大型火电机组协调系统的线性自抗扰控制分析论文_李玉波

内蒙古康远工程建设监理有限责任公司 内蒙古呼和浩特 010020

摘 要：大型火电燃煤发电机组因其高效、低排放及负荷调节灵敏等优势随着电力需求的不断增加以及人类对环境的日益重视而日益成为我国电网的主力机组。超(超)临界大型火电机组的一个主要特点就是对直流锅炉采用，由于直流炉机组没有汽包，直流炉的控制任务与汽包炉的基本一致，使汽水转变瞬间完成，从而使机组呈现出更强的非线性、变参数和强耦合特性。大型火电超临界机组参与电网调峰及调频在以电网为中心的负荷管理模式下成为常态，机组运行时经常处于变负荷动态过渡工况，从而机组的控制更加困难。

关键词：大型火电机组协调系统;线性自抗扰控制；扩张状态观测器；前馈

引 文：解决电网综合自动化大系统的基本策略就是单元机组的协调控制系统。本文以某电厂660MW超临界燃煤发电机组为对象，对其机炉协调控制系统特性进行分析，以其660MW超临界机组全范围仿真系统为研究分析的平台，对其机炉协调控制采用LADＲC技术进行改进，以改善系统的控制品质，满足电网对负荷的要求。

1大型火电机组协调系统结构

大型火电机组的动态特性十分复杂，从机组负荷控制角度，被控对象是以汽机调节汽门开度和燃料量(煤水比和送风量与之相适应)作为系统的输入量，实发电负荷(功率)和主汽压力(机前压力)为输出量，是一双输入双输出的多变量受控对象，如图1所示。输入量汽机阀门开度μ不仅影响输出功率Ne，而且影响机前压力PT;输入量锅炉燃料量B既影响输出量PT又影响Ne，因此机组的协调系统是一个多变量的输入输出之间存在耦合的、交叉关联的复杂系统。当前大多数的单元机组的协调控制系统主要包括4种控制模式，分别为锅炉跟随方式(BF)、汽机跟随方式(TF)、手动方式和机炉协调控制(CCBF)。该电厂正常投入运行时采用CCBF控制模式。

2大型火电机组的线性自抗扰控制

针对上述多变量、强耦合、非线性协调控制系统的实际运行状况，在无法或很难建立系统模型的条件下，采用线性自抗扰控制技术，在原有系统基础上对控制结构进行改进，实现在保证主汽压力波动不大，实际发电功率能够快速得到响应，并减小负荷控制误差，满足电网负荷快速实时调节的需求。

2.1单变量的线性自抗扰控制器结构组成

线性自抗扰控制器取消了安排过渡过程(TD)环节，它包括:扩张状态观测器(ESO)、反馈线性化(FL)和干扰补偿(DC)、线性状态误差反馈控制律(LSEF)。以常用二阶LADＲC为例介绍其结构组成，如图2所示。

2.2线性自抗扰控制器参数优化

2.3机炉协调系统自抗扰控制器设计

一个有效的协调控制系统不仅与控制率的算法有关，还与控制系统的自身结构有关，该电厂的660MW火电机组的协调控制采用的是间接能量平衡协调方式，通过在汽机PID和锅炉PID控制器上增加前馈控制，使得系统在调负荷的同时能保证主汽压力的稳定。为提高系统的控制品质，加快响应速度，本文分别设计锅炉侧LADＲC和汽机侧LADＲC对该协调系统进行改造，并在锅炉LADＲC2控制器中增加前馈补偿，得到带前馈的机炉协调系统自抗扰控制，系统结构如图5所示。

图中，Ns为单元机组负荷指令，Ne为机组实发功率，Ps为机前主汽压力目标值，Pt为机前主汽压力，u为汽机LADＲC1输出的汽机阀门开度，B为锅炉LADＲC2与前馈作用共同输出的锅炉燃料量。该结构一方面利用LADＲC的扩张状态观测器对系统未建模动态摄动和未知扰动进行在线实时估计，并将观测到的总扰动实时地补偿到系统中，达到快速消去扰动的效果。另一方面在超临界单元机组的协调系统中，由于汽机为快反应系统而锅炉为慢反应系统，二者又有严重的耦合，为了既保证机组对外快速的响应负荷需求，又保证机前压力稳定，在锅炉侧增加了前馈控制以补偿定值扰动引起了压力波动，实现协调系统的解耦，提高系统的稳定性和安全性。

2.4线性自抗扰控制器的离散化实现

阶线性自抗扰控制器算法在Matlab环境下编程实现．采用优化处理并对控制器的各个部分进行离散化处理，其离散化后的计算形式为:1)ESO的离散化方程为

式中，e为输出值y的观测值z1与输出值y之差;

h为采样周期;

ωo为观测器带宽，它是需要整定的参数。

2)LSEF的离散化方程为

式中，ep为设定值v与观测值z1之差;

ed为设定值v与观测值z1之差的微分，它等于z1的微分z2;

uo为控制器未加干扰补偿作用的输出;

ωc为控制器的带宽，它也是需要整定的参数;通过优化设计可得

干扰补偿

式中，u为干扰补偿后控制器的输出。

综上可知，单个LADＲC控制器需要整定的参数只有三个，即ωo，ωc和b。

3试验分析

本文对该机组协调控制系统在660MW超临界机组全范围仿真系统上分别进行PID控制器和ADＲC控制器降负荷扰动和ADＲC参数改变试验。

3.1实验分析

系统实验是在该电厂660MW超临界火电机组仿真机上进行，该机组汽轮机为东方汽轮机厂生产的超临界、一次中间再热、冲动式、单轴、三缸四排汽、双背压、纯凝汽式汽轮机，机组采用复合变压运行方式，汽轮机具有八级非调整回热抽汽。锅炉采用东方锅炉厂制造的超临界参数变压本生型锅炉。额定功率为600MW，机前主汽压力为24.1Mpa。对该机组分别进行PID控制器和ADＲC控制器降负荷扰动试验．将负荷目标值从600MW降至540MW，速率12MW/min，仿真机PID运算周期为100ms。变负荷工况下PID算法和LADＲC仿真结果比较。●PID控制下20min内负荷响应曲线如图4。

从上图中可看出，第一次接近负荷稳态误差限±5MW时用了10.5分钟，而在系统运行近20分钟时仍没有达到目标值540MW。●LADＲC控制10min内负荷响应曲线如图5所示．控制器参数为ωc1=0．089，ωo1=0．181，ωc2=0．021，ωo2=0．36

从图5中可看出，第一次接近负荷稳态误差限±5MW时用了5.5分钟，在系统运行近6.3分钟时达到目标值540MW，之后将系统负荷稳定在±3MW的范围。

●PID控制下20min内主汽压力响应曲线如图6。从图6中可看出，在PID控制下降10%负荷时，主汽压力基本控制在±0.3MPa，很稳定。

●LADＲC控制10min内主汽压力响应曲线如图7所示。

从图7中可看出，在LaDＲC控制下降10%负荷时，主汽压力控制在±0.3MPa，满足系统要求。

结束语

线性自抗扰控制由扩张状态观测器对系统扰动实时估计，通过扰动补偿有效消去其影响，再对反馈控制律应用进行控制，不需要精确模型，具有超调小、响应快、抗扰能力强等特点，能有效解耦。LADＲC控制器对负荷的效果，尤其是抗扰动性能，明显优于PID控制器;而且LADＲC参数调试方便，易于工程应用。

参考文献:

［1］张朝阳，李卫华，宋兆星．600MW超临界直流炉机组协调控制策略［J］．华北电力技术，2007－1:24－28．

［2］韩京清．自抗扰控制技术———估计补偿不确定因素的控制技术［M］．北京:国防工业出版社，2009:3．

论文作者:李玉波

论文发表刊物:《基层建设》2016年12期

论文发表时间:2017/10/30

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