电力工业模型预测控制——现状与发展

◎ 习春苗

电力工业模型预测控制
——现状与发展

◎ 习春苗

模型预测控制是一种基于模型的先进的具有优化性能的控制算法，近年来在复杂电力工业系统中逐渐成为研究的热点。该文全面介绍了模型预测控制在电力行业中的各类系统中的应用现状。在电力行业生产运行控制过程中，模型预测控制能够满足电力系统各个子系统的优化控制，并实现最大程度的节能。在合理的处理约束的前提下，达到满意的负荷跟踪效果。分布式预测控制实现了厂级分布优化控制的目标。在电力系统自动发电控制中，模型预测控制可实现发电机变化率约束的处理。最后对现在存在的理论与应用方面所存在问题进行了阐述并提出有待改进和研究的几个主要问题。

模型预测控制

模型预测控制问世之初，模型预测控制是一种应用于工业过程中的启发式控制算法，通过几十年的发展，已经发展成为了一个新的学术界研究方向，具有丰富的理论基础和实践。被众多学者认为是最有发展前景的先进控制算法。预测控制算法具有强大的处理约束的性能，能满足实际工业过程可理论研究过程中对约束的要求，近年来，在先进制造、能源、环境、航天航空、医疗等许多领域中，都出现了不少用预测控制解决约束优化控制问题的报道。此外，许多学者根据不同工业过程的不同控制要求，提出各种改进控制算法，包括非线性预测控制、阶梯式模型预测控制，分布式预测控制等。但是，不同的模型预测控制都具有基本相似的控制性能：1）良好的约束处理性能，包括输入约束的处理，输出约束的处理，和一些优化性能指标约束的处理。2）控制算法在计算过程中应用系统的过程模型，控制器的设计直接体现被控过程动态。3）模型预测控制算法应用预测的未来时刻行为特征，能直接处理耦合问题和多变量问题，将系统的控制问题转化为优化问题。本文在分析电力生产过程电力系统的自动发电控制的基础上，考虑模型预测控制算法所具有的优点，对模型预测控制的应用现状和未来的发展方向进行综述。

模型预测控制在电力生产过程应用中存在的问题

电力生产过程的发电系统主要组成部件为锅炉、汽轮机和发电机。锅炉实现将化学能转化为热能的过程，汽轮机和发电机实现由热能转化为电能的过程。电厂通过消费煤炭，石油等一次能源生产二次能源，实现发电厂节能降耗不仅能提高电厂的经济效益，实现利益最大化，而且能减低环境污染，实现可持续发展。因此，电站自动化技术以节能降耗为首要目标。从这一控制角度考虑，控制器必须具有能减少主汽温波动，允许采用高设定值的特点，从而达到控制目标。减少主汽温波动的主要目标是延长机组的使用寿命，减少因机械应力导致的微裂纹，从而减少因维护系统所需要的开支。将模型预测控制成功的应用到实际工业过程仍然有许多问题需要解决处理，比如如何获得复杂系统准确的被控模型，如何解决复杂系统各种复杂的约束条件，如何实现优化过程的实时性等。相信随着诸多学者的深入研究和探索，模型预测控制的理论和实践发展将会更加完善，在工业被控过程中的应用将会越来越广泛。并能尽可能的满足电力生产过程中对节能降耗的要求。

模型预测控制在电力系统自动发电控制应用中存在的问题

在大规模互联电力系统中，自动发电控制（AGC）不仅能够满足对发电功率和负荷功率的控制要求，而且能够实时的对电力系统的负荷进行快速跟踪。电力系统频率的稳定能保证发电质量。我们希望能在电力系统正常的运行下达到以下的三个控制目标：快速响应负荷扰动和迅速跟踪发电的随机变化；在控制区域内调节各自的发电机组出力；对于周期性的负荷变化按发电计划调整出力。随着电力行业的发展，现代电力系统已经发展成为大规模复杂系统，这类系统的组成部分通常是多个区域子系统。对传统电力系统的控制方法-集中控制已经不能将模型预测控制的优良性能发挥到极致。随后学者通过研究提出了针对这类新系统的控制方法-分布式模型预测控制，相信随着这种方法的不断研究和发展，其在电力系统中将会有越来越广泛和深入的应用，并在电力市场中发挥举足轻重的作用。

研究方向和问题

近几十年来，随着理论的研究和在实践过程中应用，模型预测控制已成为控制并解决电力工业复杂系统优化问题的有效手段。分散控制系统（DCS）的迅速发展进一步推进了模型预测控制的应用范围，成为解决复杂电力系统控制问题的强有力的手段。DCS 在结构上实现分散化，具有强大的数据处理能力和通信功能，因此能成功的应用到复杂的电力被控系统中。模型预测控制在复杂电力工业系统控制应用过程中仍需解决如下几个问题：（1）在建模方面。模型预测控制的成功应用很大程度上依赖于可靠的系统模型，但是电力系统通常比较复杂，导致建立精确模型困难重重，如何建立精确的数学模型是今后研究的一个重要课题；（2）在电厂过程控制方面。如何实现热工过程中人为给定的设定值，约束条件和优化条件，满足利益最大化，降低环境污染等多个目标需要诸多学者进行深入的研究。（3）在电力系统自动发电控制方面。未来电力系统将大量采用柔性交流传输系统装置（FACTS）。如何提高FACTS的经济性能和安全性能是今后研究课题的难点和重点，也是一个具有重大研究意义的研究方向。

（作者单位：华北电力大学）