單元制發電機組的非線性協調控制方法
2023-05-18 00:43:01 1
專利名稱：單元制發電機組的非線性協調控制方法
技術領域：
本發明屬於設備控制技術領域，特別涉及一種單元制發電機組的非線性協調 控制方法。
技術背景單元制發電機組出現半個多世紀以來，鍋爐-汽輪機系統的協調運行一直 是理論研究者和工程技術人員關注的焦點問題，機爐協調控制系統正是伴隨 著這樣的關注應運而生並迅速發展的。目前，協調控制系統已經被廣泛地應用於各種類型的單元制機組，成為 電站生產自動化系統中最為核心的組成部分。但是，由於鍋爐系統和汽輪機 系統在物理結構、工作原理和動態特性上存在顯著差異(生產流程中的遲延、 不確定性以及外界幹擾主要集中在鍋爐一側)，機組在大範圍變工況運行時又 表現出典型的非線性特徵，使得傳統的協調控制系統在應用上面臨諸多的制 約因素。為了確保鍋爐側能量輸入與汽輪機側能量輸出在系統工況大範圍變化時 仍能保持動態平衡，維持機組在變工況條件下的平穩、高效運行，必須考慮 鍋爐-汽輪機單元的非線性協調控制問題。經對現有技術文獻的檢索發現，葛友、李春文等人在《清華大學學報(自然科學版)》(2001年，第41巻，第7期，第125-128頁)上發表的文章"反饋線 性化方法在鍋爐-汽輪機系統控制中的應用"中分別應用狀態反饋線性化方法和輸入/輸出反饋線性化方法對某類型單元機組的協調控制系統進行設計，並 通過仿真對兩種方法的設計效果進行了比較，驗證了反饋線性化方法解決單 元機組非線性控制問題的有效性。但是，該研究存在兩方面的問題其一，文 中沒有給出明確的、可操作性強的控制器參數整定方法和步驟；其二，文中的研 究對象是一臺160MW燃油機組，而該類型的機組在我國極少採用(機組容量小、 燃油成本高)，因此研究結論不具有普遍適用性。 發明內容本發明針對現有技術的不足，提出一種單元制發電機組的非線性協調控制方 法，該方法貼近實際、易於工程實現。本發明的技術方案為該方法針對單元機組被控對象中存在的非線性特性， 選擇代表機組非線性特徵的重要過程參量，通過狀態反饋及相關逆運算形成 內迴路，構造出一個虛擬的線性系統；所述內迴路為非線性逆控制律和單元機 組被控對象共同構成；針對該虛擬線性系統，設計一個線性反饋控制外迴路，用於保證整個協調 控制系統的穩定性和動態性能提出非線性協調控制結構；所述外迴路為二自由 度I-P控制器和內迴路共同構成。具體實施步驟如下1)針對內迴路中代表機組非線性特徵的重要過程參量，列如下五個微分 方程formula see original document page 7 >r=U>" (5)式(l)為汽輪機做功過程，用一階慣性環節近似描述，其中W為輸出功率； /V為主蒸汽壓力；/^為主蒸汽調節閥的實際開度；^為汽輪機功率係數；7;為汽 輪機做功時間常數。A/ir是系統中的第一個非線性關係。式(2)為主蒸汽壓力iv的動態過程，其中、V^:代表進入蒸汽管道的蒸汽流量；屍z)為汽包壓力；C;為蒸汽管道蓄熱係數；^為蒸汽管道阻力係數；^為主蒸汽調節閥開度係數。^y^^是系統中的第二個非線性關係。式(3)為汽包壓力&的動態過程，％為鍋爐受熱面總有效吸熱量；0>為鍋爐 的蓄熱係數；^為導熱係數。式(4)和(5)為兩個線性過程，分別用來近似描述燃燒傳熱過程和主蒸汽調節 閥的動作過程，其中5為燃料量指令；//為主蒸汽調節閥開度指令；7^為與鍋爐傳熱時間常數；？;是主蒸汽調節閥動作時間常數。設計協調控制系統的目的就是通過合理的調整燃料量5和主蒸汽調節閥//* 保證機組的輸出功率W快速跟隨給定值(電網的功率需求)，同時維持主蒸汽壓 力/V穩定。因此，上述模型包含兩個輸出W和屍r,以及兩個控制輸入5和//。2)為了準確選擇代表機組非線性特徵的狀態參量，需要對模型(l)-(5)做進 一步的變換。注意到，汽包壓力i^及其變化率d/Vck是單元制發電機組的關 鍵運行參數，相關的信號測點及運算迴路齊備，可以將其作為可測量的狀態 信號直接引入控制系統。因此，將式(3)代入式(2)，消去開方項、V^f得到C A = 、De -C6》D - (6) 並列式(1)與式(6)，整理得顯然，將A作為可測狀態變量後被控對象的狀態方程得到了簡化。而且，式(7)中的伊("項是可逆的。因此，汽包壓力的微分dP^df就是我們要選擇的核 心狀態參量。3)利用已選擇的狀態參量，對經過化簡的機組動態模型(7)進行逆運算，用 以抵消系統中的非線性環節，構造出偽線性系統。*義 c一因此，可以直接得到如下的非線性逆控制律formula see original document page 9式中，V,和V2是經非線性逆運算後系統新的輸入變量。該控制律中除了包含核心狀態參量dPz/d/外還涉及輸出功率JV和主蒸汽壓力iV兩個輸出參量。 將式(9)代入式(7)後得到[々/V]^lv' (10) 在非線性逆控制律的作用下，輸入/輸出之間的非線性關係變換成了具有積 分特性的線性關係，而且實現了系統中兩個耦合通道的完全解耦。非線性逆控制律中包含的六個待定係數Cn、 Cb、 km、 kp、 ke和Te都有明 確的物理意義，與狀態變量之間也存在確定的解析關係，因此，可以通過對機組進行階躍擾動試驗，從相關試驗數據中辨識得到。需要指出的是，由於系統的實際輸入p、 B與輔助輸入&、 ￡>2之間還存在線性過程(式(4)和式(5))，因此，在非線性逆控制律中還要加入如下的逆 過程由於被控對象自身的非線性特性並沒有因為非線性逆控制律的加入而改 變，只是在其作用下表現為具有積分特徵的線性關係，因此，我們把單元機 組被控對象與非線性逆控制律合併在一起，稱其為"偽線性系統"。4)針對構造出的"偽線性系統"，應用線性系統理論設計反饋控制器，用以保證"偽線性系統"的穩定性及動態性能。由於單元機組的偽線性被控對象(式IO)具有積分特性，為了保證閉環系統的穩定，同時在模型失配時又具有較好的跟蹤性能，本發明採用二自由度控 制結構來設計非線性協調控制系統的反饋控制器。系統中兩個自由度控制器G和Cp分別取為積分和比例形式0求取整個系統的閉環傳遞函數，得到formula see original document page 10蔣式(IO)、 (12)和(13)代入式(14)，整理後得到:formula see original document page 11式(15)中的7Vsp和iVsp分別表示機組負荷和主蒸汽壓力的給定值。顯然， d(s)和Cp(s)中的各項參數與閉環系統的動、靜態性能有直接的關係。將整個系統的閉環傳遞函數(式15)與標準二階系統必 r + +必 2進行對比分析得到、=2^v *,=化2 (16) 對於一個標準的二階系統，如果要求實際調節時間^在規定調節時間^以 內，且動態響應過程的最大超調量Mp小於最大允許超調量Mp'，則需要綜合式(16)和式(17)可以推導出^和ifc,.的整定公式如下(17)formula see original document page 11在確定的性能指標(調節時間ts申和最大超調量MP"約束下，即可根據式 (18)求得反饋控制器CI(s)和CP(s)中包含的相關參數。考慮到實際系統的複雜性，在工程應用中，在理論推導的基礎上，還需要結 合現場調試對上述參數進行小範圍的優化調整。本發明的有益效果是應用本發明提出的方法，工程技術人員可以針對不同 類型的單元制機組，方便地設計出具有良好負荷適應能力的非線性協調控制系統。該系統與利用線性系統理論設計得到的協調控制系統的主要區別在於在設 計過程中沒有對非線性環節做近似處理，也沒有忽略掉任何高階非線性項。因此，應用本發明方法得到的協調控制系統是精確的和全局意義下的，符合單元制發電 機組大範圍變工況運行的需要。
圖1是單元機組非線性協調控制系統的原理結構圖。圖2是在非線性逆控制律作用下的單元機組偽線性被控對象。 圖3是應用本發明方法得到的單元機組非線性協調控制系統的整體結構， 圖中的iVw為主蒸汽壓力的給定值，A&為機組輸出功率的給定值。 圖4是實施例中採用的某電廠500MW單元機組的簡化非線性模型。 圖5是主蒸汽壓力定值與機組輸出功率定值的關係曲線。 圖6是實施例中對非線性協調控制系統進行負荷跟隨試驗的響應曲線。 圖7是實施例中對非線性協調控制系統進行壓力擾動試驗的響應曲線。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。1實施例圖3所示是某電廠500MW單元機組的簡化非線性模型，機組的額定參數分別為主蒸汽壓力16.18Mpa，汽包壓力18.97Mpa，主蒸汽流量1650t/h，輸出功率500MW。燃料量8%和主蒸汽調節閥開度Z/。分別滿足速率和幅值限制S l.O/s ， 以及0.0^t^100.0。基於上述模型，應用本發明給出的方法設計非線性協調控制系統，具體實施步驟如下1)首先，按照圖3的形式搭建單元機組協調控制系統。其中的非線性逆 控制律按照式(9)的關係進行連接，所需狀態變量從被控對象測量得到-,2) 然後，針對圖4所示的單元機組非線性模型，分別進行總燃料量指令萬 和主汽調門開度指令,的階躍擾動試驗，記錄相應的壓力和負荷變化數據；3) 接著，按照式(1卜(5)的形式，從試驗數據辨識單元機組被控對象的非線 性數學模型，進而獲得非線性逆控制律中涉及的六個待定係數C =2.87、 Cf25、 ^=4.02、 —0.25、 ^=30.9禾卩7>=6。4) 考慮到燃料量輸入通道具有大慣性、大遲延(存在56s的傳輸遲延)的 特點，從提高系統的抗幹擾能力、保證動態響應過程的平穩性、維持能量供 需關係動態平衡的角度，將主蒸汽壓力通道的閉環性能指標取為相對保守的 值調節時間^-120s、最犬超調量^//=2%;從提高協調控制系統負荷跟隨 能力的角度，將輸出功率通道的閉環性能指標取為調節時間fs'=30s、最大 超調量似/=10%。按照式(18)可以整定出反饋控制器中的相關參數formula see original document page 13為了驗證設計出的協調控制系統的性能，分別進行如下兩組仿真試驗 G)低負荷段負荷跟隨性能試驗設定機組工作在滑壓運行方式(主蒸汽壓力的定值隨機組輸出功率定值的變化而變化，對應關係曲線如圖5所示)。試驗從r=10s開始，負荷指令以 25MW/min的速率從200MW上升到300MW，響應曲線如圖6所示，圖中的 虛線為被控變量的給定值。從試驗曲線可以看出，即使在中、低負荷段，當 機組以較大的速率升降負荷時，非線性協調控制系統也能表現出優異的性能。 (2)壓力擾動試驗系統運行在穩定狀態formula see original document page 13,從tlOOs 開始，主蒸汽壓力的實測值出現了幅值為0.1的階躍擾動，機組輸出功率和主蒸汽壓力的響應曲線如圖7所示。從試驗曲線可以看出，基於非線性逆控制原理和 二自由度控制結構的協調控制系統能夠有效消除擾動的影響，使被控變量快速恢 復到穩定狀態，且主蒸汽壓力通道和輸出功率通道的相互影響較小，主蒸汽壓力 波動小於O.lMPa,功率波動小於1MW。以上闡述的是本發明給出的一個實施例表現出的優良控制效果。需要指出的 是，本發明不只限於上述實施例，在不偏離本發明基本精神及不超出本發明實質 內容所涉及範圍的前提下可通過對其進行適當的變形來適應多種類型的單元制 機組。
權利要求
1、一種單元制發電機組的非線性協調控制方法，其特徵在於該方法針對單元機組被控對象中存在的非線性特性，選擇代表機組非線性特徵的重要過程參量，通過狀態反饋及相關逆運算形成內迴路，構造一個虛擬的線性系統；所述內迴路為非線性逆控制律和單元機組被控對象共同構成；針對該虛擬線性系統，設計一個線性反饋控制外迴路，用於保證整個協調控制系統的穩定性和動態性能提出非線性協調控制結構；所述外迴路為二自由度I-P控制器和內迴路共同構成。
2、 根據權利要求1所述的一種單元制發電機組的非線性協調控制方法，其 特徵在於包括如下步驟1)針對內迴路中代表機組非線性特徵的重要過程參量，列如下五個微分 方程formula see original document page 2式(l)為汽輪機做功過程，其中at為輸出功率，i^為主蒸汽壓力，腳為主蒸 汽調節閥的實際開度，^為汽輪機功率係數，7;為汽輪機做功時間常數，/^/r是 系統中的第一個非線性關係；式(2)為主蒸汽壓力/v的動態過程，其中&V^:代表進入蒸汽管道的蒸汽流量，PD為汽包壓力，G為蒸汽管道蓄熱係數，/t,為蒸汽管道阻力係數，^為主 蒸汽調節閥開度係數，V^^是系統中的第二個非線性關係；式(3)為汽包壓力的動態過程，De為鍋爐受熱面總有效吸熱量；G為鍋爐 的蓄熱係數；^為導熱係數；式(4)和C5)為兩個線性過程，分別用來近似描述燃燒傳熱過程和主蒸汽調 節閥的動作過程，其中B為燃料量指令，^為主蒸汽調節閥開度指令，^為與鍋爐傳熱時間常數，？；是主蒸汽調節閥動作時間常數；2)將汽包壓力i^及其變化率d/^/ck作為可測量的狀態信號直接引入控 制系統，將式(3)代入式(2)，消去開方項^V^^得到formula see original document page 3 (6)並列式(1)與式(6)，整理得-formula see original document page 3式(7)中的9^)項是可逆的:formula see original document page 3(8)由式(8)直接得到如下的反饋線性化控制律:formula see original document page 3(9)式中，"和V2是反饋線性化後系統新的輸入變量。式(9)代入式(7)後得到:formula see original document page 3 (io)3)系統的實際輸入p、 B與輔助輸入^、 De之間還存在線性過程(式(4)和式(5))，因此，在反饋線性化控制律中還要加入如下的逆過程formula see original document page 44)針對內迴路構造出的虛擬線性系統，釆用二自由度控制結構來設計外 迴路的反饋控制器，系統中兩個自由度控制器d和Cp分別取為積分和比例形 式formula see original document page 4求取整個系統的閉環傳遞函數，得到:formula see original document page 4將式(IO)、 (12)和(13)代入式(14)，整理後得到formula see original document page 4式(15)中的Wsp和P^分別表示機組負荷和主蒸汽壓力的給定值；將整個系統的閉環傳遞函數式(15)與標準二階系統_7_^_^進行對比formula see original document page 4分析得到formula see original document page 4對於一個標準的二階系統，如果要求實際調節時間^在規定調節時間^以 內，且動態響應過程的最大超調量Mp小於最大允許超調量M/，則需要扭formula see original document page 5 (17)綜合式(16)和式(17)可以推導出^和A的整定公式如下formula see original document page 5 (18)調節時間^和最大超調量Af/，即可根據式(18)求得反饋控制器d(s)和CK力 中包含的相關參數。
全文摘要
本發明屬於設備控制技術領域，特別涉及一種單元制發電機組的非線性協調控制方法。該方法針對單元機組被控對象中存在的非線性特性，提出非線性協調控制結構，且該結構由內迴路和外迴路兩個迴路組成選擇代表機組非線性特徵的重要過程參量，通過狀態反饋及相關逆運算形成內迴路，構造出一個虛擬的線性系統；並針對該虛擬線性系統，設計一個線性反饋控制外迴路，用於保證整個協調控制系統的穩定性和動態性能。應用本發明提出的方法，工程技術人員可以針對不同類型的單元制機組，方便地設計出具有良好負荷適應能力的非線性協調控制系統。
文檔編號H02P9/04GK101242156SQ20081005656
公開日2008年8月13日 申請日期2008年1月22日 優先權日2008年1月22日
發明者劉吉臻, 方 房, 文 譚, 樂 魏 申請人:華北電力大學