[发明专利]一种提高火电机组深度调峰能力的干/湿态转换自动控制方法及系统

权利要求书

1.一种提高火电机组深度调峰能力的干/湿态转换自动控制方法及系统其特征在于：包括以下步骤：

S1：分析超临界热电联产机组在干态和湿态模式下运行的控制难点；

S2：确立面向超临界热电联产机组深度调峰的干/湿态转换自动控制方法；包括：

S2.1：将外界负荷需求信号送入负荷指令判断逻辑，若对机组当前的负荷需求大于30％额定负荷，则机组需在干态模式下运行；执行干态-多目标模型预测控制器，达到快速准确满足外界负荷需求且维持低碳、经济运行的目标；

S2.2：将外界负荷需求信号送入负荷指令判断逻辑，若对机组当前的负荷需求小于25％额定负荷，执行湿态-多目标模型预测控制器，达到快速甩负荷且保证机组安全经济运行的目的；

S2.3：将外界负荷需求信号送入负荷指令判断逻辑，若对机组的负荷需求由30％额定负荷以上降低至25％额定负荷以下时，则要求机组参与深度调峰；机组需由干态运行模式转向湿态运行模式，此时会涉及到直流锅炉的干/湿态转换；控制系统需由干态-多目标模型预测控制器自动切换到湿态-多目标模型预测控制器；机组输出负荷由30％额定负荷降低至25％额定负荷的过程，分离器-储水箱水位表现出很明显的迅速下降趋势；当机组输出负荷达到25％额定负荷以下时，分离器-储水箱水位降低至0米，快速成功切换到湿态运行模式；在确定了基于多目标模型预测控制算法的火力发电机组干/湿态转换自动控制系统框架后，在S2.4中将干态-多目标模型预测控制器和湿态-多目标模型预测控制器的设计步骤具体化：

S2.4.1：干态-多目标模型预测控制器的设计；

模型预测控制算法的三大组件为预测模型、滚动优化和反馈校正；对于重构状态的增量式模型预测控制算法，其状态预测模型为：

其中，在预测时域P内的状态向量具有以下形式：

预测输出模型为:

其中，

其中，被控量为机组的输出变量：输出功率N_E、中间点焓值T_I、主汽压力P_T、主汽焓值T_M；即被控量矩阵为y(k)＝[N_E T_I P_T T_M]^T；A,B,C均为机组状态空间模型的系数矩阵；和分别为A,B及C的的增广矩阵；

滚动优化求解得到的控制律形式为：

U(k)＝l·u(k-1)+L·△U(k)            (9)

其中，控制量为机组的输入变量：燃料量u_B、总给水量u_W、主汽阀门开度μ_T、总减温水流量D_W；即控制量矩阵为u(k)＝[u_B u_W μ_T D_W]^T；增量式最优控制律为：

△U(k)＝[△u(k) △u(k+1)…△u(k+M-1)]^T      (10)

l＝[1 1…1]^T                         (11)

为实现火力发电机组深度调峰能力的同时兼顾其低碳、经济和稳定运行，需构造涵盖机组输出碳排放成本发电成本C_e及状态稳定性的多目标优化函数J。通过滚动最小化多目标函数J得到机组的当前最优控制律增量ΔU；则，优化目标如下：

Min J＝c₁·J₁+c₂·J₂+c₃·J₃             (13)

其中，权重因子c₁、c₂和c₃之和为1；

J₁为基于机组输出的优化，其表达式为：

其中，w(k)为机组输出的设定值矩阵；

J₂为基于机组碳排放成本发电成本C_e的优化，其表达式为：

火力发电机组的碳排放成本计算公式为：

其中，Ω为机组的基础碳排放额度，超出部分则需向碳交易市场购买碳排放额度；

α和β分别为碳交易价格和单位负荷碳排放量；

火力发电机组的发电成本C_e计算公式为：

C_e＝θ·η_c·N_E                (17)

其中，θ为煤价；与机组输出负荷相关的煤耗率η_c表达式为：

η_c＝a₂·N_E+b₂                 (18)

其中，a₂和b₂为常数因子，可通过机组实际运行数据拟合得到；

J₃为基于机组状态稳定性优化，其表达式为：

其中，Q_y、R_y、Q_c、R_c、Q_x和R_x均为权重矩阵；

约束条件为：

其中，u_max和u_min分别为控制律矩阵的上限和下限；Δu_max和Δu_min分别为控制律增量矩阵的上限和下限；

接下来，结合J₁、J₂和J₃推导多目标模型预测控制算法的最优控制律并采用二次规划方法求解；

将代入式(14)且只保留与优化有关的项，则

将式(21)改写成二次规划的形式则

将代入式(15)且只保留与优化有关的项，则

其中，

G＝(1-Ω)·N_E+θ·a₂·N_E·Γ_y·△U(k)·N_E+θ·b₂·N_E       (25)

将式(24)改写成二次规划的形式则

将代入式(19)且只保留与优化有关的项，则

将式(28)改写成二次规划的形式则

综上，结合式(31)和(32)采用二次规划求解基于多目标模型预测控制算法的最优控制律△U(k)，即可实现机组在干态运行模式下的低碳、经济和稳定运行；

H＝c₁H₁+c₂H₂+c₃H₃              (31)

至此已完成火力发电机组的干态-多目标模型预测控制器的设计；

S2.4.2：湿态-多目标模型预测控制器的设计；

机组在湿态模式下运行的多目标模型预测控制器设计流程与干态-多目标模型预测控制器相似；机组处于湿态运行模式时，其四个输出变量：输出功率N_E、主汽焓值T_M、主汽压力P_T、储水箱水位H_W,四个输入变量为燃料量u_B、总给水量u_W、储水箱水位控制阀开度μ_H、主汽阀门开度μ_T,将式(6)和(9)中的被控量和控制量矩阵分别改写为y(k)＝[N_E T_M P_T H_W]^T和u(k)＝[u_B u_W μ_H μ_T]^T,执行步骤S2.4.1即可完成湿态-多目标模型预测控制器的设计；

S3：依托仿真平台验证并分析所设计的干/湿态转换自动控制方法的有效性。