（动力机械及工程专业论文）660mw单元机组综合控制系统研究.pdf

型r l f lr lri ! i ii 1 1 1 1 f r l l1 11lip y 18 8 4 4 18 t h er e s e a r c ho ni n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo f 6 6 0 m wp o w e ru n i t b y d e n gs h a b e ( h e n a np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n p o w e rm a c h i n e r y & e n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rp a nw e i j i a a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者獬叫产彳 醐诅州侔刚删 一学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：及产芎 醐波川 肌阳 导师签名。l 番绛挑 日期刎年f 月万日 摘要 在现代大型火力发电厂中，锅炉、汽轮机和发电机作为单元机组的三大主要 设备，它们是纵向串联构成的一个高度耦合的不可分割的整体，其中任意一个运 行状态的改变都将引起其他运行状态的改变，三者的运行和控制应该是相互紧密 联系的。本文针对现有单元机组协调控制系统调节性能不足，片面考虑机炉负荷 压力控制，忽略发电机动态等缺点，提出基于锅炉汽轮机发电机一体化控制的 单元机组综合控制系统，以提高单元机组的自动控制品质和效能。 本文以6 6 0 m w 单元机组作为被控对象，研究其物质能量转换过程，利用机 理分析建模方法，建立了机炉负荷压力以及发电机单机无穷大系统的数学模型， 为综合控制系统的设计仿真做好前期准备。 在机炉负荷压力协调控制系统的设计中，采用了多变量解耦理论设计了动态 解耦补偿器，与具有自适应特性的智能模糊p i d 控制器相结合，构成的机炉协调 控制系统拥有比常规p i d 协调控制系统更加优良的负荷压力控制性能。 在汽轮发电机组汽门励磁协调控制系统的设计中，利用神经网络的学习记忆 和联想能力，学习汽门控制和励磁控制的模糊协调规则，由此构成的神经网络模 糊控制算法，比单纯的模糊控制算法在控制非确定性系统时更具优势。通过对系 统进行多种干扰模式下的仿真实验，表明这种汽门励磁协调控制系统能够大幅提 高系统的静态稳定性。 在此基础上，结合机炉负荷压力协调控制系统和汽门励磁协调控制系统构成 单元机组综合控制系统，并对其进行仿真，得到不同扰动下单元机组各项控制参 数的输出曲线，由此分析其相互影响，验证综合控制系统控制性能，为单元机组 的综合一体化控制研究提供有益的参考。 关键词：单元机组； 协调控制；模糊p id ； 模糊神经网络；汽门控制；励磁 控制；综合控制 a b s t r a c t b o i l e r ，t u r b i n ea n dg e n e r a t o ra st h et h r e em a i ne q u i p m e n to fu n i ti nm o d e r nl a r g e - s c a l e t h e r m a lp o w e rp l a n t , m e ya r eh i g h l yc o u p l i n gi nl o n g i t u d i n a ls e r i e sa sa ni n d i v i s i b l ei n t e g e r , o n eo ft h eo p e r a t i n gs t a t u sc h a n g i n gw i l ll e a dt oo t h e ro p e r a t i n gs t a t u sc h a n g e ，r u n n i n ga n d c o n t r o l l i n go ft h et h r e ei sc l o s e l yl i n k e dw i 廿le a c ho t h e r a i m sd i r e c t l ya tt h es h o r t c o m i n g so f e x i s t i n g u n i ti n r e g u l a t i o np e r f o r m a n c e o fc o o r d i n a t e dc o n t r o l s y s t e m ，o n e s i d e d c o n s i d e r a t i o no fp r e s s u r ea n dl o a dc o n t r o lo nb o i l e r - t u r b i n ea n dn e g l e at h ed y n a m i co f g e n e r a t o r ，a ni n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo fu n i tb a s e do ni n t e g r a lc o n t r o la m o n gb o i l e r ， t u r b i n ea n dg e n e r a t o ri ss u g g e s t e dt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n de n e r g ye f f i c i e n c yo fa u t o m a t i c c o n t r o lo nu n i t t h e6 6 0 m wu n i ta sc o n t r o lo b j e c f i v ei nt h i s p a p e r , p r o c e s so fc o n v e r s i o nb e t w e e n m a t e r i a la n de n e r g yw a ss m d i e d ，t h em e t h o do f m o d e l i n gb a s eo nm e c h a n i s mw a sa n a l y z e d ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb o i l e r - t u r b i n el o a da n dp r e s s u r ea n ds i n g l em a c h i n ei n f i n i t eb u s s y s t e mw e r eb u i l t ，t h i sp r o v i d ep r e p a r a t i o nf o rt h ed e s i g ns i m u l a t i o no fi n t e g r a t e dc o n t r o l s y s t e m d y n a m i cd e c o u p l i n gc o m p e n s a t o ri sd e s i g n e db ym u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n gt h e o r y ，i t w i t ha d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e rm a k eu pb o i l e r - t u r b i n el o a da n dp r e s s u r ec o o r d i n a t e d c o n t r o ls y s t e m ，t h i sc o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e mh a v eb e t t e rl o a da n dp r e s s u r ec o n t r o l p e r f o r m a n c et h a nc o n v e n f i o r l a lp i dc o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m i nt h ed e s i g no fv a l v ea n de x c i t a t i o nc o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e mo ft u r b i n e - g e n e r a t o r u n i t ，a s s o c i a t i o nl e a r n i n ga b i l i t yo fn e u r a ln e t w o r kw a su s e dt os t u d yf u z z yc o o r d i n a t e dr u l e o fv a l v ec o n t r o la n de x c i t a t i o nc o n t r o l ，t h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi m p l e m e n t e db yn e u r a l n e t w o r kh a v em o r ea d v a n t a g e o u st h a ns i n g l ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mw h i l ec o n t r o lt h e u n c e r t a i ns y s t e m t h r o u g ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si nt h ec o n t e x to fm a n yd i f f i e r e n t i n t e r f e r i n gm o d e ，f i n dt h a tv a l v ea n de x c i t a t i o nc o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e mc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h es t a t i cs t a b i l i t yo ns y s t e m 1 1 1 eo u t p u tc u l w eo ft h ec o n t r o lp a r a m e t e r sw a so b t a i n e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o no n i n t e g r a t e d c o n t r o ls y s t e mo fu n i tw h i c hm a d eu pb yb o i l e r - t u r b i n el o a da n dp r e s s u r e c o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e ma n dv a l v ea n de x c i t a t i o nc o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z i n g t h ei n f l u e n c ee a c ho t h e ra n dv a l i d a t i n gt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m ， p r o v i d i n gar e f e r e n c ef o r t h es t u d yo ns y n t h e t i c a l l yi n t e g r a lc o n t r o lo fu n i t k e yw o r d s ：p o w e ru n i t ；c o o r d i n a t e dc o n t r o l ；f u z z yp i d ；f u z z yn e u r a ln e t w o r k ； e x c i t a t i o nc o n t r o l ；s t e a m - v a l v ec o n t r o l ；i n t e g r a t e dc o n t r o l ； u 目录 摘要i a 】j i s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 单元机组协调控制系统研究现状2 1 3 存在的问题8 1 4 本文的主要内容8 第二章单元机组数学建模与分析 2 1 单元机组协调控制系统概述1 0 2 1 1 协调控制系统的基本概念1 0 2 1 2 协调控制系统的主要任务1 2 2 2 单元机组运行方式1 2 2 2 1 定压运行方式1 3 2 2 2 滑压运行方式1 4 2 2 3 联合运行方式1 5 2 3 单元机组数学建模1 6 2 3 1 锅炉燃烧传热过程1 7 2 3 2 管道传递过程1 7 2 3 3 汽轮机做功过程1 9 2 3 4 单机无穷大系统发电机组动态过程2 l 2 4 机组模型仿真与分析2 5 2 4 1 机炉负荷压力模型仿真2 5 2 4 2 同步发电机动态模型仿真2 7 2 5 本章小结2 9 第三章单元机组解耦控制系统仿真研究 3 1 多变量解耦理论基础3 0 3 2 协调控制系统多变量解耦设计3 1 3 3 协调控制系统的p i d 实现和参数整定3 2 3 4 控制系统仿真3 4 3 4 1 主蒸汽压力定值扰动仿真3 4 3 4 2 功率定值扰动仿真3 5 3 4 3 鲁棒性仿真3 6 3 5 本章小结3 8 第四章基于模糊p id 控制的机炉协调控制系统设计 4 1 模糊控制理论概述3 9 4 1 1 模糊控制系统3 9 4 1 2 模糊控制器的基本结构4 0 4 2 模糊自适应p i d 控制器的设计4 1 4 2 1 模糊自适应p i d 结构4 1 4 2 2 模糊p i d 整定原则4 2 4 2 3 模糊规则的制定4 3 4 3 模糊p i d 在机炉协调控制中的应用4 4 4 3 1 机炉协调控制系统结构4 4 4 3 2 机炉协调控制系统参数设定4 5 4 4 控制系统仿真4 6 4 4 1 仿真框图4 6 4 4 2 功率定值扰动仿真4 7 4 4 3 主蒸汽压力定值扰动仿真4 8 4 4 4 燃料量和汽门开度扰动仿真4 8 4 4 5 鲁棒性仿真4 9 4 5 本章小结5 2 第五章汽轮发电机组协调控制系统设计 5 1 神经网络模糊控制原理5 3 5 1 1 神经网络控制原理概述5 3 5 1 2 神经网络模糊控制系统的结构5 4 5 1 3 神经网络模糊控制系统的特征5 4 5 2 汽轮发电机组汽门励磁协调控制系统设计5 5 5 2 1 汽轮发电机组协调原理5 5 5 2 2 汽门励磁协调控制系统结构5 6 5 2 3 协调控制系统模糊推理规则5 7 5 2 4 汽门励磁协调控制器的训练6 0 5 3 协调控制系统仿真分析6 2 5 3 1 仿真框图6 2 5 3 2 静态稳定性分析6 3 5 4 本章小结6 5 第六章综合控制系统设计和仿真 6 1 综合控制系统的组成结构6 6 6 2 系统仿真模型6 7 6 3 综合控制系统仿真分析6 7 6 3 1 蒸汽压力定值扰动6 8 6 3 2 功率定值扰动6 8 6 3 3 机端电压定值扰动6 9 6 4 仿真结果分析7 0 6 5 本章小结7 l 总结与展望 1 主要研究成果7 2 2 研究展望7 3 参考文献7 4 致谢7 8 附录a ( 攻读学位期间论文发表情况) 7 9 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 我国电力工业随着国民经济的快速增长发展至今，已经建立了一个完整的以 火力发电为主，水电以及核电、风电和太阳能等新兴能源为辅的电力供应网。大 容量火力发电单元机组作为电网骨干机组，在平衡电力供需矛盾，保障电网安全 稳定运行等方面发挥着越来越大的作用；在提高机组效率，减少能源消耗，降低 污染物排放上也具有很大的优势。我国“十一五 能源发展研究总结报告明确提 到，电力工业自实施“上大压小策略以来，五年来累计关停小火电7 2 1 0 万千 瓦，加速优化了电力工业结构。全国在役火电机组中，3 0 万千瓦及以上机组比重 由2 0 0 5 年不到一半，提升到目前的7 0 以上。每千瓦时供电煤耗从3 7 0 克下降 到3 4 0 克。实践证明，发展大容量火电机组是优化电力工业结构、实现节能减排， 减少环境污染的优先途径。目前，大型发电厂普遍采用大容量、高参数的单元制 机组，以锅炉、汽轮机和发电机构成一个发电单元设备整体。相对其他工业设备， 单元机组主辅机设备更加复杂，运行过程中需要监视和控制多种参数和项目，操 作步骤繁杂，如有不慎，可能造成非常严重的事故，带来巨大的损失“，。另外， 电网因用电结构变化，负荷峰谷差逐步加大，要求单元机组一方面具备带变动负 荷运行的能力，迅速满足负荷变化的需要及参与电网调频；另一方面要保证内部 运行参数的稳定，使之不超过允许的范围。因此，为了保证单元机组的正常运行 以及高度的安全性、经济性，必须对单元机组的自动化水平提出更高的要求。 在单元机组三大主设备中，相比汽轮机和发电机，锅炉在响应外界负荷变化 时具有大延迟、大惯性，在变负荷运行时有很强的非线性等特点，致使单元机组 整体上不能很好的响应外界负荷需求。单元机组协调控制系统( c o o r d i n a t e d c o n t r o ls y s t e m ) 正是为了解决内部参数稳定和外部负荷响应矛盾，提升机组整体 控制质量而产生的。但是，目前在大型火电机组中得到广泛应用的c c s 控制方案 多以p i d 控制算法结合前馈补偿、串级等控制策略为主，在长期运行中表现出控 制品质下降和负荷适应性不足等缺点，尤其是在机组启停和变工况运行等复杂环 境下需要人工操作和监控，运行参数偏离经济指标，造成大量的能源浪费和设备 损耗陋，。基于此，对协调控制系统进行深入研究，开发出控制能力强、安全性高、 具有智能化和高负荷适应性的协调控制系统有重大的理论和现实意义。 此外，电力系统也逐步向大电网、大机组、交直流混合和高压远距离输电以 及跨区域联合电网方向发展，电力系统稳定性问题显得日益突出。过去提高电力 系统稳定性的措施主要是改善电力系统基本元件的特性和参数( 如原动机、发电 机及其励磁系统、变压器、输电线路和开关设备) ，这些元件的特性和参数对电 力系统稳定性有直接的影响。还有就是采用附加装置提高电力系统稳定性，如采 用串联电容补偿装置、无功平衡补偿设备、提高输电线路电压等级以及设置中间 开关站等等n ，。在加强电力系统一次设备投入的同时，通过对现有单元机组协调 控制系统控制策略进行改进和扩展，增加能够增强电力系统稳定性的调节和控制 措施( 发电机有功调节) ，对于实际电力系统的稳定措施是一个有益的补充，也 为电力系统稳定性分析研究，提供了一个新的发展方向。本文将锅炉、汽轮机、 发电机励磁协调控制结合起来，利用智能控制手段进行初步研究，为单元机组综 合一体化控制发展提供参考。 1 2 单元机组协调控制系统研究现状 一直以来，单元机组的协调控制一般是指锅炉一汽轮机之间的协调控制。协 调控制系统作为最重要的火电机组自动化系统，在长期的研究和实践中，得到了 长足的发展，大量新型控制方案和优化策略层出不穷。而随着电力系统结构和容 量不断变化，系统稳定性要求逐渐提高，汽门和励磁协调控制也成为近年来的研 究热点，提出了多种先进的控制算法。本节主要针对单元机组协调控制算法，将 锅炉一汽轮机协调控制和汽门一励磁协调控制以及三者综合控制的研究现状进 行概括和总结。 1 2 1 锅炉一汽轮机协调控制 ( 1 ) 传统协调控制系统 早期的单元机组控制系统根据反馈回路不同可分为炉跟机和机跟炉控制两 种，随后又衍生出多种多样的机炉协调控制方式，发展至今已经很难辨别出是基 于炉跟机还是机跟炉控制方式。而基于能量平衡角度划分的协调控制系统揭示了 其本质特征，主要分为间接能量平衡( i e b ) 和直接能量平衡( d e b ) 两大类， 也是目前多数火电机组协调控制系统分类的主要方式，一般将p i d 作为机炉主控 制器。 在调节方式上，二者有很大的区别： i e b 主要是将汽轮机机前蒸汽压力p r 作为衡量锅炉供给能量是否与汽轮机需 求能量相平衡的间接指标，通过维持机前压力的稳定来平衡机组生产过程的能量 平衡。 d e b 是一种以汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入能量进行控制的协调控 制系统，将一个具有双输入双输出的多变量系统化解为以燃料控制器为内环，以 负荷控制器为外环的双回路串级系统，系统的整定变得非常简单、明确和快捷， 机、炉间配合更直接，系统工作也更平稳。 总的来说，两种协调控制系统在控制性能上各有优劣。只是采用直接能量平 2 衡方案的d e b 系统在参数整定上较i e b 系统简单，在克服内扰、稳定运行参数 方面也具有一定的优势。 ( 2 ) 先进协调控制系统研究 现阶段，随着现代控制理论和智能控制理论的不断发展，基于先进控制算法 的协调控制系统成为研究的热点，其改进优化的途径主要集中在三点1 6 1 ： 控制器的鲁棒设计和控制器参数的鲁棒整定 控制策略和结构的优化 智能控制方法的应用 大多数取得良好控制效果的控制策略和方法都是得益于以上一点或几点。其 中具有代表性的算法有p i d 参数自整定、鲁棒控制及整定、多变量解耦、预测控 制、最优控制、反馈线性化、多模型方法、智能化方法等等。 p i d 参数自整定 p i d 控制器被广泛的应用于热工控制领域，因为其结构简单且具有一定的鲁 棒性，容易被运行人员所掌握。但固定p i d 参数是基于模型的，其参数整定多依 靠工程经验和试凑，在变工况和非线性运行条件下，难以克服控制对象模型参数 变化带来的工作点飘移和稳定性下降等影响。而参数自整定p i d 控制的特点是其 参数是时变的，根据机组运行工况的不同及时调整变化参数，是基于过程参数的， 具有良好的负荷适应性。文献 6 针对单元机组协调控制系统的非线性、强耦合 特点，将模糊控制理论用于协调控制器的设计，使用模糊自适应p i d 控制器代替 常规p i d 控制器，仿真结果表明模糊p i d 在提高调节精度和抗干扰能力上效果明 显。文献 7 将单输入单输出的继电反馈p i d 参数自整定方法用于协调控制系统 多变量控制器的设计。与其他设计方法相比，该方法对控制对象先验知识和模型 精度要求不高，且便于在工程中实现，经过仿真过程证明其总体控制效果良好。 鲁棒控制及整定 鲁棒控制和整定是在设计控制器之初就将提高鲁棒性作为主要设计指标的 一种控制器设计整定方法。在用于协调控制系统的设计时，通常是将单元机组控 制对象非线性数学模型在多个典型的工作点线性化，在得到线性化状态空间模型 之后，基于鲁棒控制理论设计前馈和反馈控制器，从而在模型误差存在的情况下 获得良好的动态静态品质。其实质就是以降低控制性能指标为代价换取控制器在 大范围变动下的稳定性。田亮 8 等人对某国产3 3 0 m w 单元机组简化非线性动态 模型进行线性化后，利用环路成形日。方法设计了鲁棒控制器，同时基于遗传算 法对参数寻优，将鲁棒控制器矩阵分解为控制阵和解耦阵，实现了汽轮机对锅炉 的单向解耦，具有良好的鲁棒性。文献 9 总结比较了h ，、日。和综合方法应用 于协调控制系统的实例，指出了各自的试用范围：日，设计方法主要在高频区体现 出良好的鲁棒性，而日。和综合方法在低频区更具优势。而一般控制器的工作频 3 段处于低频段，所以在c c s 的鲁棒设计上，日。和综合方法比日，更加能够体现 控制系统鲁棒性和控制性能之间的平衡。文献 1 0 也提出了一种改进型日。鲁棒 设计方法，通过模糊推理增益调度准则实现多个基于以方法设计的局部鲁棒控 制器的软切换，并利用免疫遗传算法对增益调度准则结构参数进行优化，保证了 系统具有良好的全局控制性能。 多变量解耦 多变量解耦是先进控制理论中的常规方法，可以与多种控制理论相结合，具 有高度的灵活性。其一般步骤是将多输入多输出的m i m o 系统通过串联解耦补偿 网络抵消相互影响得到多个单输入单输出s i s o 系统，再对单个系统设计控制器。 与其他方法相比，多变量解耦系统具有原理简单、结构清晰和易于实现等优点， 其重点和难点在于是否能够完全解耦或者解耦程度的高低，再结合各种先进的单 变量设计方法设计控制器，( 如模糊自整定、神经网络控制等) 能够取得很好的 效果。文献 1 1 对单元机组耦合核心动态模型进行求逆获得补偿网络，通过一定 的简化变为p i d 算法可以实现的形式，实现了比静态解耦效果更好的动态p i d 解 耦补偿器，结合多变量内模控制算法，取得了很好的控制品质。文献 1 2 将神经 网络用于多变量c f b 的燃烧解耦控制，利用神经元强大的非线性映射和自适应能 力，通过在线训练权值使实际值逼近目标值，实现耦合系统的在线解耦。 预测控制 模型预测控制是上世纪8 0 年代初才发展起来的一类新型计算机控制算法， 由于采用了多步预测、滚动优化和反馈校正等控制措施，从而具备了鲁棒性强、 控制效果好、对模型精度要求低等诸多优点，使之能够有效地用于复杂的工业过 程的控制。在协调系统的预测控制研究中，凌呼君等人做了很多工作，文献 1 3 1 将基于参数模型的广义预测控制算法( g p c ) 运用到3 0 0 m w 直流单元机组协调 控制系统中，仿真表明g p c 能够克服p i d 控制器在大范围工况下的缺点，保证 了功率和主蒸汽压力快速平稳的跟踪设定值。文献 1 4 在g p c 的基础上，结合 鲁棒控制设计方法，提出一种鲁棒广义预测控制器的设计方法，对被控对象的不 确定性具有良好的适应性和鲁棒性。文献 1 5 针对双输入双输出火电机组机炉协 调模型，提出一种建立在解耦基础上的多变量动态矩阵控制算法( d m c ) 的分散 优化算法，由分散优化设计取代集中优化设计，克服集中优化综合设计的困难， 该算法简单、且计算量较少，鲁棒性强。 最优控制 作为现代控制理论核心内容之一，最优控制研究的主要问题是在满足一定约 束条件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极值乜，。当性能指标、约束条件 形式简单时，适合使用解析法，将优化问题转化为一组方程或不等式，进行求解； 当性能指标过于复杂难以解析时，便采用数值方法进行迭代来逼近理论解。文献 4 1 6 针对复杂热力系统下单一控制指标优化不够全面的缺陷，提出了一种具有多 个性能指标的优化设计方法：从热力系统整体控制优化的角度出发提出多个优化 目标，通过粒群优化理论对控制系统多个性能指标进行优化求解，获得最优设定 值。经全工况升降负荷的仿真实验结果表明多目标优化控制策略能够很好的满足 机炉整体多目标控制要求，控制品质良好。 反馈线性化 之前所介绍的方法都是基于线性理论的控制方法。而从本质上来说，机炉协 调控制对象是非线性的，非线性控制方法是能够从根本上解决机炉协调控制系统 在大范围、全工况稳定优化运行的有效方法。而反馈线性化方法作为非线性控制 理论中的经典方法，得到了研究人员的广泛关注。与其他非线性方法不同的是， 反馈线性化通过状态反馈或输出反馈将一个非线性系统完全转换为线性系统，在 此基础上进行线性系统的分析和控制器设计，而无需对非线性系统进行求解和稳 定性分析。 在应用反馈线性化进行协调控制系统的设计时需要注意两个重要的问题订： 一、反馈信号的选择问题。无论输出反馈还是状态反馈必须是可测量或可观 测的，且测量信号具有一定的准确性，能真实的反映机炉能量转换关系。 ? 二、机炉控制对象模型失配下的鲁棒性问题。非线性反馈控制律都是基于某 一特定模型而设计的，模型参数是已知的。而实际对象具有多种不确定因素，在 运行中必然会对控制系统稳定性产生不利的影响。应多结合鲁棒设计方法以期提 高协调控制系统的稳定性和抗干扰能力。房方哺，等人针对一个通用的非线性协调 控制对象模型，将反馈线性化方法与多变量内模控制结构相结合，设计出了非线 性内模协调控制器。同时分析了非线性内模控制结构的稳定性和动态性能，并通 过仿真实验证明非线性控制器在不同负荷下具有良好的解耦效果和抗干扰性。 多模型方法 多模型方法是介于线性系统理论和非线性系统理论之间的一类方法。其特点 是将非线性模型在多个典型的工作点进行线性化，针对每一个线性化模型分别设 计相应的线性控制器，再通过一定的调度规则完成不同负荷下的相互切换，实现 机组全工况下的优化控制。多模型方法实质上是利用多个线性系统对非线性系统 进行逼近，选取工作点越多，则效果越精确，当然控制器的切换过程也越复杂。 因此，多模型方法既具有线性控制系统设计相对简单规范的优点，又具有非线性 控制系统的全局优化控制能力，是一种实用性较强的协调控制系统设计方法。刘 吉臻n 一引等人多次将模糊多模型方法引入协调控制系统的设计中，根据单元机组 的非线性测度曲线得到多个典型工作点下的线性化模型，在此基础上分别运用鲁 棒和动态解耦p i d 控制方法设计局部子控制器，并用t - s 模糊模型合成出协调控 制系统全局控制器，仿真研究也证明了多模型算法的有效性。需要注意的是，如 5 何正确选取线性化工作点和实现子控制器的无扰切换是多模型方法仍待解决的 问题。 智能化方法 单元机组结构复杂，在变工况运行时具有高度的不确定性和参数时变性，以 致很难建立精确的数学模型，而基于线性理论和非线性理论设计的控制器对模型 依赖性较高，难以获得令人满意的控制效果。智能化方法不依赖数学模型，可以 取得相对较好的控制品质。 模糊控制和神经网络是单元机组协调控制系统设计中应用最为广泛的智能 控制方法。模糊控制将专家控制经验和人的分析决策能力通过模糊规则进行表 达，并且与常规控制系统相结合，鲁棒性强，具有强大的负荷适应能力。而神经 网络具有独特的学习能力，能够从合适的样本数据中了解被控系统的结构、参数 和非线性，从而给出相应的控制规律。文献 2 1 在火电单元机组静态解耦系统的 基础上，分别在每一对输入输出通道上设计了由模糊控制器和神经网络控制器复 合而成的非模型控制器，通过仿真表明模糊神经网络控制器控制精度高、抗干扰 能力强，达到了满意的控制效果。文献 2 2 针对具有强耦合特性的机炉协调对象 模型设计了自适应解耦神经网络，通过神经网络的在线学习能力，对耦合对象进 行实时解耦，克服了线性解耦补偿网络参数固定的缺点。 除了模糊控制和神经网络外，遗传算法也多用于协调控制系统的设计和整 定。朱小娟心3 1 等人针对传统遗传算法的不足，将编码方案、选择机制、交叉与变 异算子及概率选择等环节作了相应的改进，提出一种实数编码自适应混合遗传算 法，用于优化协调控制系统p i d 控制器参数，结果表明控制效果得到很大的提高。 文献 1 0 在设计基于模糊多模型局部鲁棒控制器的基础上，利用免疫遗传算法优 化模糊增益调度准则结构参数，实现多个子控制器之间的无扰切换，保证了协调 控制系统的大范围、全工况控制性能。 1 2 2 汽门励磁协调控制 汽轮发电机的汽门控制和励磁控制是提高电力系统稳定性的两种有效措施。 长久以来，人们对汽门控制和励磁控制以及二者的协调控制进行的大量研究c 2 4 。$ e ， 表明：汽门与励磁系统是一强耦合、非线性的复杂被控对象，在多数条件下，仅 仅依靠单独的汽门控制或是励磁控制来提高整个系统的稳定性是不够的，需要考 虑汽门、励磁的综合控制。 汽门与励磁协调控制能够较大幅度地提高远距离输电条件下电力系统暂态 稳定极限，改善机组在遭受大干扰或故障冲击时的动态响应，避免发电机失步导 致切机；同时就改善系统小干扰稳定性、增大阻尼抑制系统低频振荡方面也具有 很大的作用。因此，对汽门一励磁协调先进控制算法的研究成为近二十年来的研 究热点，取得了一定的成果。早在上世纪七十年代，国外学者n a r a y a n n a s i y e r t ，t ， 6 和s i n g h s n b 。，等人利用动态规划和微分几何线性化方法对发电机组汽门励磁综 合控制进行了研究。而我国的卢强、韩英铎等人最早针对远距离输电下的单机无 穷大系统线性化模型，设计了励磁汽门最优协调控制器。针对电力系统的多变量、 强非线性的特点，诸多学者考虑运用非线性控制手段来提高其协调控制性能。文 献 3 3 3 在分析励磁与汽门系统可逆性的基础上，运用神经网络对系统求逆，将被 控对象解耦为两个s i s o 线性子系统，然后针对这两个不同的子系统设计线性控 制器形成闭环控制。仿真实验证明该控制策略较好的解决了发电机组控制中的多 变量、非线性和强耦合的问题。李兴源n 等人在z a b o r s k y 提出的电力系统观测解 耦状态空间模型的基础上考虑汽门励磁综合控制作用，建立了适用于暂态控制的 电力系统数学模型，同时基于最大能量耗散原理确定最优控制目标，导出励磁汽 门综合非线性最优变目标控制律。文献 3 5 针对单机无穷大模型利用反馈线性化 方法设计了变结构励磁汽门协调控制器，同时将s t a t c o m ( 静止同步无功补偿器) 融入协调控制器，满足系统大扰动下发电机组输出有功、功角，以及机端电压的 稳定，克服了以往协调控制器暂态控制响应时机端电压不稳的缺点。文献 3 6 以 功角和输出电压为协调控制对象，基于四阶双输入发电机单机无穷大模型利用 b a c k s t e p p i n g 方法设计汽门控制器，再根据协调无源性设计励磁控制部分，使整 个系统达到反馈无源，保证系统的渐进稳定性。文献 3 7 基于人工神经网络辨 识器判别发电机运行方式和干扰类别，改变最优控制反馈矩阵k ，从而使之适应 不同的工作点和不同的干扰类别，同时解决了快速励磁、电阻掣动和快速汽门控 制三种不同类型的控制措施之间的协调问题。 1 2 3 锅炉一汽轮机一发电机综合控制 火力发电单元机组的生产过程可以看作是热力系统与电气系统相互结合的 复杂系统运行过程，以往的研究只是针对单元机组运行过程中出现的某一个问题 进行有针对性的解决( 如机炉协调控制系统解决主蒸汽压力波动和负荷响应的矛 盾；励磁汽门协调控制系统提高电力系统静、暂态稳定性和抑制低频振荡) ，而 对于锅炉、汽轮机和发电机三者的综合控制方法进行研究的相对来说还不是很 多，在国内外正处于起步阶段，一些学者对其控制机理进行了初步的探索。文献 3 8 针对电力系统大联网普遍存在的超低频振荡现象，分析了振荡成因及其影响 因素。作者首先以单机无穷大系统为例给出了锅炉、汽轮机以及调速系统、发电 机和励磁系统的数学模型，进而推导出单元机组整体线性化状态空间模型下的系 数矩阵，然后利用特征值分析法对火电机组动力系统与电气系统超低频振荡的相 关性进行了研究。研究结果表明：在超低频区域，单元机组动力系统振荡模式与 转子振荡模式存在一定的相关性。因此在研究电力系统超低频振荡稳定问题时， 需要考虑火电厂动力系统的影响。文献 3 9 针对静态状态反馈线性化( e f l ) 无法 获得精确参数信息，难以建立有效的基于锅炉、汽轮机和发电机一体化非线性控 7 制方案的缺点，提出了一种新的鲁棒非线性协调控制策略。首先建立了多个二阶 扩张状态观测器，用于估计补偿系统的非线性和扰动，在此基础上进行近似动态 线性化，并利用巩鲁棒控制对线性化后单元机组整体设计控制器。经过仿真比 较，这种鲁棒非线性协调控制器在单元机组整体控制性能上要优于传统p i d 控制 器和e f l 控制器。文献 4 0 采用线性最优控制方法对锅炉一汽轮机一发电机综合控 制进行了研究，并以2 0 0 m w 机组模型为例设计了机炉电综合最优控制规律，仿 真结果表明该设计方法具有一定的效果。 1 3 存在的问题 从目前来看，单元机组协调控制系统的设计还存在诸多难以解决的问题。但 就综合而言，最突出的问题集中在两个方面： ( 1 ) 主蒸汽压力控制回路和功率控制回路的强耦合： ( 2 ) 机组变工况运行下的参数时变性和非线性； 首先主蒸汽压力控制回路和功率控制回路相互关联、相互制约，存在强烈的 耦合特性，而且锅炉侧具有纯延迟、大惯性等特点，与汽机侧的快速响应特性相 矛盾，给协调控制系统的解耦设计带来了巨大的困难。其次，单元机组被控对象 本质上是非线性、时变的，对基于对象局部工作点线性化模型而设计的线性控制 器来说，模型精确性直接决定了控制器的性能，而且很容易因为工作点变化导致 失稳。而非线性控制方法同样是基于精确数学模型的，在大量可测和不可测的扰 动存在的情况下，建立单元机组的精确数学模型被认为几乎是不可能的。因此， 建立一种不依赖控制对象模型的，结合智能控制与常规控制的复合控制方法是解 决上述问题的有效途径。 锅炉、汽轮机和发电机作为单元机组的三大主设备，它们是纵向串联构成的 一个高度耦合的不可分割的整体，其中任意一个运行状态的改变都将引起其他运 行状态的改变，三者的运行和控制应该是相互紧密联系的。但是以往，在研究热 力系统中的锅炉和汽轮机的协调控制时，都忽略了发电机的动态特性。而在研究 发电机的有功调节问题时，往往假定主蒸汽压力不变，只考虑汽轮机汽门和励磁 系统之间的协调控制，忽略锅炉在调节过程中的影响。因此，无论是锅炉一汽轮 机的协调还是汽轮机一发电机的协调，都不是真正意义上的单元机组协调控制系 统。构建锅炉一汽轮机一发电机三者的综合控制系统才是真正意义上的单元机组协 调控制系统，才能达到保证机组安全运行、快速响应外界负荷变化和提高电力系 统稳定性的目的。 1 4 本文的主要内容 本文研究的主要内容包括以下几点： ( 1 ) 建立单元机组被控对象的数学模型。在熟悉单元机组物质和能量传递过程 的基础上，利用机理分析法推导单元机组中锅炉、汽轮机和发电机各环节的数学 模型。分析各环节的静态和动态特性，并结合实验辨识，得到6 6 0 m w 单元机组 的仿真实验模型，为单元机组综合控制系统的设计仿真做好前期准备。 ( 2 ) 基于多变量解耦方法设计解耦控制系统。针对单元机组