基于自抗扰Smith预估补偿方法的超临界机组再热汽温控制研究

崔晓波，刘久斌，朱红霞，张轩振，顾慧，王亮

（南京工程学院能源与动力工程学院，江苏省 南京市 211167）

0 引言

目前超临界火电机组普遍存在再热汽温波动大、挡板自动难于投入以及喷水量大造成机组循环效率低等问题[1-3]，主要原因：一方面是挡板调节再热汽温存在大惯性、大滞后问题；另一方面由于挡板与喷水阀门以及负荷的变化均会带来再热汽温系统的非线性特性问题。再热汽温系统挡板自动不能投入则汽温调节主要依赖事故喷水，造成再热器喷水量大，从而严重影响机组的经济性。因此，设计再热汽温系统的先进控制策略十分重要。

国内外学者对再热汽温系统控制的研究分为两类，一类研究未考虑挡板调节，仅考虑喷水调节，与主汽温控制研究类似[4-6]。另一类考虑挡板调节集中在近5年内，所采用的控制策略大多基于预测控制[7-10]，而预测控制较复杂、计算量较大，通过DCS平台实现相对困难。

该文以某电厂 600 MW 机组再热汽温系统为研究对象，基于现场实测数据，首先建立再热汽温系统的动态特性模型，其次将自抗扰控制(active disturbance rejection controller，ADRC)技术与Smith预估补偿控制有机融合设计先进再热汽温优化控制系统，通过与目前实际DCS控制策略的比较，验证了该控制策略的有效性。

1 再热汽温系统

考虑到机组经济性的影响，目前再热汽温的调节手段主要采用烟气侧调节为主、蒸汽侧调节为辅的方式。由于采用分隔烟道挡板调温，结构简单，操作方便，目前是主要的烟气侧调节手段；蒸汽侧仍采用喷水减温调节方式，考虑到再热喷水减温对经济性影响较大，该调节方式仅做为超温紧急事故喷水。

1.1 再热汽温挡板调节

再热汽温挡板调节原理如图1所示，尾部烟道被分为两侧，A侧烟道中包含低温再热器与省煤器，B侧烟道中包含低温过热器与省煤器，烟道下方设置烟气挡板，通过调节两侧的烟气挡板开度改变两侧烟气量的比例，从而改变低温再热器与低温过热器的吸热比例，最终实现再热汽温的调节。

图1 再热汽温挡板调节示意图Fig. 1 Diagram of damper adjustment for reheated steam temperature

1.2 事故喷水调节

事故喷水调节原理如图2所示，喷水来自给水泵抽头，喷水阀门设置在低温再热器与高温再热器之间，分为A与B两侧，通过调节喷水阀门开度改变喷水量实现再热汽温的调节。

2 再热汽温动态特性模型

2.1 动态特性数学模型

图2 事故喷水调节示意图Fig. 2 Diagram of spraying water adjustment

通过采集现场阶跃试验的相关数据，采用系统辨识的方法建立再热汽温系统动态特性数学模型，所建立的模型分为挡板-再热汽温通道动态特性数学模型(式(1))和喷水-再热汽温通道动态特性数学模型(式(2))：

式中：YΔ为再热汽温变化量，℃；1UΔ为挡板开度变化量，%；2UΔ为事故喷水阀门开度变化量，%。

模型(1)与模型(2)所对应的稳态值见表1。

表1 模型稳态值Tab. 1 Steady-state value for the model

表1中的数据分别为现场试验过程中的初始状态值，包括负荷、烟气挡板与事故喷水阀门初始开度以及再热汽温初值。

2.2 模型验证

通过现场采集的试验数据与模型(1)、模型(2)的计算输出进行对比，对比结果如图3、图4所示。

图3 挡板开度阶跃响应实测值与模型计算对比曲线Fig. 3 Comparison curve between measured values and model calculation value for step response of damper opening

图4 喷水阀门开度阶跃响应实测值与模型计算对比曲线Fig. 4 Comparison curve between measured values and model calculation value for step response of spraying valve opening

从图3与图4中可以看出，挡板开度阶跃与喷水阀门开度阶跃模型计算值与实测值基本吻合，只有在个别时间段内存在一定偏差，模型计算精度较高，因此基于所建立的模型可以用于控制器的设计与仿真验证。

3 先进再热汽温控制方案

3.1 ADRC技术

ADRC思想由韩京清先生于 1998年正式提出，该思想提出后，大量国内外学者围绕ADRC技术进行了工程与理论研究，取得了较多实用性与理论性成果[11]。

ADRC技术的基本思想主要包括3个部分：1）非线性微分跟踪器(tracking differentiator，TD)；2）扩张状态观测器(extended state observer，ESO)；3）非线性组合(nonlinear combination，NLC)。

二阶非线性微分跟踪器TD可由式(3)、式(4)表示：

式中：1v为输入信号的跟踪信号；2v为1v的微分信号；h为采样时间；r为速度因子；h0为TD的滤波因子；fhan(⋅)为最优综合控制函数。

由式(5)建立ESO方程：

式中：y为系统输出；fal(⋅)为最优综合控制函数的近似分段线性函数。

非线性误差反馈控制策略NLC方程如式(7)—(9)所示：

式中0δ为间断点。

3.2 Smith预估补偿控制技术

Smith预估补偿控制算法的基本原理是把系统的被控对象与一个纯滞后的环节并联，通过对被控对象的补偿，实现等效传递函数无纯滞后环节，加速调节过程和减少超调量，消除大滞后带来的影响。实际工程上设计Smith预估器时，将其并联在控制器D(s)上，得到图5所示的形式。

图5 Smith预估补偿原理示意图Fig. 5 Diagram of Smith predictive compensation principle

图 5 中：R(s)、E1(s)、E2(s)、U(s)、Y(s)分别为设定值、偏差1、偏差2、控制量以及被控量的虚线部分是带纯滞后补偿控制的控制器，其传递函数为

3.3 先进再热汽温控制方案

将ADRC技术与Smith预估补偿控制有机融合，将其用于再热汽温系统控制器设计，具体控制方案如图6、7所示。

图6为先进再热汽温挡板调节控制结构，其中r为再热汽温设定值；r1与r2分别为二阶微分跟踪器的输出v1与v2的值，由式(3)和式(4)计算；z1、z2、z3分别由扩张状态观测器式(6)计算；u0通过式(8)计算；最终的挡板开度指令 u1由式(9)计算得出。

图6 先进再热汽温挡板控制原理图Fig. 6 Advanced damper control principle for reheated steam temperature

图7 先进再热汽温喷水调节原理图Fig. 7 Advanced spraying water control principle for reheated steam temperature

图7 为先进再热汽温事故喷水调节控制结构图，基本结构与图6类似，自抗扰部分控制计算与图5相同，区别在于自抗扰参考输入r0=r+rs，考虑到喷水调节为事故喷水，为了提高机组经济性，在再热汽温设定值基础上增加再热汽温正偏置修正，提高喷水调节设定值，实现小幅超温范围内仅采用挡板调节，大幅超温时喷水协助调节的目的；另外从图7可以看出，对于喷水减温控制方案保留了串级控制策略，实现快速消除内扰的目的，对于Smith预估补偿控制的设计需将“广义对象”Gp(s)(虚线方框部分)作为整体被控对象进行补偿设计；最终的喷水阀门开度指令u2由内回路的PI调节器计算得出。

上述先进再热汽温控制策略的设计是基于单个负荷点的模型设计的，当机组负荷变化时，对象的动态特性会发生变化，即：被控对象存在非线性问题。该问题可以通过多模型切换的方法来解决，基于不同负荷条件下设计相应控制器，在不同负荷区间切换或者加权连接[12]。

4 仿真研究

通过与常规DCS中的PID控制策略进行仿真实验对比，来验证所提算法的有效性，PID表达式采用 P+I/s+Ds，P为比例增益，I为积分系数，D为微分系数。为了比较的公平性，PID参数的整定通过粒子群优化算法基于时间乘以误差绝对值积分(integrated time and absolute error，ITAE)性能指标优化计算得出。需要说明的是对于 ADRC控制器的设计需被控对象符合相应阶次，本文采用 pade降阶法[13]对原被控对象进行降阶处理。具体控制器参数设定见表2。

表2 控制器参数设置Tab. 2 Controller parameter setting

仿真实验包含2个部分：1）再热汽温设定值阶跃响应对比实验，验证所提控制算法的设定值跟踪能力；2）保持再热汽温设定值不变，在控制系统中加入定值扰动，测试所提算法的抗扰动能力。

图8—10分别为设定值阶跃再热汽温响应曲线、设定值阶跃挡板开度曲线和喷水阀门开度曲线，从图8—10中可以看出先进控制调节过程无震荡，调节时间、调节精度均优于传统PID控制。设定值阶跃过程中先进再热汽温喷水阀门始终关闭，机组经济性高于传统PID控制策略。

图8 设定值阶跃再热汽温响应曲线Fig. 8 Curve of reheated steam temperature under set point step

图9 设定值阶跃挡板开度动作曲线Fig. 9 Curve of damper opening under set point step

图10 设定值阶跃喷水阀门开度动作曲线Fig. 10 Curve of spraying water valve opening under set point step

图11 定值抗扰再热汽温度响应曲线Fig. 11 Curve of reheated steam temperature under constant disturbance

图 11—13分别为定值抗扰再热汽温响应曲线、挡板开度曲线与喷水阀门开度曲线，从图11—13中可以看出与传统PID控制策略相比先进控制算法在定值抗扰动过程中无震荡，调节时间短，调节精度高。先进控制在抗扰过程中，喷水阀门调节幅度较小，抗干扰结束后喷水阀门全部关闭，机组经济性高于传统PID控制。

图12 定值抗扰挡板开度动作曲线Fig. 12 Curve of damper opening under constant disturbance

图13 定值抗扰喷水阀门开度动作曲线Fig. 13 Curve of spraying water valve opening under constant disturbance

5 结论

通过ADRC技术与Smith预估补偿控制的有机融合，设计了先进再热汽温控制策略，通过与传统DCS控制方案进行仿真比较，该控制方法无论在设定值跟踪特性还是抗扰动能力方面均优于传统PID控制方案，调节速度与精度都得到提高，并且通过ADRC可以实现调节过程无震荡，大大提高了再热汽温控制的稳定性；另外先进再热汽温控制方案在系统稳定时实现喷水阀门的全部关闭，提高了机组的经济性。所提出的先进再热汽温控制方案易于在DCS平台通过组态搭建实现，具有较大的工程应用价值。