一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，采用变结构预测控制器作为主控制回路中的控制器，同时采用一种新型锅炉燃水比控制方法控制燃料量和给水量，通过采用变结构预测控制利用切换函数将控制系统的设计转化为求解控制量；新型锅炉燃水比控制方法在实现变结构预测控制的基础上优化煤水比，可以较大的消除给水流量调节燃水比所带来对机组负荷、汽压的扰动。本发明专利技术协调优化控制方法能够有效提高机组负荷的调节性能，减小了关键参数如主汽压力、主汽温度的波动，大大提高了机组的运行稳定性与安全性。

A coordinated control system of thermal power unit based on variable structure predictive control algorithm

The invention discloses a variable structure predictive control algorithm for thermal power unit coordinated control system based on the variable structure predictive controller as the controller of the main control circuit, at the same time using a new type of boiler fuel water ratio control method to control the amount of fuel and water, by using variable structure predictive control to design the control system for solving control with switching function; new boiler fuel water ratio control method to realize variable structure predictive control based on the optimization of coal water ratio, can greatly eliminate the water flow regulation of fuel water ratio caused by disturbance of the load, the steam pressure. The coordinated optimization control method of the invention can effectively improve the regulating performance of the unit load, and reduce the fluctuation of the key parameters such as the main steam pressure and the main steam temperature, greatly improving the operation stability and the safety of the unit.

【技术实现步骤摘要】
一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统
本专利技术涉及一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，属于热能动力工程和自动控制领域。
技术介绍
火电机组协调控制系统一般采用“负荷指令前馈”+“PID反馈”的调节方案，由于锅炉煤量对主蒸汽压力影响的惯性时间长，而汽机的惯性时间很短，锅炉跟不上汽机的能量需求容易造成机组负荷调节性能差、关键参数波动大等后果。变负荷率在1％Pe/min左右，AGC的考核速率和精度不理想；变负荷过程中经常出现0.7～0.8MPa幅度的控制偏差，且长时间振荡不易稳定；由于协调控制系统的水煤比控制不合理，主汽温波动达10～15℃，常需要手动干预；主汽温易长时间偏低，大部分时间均低于设定值5℃左右运行。因此，采用简单的PID控制方案很难取得理想的控制效果。从控制原理讲，预测控制可以实现锅炉的热负荷调节，能够有效“提前”锅炉热负荷的调整，确保锅炉能与汽轮机充分协调。超临界协调系统对象是3×3的多变量对象，很多控制作用必须限制在一定的范围内，应用时必须采用受限的多变量预测控制算法，并采用基于二次型性能指标的优化策略求解预测控制问题，其系统设计和控制算法十分复杂难以应用于工程实际；变结构控制能够利用切换函数将控制系统的设计转化为求解控制量。本专利技术提出一种系统设计和控制算法都较为简单的基于变结构的预测控制算法，在此基础上，提出了基于变结构控制思想的火电机组协调优化控制系统。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，该系统能够有效改善火电机组的协调控制品质。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，包括变结构预测控制器、煤量指令前馈模块、水煤比函数模块以及锅炉燃水比优化控制模块；其中，变结构预测控制模块、水煤比函数模块位于主控制回路中，煤量指令前馈模块位于前馈控制回路中，锅炉燃水比优化控制模块位于优化控制回路中；煤量指令前馈模块位于变结构预测控制模块之前，提前对煤量指令进行调节；水煤比函数模块通过煤量与水量之间的对应关系计算出给水量指令；锅炉燃水比优化控制模块分别施加到给煤量指令和给水量指令，对给煤量和给水量进行优化。其中，所述主控制回路采用变结构预测控制器，所述变结构预测控制器内部主汽温度预测模型为受给煤量或给水量影响的线性函数模型。其中，所述锅炉燃水比优化控制模块采用受中间点温度和温度变化率影响的非线性函数模型。进一步地，所述变结构预测控制器包括过程输出预测模块、目标函数计算模块和控制量计算模块，所述过程输出预测模块用于计算未来各个采样时刻过程输出的预测值；所述目标函数计算模块为根据设定的目标函数公式计算函数值；所述控制量计算模块用于求解变结构预测控制算法中的最优控制量。作为优选，所述变结构预测控制器未来N个采样点的过程输出(主汽压力)为：式中，为t+N时刻过程输出的预测值；为t+N时刻过程所受扰动的预测值；N为预测步数；Si为第i个阶跃响应系数，通过多次实验测试得到；Δu(t)＝u(t)-u(t-1)为当前时刻的控制量(给煤量或给水量)增量；为t+N时刻过程所受扰动的预测值。作为优选，所述变结构预测控制器的预测控制的目标函数J为：式中，r为被控对象(主汽压力)的设定值；Si为阶跃响应系数；λ为常数；Δu(t)＝u(t)-u(t-1)为当前时刻的控制量增量；n为正整数；u为控制量；N为预测步长；为当前时刻过程所受扰动量的估计值。采用变结构预测技术可利用切换函数将控制系统的设计转化为求解控制量：并满足约束条件：uL＜u(k)＜uH；式中，uL和uH分别为过程控制输入的下限和上限；分别为输入量在u(t-1)和u(t)时所对应的目标函数值和作为优选，所述锅炉燃水比优化控制模块采用受中间点温度及温度变化率影响的非线性模型由现场实验数据拟合得出，具体方法为：通过在多个负荷点上的阶跃响应试验测得中间温度，通过中间温度变化量与采样周期的比值得出中间温度变化率，计算出中间温度变化量和中间温度变化率的乘积，通过常规数据拟合的方法拟合出该乘积与燃水比分配系数之间的非线性函数。进一步优选，所述锅炉燃水比优化控制模块的控制方法为：当中间点温度偏差不大时，说明燃水比失配并不严重，此时单纯校正燃料侧燃料量来调节燃水比，减小对协调控制系统的扰动；当中间点温度偏差大于某一阈值dbw时，即ΔT＞dbw时，给水侧校正回路开始投入，弥补燃料侧调节响应慢的缺点，控制汽温偏差在合理范围内；当中间点温度差时，λw为始终为1，燃水比校正作用完全由给水侧完成；若温度差和温度差的变化率的乘积LED(ΔT)*ΔT为正，说明温度差有逐步扩大的趋势，则给水侧校正回路提前投入，相应增加λw；若温度差和温度差的偏差变化率的乘积LED(ΔT)*ΔT为负，说明温度差有逐步收敛的趋势，相应减少λw，削弱给水侧校正强度，防止过调。与现有技术相比，本专利技术技术方案具有的有益效果为：本专利技术基于变结构预测控制技术的火电机组协调控制系统，通过变结构将求解控制量的问题简单化，在无需复杂计算的情况下，能够得出控制量的最优解，比传统的预测算法相比更加容易求解，十分适用于工程实际；新型的燃水比控制策略能够提高机组的变负荷速率，对机组的变负荷十分有效；本专利技术基于变结构预测控制的火电机组协调控制系统使得机组的负荷调节性能和运行稳定性得到了明显的提升。附图说明图1本专利技术实施例的系统原理示意图；图2本专利技术实施例的新型锅炉燃水比优化控制模块的原理示意图；图3为本专利技术基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统的系统原理示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的技术方案做进一步说明，但是本专利技术要求保护的范围并不局限于此。本专利技术针对火电机组锅炉跟不上汽机的能量需求容易造成机组负荷调节性能差、关键参数波动大等问题，提出了基于变结构预测控制技术的火电机组协调控制系统，在主控制回路中，采用了变结构预测控制算法，在锅炉燃水比调节方面采用新型燃水比控制策略，本专利技术的控制技术能够在保证系统稳定和安全性的前提下，“提高”锅炉调节速率，使锅炉能够跟上汽轮机的能量需求，在变负荷过程中保持系统的稳定性，提高调节速率。如图1所示，本专利技术的基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，将变结构预测控制器作为主控制回路的主控器，并在燃水比调节中采用新型锅炉燃水比优化控制系统，通过采用变结构预测控制器可方便地对被控过程实施受限预测控制，具有计算量小、计算速度快，实时性好的优点；变结构预测控制器的内部主汽温度预测模型采用受给煤量或给水量影响的线性函数模型；燃水比优化控制策略采用受中间点温度及温度变化率影响的非线性函数模型。本专利技术的基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统包括变结构预测控制模块、煤量指令前馈模块、水煤比函数模块以及锅炉燃水比优化控制模块；其中，变结构预测控制模块、水煤比函数模块位于主控制回路中，煤量指令前馈模块位于前馈控制回路中，锅炉燃水比优化控制模块位于优化控制回路中；煤量指令前馈模块位于变结构预测控制模块之前，提前对煤量指令进行调节；水煤比函数模块通过煤量与水量之间的对应关系计算出给水量指令；锅炉燃水比优化控制模块分别施加到给煤量指令和给水量指令，对给煤量和给本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，其特征在于：包括变结构预测控制器、煤量指令前馈模块、水煤比函数模块以及锅炉燃水比优化控制模块；其中，变结构预测控制模块、水煤比函数模块位于主控制回路中，煤量指令前馈模块位于前馈控制回路中，锅炉燃水比优化控制模块位于优化控制回路中；煤量指令前馈模块位于变结构预测控制模块之前，提前对煤量指令进行调节；水煤比函数模块通过煤量与水量之间的对应关系计算出给水量指令；锅炉燃水比优化控制模块分别施加到给煤量指令和给水量指令，对给煤量和给水量进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，其特征在于：包括变结构预测控制器、煤量指令前馈模块、水煤比函数模块以及锅炉燃水比优化控制模块；其中，变结构预测控制模块、水煤比函数模块位于主控制回路中，煤量指令前馈模块位于前馈控制回路中，锅炉燃水比优化控制模块位于优化控制回路中；煤量指令前馈模块位于变结构预测控制模块之前，提前对煤量指令进行调节；水煤比函数模块通过煤量与水量之间的对应关系计算出给水量指令；锅炉燃水比优化控制模块分别施加到给煤量指令和给水量指令，对给煤量和给水量进行优化。2.根据权利要求1所述的种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，其特征在于：所述主控制回路采用变结构预测控制器，所述变结构预测控制器内部主汽温度预测模型为受给煤量或给水量影响的线性函数模型。3.根据权利要求1所述的种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，其特征在于：所述锅炉燃水比优化控制模块为受中间点温度和温度变化率影响的非线性函数模型。4.根据权利要求2所述的种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，其特征在于：所述变结构预测控制器包括过程输出预测模块、目标函数计算模块和控制量计算模块；其中，过程输出预测模块的输出通过变换作为目标函数计算模块的输入，目标函数计算模块的输出作为控制量计算模块的输；所述过程输出预测模块用于计算未来各个采样时刻过程输出的预测值；所述目标函数计算模块为根据设定的目标函数公式计算函数值；所述控制量计算模块用于求解变结构预测控制算法中的最优控制量。5.根据权利要求4所述的种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，其特征在于：所述变结构预测控制器未来N个采样点的过程输出为：式中，为t+N时刻过程输出的预测值；为t+N时刻过程所受扰动的预测值；N为预测步数；Si为第i个阶跃响应系数；Δu(t)＝u(t)-u(t-1)为当前时刻的控制量增量；为t+N时刻过程所受扰动的预测值。6.根据权利要求4所述的种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，其特征在于：所述变结构预测控制器的预测控制的目标函数J为：

【专利技术属性】
技术研发人员：乔侨，吕剑虹，于吉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32