直接能量平衡(DEB)协调控制系统参数整定

张瑞亚， 田 亮

(华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003)

直接能量平衡(DEB)协调控制系统参数整定

张瑞亚， 田 亮

(华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003)

为提高可再生能源消纳能力，电网要求火电机组优化协调控制系统提高发电负荷响应能力，而锅炉侧控制器参数整定是协调控制系统调试的重点和难点。利用亚临界机组简化非线性动态模型，针对DEB控制方案，推导出机侧闭环炉侧开环状态下燃料量对DEB热量信号的传递函数，并提出依据此传递函数直接计算锅炉侧PID控制器参数的方法。仿真实验证明，应用该方法进行参数整定的DEB控制系统，抗AGC指令扰动、燃料量扰动能力及鲁棒性明显优于典型炉跟机协调控制系统。

火电机组； DEB协调控制系统； PID参数； 仿真

0 引 言

可再生能源和清洁能源发电的并网以及用电侧负荷的复杂多变，对电网的安全性、稳定性、经济性具有极大的负面影响。可通过对调度调节能力较好的火电机组的炉侧协调控制系统的优化来进一步实现稳定电网的目的。协调控制系统的发展由最初按传统方式划分的机跟炉和炉跟机、DEB和IEB，历经现代控制理论和最优控制在控制理论方面的突破、解耦理论在控制系统分析与设计上的应用，以及目前在解决非线性、不确定性的复杂系统问题时，具有很大优势的智能控制理论。但是目前常用的机炉协调控制系统仍以机跟炉或炉跟机控制方式为基础，再辅以前馈、滤波或补偿环节[1-3]。工程实际中为满足电网对负荷响应的要求，常采用典型炉跟机控制[4-6]和直接能量平衡(DEB)协调控制[7]系统，两种控制系统相同之处是均具有炉跟机的特点，不同之处为代表机炉之间能量平衡的标志，前者的标志为机前压力pt；而后者则以热量信号p1+dpd/dt为机炉间的协调信号，可更快、更稳、更好的实现控制要求。

对于典型炉跟机控制和DEB协调控制系统，不同的工况下其控制效果也不同。有学者针对这两种控制系统在实际工程基础上进行了部分比较研究。文献[8]中提出了在不完全依赖解耦的多变量系统中，炉跟机控制在确保系统稳定的同时还具有一定鲁棒性；而DEB协调控制系统在解决机组负荷-压力对象的非线性问题上，只克服了不同工作点下增益变化的影响，并未根本解决该问题。文献[9]中指出炉跟机控制系统通过利用控制器的输出信号对锅炉需求信号的修正以维持机前压力pt平衡(即机炉平衡)，但其无法克服由煤质变化带来的扰动以及无法消除因被控过程的迟滞导致始终存在的压力偏差，同时无法保证在较好的负荷适应性下主蒸汽压力的稳定性；而DEB协调控制系统则采用汽包压力的变化率调整燃料输入量来消除煤质变化的扰动，同时利用热量信号消除压力偏差，DEB协调控制相对于炉跟机控制更能改善系统的响应以及使系统快速进入稳态。

目前的研究、文献中都只是基于某一具体问题或系统结构上对典型炉跟机控制和DEB协调控制系统进行比较分析[10-15]。因此，本文通过对机侧闭环炉侧开环状态下燃料量对DEB热量信号的传递函数的推导，及以此传递函数为基础对DEB协调控制系统炉侧参数的整定，以确保整定结果的可靠性、确切性。同时在不加前馈作用的情形下，建立分别利用典型炉跟机控制和DEB协调控制系统的标准系统模型，在AGC指令扰动、燃料量扰动及鲁棒性分析等三个方面对这两个系统的控制效果进行具体的比较分析，从而得到系统、规范、全面的分析结果。

1 对象模型

1.1 对象模型结构及实例

300 MW-600 MW的亚临界汽包炉通用的简化非线性负荷-压力动态模型[8]可表示为

(1)

(2)

Cbdpd/dt=-K3ptuT+K1rB

(3)

KtdNE/dt=-NE+K3ptuT

(4)

pt=pd-K2(K1rB)1.5

(5)

p1=0.01ptuT

(6)

式中：燃料量uB(kg/s)与汽轮机高调门开度uT(%)为模型输入变量；机前压力pt(MPa)与机组功率NE(MW)为模型输出变量，p1(MPa)为汽轮机一级压力。模型中共包含3个静态参数和4个动态参数，分别为：燃料指令增益K1，MW/%；过热器阻力系数K2，无量纲；汽轮机增益K3，MW/MPa%；制粉过程迟延时间τ，s；制粉动态时间Kf，s；锅炉蓄热系数Cb，MJ/MPa；汽轮机动态时间Kt，s。

以某电厂的600 MW火电机组为例进行仿真实验，100%负荷下对象模型(1)～(6)中的系数值可取[8]：

τ=20(s)；Kf=100(s)；Kt=16(s)；Cb=6000(MJ/MPa)；K1=2(MW/%)；K2=0.000 1225；K3=0.044 91(MW/MPa%)。

1.2 对象模型线性化

机组负荷-压力对象经线性化处理后的传递函数：

(7)

式中：

(8)

(9)

(11)

机主控的被控对象惯性、迟延特性小；机侧控制器参数整定较为简单；机组负荷可及时跟随外界负荷变化；机主控具有很好的鲁棒性，因此我们主要讨论较难控制的炉主控。

2 等效被控对象

2.1 炉跟机等效被控对象

典型炉跟机控制系统建立在炉跟机控制方式的基础之上，被控变量为机组功率NE和机前压力pt，控制输入为汽轮机调汽门开度uT和燃料量uB。实发功率作为机主控的的反馈信号，与功率设定值比较之后经功率调节器调节调汽门动作，从而实现机组实发功率快速跟踪外界负荷的需求；机前压力作为炉主控的反馈信号，与机前压力设定值比较之后经压力调节器调节燃料量的输入，通过改变燃料量来调节因调汽门开度变化引起的机前压力的变化。

典型炉跟机控制通过对锅炉蓄热的充分利用，使得机组对外界负荷响应速度快，但机前压力波动稍大。经过对PID控制器参数整定后，实现机组输出功率及时跟踪外界负荷变化与机组稳定运行以满足电网负荷的要求。

当机侧闭环，炉侧开环时，原双入双出对象可简化成输入为燃料量、扰动为负荷指令，输出为机前压力的双重对象，如图1所示。

图1 机侧闭环炉侧开环下机前压力对燃料量的控制系统方框图Fig.1 Control system block diagram of the front pressure to the fuel quantity at the open-loop state of furnace at the same time closed-loop state of machine

由梅森增益公式对上图中机前压力对燃料量的传递函数进行推导得

(12)

式中：GT(s)为汽轮机侧控制器传递函数，工程中采用PI控制。

因机主控保证机组快速跟踪发电负荷指令变化，故设：

(13)

将式(13)代入式(12)，可得

(14)

(15)

2.2 DEB等效被控对象

DEB协调控制系统直接控制输入炉膛的能量，令其匹配于能量需求信号，从而实现能量平衡。它的燃料调节器具备保持机前压力pt为给定值ptsp的能力。

DEB协调控制的能量平衡信号为(p1/pt)×ptsp，其中p1为汽机一级压力，pt为机前压力，ptsp为机前压力定值[2]：

(1)压力比p1/pt线性代表了汽机的有效阀位，能灵敏反应阀位的变化，提供了实际调门开度的精确测量。

(2)(p1/pt)×ptsp能正确反映汽机对锅炉的能量需求，且只受外扰(汽机调门开度变化)影响，而不受锅炉侧内扰(燃料变化)的影响。

(3)用(p1/pt)×ptsp代表汽机对锅炉的能量需求，这一信号建立了汽轮机负荷和锅炉调门之间正确的比例关系，不受炉侧扰动影响，用于协调机炉间的能量平衡，能适用于所有的运行工况。

p1+dpd/dt表示热量信号，p1代表汽机中进入的能量(锅炉能量的输出)，汽包压力pd的微分反映了锅炉蓄能的变化。该信号兼顾了锅炉能量的输出与锅炉蓄能的变化，提供了一种较为准确的且在稳态、动态均适用的燃料量测量方法。

该系统直接采用(p1/pt)×ptsp作为锅炉指令、热量信号p1+dpd/dt作为炉主控的反馈信号，两者经过比较之后经燃料调器调节锅炉燃料量的输入，从而实现机炉间的能量平衡；实发功率作为机主控的的反馈信号，与功率设定值比较之后经功率调节器调节调汽门动作，从而实现机组快速跟踪外界负荷的目的。

直接能量平衡即满足(p1/pt)×ptsp=p1+dpd/dt。燃料控制器的入口偏差为

(16)

由此可知燃料控制信号由锅炉负荷指令(p1/pt)×ptsp与作为反馈的热量信号p1+dpd/dt共同构成，从而更直接、快速实现机炉间的平衡。

图2 DEB协调控制机侧闭环的非线性方框图Fig.2 Nonlinear block diagram of machine side closed loop of DEB coordinated control

DEB协调控制系统中，能量输出为热量信号p1+dpd/dt，输入为燃料量uB，因此，设热量信号为Hp，pd=pt，则由式(3)、(6)可得

(17)

将式(6)代入到式(17)中，可得

(18)

将pd=pt代入式(18)中，可得

(19)

当机侧闭环，炉侧开环时，控制系统的输出功率是受控的，即NE=NESP，由式(4)及图2可知，此时pt与uT的乘积为一常数，因此对式(19)两边求导且拉式变换后可得

(20)

故由式(20)、(15)可知

(21)

式中：GT(s)为汽轮机侧控制器传递函数，工程中采用PI控制。

2.3 参数整定

针对大惯性对象，工程上常用的参数整定方法为：

设惯性环节传递函数为

(22)

经典型PID控制器传递函数为

(23)

将其折算为分离型PID控制器参数，其中：Kp=1/Ks；Ti=KsTs；Kd=Ts/(3Ks)。

对象包含非最小相位环节和纯迟延环节，工程上常将非最小相位的负超前时间和纯迟延时间按2倍值折算为对象惯性时间。对于本例，燃料量对热量信号的传递函数为

(24)

由此计算得到控制器PID参数为：Kp=22.5；Ti=7.565；Kd=1273。

3 仿真分析

3.1 AGC指令单向变化扰动

定压运行、稳态工况下，在200 s时对模型加入AGC阶跃扰动，并令AGC阶跃扰动幅度均为100MW，此时Matlab仿真模型在50%、75%、100%三种负荷情况下进行仿真实验，仿真结果如图3所示。50%、75%、100%三种负荷下，DEB 协调控制系统的机前压力pt的超调量分别为-3.63%、3.96%、4.19%，炉跟机控制系统中相应的超调量为-8.46%、9.86%、11.21%。由此可知，相同的阶跃扰动幅度、不同负荷下，DEB协调控制系统相比典型炉跟机控制系统来说，机前压力pt波动幅度较小，响应快；燃料量变化快；阀门开度变化较为平稳；系统的调节时间短；故DEB协调控制系统稳定性较好。

图3 不同负荷下两种控制系统的对比分析Fig.3 Comparative analysis of two control systems under different loads

3.2 正反向AGC指令扰动

定压运行、75%负荷、稳定工况下，在200 s时对Matlab仿真模型分别加入幅值为10 MW、50 MW的AGC三角波扰动，并进行仿真实验，仿真结果如图4所示。幅值为10 MW的AGC三角波扰动下，DEB协调控制系统机前压力pt的两个偏差为-0.09 MPa、0.06 MPa，燃料量uB的最大变化量为11 kg/s，炉跟机控制系统机前压力pt的两个偏差为-0.09 MPa、0.06 MPa，燃料量uB的最大变化量为2.65 kg/s；而幅值为50 MW的AGC三角波扰动下，DEB协调控制系统机前压力pt的两个偏差为-0.61 MPa、0.71 MPa，燃料量uB的最大变化量为26.86 kg/s，炉跟机控制系统机前压力pt的两个偏差为-1.08 MPa、1.1 MPa，燃料量uB的最大变化量为22.14 kg/s。由此可知，不同的扰动幅度、相同的AGC扰动类型下，DEB协调控制系统相比典型炉跟机控制系统来说，机前压力pt波动幅度较小，响应快；阀门开度响应较快；系统的调节时间短。

3.3 燃料量扰动

定压运行、75%负荷、稳定工况下，在200 s时输入一个幅值为30 t/h的燃料量阶跃扰动信号，仿真结果如图5所示。扰动幅值为30 t/h时，DEB 协调控制系统的机前压力pt的超调量为2.68%，其负荷波动相应的最大幅值为0.2 MW，炉跟机控制系统中机前压力pt的超调量为7.09%，其负荷波动相应的最大幅值为0.3 MW。由此可知，相同幅度的燃料量扰动下，DEB协调控制系统相比典型炉跟机控制系统来说，机前压力pt均波动较小且响应速度快；燃料量变化快；负荷变化波动小、响应快；系统的调节时间短，故DEB协调控制系统稳定性较好。

图5 幅值为30 t/h的燃料量扰动下两种控制系统的对比分析Fig.5 Comparative analysis of two control systems under a magnitude of 30 t/h of fuel disturbance

3.4 鲁棒性

定压运行、100%负荷、稳定工况下，在200 s时对Matlab仿真模型均加入幅值为100 MW的AGC阶跃扰动，当燃煤发热量发生变化时，比较两系统鲁棒性，仿真结果(DEB1(燃煤发热量未改变)、DEB2、设定值1表示的是DEB协调控制在扰动下的仿真结果；炉跟机1(燃煤发热量未改变)、炉跟机2、设定值2表示的是炉跟机控制在扰动下的仿真结果)如图6所示。AGC指令阶跃扰动下，当燃煤发热量变化幅值相同时，DEB协调控制系统的机前压力pt最大波动幅值增加了0.21 MPa，燃料量uB最大波动幅值改变量为5.03 kg/s；炉跟机控制系统的机前压力pt最大波动幅值则增加了0.45 MPa，燃料量uB最大波动幅值改变量为5.87 kg/s。由此可知，DEB协调控制系统相比典型炉跟机控制系统来说，机前压力pt、燃料量uB变化幅度小，故DEB协调控制系统鲁棒性较好。

图6 AGC阶跃扰动下两种控制系统的鲁棒性对比分析Fig.6 Comparative analysis of robustness of two control systems under AGC step disturbance

4 结 论

通过机理分析及仿真实验，可得：

(1)依据亚临界机组简化非线性负荷-压力动态模型推导出机侧闭环炉侧开环状态下燃料量对DEB热量信号的传递函数。其增益为K1/(100K3)，惯性环节为1/(1+KfS)，具有自平衡能力。

(2)将工程中常用的整定大惯性对象的PID控制器参数的方法应用于DEB协调控制系统炉侧参数整定中。仿真实验证明，经该方法整定PID控制器参数的DEB协调控制系统抗AGC指令扰动、燃料量扰动能力及燃煤发热量扰动明显优于典型炉跟机协调控制系统。

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Parameters Tuning of Direct Energy Balance (DEB) Coordinated Control System

ZHANG Ruiya, TIAN Liang
(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

It is a trend in China to enhance the dissipation capacity of renewable energy by optimizing the coordinated control system so as to improve the power generation load response. The parameter setting of the boiler side is the key and difficulty of coordinated control system debugging. By using a simplified nonlinear dynamic model of the sub critical unit and taking the DEB control method as the base, some experiments are implemented to deduce the transfer function of the fuel quantity for the heat signal of DEB. At the same time, the machine side is at closed-loop state while the furnace side is at open-loop state. Based on the transfer function, the method for calculating PID controller parameters of boiler side is put forward. Analysis shows: DEB control system parameterized by this method is superior to the coordinated control system of typical furnace and machine in the ability of anti-disturbance of AGC, fuel quantity and robustness.

thermal power units; DEB coordinated control system; PID parameters; simulation

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.04.13

2016-10-24.

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014MS145).

TP273

A

1007-2691(2017)04-0085-07

张瑞亚(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为大机组智能优化控制；田亮(1976-)，男，副教授，研究方向为大型火电机组建模及软测量。