一种非线性滤波器在协调控制系统前馈控制中的应用

王　桐，田　亮

(华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003)

一种非线性滤波器在协调控制系统前馈控制中的应用

王桐，田亮

(华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003)

摘要：西北电网联络线调度下AGC指令复杂多变对火电机组稳定运行不利，为了改善火电机组协调控制前馈系统在AGC指令频繁小幅度波动时造成锅炉燃料量大幅度摆动的问题，研究了一种可变滤波时间的非线性滤波器；依据AGC指令变化幅度设计一种变滤波时间的非线性滤波器，对其动态微分部分输出信号进行增益修正和滤波处理；采集西北某电厂660 MW 24 h AGC指令进行算例分析，通过对比改进前后的燃料量指令证明该非线性滤波器可以实现：AGC指令大幅度变化时，前馈足额快速输出，以维持机前压力稳定；AGC指令小幅度频繁波动时，减小前馈输出幅值并增加滤波时间以减少燃料量波动。通过对比改进前后的燃料量指令，证明了可变滤波时间系数的滤波器具有应用价值。

关键词：非线性滤波器；滤波时间；协调控制系统；负荷指令前馈

中图分类号：TM731

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.006

收稿日期：2015-06-11。

基金项目：国家重点基础研究发展计划 ( 973 计划) 资助项目( 2012CB215203);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014MS145)。

作者简介：王桐(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为火电厂协调控制建模与燃烧优化，E-mail:1554425781@qq.com。

Abstract：Under the dispatch of linking-up road, the complexity and variability of AGC command affect the stability of thermal power units. In order to solve the problem that the amount of boiler fuel swings severely when AGC command fluctuations in a small amplitude, this paper explores a filter-time-variant nonlinear filter, which implements gain correction and filtering implementation on the dynamic differential part of output signal according to the variation amplitude of AGC command. In addition, 24 hours’AGC command of a 660 MW unit from a power plant in northwest China was collected to analyze the algorithm. After comparing the improved and non-improved fuel command we found the filter-time-variant nonlinear filter can realize the follow effects:when AGC command fluctuations in a small amplitude frequently, it reduces feed-forward output amplitude and increases filtering time to reduce the fluctuation of fuel amount. Thus, the result shows that this filter has a considerable effect on the coordinated control system of a 660MW unit.

Keywords：nonlinear filter; filtering time; coordinated control system; load command feed-forward

0引言

近些年来风电、水电、光伏等新能源发电技术的发展以及装机容量大幅度增加[1]，由于其发电负荷受很多不确定的自然条件的影响而很不稳定，导致电网侧不得不频繁的调整火电机组发电负荷来维持电网运行的稳定[2]，因此AGC指令变得越来越复杂多变[3]。

如何使负荷指令前馈环节动态特性能够适应各种类型的AGC指令，是协调控制系统研究的一个热点问题。近些年来为了使火电机组快速响应复杂多变的AGC指令，众多的学者都进行了研究，韩忠旭[4]等提出了“正踢”、“反踢”、“二级加速器”的方案设计协调控制前馈，对于大幅度变化的负荷指令取得了良好的应用效果；张建生[5]等提出了一种基于ALF幅值限制滤波器的前馈设计方案，可以改善小幅度快速变化指令微分项的波动情况。

本文以优化现有的前馈方案为目的，提出一种可以根据负荷变化幅度与频率大小来确定前馈动态惯性时间常数的滤波方法[6]；利用阶跃变化的AGC指令与限速后的AGC指令之差作为惯性环节滤波时间，针对不同类型的AGC指令，自动适应，在保证机组跟踪负荷指令变化的同时尽量减小“动态回调”以保证机组运行的安全稳定。

1AGC指令的复杂性分析

图1为西北电网一台660 MW机组2014年10月23日24 h AGC指令，从图中可以看出其变化的负载性，主要的表现有：

图1　西北某火电机组24 h AGC负荷指令

(1)AGC指令的变化范围大，24 h负荷的最大值与最小值之差足足有300 MW。

(2)AGC指令的变化频繁且变化速率快，最快时变化2次/min，由于火电机组，尤其是装机功率大的机组，都存在大迟延，很难跟上如此快的变化指令[7]。

(3)AGC指令的波动性太强，由于电网侧短时间负荷预测技术的限制，AGC指令经常出现波动的情况，即发电负荷正向变化结束后立刻反向变化，有时变化的范围还很大，这对火电机组的安全稳定运行很不利。

电网侧的联络线调度方式对火电机组的调峰能力提出了更高的要求[8]，而“两个细则”的提出对火电机组的经济运行也提出了更大的挑战[9]，大部分火电机组需要优化其控制系统以快速响应复杂多变的AGC指令，而机炉协调控制系统就成为了整体优化的热点。目前协调控制系统多采用炉跟机方式，但是锅炉侧被控对象存在大惯性和大迟延，火电机组在大幅度、高速率升降负荷工况下，只依靠反馈控制难以保证主蒸汽压力稳定[10]，因此设计合理的负荷指令前馈逻辑是协调控制系统优化的关键[11]。

2前馈环节的动态特性

2.1　传统前馈控制方案

以传统的炉跟机方式为例，为补偿锅炉的大延迟性，在前馈中引入微分环节，因此典型负荷指令前馈环节的传递函数[12]为：

综上所述，本研究证实了茶碱缓释片和多索茶碱均能改善轻度支气管哮喘患者肺功能，两者疗效近似，但多索茶碱安全性好于茶碱。

(1)

可拆解为两项，即：增益项和微分项。式中：K1为发电负荷对应燃料量的系数，(t/h)/MW；T1为动态微分时间，s；T0为基本惯性时间，s。

其对应的物理意义为：K1是单位发电负荷所对应的燃料量，用以维持燃料量对发电负荷的静态对应关系；T1用于补偿锅炉侧等效对象的惯性时间，一般取锅炉制粉系统惯性时间的1/2～2/3，对象惯性越大，T1也越大；T0除用以保证传递函数的可实现性之外，同时实现对微分作用滤波的功能，防止负荷指令突变时燃料量突变造成燃料量突变。

2.2　传统前馈设计方案的局限性

传统前馈设计方案基本上能加快机组对AGC指令的响应速度，但是其微分部分因微分作用会造成如图2 所示的震荡现象，当前馈环节参数不变时，这种震荡现象的幅度只与负荷指令变化速率有关，持续时间等于AGC指令限速后的负荷指令变化时间，从图2中可以看出，微分项的动态回调峰值的大小与负荷指令变化幅值大小无关，而持续时间与幅值有关。

图2　不同负荷指令下燃料量前馈微分项输出回调

“动态过调”对于稳定被控参数是有利的，但会导致执行机构动作幅度、频率加大，是以增加执行机构的动作速率、折损设备使用寿命为代价来加快响应频繁变化的AGC指令。超临界机组协调控制系统中，锅炉主控输出的燃料量指令直接或间接形成锅炉燃料量、给水流量、二次风量、一次风量等众多控制参数的设定值。燃料量指令大幅、频繁变化，将导致上述参数设定值大幅波动，进而影响中间点温度(或中间点焓)、氧量、一次二次风压、炉膛压力以及过热、再热蒸汽温度的稳定性，对锅炉安全运行不利；同时也容易造成磨煤机堵塞、振动，一、二次风机失速、喘振等故障，折损设备的使用寿命。

图3 所示的3种不同的变化幅度、不同变化速率的AGC指令，可以将其划分为三大类：高速单向大幅度变化Y1、中速双向中等幅度变化Y2以及超高速双向小幅度频繁变化Y3。

图3　3种不同种类AGC指令

图4 为上述3种指令通过传统前馈微分项后的燃料量的变化曲线，从图中可以看出：

图4　3种典型指令下燃料量指令前馈微分项输出

(2)无论什么类型的AGC指令，通过微分环节之后都会出现“动态过调”现象，当指令负荷变化结束时其变化速率逐渐归零，微分项输出也逐渐归零，归零时间与T0有关，因此前馈环节存在一个燃料“动态过调”量归零的过程，如果此时AGC指令恰好反向变化，则会出现一个新的反向的燃料量指令“动态过调”的过程，两个作用效果相迭加，会出现燃料量指令剧烈变化的情况，如图4 所示，负荷指令在250 s与350 s时发生正向、反向的高速大幅度变化，微分项的输出在284～327 s之间，燃料量减少38.72 t，变化速率为54.028 t/min，这对机组的稳定运行不利。

3前馈设计方案

3.1　协调控制系统的燃料指令

如图5 所示为炉跟机协调控制的燃料量控制逻辑，锅炉侧输出的燃料量指令由3部分信号构成：(1)汽轮机前蒸汽压力PID控制器输出信号P1；(2)发电负荷指令前馈信号P2；(3)机前压力指令前馈信号P3。而其中X1的主要作用是通过修正燃料量维持机前压力跟住压力定值并随之变化；P3的主要作用是在滑压-定压运行方式下，滑压段适当地多增(减)部分燃料量以补偿压力定值的变化。但是在实际升(降)负荷过程中，P1和P3两部分调节量变化都相对较小，负荷指令前馈(P2)的输出信号承担主要的调节任务。

图5　炉跟机协调控制的燃料量控制逻辑

图5 中的VTF为可变参数滤波器，其滤波时间与原始AGC指令与限速后的AGC指令的差有关，可以实现的功能为：(1)当AGC指令大幅度正反向变化时，滤波时间大，滤波作用强，可以使前馈的微分项输出能跟上负荷指令的变化幅度同时减小执行机构的动作速度，稳定机组运行；(2)当AGC指令小幅度快速变化时，滤波时间小，滤波作用相对较弱，此时可以在快速跟随负荷指令的变化的同时减少变化量和变化速度，有利于稳定。

3.2　可变滤波时间滤波器及其数学分析

可变滤波时间滤波器(Variable Time Filter)的原理图如图6 所示，其中对于输出信号A(k)可以用下述公式来描述：

图6　基于VCF的燃烧指令前馈

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Gps为负荷指令；Gps lim为经限速后的负荷指令；T0为采样时间；c为限速环节速率限制值。

3.3　滤波器滤波特性分析

由上述分析可以得到，滤波器相当于一个时间系数可变的一阶惯性环节，将其简化为下述形式：

(7)

则其频率特性为：

(8)

其幅频特性：

(9)

其相频特性：

(10)

由此可见，截止频率与滤波时间有关，而滤波时间与负荷指令和限速后的负荷指令的差值有关。

理论上，整个协调控制系统相当于一个低通滤波器，机前压力的变化滞后负荷变化很久，在负荷变动后，燃料在非常短的时间内波动，而机前压力无法跟随燃料量波动，因此可以做下列等效：(1)机前压力的时间常数非常大，即使在燃料量前馈中加入本滤波器，机前压力模型中的滤波时间仍起主要作用，本滤波器对其动态特性影响不大；(2)对于燃料量控制，本滤波器利用AGC指令的偏差设置滤波时间，因此当偏差为零，即AGC指令在正常速度、幅度变化时，滤波器不起滤波作用；当偏差小，即AGC指令小幅度波动时，滤波时间小，滤波作用弱，可以削弱“动态过调”引起的毛刺；当偏差大，即AGC指令大幅度波动时，滤波时间大，滤波作用强，虽然减慢了跟随AGC的速度，但是可以控制在100s左右，对控制品质没有明显的影响。因此，本文中提出的滤波器可以在保证控制品质的前提下减小波动。

3.4　前馈设计方案

理论上，对于高阶惯性对象，其控制器输出变化幅度同被控变量控制品质之间存在着天然的矛盾，无论是哪种控制方案，都需要在两者之间做出妥协。协调控制系统前馈逻辑也不例外。

运行人员在应对联络线模式AGC指令时总结出以下经验[14]：(1)由于锅炉存在一定热惯性，在应对小幅正反变化的AGC指令时，即使不调整燃料量，压力也不会发生太大的变化；(2)机组可以接受机前压力同设定值存在小的偏差，对于超临界机组压力偏差小于±0.4MPa时，运行人员一般不干预；(3)AGC指令频繁小幅度变化，但当其平均变化速率小于机组设定速率时，减弱前馈环节“动态过调”量，压力也不会出现大幅的偏差。总而言之，其核心思想可归纳为“抓大放小”，即AGC指令大幅度快速单向变化时，必须保证足够的前馈量避免机前压力偏差过大，而AGC指令小幅度的、慢速的、不定向的变化时，则可以牺牲机前压力稳定性，尽量避免燃料量指令出现大幅波动。

保持静态增益部分不变，对动态微分部分进行以下处理。

(1)进行增益修正。将动态微分环节输出信号与一增益修正系数相乘，增益修正系数在0.2～1之间，其大小由利用限幅后AGC指令与限幅限速后AGC指令之差，并考虑锅炉蓄热能力，经过多点折线函数F1(x)处理后得到。

(2)利用可变滤波时间的滤波器进行滤波处理，对经过增益修正后的信号再进行惯性滤波。

对于前馈微分项的输出信号A4(k)而言，其基本等效为经历了一个纯微分环节和一个一阶惯性滤波环节，其中微分环节的微分时间为T1，其大小与机组的特性有关，起到滤波的作用，滤波时间与负荷指令与限速后的符合指令的差值有关，可以随着差值的变化自动的改变滤波时间常数，如果滤波修正增益Kδ调整的比较合适，负荷大幅度变化时，负荷指令与限速后的符合指令的差值大，相应的滤波时间就长，可以减慢回调的速度来稳定机组运行；负荷中小幅度快速变化时，负荷指令与限速后的符合指令的差值较小，相应的滤波时间就短，可以跟上负荷变化并且尽量减小回调的幅值，如图7 所示。

图7　改进前与改进后前馈微分项输出

就整个协调控制系统而言，本身的动态特性也是一个低通滤波器，且滤波时间远远大于本文提出的非线性滤波器，所以在燃料量前馈中加入滤波器对整个系统跟随AGC指令的整体趋势应该没有太大的影响，但是燃料量的波动可以减小。图8 为整个协调系统的仿真曲线，从图中可以对比出，当负荷升高10MW时，对应的燃料量波动减小10t，机前压力与未改进前相差很小，机组负荷几乎相同，对比仿真曲线可以得到如下结论：改进后与改进前的控制品质基本相同，但是燃料量的波动减小。

图8　协调控制系统仿真

3.5　改进后仿真实验

图9 为改进前后AGC指令大幅变化、中等幅度变化和小幅波动时发电负荷指令前馈输出信号。从图中可以发现：AGC指令大幅变化时，改进后负荷指令前馈信号变化幅值和改进前接近，但是变化速率减慢，这样有助于维持机前压力稳定的同时减慢燃料指令的大幅快速动作；AGC指令中等幅变化时，改进后负荷指令前馈信号的幅值减小且震荡速率减慢，减小了燃料指令的波动的同时也尽量保持住机前压力的稳定；AGC指令小幅波动时，改进后负荷指令前馈信号波动幅值明显变小，变化速率明显变慢，有助于减小燃料指令波动。当然，改进后负荷指令前馈逻辑是以牺牲负荷指令小幅波动时机前压力稳定性为代价的，但是锅炉的蓄热能力可以把压力波动限制在±0.5MPa之内。

图9　改进前与改进后前馈指令对比

图10 为某660MW一天20时33分时至23时53分共计3小时20分的AGC指令改进前微分项的输出信号与改进后输出信号相对比、改进前的前馈输出量与改进后的前馈输出量相对比，证明了上述规律。

图10　660 MW机组3.3 h改进前后燃料量前馈输出

4结论

本文针对西北电网大容量机组在联络线调度方式下AGC指令频繁变化造成机组燃料量大幅波动的问题，对锅炉侧发电负荷指令动态前馈逻辑输出进行可变滤波时间系数的滤波处理，其基本原理为：当AGC指令大幅变化时，滤波时间小，负荷指令动态前馈信号大幅快速改变燃料量指令防止机前压力大幅波动，同时减小动态回调保护机组运行安全；当AGC指令小幅变化时，滤波时间大，负荷指令动态前馈信号小幅慢速变化，防止燃料量指令变化幅度大。通过仿真算例证明了该方法的正确性，并且在西北电网一台660MW的机组中取得了良好的效果，改善了燃烧指令前馈因复杂AGC指令而造成的“动态回调”问题。

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AnApplicationofNonlinearFilterintheFeed-forwardControlofCoordinatedControlSystem

WangTong,TianLiang

(SchoolofControlandComputerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)