（模式识别与智能系统专业论文）基于神经网络智能控制的火电厂循环水控制系统.pdf

生! ! 鱼垄查堂：! ；堡堡主童兰兰竺堡堡塞 摘要 摘要： 利用自动优化控制和变频调速技术实现火电厂循环水泵安全节能高效控制。在详细 分析循环水系统运行特点以及系统运行中存在问题的基础上，以调整循环水泵运行方 式、联锁保护逻辑关系，调节循环水流量，实现安全优化运行，保障运行时的机组安全 高效性能，提高机组运行的可靠性。 关键词：循环水，自动优化控制技术，变频调速系统 a b s t r a c t ： t h eu s i n go ft h ea u t o m a t i co p t i m i z a t i o na n df r e q u e n c yv a r i a b l et e c h n o l o g yc a n r e a l i z ee f f i c i e n c yi nc i r c u l a t e dw a t e ro ft h ep o w e rp l a n t w i t hd e t a i l e da n a l y s i so ft h e p e r f o r m a n c eo ft h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r o b l e mo fc i r c u l a t e dw a t e rs y s t e m sm o t i o n ， b a s eo nr e g u l a t i n gm o t i o no fc i r c u l a t e dw a t e rs y s t e ma n dl o c ki o g i c ，r e g u l a t ef l o wo f c i r c u l a t e d w a t e r , r e a l i z e so p t i m i z a t i o nm o t i o n ，e n s u r e st h es a f e t yo fg e n e r a t i n g u n i t , e n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo fg e n e r a t i n gu n i t w ux i a o h o n g ( c o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t c db yp r o f b a iy a n k e y w o r d s ：c i r c u l a t e dw a t e r ，o p t i m i z a t i o na u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , f r e q u e n c y v a r i a b l et e c h n o l o g y 华北电力大学i ：程硕士专业学位论文 摘要 摘要： 利用自动优化控制和变频调速技术实现火电厂循环水泵安全节能高效控制。在详细 分析循环水系统运行特点以及系统运行中存在问题的基础上，以调整循环水泵运行方 式、联锁保护逻辑关系，调节循环水流量，实现安全优化运行，保障运行时的机组安全 高效性能，提高机组运行的可靠性。 关键词：循环水，自动优化控制技术，变频调速系统 a b s t r a c t ： t h eu s i n go ft h ea u t o m a t i co p t i m i z a t i o na n df r e q u e n c yv a r i a b l et e c h n o l o g yc a n r e a l i z ee f f i c i e n c yi nc i r c u l a t e dw a t e ro ft h ep o w e rp l a n t w i t hd e t a i l e da n a l y s i so ft h e p e r f o r m a n c eo ft h ee h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r o b l e mo fc i r c u l a t e dw a t e rs y s t e m sm o t i o n ， b a s eo nr e g u l a t i n gm o t i o no fc i r c u l a t e dw a t e rs y s t e ma n dl o c kl o g i c ，r e g u l a t ef l o wo f c i r c u l a t e dw a t e r , r e a l i z e s o p t i m i z a t i o nm o t i o n ，e n s u r e st h es a f e t yo fg e n e r a t i n g u n i t , e n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo fg e n e r a t i n gu n i t w ux i a o h o g ( c o t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f b a iy a h k e y w o r d s ：c i r c u l a t e dw a t e r ，o p t i m i z a t i o na u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , f r e q u e n c y v a r i a b l et e c h n o l o g y 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于神经网络智能控制的火电 厂循环水控制系统，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：猫 日期： 塑l 墨i学位论文作者签名：之鱼腿 日期： 塑l 墨i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：酆i 篡导师签名：。乏! 丛匆 日 期：竺! ! ：i ：i 日 期：定五! 主：! p 华北电力大学工程硕士专业学位论文 符号表 p e c o 最有利真空( 经济真空) a n 2 - 一循环水量水泵所多消耗的功率 p 汽轮机的凝汽器真空 h z - - - 变频器频率( 赫兹) s p w m 一正弦脉宽调制技术 h 扬程 n 卜一汽轮机功率的增量 d w 一冷却水流量 a n 功率差值 p w m 脉宽调制技术 q 一流量 n - - 转速 s ，一为管网阻力系数 s r q 2 一水阻力损失 日。位差和压差之和d 一一调速比 以一泵体内的虚阻耗系数 m b 6 k v 断路器 p 一泵的轴功率 r b f r b f 神经网络 华北电力大学t 程硕十专业学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 随着火力发电厂的生产过程经济性方面要求的提高，必须走节能降耗，提高效 益之路，从而蓬勃发展起来的变频调速技术和智能优化控制技术将对火力发电厂节 能降耗和改善工艺控制，起到无与伦比的巨大作用，利用先进技术来改造传统生产 工艺过程是实现经济增长方式有效转变的途径之一。对目前电力紧张局面，节能降 耗、降低现役机组的厂用电率，提高现役机组的上网电量，更有强大的现实意义， 并且国家已经把火电厂的节能技改提高到一个新的高度。根据汽轮机经济运行规 律，提高凝汽器真空可以提高汽轮机出力，但必然要消耗大量的循环水量，进而消 耗大量的厂用电量。在这二者之间，存在一个最佳点，有节能优化运行的可能。而 且循环水系统的功耗占主机容量的4 左右，研究循环水泵变频调速优化运行有十分 重要的社会和经济价值。 1 2 循环水控制系统国内外研究现状与成果 目前国内外在提高循环水运行效率方面的研究和工程实践十分活跃，围绕如何 维持汽轮机的最佳真空度、如何维持循环水系统运行压力、如何合理组织循环泵站 运行进行了大量相关的理论研究试验。这些研究主要集中于汽轮机的最佳真空度与 循环水流量之间的关系、循环水系统运行压力与真空度之间关系，以及利用变频器 进行循环水流量调节等方面。主要的技术途径如下。 1 2 1 以维持管网的压力恒定的简单p i d 控制 采用压力传感器检测循环水管网的压力，送入p l c 或单回路控制进行简单的p i d 控制，输出一路模拟信号到变频器，控制的变频器输出频率，调节泵的转速和输出 功率，这样形成一个简单的闭环反馈系统以维持管网的压力恒定，并且在通过p l c 自动依照当时所需功率，确定所需启停泵的数量。如烟台热电厂、镇海热电厂等。 这种调节方式略显粗糙，机组调峰运行时，汽轮机的真空也无法稳定，无法保证汽 轮机在经济方式下运行，不太适应机组调峰变工况运行，无法满足循环水交工况运 行要求。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 2 2 以维持凝汽器真空在定值的常规p i d 控制 采用把凝汽器真空信号送入d c s 、p l c 进行简单开环调节控制，输出一路模拟信 号到变频器，控制的变频器输出频率，调节泵的转速和输出功率，这样形成一个简 单的控制系统。此控制系统能根据机组负荷变化自动调节循环水系统泵的运行数量 和转速。为提高机组运行的经济性，必然以汽轮机的最有利真空p e c o ( 经济真空) 为 目标函数。如阳泉电厂等。这种调节方式在机组深度调峰运行时，汽轮机的真空也 无法稳定，无法保证汽轮机在经济方式下运行，不太适应机组深度调峰变工况运行， 无法满足循环水变工况运行要求。 1 2 3 目前控制方法存在的问题 根据控制理论的分类，上述控制均属于无流量反馈的开环控制，当输入变化时， 控制系统仅仅作了非常有限的调整。循环水只有很小机会运行在最佳状态。在推广 运用变频器转速流量调节技术之前，循环水系统泵一般是启停开关控制，只简单通 过开启泵的数量组合来调节循环水流量。推广运用变频器丰富了循环水流量调节的 手段。随着变频器的推广运用，从1 9 9 7 年一些电厂陆续开始在循环水系统进行了 变频流量调节控制的部分尝试，循环水控制系统的研制和开发有了新的突破。另外 以上两种控制模式，由于各种实际原因，原来经过部分尝试的一些项目未能取得良好的 经济效益，节能效果不显著，从而造成无法大面积地推广，有必要努力找到一种新的控 制手段或策略，来对循环水系统进行优化控制。 1 3 本研究的主要内容及创新点 为提高循环水系统运行的效率，考虑到火力发电厂的实际情况，以及提高循环 水运行效率的技术途径在国内应用推广、技术成熟、投资大小等实际情况，需要进 行方案的论证、优化工作，以便达到利用有限资金，在不影响发电的前提下最大限 度提高循环水运行效率，做到节能优化运行，并同时确保安全工作，为此进行了以 下一些内容的研究： ( 1 ) 探讨引入流量反馈信号的循环水流量闭环调节控制，通过把流量信号作为 控制系统的输入变量来进行转速和流量控制。通过闭环控制，输入变化来控制输出 变化，控制系统完全决定系统的动态响应，如环境温度和机组负荷等参变量变化。 通过对循环水系统效率影响因素的深入分析，确定影响运行效率的主要因素。结合 电厂循环水系统的设计、实际运行情况，全面分析可以提高其运行效率的原因，据 此提出可采用的方案； 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 2 ) 通过技术可行性分析，对各可采用的方案进行论证和优选：确定最佳方案： ( 3 ) 对最佳方案进行优化设计，采用有限元分析法进行分析计算等； ( 4 ) 进行仿真或实际试验，根据试验结果，进行效果分析。 1 4 本章小结 本章简要介绍了国内外使用的几种提高循环水运行效率的技术途径，并对这两 种技术方案的适用范围、使用效果以及技术发展程度进行了分析；在此基础上，根 据电厂的实际情况提出了课题研究内容。 华匕电力火学：i ：程硕士专业学位论文 第二章电厂循环水系统简介和目前存在的问题 2 1 循环水系统简介 2 1 1 循环水系统工艺流程 循环水系统是提供电厂凝汽器、冷油器以及发电机等设备所需的冷却水，满足 汽轮机冷却循环倍率的要求，维持凝汽器真空，从而提供最大艰的冷却效果的辅助 系统。做为重要的辅机之一，汽轮机的经济运行方式和循环水系统的效率与循环水 系统的运行和控制方式有着密切的关系。 循环泵是汽轮机热力系统中凝汽冷却系统的主要辅机设备，它的作用是把冷却 水打入凝汽器中吸收热量，温度上升后的冷却水送入回冷却塔进行冷却。循环水系 统运行过程中，如果循环水泵所提供的冷却水水量不足或因故障而中断供水，则汽 轮机和发电机等就不能正常运行。电厂循环水泵的特点是供水量非常大，但所需压 头较低( 一般仅2 0 m m 水柱) 。 循环水系统的工艺流程如图2 1 。汽轮机运行时，乏汽经凝汽器凝结为水，经回 收重新送回锅炉作为给水使用。而凝汽器作为汽轮机的主要辅助设备，除了将蒸汽 凝结为水供锅炉循环使用外，另外一个重要的作用就是建立并维持高真空度，使进 入汽轮机的蒸汽充分膨胀到尽可能低的背压，从而使蒸汽的理想焓降增大，提高循 环热效率。 妒毒泵。泵 l 一一一i 一， 图2 1 循环水系统 旰越 f f l h j ( 泵 一j _ 1 一一 朴水阀 华北电力大学1 ：程硕士专业学位论文 2 1 2 循环水系统的基本控制原理 由汽轮机的运行原理可以知道，运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷 却水入i z i 温度和冷却水水量。冷却水温一般取决于自然条件，于是在蒸汽负荷一定 的情况下就只有靠增加冷却水的流量来提高凝汽器的真空度，但是当冷却水水量增 加使真空度提高的同时，循环泵的容量投资及运行电耗将大幅增加。为了提高机组 运行的经济性。由于真空度提高汽轮机功率的增量n l 应大于为增加循环水量水泵 所多消耗的功率n 2 。显然，汽轮机的最有利真空p e c o ( 又称为经济真空) ，应位 于净增功率n = n 卜n 2 的最大值处 3 ，此时汽轮机工作在经济运行方式。如图 2 2 所示。 6 n p p e o p 1 i “ 图2 2 汽轮机最有利真空 其中d w 为冷却水流量，一p 为汽轮机的凝汽器真空，an 为功率差值，n 在冷 却水水量比较小的时候随冷却水量的增大而增加，到点a 达到最大，如果再进一步 增大冷却水水流量，n 反而开始减小，直至为零。但当到达c 点时，汽轮机末级 喷嘴的膨胀能力已达到极限，汽轮机功率不会再增加，故c 点所对应的真空称为极 限真空。从图中可以看出， 由a 点引等水量线与凝汽器压力线相交的b 点所对应 的真空值p e c o 就是最有利真空，a 点所对应的冷却水水量d e c o 就是最佳冷却水水 量。但此p e c o 最有利真空和d e c o 最佳冷却水水量，是在一定循环水温度和一定蒸汽负 荷( 机组负荷) 下得到的。当循环水温度( 环境温度) 随着时闯、季节变换时，或机组 负荷发生变化时，p e c o 最有利真空和d e c o 最佳冷却水水量也将发生变化。 因此，计算分析确定出对汽轮机的最有利真空，并以此为依据来控制冷却水的 流量，使汽轮机的排气压力尽量维持最有利真空位置，以保证机组在经济运行方式 下工作，是循环水系统的基本控制原则。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 ，2 火电厂循环水系统存在的问题及成因分析 由上面的讨论可知，最有利经济真空的实现是靠机组d c s 、p l c 控制循环水泵的 运行状态，调节循环冷却水的流量，使汽轮机的真空度维持在最有利真空位雹，从 而达到保证机组经济、稳定运行的目的。其中泵组的调节与控制是汽轮机最有利真 空控制系统的核心内容。 2 2 ，1 目前火电厂循环水系统控制存在的问题 目前的循环水系统控制主要采用以维持管网的压力恒定的简单p i d 控制或以维 持凝汽器真空在定值的常规p i d ，这些控制方法中，循环水泵一般是启停开关控制， 只简单通过开启泵的数量组合来调节循环水流量。根据控制理论的分类均属于无流 量反馈的开环控制。这些控制均不能实现对循环水量的连续、精确调节。经过现场 调查目前的循环水系统运行存在以下相关问题： ( 1 ) 循环水量不能连续调节，从而导致机组不能稳定运行在最有利真空点 ( 2 ) 循环水水量在冬、夏季温度变化较大，无法满足机组变负荷真空要求 ( 3 ) 在冬季时，凝结水过冷，溶氧变高( 在冬季循环水温度低，真空系统凝汽 增加而使凝汽器内聚集了过多空气) 。 ( 4 ) 凝汽器水侧不满水时( 循环水压力或流量不足) ，会造成凝结水溶氧变高。 2 2 2 循环水系统运行效率低的原因分析 根据定性分析可知，影响循环水的运行效率是多方面的，包括循环水压力、环 境温度、化学水补水阀开度、机组负荷、凝汽器真空、大气压力、排汽温度、调速 级压力、凝结水流量等等。这些因素相互作用，耦合作用十分明显，并且十分不确 定。系统干扰因索多，压力、温度延迟大、曲线陡。根据实际火电厂的运行情况， 循环水效率低的原因分析如下： ( 1 ) 机组负荷变化的影响 在正常负荷下，排汽温度、排汽压力、凝汽器水位、化补水流量、循环水流量 等参数值与循环水系统设计的参数值相差不大，循环水系统能很好地正常运行。当 机组在调峰时，或低于额定负荷的3 0 或超过额定负荷运行时，凝结水流量变化增 大，排烟温度降低或升高，化补水流量进一步变化幅度增大。这些都使得循环水系 统运行工况恶化甚至使效率降低。 ( 2 ) 环境温度变化的影响 在冬、夏季等不同季节，环境温度温差在5 0 以上。在夏季由于环境温度手 离， 华北电力大学工程硕士专业学位论文 不但使循环水泵在满功率下运行，同时管道压力也随之升高。 ( 3 ) 凝汽器真空变化的影响 射水真空抽汽系统，维持真空的效果，影响循环水系统运行效率。 ( 4 ) 排汽温度变化的影响 排汽温度取决于机组负荷和循环水温度。 2 3 电厂循环水系统的优化控制 综合以上循环水系统的大惯性和纯滞后现象明显，是一个典型的复杂的多变量 控制系统。由于控制对象的复杂性，常规控制显然无能为力，为了完成控制任务， 现在选用基于神经网络智能控制的火电厂循环水变频控制系统，通过在线系统辩识 获得控制的最优参数，引入循环水流量反馈信号，进行多重化控制，来实现不同负 荷、不同环境温度下连续调节循环水流量，满足机组最佳真空度的要求，进而解决 循环水水量缺乏连续调节手段影响机组安全性和经济运行问题。 2 3 1 循环水系统的控制要求 由于循环水系统运行的好坏直接影响汽轮机真空，影响到汽轮机的出力、安全 及稳定性，因此对于循环水系统的控制有如下要求： ( 1 ) 流量调节范围大，满足汽轮机深度调峰的要求。 ( 2 ) 具有良好的效率特性，在适用范围内，获得最优的效率。 ( 3 ) 启动、停机不会产生“水击”现象，维持系统的正常运行。 ( 4 ) 快速的响应特性，在各种范围内能快速反映：在此多泵系统中，要求可控性 高、稳态精度和动态特性好。 ( 5 ) 具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下能可靠地工作。 ( 6 ) 维护简单，具有良好人机界面。 2 3 2 技术方案的特点 ( 1 ) 神经网络智能控制：循环水系统的控制策略的研究根据控制器类型的不同， 可分为两大类：基于数学模型的传统控制方法和现代控制方法，基于某工作点的线 性化模型的方法。对于工作范围较宽( 循环水流量范围即如此) ，随机扰动大，不 确定因素多，非线性严重( 循环水范围即如此) 的循环水系统控制并不适用，只能 保证在线性化工作点附近的控制效果。循环水运行工况复杂、其动态特性强非线性， 主要表现在：泵的流量约束、管道直径约束、压头约束、泵系约束等等。近年来 华j b 电力大学工程硕士专业学位论文 飞速发展的现代控制理论，针对循环水控制系统，智能控制系统可充分利用其非线 性变结构、自寻优等各种功能来克服系统的参数时变与非线性因素，解决循环水系 统非稳定性、负荷不确定性、干扰因素多的特性。神经网络智能控制系统，人工神 经网络具有可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，利用其自学习和自收敛 性可作为自适应控制器。对循环水系统，采用双模控制结构，内环用模糊控制器控 制循环水泵电机转速和功率，外环用神经网络控制器通过在线学习系统的动态模 型，实现安全节能运行。利用神经网络参考自适应控制，但如果没有对环境温度数 据和动态特性的了解，建立最优参考模型是十分困难的。基于数据的机器学习是现 代智能技术的重要方面。研究从测量数据出发寻找规律，利用这些规律对未来数据 或无法测量的数据进行预测，来对工业过程进行有效控制。 ( 2 ) 变频系统：实现循环水量的连续调节，通过连续调整循环水泵的转速、达 到调节泵的出力，达到节电节能的目的和效果。变频器具有以下优特点：节能效果明 显、可靠性高、操作简单、启动电流小、功率因数及效率较高、调速特性优良、机械振 动小、保护功能完善、容易实现自动调节控制。大力地推广变频调速技术，可满足电力 生产企业内挖潜力、节能降耗、提高效益的目的。 ( 3 ) 循环水流量反馈信号的引入，使控制系统成为闭环调节控制系统，由控制 系统完全决定了系统的动态响应特性，跟随环境温度和机组负荷等参变量的变化。 ( 4 ) 循环水流量检测难题的解决，由于循环水管径较大，直接在大管径下安装毕 托管或笛形管等接触式流量测量装置，这种方案的测量精度可通过标定来保证，但在现 场使用测量结果受多种因素干扰，如存在取压管积气或堵塞，而无法保证长期稳定，高 精度运行检测。 如安装非接触式的固定超声波流量计，这种方案具有精度高、响应快、可靠性高， 但由于测量管路，其要求有l0d 直管段，但对大管径条件下很难找到合适安装位置， 且管道需要满水、无气泡，管壁无厚的积垢等也无法满足。怎样检测循环水流量以及确 定流量调节后可能出现的新问题是本课题的重要内容。根据汽轮机知识和实际情况，循 环水流量的测量计算，现在可通过如下公式计算得到：q = h * q i ( t 1 - t 2 ) ( h 为排汽焓 降，q l 为排汽流量，t 1 、2 为循环水进出温度) 。而循环水进、出凝汽器的水温易于测 取，机组排汽量q 1 ，可通过对机组监视段压力p 的测量取得。但由于其为间接数值， 控制对象流量的变化对控制信号来说有较大的延迟，因此对控制系统的稳定性有一定的 影响，并在控制系统设计中加以克服。 ( 5 ) 采用工业控制计算机来实现中心控制系统，由工控机对实际运行参数进行分 析，经优化处理来控制变频器，系统主要采集机组负荷、凝结水温度、循环水温度、压 力，以及汽轮机调节级压力等信号送到处理器处理，通过比例积分控制对变频器进行控 制，以维持冷却效果的恒定。 华北电力大学f 一栏硕士专业学位论文 3 1 变频调速技术简介 第三章变频调速技术 31 1 变频调速技术的优点 自从三相交流电动机问世以来，由于其转子回路内的电流不必从外部输入，转 子的结构极为坚固、易于维护，长期以来在工业中的占有率始终处于领先地位。然 而，在调速方面，三相交流电机却远逊于直流电机。而工业企业生产实际中转动机 械常常需要有不同的转速要求，尽管直流调速性能优越，但困其故障率高，电源设 备复杂等因素，使其应用受到一定的制约。实现三相异步电动机的调速，尤其是的 无级调速，成为工程技术人员追求的目标。变频调速技术的出现及其完善和发展， 使电机调速领域发生了革命性的变化。在不n 2 0 年的时间里，已被国内外公认为是 摄理想、最有发展的一种调速方式。变频调速技术在我国推广应用虽短短十几年， 但发展也十分迅猛。这是由变频调速技术的优越性所决定的。主要有： ( 1 ) 可靠性高 交流电机变频调速的故障率很低，与直流调速相比，电机无换相器等易损坏环 节，其优势十分明显，且保护功能比较完善，可靠性远高于其它的调速方法。这是 其发展十分迅猛的根本原因。 ( 2 ) 节约能源 这是变频调速最突出的特点之一。也是变频调速技术虽然发展时间很短但推广 普及十分迅速的主要原因之一。在各种调速系统中，变频调速效率最高，尤其对转 速经常变化的泵和风机娄负载，其节电率很高。随着变频技术的目趋成熟，成本的 不断下降，变频调速的普及将更加迅速。 ( 3 ) 调速范围广 变频器的最低工作频率可以从零点几h z l j 4 0 0 h z 以上，调速范围很广可满足几 乎所有调速场合，应用十分广泛。 ( 4 ) 工作特性好 在工作特性方面，无论是静态特性，还是动态特性，变颧调速都做到了与直流 调速系统不相上下的程度。 ( 5 ) 调速平滑性好 两档之间的调速最小可达零点零几转分钟，可以大大提高生产设备的加工精 度，工艺水平以及工作效率，从而提高产品质量和数量。对于 些控制系统来说， 度，工艺水平咀及工作效率，从而提高产品质量和数量。对于一些控制系统来说， 。i3 一 华北电力大学工程硕士专业学位论文 还可减小对系统的冲击，各项被控参数更加稳定，提高了可靠性及经济性，延长了 设备的使用寿命。 3 1 2 变频调速技术的发展 从2 0 世纪6 0 年代，随着新型电力电子器件的出现，变频调速具有了实现的可 能性开始，到现在变频调速技术的数字化和智能化，变频调速获得飞速发展，各种 控制算法和控制方法层出不穷，并使之不断完善。 p w m 控制技术是交流调速系统的核心。各种控制算法最终实现几乎都是以不同的 p w m 控制方式完成的。特别是2 0 世纪7 0 年代提出的正弦脉宽调制技术( s p w m ) ，使变 频调速技术的推广普及得以实现。随着计算机技术和大规模集成电路的飞速发展， 极大地简化了各种控制算法，各种算法不断出现，从最初追求电压波形的正弦，到 电流波形的正弦，再到磁通的正弦：从效率最优，转矩脉动少，再到消除噪音等， p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，新的算 法方案不断提出，使变频技术日新月异向更加完善的方向不断前进。 随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦 控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展 现出更为广阕的前景，必将进一步推动交流变频调速技术的发展。 3 2 电厂循环水系统的特点及调速要求 3 2 1 电厂循环水系统的特点 由2 2 的分析可知，电厂循环水系统得特点的循环水量非常大，但所需的压头较 低，一般仅为2 0 m m 水柱。 3 2 2 循环水流量的调速节能原理 根据水泵的扬程一流量特性曲线和管阻特性曲线，如图3 1 。 1 1 日b 玩 h t ( )蘸。 一羔4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 由公式： q l q 2 = r t i n 2 可知控制水泵的转速可以线性的调节水量，其一g ，特性曲线会随着转速的改变 在图中上下移动，比如图中当转速从降到n 时，h g ，特性曲线由( i - i - q ，) 。平行向 下移动到( 日一g ，) 。 水泵的管阻特性曲线可用如下公式表示： h e = h 七s f q t 式中：s ，为管网阻力系数，。为水泵进口到冷凝器的汽包的位差和压差之和，是 个定值。s ，q 2 为总的水阻力损失，它与流量的平方成正比。管阻特性曲线与日一目。 曲线的交点即为水泵的工况点。 当汽轮机的蒸汽负荷改变时，为了使汽轮机维持在最有利真空位置处运行，要随之调节 循环水的流量。常用的一种方法是控制调节阀开度，改变管网阻力系数s ，。从而改变 管阻特性曲线。如图，比如为了使流量由幺将到q 。，通过改变管阻特性曲线，使 水泵运行工况点由a 点变为b 点，对应的流量为。扬程是日。另一种方法是通 过改变水泵的转速，改变i i q 。曲线，使得水泵的工况点由a 点变为a 点，转速由 心降到n 流量也降为见，对应的扬程为日 可以看出，节流控制方式与调速方式相比，有( 日。一日) 的扬程浪费在管网中， 这样长期运行，势必浪费许多电力。而采用调速方式，这种消耗将不复存在，节能 效果十分明显。 3 2 3 电厂循环水对调速的要求 在对电厂循环水调速系统进行改造和设计时，应以满足循环水系统运行实际需 要为第一原则，一般应从以下几个方面进行考虑： ( 1 ) 高可靠性 由上节介绍可知电厂循环水系统是非常重要的，循环水系统的可靠运行直接影 响到汽轮机组的稳定。尤其对于调峰调频电厂，负荷峰谷差变化大，要求调速首先 能够在各转速下稳定工作。 ( 2 ) 节能 在火力发电厂中，辅机电动机的经济运行，直接关系到厂用电率的离低。随着 电力行业改革的不断深化，厂网分开，竞价上网等政策的逐步实施，电力市场的建 立，电力企业之间的竞争将越来越激烈。经济效益成为企业生存与发展最重要的衡 量标准。在电厂生产的每一个环节，在安全生产的基础上都要以经济效益为中心， 华北电力大学工程硕十专业学位论文 为企业获得最大的经济利益而努力。所以改造的原则除了保证安全生产，还应节能。 ( 3 ) 易操作性 为保证运行参数稳定，调速系统的操作应简单、快速、直观。当系统出现扰动 时，可很快恢复平稳，同时为减轻运行人员的劳动强度，要求循环水系统能够实现 自动调节。 ( 4 ) 抗干扰性 电厂控制室及现场电气设备较多，电磁干扰较强，有些电子设备对干扰也很敏 感。这就要求调速系统不但要有较好的抗干扰能力，其电磁波的辐射能力也应较低， 确保本身与其它电子设备的正常工作。 ( 5 ) 保护功能齐全 齐全的保护功能，能够保证驱动装置及电机的安全可靠运行。一旦在运行中出 现危及设备的故障，保护动作，切断交频器的输出达到保护设备的目的。主要应有： 电流保护 当电机堵转或短路故障时，电流超过一定值时，切断电源，保护驱动装置不受 损坏。 过载保护 当电机过载时，发出报警，并做出相应的动作保护电机与驱动装置。 瞬间断电保护 当厂用电发生冲击或瞬间失电时，应能在安全范围内自动复位。 3 3 变频泵组优化运行的数学模型 3 3 1 调速水泵的运行工况及高效工作区约束条件 调速水泵的h q ，特性曲线如图4 1 。研究表明，当水泵调速运行时，其日一g ，特 性曲线随着转速的改变在图中是上下平行移动的，满足比例关系( 相似定律) ，即 q “g v o2 啊n o2 d ( 3 1 ) 日峨= ( 一n o ) 2 = d 2 ( 3 2 ) 式中d 为调速比a 图中( 日一g ，) 。o 为额定转速下的特性曲线，( 日一q ，) 。为调速到强时 的特性曲线a 随着转速的下降，效率曲线稍微左移，在工程中可近似的认为效率曲线不 变。 根据额定转速n 。时的( 一g 。) 。特性曲线上的运行工况分界点c ，a ，b 和d ，可以 华北电力人学： ：程硕士专业学位论文 在转速h 、时的( h g ，) 。曲线上确定对应的相似工况点c 1 ，a 1 ，b 1 和d 1 。这些点姆 ( 日一q v ) 。曲线分为5 个工作段。即不稳定工作区i ，左低效工作区i i ( c a ) ，高效工 作区m ( 一a b ) ，右低效工作区( 一b d ) 和汽蚀区v 。如图3 2 。 图3 2 运行工况分段图 理论上，调速泵只有在高效工作区i i i 内运行才能保持高校率。而当调速范围过大 时，水泵自身的效率将降低，考虑水泵的运行特性和汽蚀特性方面的要求，水泵的调速 比d 的范围一般取d r a i n d - d “h x - s x q ) 也 珑，。( 。一g ；。) g，。117：!l，日。一sr。g，。s 2hx 2 g ”m h 。1 j i ：_ = = _ ：茏。j ：= 月 一7 x 9 r m “。 降，吼 d ：。( h x - s x q ) 户乒 。；i ( h x - s x q 一 ( 3 1 7 ) 华j 电力大学程硕士专业学位论文 g 2。0 j 志, h z h x - s x q 。 丝世s x , h l 。、 图4 1r b f 神经网络结构 r b f 网络中最常用的基函数是高斯函数，即对任意的输入向量x r “( r “为输入样 本集) ，它定义为： r 。( 力= e x p h i x e0 2i ( 2 0 2 ) f = j ，z ，册 式中，胄，( 工) 为隐层第i 个单元的输出：x 为维输入矢量， x = 。f x 。r “，p = 1 , 2 ，k ) c ，为隐层第i 个单元高斯函数的中心点；嘎为第i 个隐节点的归一化参数，即该隐 节点的宽度；，为隐层的节点数；p 表示样本数。 径向基函数神经网络的突出特点是，隐含神经元的输出函数被定义为具有径向 对称的基函数( 即径向基函数) ，而基函数的中心向量被定义为网络输入层到隐层的 连接权向量。这个特点使得隐层对输入样本有一个聚类的作用。其中，中心向量为 类均值，它的个数代表聚类的类数。这样，由于基函数对输入激励产生一个局部化的 响应，仅当输入落在输入空间的一个很小的指定区域时，隐单元才作出有意义的非 零响应。理论证明，对于一个给定的非线性函数，用径向基函数( r b f ) 神经网络可以 以任意精度全局逼近它。而且重要的是，r b f 网络避免了输入层与隐层间反向传播的 繁琐冗长的计算，使学习可以比通常的b p 神经网络快1 0 3 1 0 4 倍。 4 2 3r b f 神经网络的学习算法 在r b f 网络结构中，x 5 h ，t ，】。为网络的输入向量。设r b f 网络的径向基向 量胃2 l ，如，q h ，j ，其中 ，为高斯基函数： 兰! ! 皇查查堂：垦塞堡主主些兰堡堡兰 一 忙印卜睁 乩：，m ， 网路的第j 个节点的中心矢量为q2 q ，勺：， 1 ，其中，f = 1 ，2 ，一。 设网络的基宽向量为： 口= 岛州b 2 k l r q 为节点j 的基宽度参数，且为大于零的数。网络的权向量为： 2 1w l ，w 2 ，一，w m j r1j 辨识网络的输出为： y m ( k ) = 1 红+ 鸭_ ；1 2 + + ，k 辨识器的性能指标函数为： = 去( 弦u t ( k ) 一靠( 七) ) 2 根据梯度下降法，输出权、节点中心及节点基宽度的迭代算法如下： _ ( j ) = w ，( k - 1 ) + r ( y o u t ( k ) 一儿( 女) ) l + 口( 叶( i 一1 ) 一一( j 一2 ) ) 肾( y o u t ( k ) - y 。( k ) m 咩 q ( t ) = q ( 女一1 ) + 秘q + 口( q ( j | 一1 ) - b s ( k 一2 ) ) 畛( 删州的) 叶等 ( ) = q ( 女一1 ) + 7 7 d - t z ( c j ，( k - 1 ) - c ，( _ 】 一2 ) ) 式中，r 为学习速率，口为动量因子。 j a c o b i a n 阵( 即为对象的输出对控制输入变化的灵敏度信息) 算法为： 器z 业= 孙m 可c i f - - x i o u u ( k ) ba ( 蚰乞o 。 ： 式中，一2 “( 七、。 华北电力火学r ：程硕士专业学位论文 4 2 ，3r b f 网络的整定原理 r b f 网络自整定p i d 控制器如图所示，其中r b f 网络用于控制器u 的p i d 参数为 “，舡，k d 。r i n 为系统输入指令，y o u t 为系统输出值。控制器由两部分组成：( 1 ) 经典的p i d 控制器：直接对被控对象过程闭环控制，并且三个参数“p ，“，d 为在 线整定式；( 2 ) r b f 网络：根据系统的运行状态，调节p i d 控制器的参数，以期达 到某种性能指标的最优化。即通过神经网络的自身学习、加权系数调整，从而使其 稳定状态对应于某种最优控制律下的p i d 控制器参数。 r g i n 为婀! 屯匦丑9蟋) 卿悃9 图4 2r b f 网络整定p i d 控制框图 采用增量式p i d 控制器，控制误差为： p i d 三项输入为： 控制算法为 e r r o r ( k ) = t i n ( k ) - y o u t ( k ) x c ( 1 ) = e r r o r ( k ) - e r r o r ( k - i ) x c ( 2 ) = e r r o r ( k ) x c ( 3 ) = e r r o r ( k ) 一2 e r r o r ( k 一1 ) + e r r o r ( k 一2 、 “( 七) = u ( k 一1 ) + a u ( k ) a u ( k ) = 吒( t ) x c ( 1 ) + 置( t ) j f c ( 2 ) + k a k ) x c ( 3 ) 神经网络整定指标为： e ( 七) = 了1p 聊，( 女) 2 = 了1 ( r i n ( k ) - y o u t ( k ) ) 2 p i d 三项系数( 柚，砖( ，k a ( k ) 的调整采用梯度下降法： 华j e 电力大学：i ：程硕士专业学位论文 嘣舻以k - 1 ) - r p 薏= k p 睁l h 撕啡一) 老鬻 咆( ) 一r i p ( r 附) 一声似七) ) 去叫1 ) m 旷1 ) - 现簧吲h h ( 删删m ) ) 卺等 = 驰- 1 ) 一吼( 砌一弦州) ) 盖邪( 2 ) 姒驴 叫一仉薏划h h ( 删删啦) ) 老等 = k a ( k - 1 ) 一( 砌( 妒y 0 州露) ) 亳黜( 3 ) 式中，、研、锄分别为、t 、k a 的学习速率。o a u 为对象的j a c o b i a n n 息， 该信息可以由e d 3 f 网络进行辨识。 基于r b f 网络整定的p i d 控制算法归纳如下： ( 1 ) 确定r b f 网络的结构。即确定网络输入层节点数r l 和隐含层节点数m ，并给 出输出权值、节点中心及节点宽度参数的初值，选定学习速率叩和动量因子o t ；网络的 结构可选为3 6 1 ，即输入层3 个节点，隐含层6 个节点，输出层1 个节点。网络的3 个输入 分别为：a u ( k ) ，y o u t ( k ) ，y o u t ( k 1 ) 。 ( 2 ) 采样得到7 f 阿( ) 和y o u t ( k ) 。根据r b f 网络得至l j j a e o b i a n 言g 。 ( 3 )根据j a c o b i a n 信息和被控系统控制误差。d ，( 七) 优化p i d 参数七一，k ，屯。 ( 4 ) 根据优化后的p i d 计算控制器的输出“( ) 及输出的变化a u 。 ( 5 ) 根据( 舶、y o u t ( k ) 、y o u t ( k 1 ) 计算得到网络的输出( n ，通过与系统 实际输出y o u r ( k ) 比较根据梯度下降法在线调整网络的输出权值、节点中心及节点基宽 参数。 ( 6 ) 置k = k + l ，返回到( 2 ) 。 4 3 基于r b f 神经网络整定的火电厂循环水p i d 控制 在火电厂循环水控制系统中，通过调节循环水流量来维持凝汽器真空在定值。被控 对象的输入“( 女) 为循环水流量，被控对象的输出y o u t ( k ) 为凝汽器的真空度，被控对象 - 3 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的期望输出r i n ( k ) 为汽轮机的最有利真空p e c o 。p e c c 是通过对蒸汽负荷、冷却水入口温 度和冷却水水量的计算分析确定。 + t “蝤咽” 图4 3r b f 网络整定p i d 控制框图 基于r b f 神经网络整定的火电厂循环水p i d 控制步骤如下： ( 1 ) 确定r b f 网络的结构。网络的结构选为3 6 1 ，即输入层3 个节点，隐含层6 个节点，输出层1 个节点。网络的3 个输入分别为：z x u ( k ) ，y o u t ( k ) ，y o u t ( k 一1 1 。 ( 2 ) 通过对蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水水量的计算分析确定汽轮机的最 有利真空r i n ( n ，采样得到凝汽器的真空度弦埘( ) 。根据r b f 网络得到j a c o b i a l l 信息。 ( 3 ) 根据j a c o b i a n 信息和被控系统控制误差8 ，r d ，( ) 优化p i d 参数，k 一，吒。 ( 4 ) 根据优化后的p i d 计算控制器的输出“( 七) 及输出的变化“。 ( 5 ) 根据“( 、y o u t ( 七) 、y o u t ( k 1 ) 计算得到r b f 网络的输出( 船，通过与系 统实际输出弦u t ( ”比较根据梯度下降法在线调整网络的输出权值、节点中心及节点基 宽参数。 ( 6 ) 置k = k + 1 ，返回到( 2 ) 。 第五章循环水系统优化运行的数学模型及求解方法 5 1 循环水系统优化控制数学模型 在2 1 2 循环水系统的基本控制原理一节中已经讨论了最有利真空值只。和最 佳冷却水水i d 。的概念。依照论述，循环水系统优化运行的目标就是找到一种合理 的泵组运行方式，使得在该方式下机组出力增加值与水泵功耗增加值之差最大，同 华北电力大学： 程硕士专业学位论文 时找出对应的最佳真空度p 咖和最佳供水量d 。，故循环水系统优化控制的目标函数 为： m a x p = b 一厶 l lj i 其中p 是各机组发电量与各循环泵耗电量之差； c ，只，表示第i 台机组的发电量，m 为机组台数； i = 1 易，厶表示