[发明专利]用于超临界火电机组机炉系统负荷跟踪的双层控制系统

说明书

本发明公开了用于超临界火电机组机炉系统负荷跟踪的双层控制系统，包括上、下两层控制器，上层控制器为经济性线性预测控制器ELMPC，下层控制器为L1自适应控制器；经济性线性预测控制器ELMPC建立机炉系统的局部带扰动项线性化模型，以系统未来一段时间内的经济性最优为目标，规划出系统在未来一段时间内的最优状态与输出轨迹，并得到对应的最优控制量，将最优控制量及对应的系统最优状态与输出轨迹传入下层控制器中；下层控制器为L1自适应控制器，L1自适应控制器根据上层控制器传来的最优状态与输出轨迹以及实际机组状态及输出的测量值，在上层控制器规划出的控制量的基础上加入自适应修正量，用于更新上层的预测模型。

技术领域

本发明属于热能动力工程和自动控制领域，涉及超临界火电机组协调控制方法，特别是一种采用经济性预测控制与L1自适应控制相结合的，用于超临界火电机组机炉协调的双层控制系统。

背景技术

火电机组的协调控制是指将锅炉与汽轮机作为一个整体进行综合控制，以满足电网对火电机组负荷跟踪的要求。超临界火电机组的协调控制相对于亚临界火电机组，主要的不同点在于超临界机组由于工质水的参数超过了水的临界参数，使得超临界机组中只能采用直流锅炉。直流锅炉由于不存在汽包这一能量-工质缓冲环节，使得机组的能量-工质失去自平衡能力，因此给水量的成为重要的控制参数。同时在直流锅炉中，汽水分离器出口蒸汽的温度(焓值)对主蒸汽温度的控制至关重要。上述直流锅炉的特点使得超临界机组的协调控制简化为三输入三输出的对象，如图1所示。在图1中，系统的输入分别为燃料量指令u_B，给水流量D_fw，主蒸汽阀门开度u_t，系统的输出分别为主蒸汽压力p_st，汽水分离器出口焓值h_m，机组负荷N_e，并选取进入炉膛的燃料量r_B，汽水分离器出口压力p_m，汽水分离器出口焓值h_m作为中间状态量。

超临界火电机组机炉系统具有非线性、大惯性、大滞后的特点，目前火电厂的协调控制系统大多基于静态解耦，采用常规的基于比例-微分-积分(PID，比例-Proportion，积分-Integral，微分-Differential coefficient)的控制算法，直接跟踪给定的负荷目标值，这类PID控制器一般选定某个标称工况点将控制参数调节至最优，并且在运行中保持参数恒定不变。上述的控制器在机组工况变化不频繁时具有较好的效果，但一旦机组的实际工作点偏离标称工况点时，控制效果会急剧恶化。随着越来越多光伏发电、风电等新能源并入电网，对电网的调峰能力提出了更高的要求，原本仅作为基础负荷的大型火电机组也开始承担调峰的任务，使得超临界火电机组机炉协调系统必须具有适应频繁大范围负荷变动的能力，同时必须具有更快的负荷跟踪性能另一方面，基于发电厂实际的经济效益，及全球气候变暖带来的减碳需求，希望机组在满足上述负荷跟踪要求的同时，能够具备更好的经济性。在这种背景下，传统的PID控制算法已难以满足这些要求。因此必须考虑采用更先进的控制算法来满足上述经济性负荷跟踪的要求。

目前一种考虑上述经济性负荷机组负荷跟踪要求的机炉协调控制系统设计方案是采用过程控制中常用的实时优化(RTO，Real Time Optimization)方案，即在控制系统上层引入一个优化层，在电网给出机组负荷跟踪的目标后，根据负荷的目标以及机组的稳态模型进行在线稳态优化计算，得到最优的目标值，并将目标值传入下层的跟踪层中。跟踪层的主要任务是将系统被控量驱动到来自上层的目标值并保持稳定，目前主要采用模型预测控制(MPC，Model Predictive Control)等算法设计跟踪控制器，产生控制信号或者机组中各子系统的设定值，向下传递入相应的执行机构或基层控制系统，使得系统输出尽快跟踪上层目标值。