、2 4 、2 5 中的时间常数均较大，说明锅炉侧的蒸发量d 和汽 包压力对于燃料量心，发生变化时的响应是一个相对较慢的过程。 式2 1 - 2 5 代表了机炉整体对象能量转换过程特性，其输入量为燃料量觞和汽机调 门开度，输出量为机组实发功率和机前主汽压力辟，这就是单元机组作为协 调控制系统调节对象的工艺特性。 2 1 2 单元机组参数变化的原因分析 目前控制界一般认为单元机组是一个变参数对象，从图2 1 中可以看出，单元 机组参数随负荷变化的特性主要来自锅炉的非线性特性4 3 掣】。而锅炉实际上是一 个固定参数的非线性对象，锅炉的非线性主要是由于过热器压降的平方阻力特性 以及汽机的调速级压力特性造成的。由于过热器阻力系数尺很小，其造成的压降 对锅炉的主汽压力来说很小，因此可以忽略过热器中压降带来的非线性。从而单 元机组的主要非线性特性如图2 2 所示。 图2 2 锅炉汽包对象框图 由图2 2 可知，单元机组的燃料一主汽压力特性可以看作是一变反馈增益系 统，系统的反馈增益随着汽机调门阀位的变化而变化，机组的增益和时间常数也 9 火力发电单c 机组协调控制系统研究 随之变化，增益及时间常数与阀门的开度成反比关系，如下式 另 1 一= 一 d “ 1 + 互j ( s + 1 ) 】 当机组的负荷较低时，汽机调门的开度较小，反馈也较小，系统的增益和时 间常数较大；当机组的负荷较高时，汽机调门的开度变大，反馈较强，系统的增 益和时间常数较小，从而使单元机组的动态特性随机组工况的改变发生了很大的 变化。从以上分析可得出，单元机组参数变化的根本原因在于锅炉系统的非线性。 2 2 负荷运行方式及特点 单元机组负荷控制主要由协调控制系统来完成和实现，为保证负荷控制指标 和机组的安全性，单元机组负荷运行方式应有多种，除取决与机组的动态特性、 燃料的种类和供给方式外，还与机组的汽压运行方式有关，不同的机组在不同的 阶段，协调控制系统的运行方式可能不同，但基本的组成方式有以下几种【4 5 4 6 】： 2 2 1 锅炉跟随方式 锅炉跟随( b o i l e rf e l l o w ，简称b f ) 方式，如图2 3 所示，是指由汽机主控制器 改变汽机调节汽门开度信号使发电机输出功率跟踪目标负荷0 ，同时锅炉主 控制器改变燃料量序来保持主汽压力辟的稳定。这种控制方式的优点是可充分利 用锅炉的蓄热量，当外界负荷变化时，机组通过改变来较快地跟踪外界负荷。 但由于锅炉的惯性和迟延，主汽压力只会有较大的波动。这种方式适用于参加电 网调频的机组。 图2 3 锅炉跟随汽机原理图 1 0 硕上学位论文 2 2 2 汽机跟随方式 汽机跟随( t u r b i i l ef e l l o w ，t f ) 方式，是指由锅炉主控制器改变燃料量鳓。使 发电机输出功率跟踪目标负荷0 ，同时汽机主控制器改变汽机调节汽门开度信 号来保持主汽压力b 的稳定。这种控制方式的优点是主汽压力可以非常稳定， 有利于锅炉的安全运行。但是没有利用锅炉的蓄热，使得机组跟踪目标负荷的特 性变差。这种控制方式适合于承担基本负荷的单元机组。 由于汽机较锅炉动态响应快得多，使锅炉跟随方式能较快地适应负荷的要求， 但只的动态偏差较大，甚至会超过允许范围，导致运行不稳定，进而单元机组适 应负荷的能力最终还是取决于锅炉控制回路；而汽机跟随方式虽然过渡过程平稳， 动态过程中，汽压偏差小，但快速负荷适应能力差，不能满足电网对机组负荷的 要求。 显然，二者的性能都不能令人满意。以上两种控制方式均未考虑多变量控制系 统耦合的特点，直接对各个回路实行控制，因此不能将两个控制回路联系起来， 从而不能充分合理地利用汽机的快速负荷响应能力和锅炉蓄热。 图2 4 汽机跟随锅炉原理图 2 2 3 机炉协调方式 从多变量过程控制的观点出发，把锅炉和汽机发电机组作为一个整体进行控 制，采用了递阶控制系统结构，使系统问的耦合达到最小，即使主要过程变量， 只之间的相互干涉为最小。这种控制方式综合了以上两种方式的优点，既克服了 锅炉跟随方式中调用锅炉蓄热量过大而引起主汽压波动太大的问题，又解决汽机 跟随方式中没有利用锅炉蓄热以致不能较快地响应负荷变化的矛盾。在这种方式 火力发电单冗机组协调控制系统研究 下，又可分为以锅炉跟随为主的协调控制系统( c c b f ) 和以汽机跟随方式为主的协 调控制系统( c c t f ) 。 单元机组协调控制系统的简化框图如图2 5 所示。机炉协调控制系统简化为 图2 5 以锅炉跟随为基础的协调控制方式原理图 个具有双输入、双输出的反馈控制系统。其中，机组输出功率和主蒸汽压力只作 为两个被调参数，控制量分别为锅炉指令( 燃料量) 和汽机指令( 阀门丌度) 。 机炉协调控制运行方式的原理为： 功率偏差和汽压偏差信号同时送到汽轮机调节器和锅炉调节器，在稳定工况 下，机组的实发功率等于功率定值，机前压力等于压力定值。当增加负荷时，将 出现一个j 下的功率偏差信号，该信号通过汽轮机调节器去开大汽轮机调节阀门， 增加机组的发功率。同时，此信号也作用到锅炉调节器入口，增加燃料量，以多 产生蒸汽。随着调节汽阀开度的增大，机前压力将立即随之下降，尽管此时锅炉 已经开始增大燃烧率，但由于燃料量一机前压力通道存在较大惯性，所以负荷扰 动出现初期仍会有正的压力偏差出现，该信号以正向作用于锅炉调节器，继续加 大锅炉的燃烧量，以尽快恢复机前压力。同时，此信号按反方向作用于汽轮机调 节器入口，汽机调节器在正向功率偏差和反方向压力偏差的共同作用下，会使调 节阀开大到一定程度后停止动作，但此时汽轮机的实发功率尚未到达给定值，所 以这种状态是暂时的。随着锅炉侧燃料量的增加，机前压力逐渐恢复，压力偏差 逐渐减小，汽轮机调节阀在正的功率偏差信号的作用下会继续开大，以提高机组 的实发功率，直至使实发功率与机前压力均与其设定值相等时，机组又重新进入 新的稳定状态。 在协调运行方式下，当负荷发生变化时，主汽压力辟不宜变化过大，此系统 可充分利用汽机的快速负荷响应能力，迅速适应负荷的要求：同时可尽快消除不 需要的机组蓄能的变化( 最终表现为主汽压力只的变化) 。在稳定负荷情况下， 1 2 硕j 二学位论文 锅炉侧内部扰动时，机炉同时动作，迅速消除内扰，进而消除负荷的变化，同时， 在动态过程中，负荷变化对系统性能影响也不会过大。 总之，单元机组协调控制系统己成为大型单元机组普遍采用的一种控制方法。 具有功能完善，技术先进，可靠性高等优点，能满足大型单元机组控制的需要。 2 3 汽压运行方式及特点 电能的产生是靠锅炉产生的蒸汽通过推动汽轮机叶片做功，带动发电机定予旋 转将机械能转化成电能，因此汽压也是一个重要的控制参数。单元机组的汽压运 行方式是指单元发电机组负荷的变化是否依靠汽压的增减来实现。单元机组的汽 压运行方式主要有以下两种： 2 3 1 定压运行方式 定压运行是指汽轮机在不同工况下工作时，只依靠改变调节汽门的开度、改 变新汽数量来适应外界负荷变化的方式，此时无论汽轮机负荷如何变化，进入汽 轮机的主蒸汽压力和温度是不变的，维持在额定值范围内。这是一种通常使用的 运行方式，在3 0 0 m w 单元机组中也得到了广泛使用。 2 3 2 滑压运行方式 滑压运行亦称变压运行，它是依靠改变进入汽轮机的主蒸汽压力( 同时也改变 了进入汽轮机的新蒸汽量) ，来适应外界负荷的变化。而无论汽轮机负荷如何变化， 它的主汽门和调节汽门的开度总保持不变，主汽门保持全开( 与定压运行一样) ， 调节汽门也基本保持全开。进入汽轮机的主蒸汽温度维持额定值不变。滑压运行 方式又分为纯变压运行方式、控制变压运行方式和联合变压运行方式。 机组负荷增加时，纯变压运行方式下汽压升高使得锅炉的蓄热量增加，而且 增加的量比任何一种方式都多，所以纯变压运行方式下锅炉对于负荷变动的适应 性最差。为了提高机组改变负荷的速度，在增加负荷时暂态地开大调节汽门，可 以利用锅炉的蓄能，这种方式称为控制变压运行方式。在联合变压运行方式下， 在高负荷时，定压运行机组的热效率高，机组变动负荷速度快；随着负荷的降低， 变压运行又显示出其优越性，但当负荷降低到一定程度时，为了稳定锅炉工况， 机组又转入定压运行方式。这种运行方式是随着负荷变化而变化的，因而称为联 合变压运行方式。 定压运行在高负荷时经济性好，对负荷反映速度快；低负荷时节流损失大， 给泵电耗高。滑压运行时对负荷反映速度慢，低负荷时损失小，高负荷时效率低， 所以机组在低负荷时采用滑压运行，高负荷时采用定压运行。 火力发i 乜单兀机组协调控制系统研究 2 4 影响系统控制效果的因素 2 4 1 锅炉响应的迟延性 火电机组对负荷响应的迟延主要取决于锅炉在接到负荷指令后，改变煤量到 蒸汽流量发生变化所需要的时间，即蒸汽产生的纯迟延时间。蒸汽产生的迟延时 间与锅炉的结构有很大的关系，如制粉系统和送风系统。一般而言，中储式制粉 系统要比直吹式制粉系统的迟延要小许多。但是该迟延时间难以从工艺上得到很 大的改进和克服。因此它从根本上决定了负荷响应的滞后。 2 4 2 系统的复杂性 协调控制系统作为单元机组的主控系统，在其下层还有其它诸多的控制系统 和与其紧密相关的控制系统，如燃烧、给水、送风、汽温控制系统等，每个系统 控制性能的好坏直接影响着整个机组的控制效果。它不能单纯考虑自身参数稳定 的问题，而造成其它参数控制品质的恶化，这样其自身也将不保；它不单是考虑 正常工况下系统稳定的问题，同时还得考虑异常工况下的各种参数的稳定与运行 的安全性的要求。 单就负荷控制系统来说，其本身是一个强烈耦合多变量系统，主汽压力控制 回路和负荷控制回路相互之间存在着严重的祸合关系，两个对象特性上的差异和 时变性使解耦和匹配变的很困难。 2 4 3 对象的时变性与非线性 机组在整个动态过程中是一个时变和非线性的对象，按照某一点或某几个工作 点的线性化模型来设计系统，较难适应在整个过