电站热工优化控制平台汽温优化组件的开发应用

陈波，孙耘，李泉，张永军，丁宁

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

电站热工优化控制平台汽温优化组件的开发应用

陈波，孙耘，李泉，张永军，丁宁

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

目前大型火电机组的锅炉过热汽温和再热汽温控制仍采用常规的串级控制系统，当机组负荷变化时，汽温就偏离设定值8～10℃左右，超温很频繁。TOP（电站热工优化控制平台）系统的汽温优化组件采用现代控制理论进行设计，用系统内部状态来描述系统，实现闭环系统极点的任意配置，从而构成线性最优调节器；采用温度动态特性状态重构技术，获得具有较强稳定性和鲁棒性的控制系统，有效解决了汽温偏离设定值的问题。

TOP；汽温优化组件；控制；极点配置；状态重构

0 引言

大型火电机组的自动控制系统大多采用DCS（分散控制系统）来实现，对于复杂的控制算法较难于应用在自动控制系统中，锅炉过热汽温和再热汽温控制几乎仍采用常规的串级控制系统，不少机组汽温被控对象的滞后很大，且喷水阀存在严重的非线性。当机组负荷变化时，汽温偏离设定值8～10℃左右，超温很频繁。过热汽温是机组热力系统中的重要参数，其控制品质的优劣直接影响到机组的安全性和经济性。

TOP（ThermalOptimized-controlPlatform，电站热工优化控制平台）系统的汽温优化组件采用现代控制理论进行设计，相对于经典控制理论具有明显的优越性。现代控制理论可以用系统内部的状态来描述系统，采用状态反馈可以实现闭环系统极点的任意配置，从而构成线性最优调节器。该组件以实际工程问题为设计出发点，采用温度动态特性状态重构技术，获得具有较强稳定性和鲁棒性的控制系统。

1 TOP系统汽温优化组件的原理

TOP系统的汽温优化组件根据现代控制原理进行设计，通过工程化近似方法设计出优化控制系统。下面将分别论述该优化组件中状态观测器的设计、带状态观测器的状态反馈设计、汽温状态观测器设计等原理。

1.1 状态观测器的设计

所谓状态观测器时指1个在物理上可以实现的动态系统在被观测系统的输入和输出驱动下，产生1组逼近于被观测系统的状态变量。在状态观测器的设计中，由于实际物理信号的限制，较适用的是降维状态观测器。可以证明只要系统是完全能观测的，若输出矩阵的秩为m，则只要知道其中n－m个状态，其余m个状态无需用状态观测器观测，只要观测其中n－m个状态即可。

若多变量线性系统∑={A，B，C}是完全能观的，且C是满秩的，则存在线性变换x=Px，将系统变换为∑={A，B，C}。

一般形式的状态方程，可通过非奇异相似变换将其变为式（1）的形式。非奇异相似变换的求取过程为重新排列C的列，使C化为式（2）的形式。

其中C2为m×m非奇异阵，则：

下面构造观测x1的状态观测器，显然它是n－m维的，取系统的的状态反馈矩阵为F，根据观测器形式设计出的系统降维观测器为：

变量替换得：

式（5）为降维观测器的状态方程。全部状态估计由下式求得：

降维观测器的输入仍为u与y，但维数只有n－m维。

1.2 带观测器的状态反馈设计

由带观测器的状态反馈结构可得系统的状态空间表达式为：

由式（7）得系统的特征方程为：

状态反馈矩阵K只影响状态反馈系统的极点，而状态反馈系统的极点与观测器的增益矩阵Ke无关，因此极点配置和观测器设计可分别独立进行。

1.3 汽温状态观测器设计

火力发电厂热工自动控制中，一般把过热器分为导前区和惰性区，被控对象的传递函数可以表达为：

正常情况下，导前区阶数为1，惰性区阶数为4，如果遇到阶数更高的可以使用前面论述的降维观测器设计方法进行设计。受控对象的传递函数可以表达为如下形式：

工程实践中，导前汽温可以直接测量，因此只需设计惰性区的状态观测系统，得出其系数矩阵，结合1．1和1．2节的方法可以设计出带状态观测器的状态反馈汽温控制系统。

2 TOP系统汽温优化组件的实施方法

现代控制理论是汽温状态优化控制系统的设计基础，基于上述原理，该组件实施时采用了常用的工程极点配置方法，包括基于二项式定理的设计方法和任意配置极点的设计方法等，从而便于工程整定。

2.1 基于二项式定理的设计

仍然采用式（10）的受控对象模型，沿惰性区输出到输入的方向，依次选取各串联的单阶惯性环节出口温度为系统状态，设计如图1所示的状态反馈控制。在图1中，经过比例控制后，可以得到：

图1 汽温对象状态反馈控制系统

根据二项式定理，取kc1=4β/kG，kc2=6β2/kG，kc3=4β3/kG，kc4=β4/（kGk2），则有如下式：

由式（12）可以看出，广义对象的惯性时间常数缩小到原来的1/（1+β）。

2.2 基于极点配置的设计

为实现某种优化指标，设计时需将极点配置在不同的位置，此时采用极点配置的设计方法。如果按照某种优化性能指标计算出的期望极点为{－α1，－α2，－α3，－α4}，则相应的特征多项式为：

式（13）可变换为：

即可以根据某种性能指标将广义被控对象的极点配置到需要位置{－α1，－α2，－α3，－α4}。

2.3 观测器增益系数的工程整定

状态观测器反馈系数的合理配置，会使观测到的过热汽温状态与实际状态偏差较小，在稳定工况下偏差最终衰减到零。可以采用极点配置法计算状态观测增益。根据错开原则，观测器特征值实部应远大于控制系统的特征值，以保证观测器的状态重构响应快于整个控制系统响应。因此，确定包含1对主导极点离虚轴越远，则重构速度越快。但观测器反应太快，在汽温过程输出存在扰动的情况下，会增大噪声干扰的影响，故需要兼顾快速性和抗干扰性。

观测器增益大，有利于加强对状态观测误差的校正作用，加快误差的衰减。但是，观测器增益大于一定值后，调节过程特性对增益变得不敏感，此时观测器模型进入1个与控制对象基本等效的范围，再增大观测器增益无太多意义。

一般情况下，也可根据对象的数学模型，利用仿真试验的方法整定观测器增益。

3 应用效果

在AGC（自动发电量控制）工况下，不投入TOP系统的汽温优化控制组件，机组在300～600 MW范围内运行，机组汽温控制品质如图2所示；投入TOP系统的汽温优化控制组件，机组在300～600 MW范围内运行，机组汽温控制品质如图3所示。上述4次试验的控制品质对比如表3中所示。

表3 AGC工况下汽温优化控制组件对比试验控制品质

图2 未投入汽温优化组件时AGC工况下汽温控制曲线

图3 投入汽温优化组件时AGC工况下汽温控制曲线

从测试数据可以看出：TOP系统汽温优化控制组件的应用，大大提高了机组整体的汽温控制水平。在负荷变动过程中，汽温变动偏差从±10℃减小到了±3℃。AGC工况下，机组整体的汽温控制水平也有了很大提高，平均主汽温度从564℃提高到了570℃。

4 结语

TOP系统的汽温优化控制组件为提高机组的燃烧效率和节能水平，减少发电厂运行人员的操作强度，更好地保证机组稳定运行提供了良好的解决方案。组件设计的汽温先进控制算法与应用系统，在保证机组安全运行的基础上，使机组在负荷变动过程中主汽温维持稳定，并控制在较高的设定点上，有效提高了机组的运行经济性。

[1]张长青，杨锋，孟祖浩，等．锅炉汽温控制状态反馈极点配置的两种简易设计方法[J]．中国电机工程学报，2006，26（9）∶62－65．

[2]陈一秀，陈永红．纯滞后系统的状态反馈优化设计方法[J]．控制工程，2004，11（3）∶223－225．

[3]李泉．超（超超）临界机组主汽温控制系统控制传递策略研究与应用[J]．华东电力，2010，38（7）∶28－32．

[4]陈小强，罗志浩，赵洪宇．两类超超临界1 000 MW直流锅炉中间点温度控制策略和效果分析[J]．华东电力，2009，37（8）∶1418－1421．

[5]李泉，朱北恒，孙耘，等．火电机组主汽温控制优化策略的研究[J]．浙江电力，2010，29（3）∶26－29．

[6]陈波，张永军，罗志浩．超临界机组汽温控制中减温水联控方式的研究与实现[J]．电站系统工程，2010，26（4）∶54－56．

（本文编辑：陆莹）

Development and Application of the Steam Temperature Optimization Module on Power Plant Thermal Optimized-control Platform

CHEN Bo，SUN Yun，LI Quan，ZHANG Yong-jun，DING Ning
（Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

At present，superheater steam temperature and reheater steam temperature control of large thermal generating units still adopts conventional cascade control system．In case the unit load changes，the steam temperature varies 8 to 10 centidegrees from the set value and there is frequent superheat．The design of steam temperature optimization module on the power plant thermal optimized-control platform employs modern control theory，and the system is described by its internal state to randomly configure poles of close-loop system，hence linear optimal adjuster is structured．Dynamic temperature characteristic restructuring technology is employed to make the control system more stable and robust，which solves the set value variation of steam temperature．

TOP；steam temperature optimization module；control；pole assignment；state restructuring

TK232∶TP273

：A

：1007－1881（2013）03－0050－04

2013-01-28

陈波（1980-），男，武汉人，硕士，高级工程师，从事发电厂热工自动化应用和研究。