300MW單元機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的仿真研究

1、word300MW單元機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的仿真研究江建鋒1 潘維加2 1、耒陽電廠，湖南 衡陽 421800 2、長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410077摘要: 針對(duì)目前300MW單元火力發(fā)電機(jī)組已有的三種協(xié)調(diào)運(yùn)行方式，運(yùn)用MATLAB工具對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)的仿真研究，并對(duì)每種運(yùn)行方式進(jìn)行了擾動(dòng)試驗(yàn)及系統(tǒng)魯棒性的分析。關(guān)鍵詞: 300MW單元火力發(fā)電機(jī)組 數(shù)學(xué)模型 協(xié)調(diào)控制 仿真 魯棒性 Simulation studying about the coordinated control system of 300MW unit powerJiang Jian-feng1 Pan W

2、ei-jia2(1Hunan province,LeiYang Power Plant Hengyang 421800,China 2、Changsha University of Science Technology,Changsha 410077,China)Abstract: Aiming at the three kinds of coordinated run manners exiting in todays 300MW unit thermal power. To some mathematical model, we make simulation studying about

3、 the main coordinated control system by using the tool of MATLAB. And we study the disturb influence of each run manners and make robustness test of the coordinated control system. Keywords: 300MW unit thermal power; Mathematical model;Coordinated control Simulation; Robustness.word 1、 概述當(dāng)前，隨著大型發(fā)電機(jī)組

4、的日益增多，大容量機(jī)組的汽機(jī)和鍋爐都是采用單元制運(yùn)行方式,即一臺(tái)汽機(jī)配一臺(tái)鍋爐。在這種運(yùn)行方式下，鍋爐和汽機(jī)、發(fā)電機(jī)已結(jié)合成一個(gè)聯(lián)合的調(diào)節(jié)對(duì)象，以其內(nèi)部的協(xié)調(diào)配合來最大限度地滿足電網(wǎng)的負(fù)荷要求。協(xié)調(diào)機(jī)組的內(nèi)部關(guān)系，就也成為單元機(jī)組主控系統(tǒng)所要解決的問題。單元機(jī)組主控系統(tǒng)是討論整個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心，是整個(gè)單元機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的前置裝置，它把外部對(duì)單元機(jī)組的負(fù)荷要求信號(hào)進(jìn)行處理，使它轉(zhuǎn)化為適合于機(jī)、爐運(yùn)行狀態(tài)和變動(dòng)負(fù)荷能力并發(fā)出使機(jī)、爐配合動(dòng)作的指令。2、國廠300MW燃煤機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型2.1數(shù)學(xué)模型14建模過程首先采用機(jī)理分析法,得到機(jī)組的一組非線性模型,在不同的負(fù)荷點(diǎn)上進(jìn)行線性化處理

5、,通過仿真試驗(yàn)得到各主控制輸入下的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)曲線,最后用加權(quán)最小二乘法擬合出有關(guān)輸入輸出之間的傳遞函數(shù).使用的量綱系數(shù)為:PT ,MPa;N,MW; B,t/h; ,%(汽輪機(jī)同步器開度).在100%負(fù)荷上的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型W1111W12W21W22T NE B PT圖2.1機(jī)組對(duì)象特性方框圖傳遞函數(shù)為其中：W11= W12=W21= W22=2.2對(duì)象特性仿真及其結(jié)果在MATLAB仿真界面中，按照?qǐng)D2.1所示連接好后，仿真結(jié)果如圖2.2、2.3。 圖2 .2調(diào)節(jié)門開度擾動(dòng) 圖2.3鍋爐燃燒率擾動(dòng)下機(jī)爐兩側(cè)響應(yīng)曲線 下機(jī)爐兩側(cè)響應(yīng)曲線3、爐跟機(jī)控制方案的仿真研究3.1原理方框圖(如圖3.1所示

6、)PI1PI2K+N0 +P0 NE圖3.1爐跟機(jī)控制方案原理方框圖3.2仿真結(jié)果及其分析3.2.1 在Matlab的工作界面下，根據(jù)圖3.1所示將仿真方框圖連接好。僅當(dāng)功率來擾動(dòng)時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖3.2a所示；僅當(dāng)功率來擾動(dòng)時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖3.2b所示；3.2.2 仿真過程中現(xiàn)象分析 當(dāng)汽機(jī)主控器中比例增益增大時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)趨于穩(wěn)定的時(shí)間將變短，超調(diào)量減??；積分增益改變時(shí)，兩側(cè)輸出響應(yīng)的超調(diào)量和趨于穩(wěn)定時(shí)間都將改變。 當(dāng)鍋爐主控器中比例增益增大時(shí)，主汽壓力控制的品質(zhì)將有所改善，相應(yīng)的功率側(cè)輸出響應(yīng)的超調(diào)量將會(huì)變大；積分增益增大時(shí)，主汽壓力輸出響應(yīng)的超調(diào)量將減小，而功率側(cè)輸出響

7、應(yīng)的超調(diào)量將會(huì)增加。 當(dāng)解耦系數(shù)K增大時(shí)，功率側(cè)的控制品質(zhì)將進(jìn)一步得以改善，不過對(duì)應(yīng)的汽機(jī)側(cè)的控制效果將變差。圖3.2a功率定值 圖3.2b主汽壓力定值擾動(dòng)下響應(yīng)曲線 擾動(dòng)下響應(yīng)曲線3.2.3 較好控制效果的參數(shù)范圍 汽機(jī)主控制器：: 420 ki: 0.150.5 鍋爐主控制器：: 0.62 ki: 0.0070.04 解耦系數(shù)K: 4303.2.4 最正確參數(shù)配置 汽機(jī)主控制器：=10 ki=0.2 鍋爐主控制器：=1 ki=0.01 解耦系數(shù)K=83.3對(duì)擾動(dòng)的仿真與分析3.3.1 在最正確參數(shù)配置下：僅在對(duì)象前汽機(jī)側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖3.3a所示；僅在對(duì)象后汽機(jī)側(cè)進(jìn)行

8、內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖3.3b所示；僅在對(duì)象前鍋爐側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖3.4a所示；僅在對(duì)象后鍋爐側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖3.4b所示仿真結(jié)果圖3.3a對(duì)象前汽機(jī) 圖3.4a對(duì)象前鍋爐側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線 側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線 圖3.3b對(duì)象后汽機(jī) 圖3.4b對(duì)象后鍋爐側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線 側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線3.4魯棒性試驗(yàn)3.4.1在只有壓力處來擾動(dòng)時(shí)，改變汽機(jī)側(cè)對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行魯棒性試驗(yàn)，仿真后可得汽機(jī)側(cè)對(duì)象參數(shù)的變化范圍為K：0.01390.556；T：74903.4.2 在只有功率處來擾動(dòng)時(shí)，改變鍋爐側(cè)對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行魯棒性試驗(yàn)，仿真后可得鍋爐側(cè)對(duì)象參數(shù)的變化范

9、圍為K：0.41384.138；T：3005004、機(jī)跟爐控制方案的仿真研究4.1原理方框圖如圖4.1PI1K+P0 PT+PI2N0 NE圖4.1機(jī)跟爐控制方案原理方框圖4.2仿真結(jié)果及其分析4.2.1 在Matlab的工作界面下，根據(jù)圖4.1所示將仿真方框圖連接好。僅當(dāng)功率來擾動(dòng)時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖4.2a所示；僅當(dāng)功率來擾動(dòng)時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖4.2b所示；4.2.2 仿真過程中現(xiàn)象分析。 當(dāng)機(jī)爐主控器中的比例增益增大時(shí),汽機(jī)側(cè)響應(yīng)輸出的超調(diào)量將減小,趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變大,鍋爐側(cè)響應(yīng)輸出并沒有明顯的變化;當(dāng)積分增益增大時(shí),汽機(jī)側(cè)響應(yīng)輸出的超調(diào)量沒有很明顯的變化,而趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)間

10、會(huì)變小,鍋爐側(cè)響應(yīng)輸出的仍舊沒有明顯的變化,而系統(tǒng)的響應(yīng)速度將變大。 當(dāng)鍋爐主控器中的比例增益增大時(shí),汽機(jī)側(cè)響應(yīng)輸出的超調(diào)量不會(huì)發(fā)生太大的變化,而趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)間將有所變大,鍋爐側(cè)響應(yīng)輸出的超調(diào)量將變大,同時(shí)響應(yīng)趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也將增大,并且其輸出會(huì)出現(xiàn)越來越強(qiáng)的振蕩;當(dāng)積分增益增大時(shí),汽機(jī)側(cè)響應(yīng)輸出沒有明顯的變化,鍋爐側(cè)響應(yīng)輸出的超調(diào)量將變大,趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也將變大,并且出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩。 在功率擾動(dòng)下，當(dāng)解耦系數(shù)K增大時(shí),汽機(jī)側(cè)響應(yīng)輸出的超調(diào)量都將變大,趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變小，鍋爐側(cè)響應(yīng)輸出并沒有很明顯的變化。圖4.2a功率定值 圖4.2(b)主汽壓力定值擾動(dòng)下響應(yīng)曲線圖 擾動(dòng)下響應(yīng)曲線圖較好控制效

11、果的參數(shù)范圍 汽機(jī)主控制器：:100200 ki: 010 鍋爐主控制器：: 210 ki: 0.1 解耦系數(shù)K: 0.34.2.4 最正確參數(shù)配置 汽機(jī)主控制器：=150 ki=0.3 鍋爐主控制器：=4 ki=0.04 解耦系數(shù)K=0.0014.3對(duì)擾動(dòng)的仿真與分析4.3.1 在最正確參數(shù)配置下：僅在對(duì)象前汽機(jī)側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖4.3a所示；僅在對(duì)象后汽機(jī)側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖4.3b所示；僅在對(duì)象前鍋爐側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖4.4a所示；僅在對(duì)象后鍋爐側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖4.4b所示仿真結(jié)果圖4.3(a)對(duì)象前汽機(jī) 圖

12、4.4(a)對(duì)象前鍋爐側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線 側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線圖4.3(b)對(duì)象后汽機(jī) 圖4.4(b)對(duì)象后鍋爐側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線 側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線4.4魯棒性試驗(yàn)4.4.1在只有壓力處來擾動(dòng)時(shí)，改變汽機(jī)側(cè)對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行魯棒性試驗(yàn)，仿真后可得汽機(jī)側(cè)對(duì)象參數(shù)的變化范圍為K：0.0278；T：2004.4.2在只有功率處來擾動(dòng)時(shí)，改變鍋爐側(cè)對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行魯棒性試驗(yàn)，仿真后可得鍋爐側(cè)對(duì)象參數(shù)的變化范圍為K：1.03454.138；T：1206005、基于爐跟機(jī)的協(xié)調(diào)控制方案的仿真研究5.1原理方框圖如圖5.1PI2PI1K2K1+N0- PT+ + +P0 - + NE圖5.1協(xié)調(diào)控制方案原理方框圖5.2仿

13、真結(jié)果及其分析在Matlab工作界面下，根據(jù)圖5.1所示將仿真方框圖連接好。僅當(dāng)功率來擾動(dòng)時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖5.2a所示；僅當(dāng)功率來擾動(dòng)時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖5.2b所示；圖5.2(a)功率定值 圖5.2(b)主汽壓力定值擾動(dòng)下響應(yīng)曲線 擾動(dòng)下響應(yīng)曲線5.2.2 仿真過程中現(xiàn)象分析 當(dāng)汽機(jī)主控器中比例增益增大時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出不會(huì)有很大的變化，但是系統(tǒng)響應(yīng)的速度更會(huì)變快；當(dāng)積分增益變大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)的速度會(huì)變的更慢。 當(dāng)鍋爐主控器中比例增益增大時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)的控制品質(zhì)都將變差，表現(xiàn)在輸出響應(yīng)會(huì)有越來越強(qiáng)的振蕩，超調(diào)量會(huì)越來越大。當(dāng)積分增益變大時(shí)，汽機(jī)側(cè)響應(yīng)輸出的控制品質(zhì)會(huì)有所改善，

14、但鍋爐側(cè)響應(yīng)輸出的控制品質(zhì)將會(huì)變差。 在功率處來擾動(dòng)，假設(shè)解耦系數(shù)K1變大時(shí)，機(jī)爐兩側(cè)響應(yīng)輸出的超調(diào)量都將減小，且兩側(cè)的控制品質(zhì)都有明顯的改良，但趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)間將有所變大。 在壓力處來擾動(dòng)，假設(shè)解耦系數(shù)K2變大時(shí),機(jī)爐兩側(cè)的控制效果都將下降,主要表現(xiàn)為鍋爐側(cè)出現(xiàn)越來越強(qiáng)的振蕩,且超調(diào)量越來越大。5.2.3 較好控制效果的參數(shù)范圍 汽機(jī)主控制器：: 10200 ki: 100 鍋爐主控制器：: 30100 ki: 1 解耦系數(shù):K1: 10 K2: 0.15.2.4 最正確參數(shù)配置 汽機(jī)主控制器：=80 ki=10 鍋爐主控制器：=40 ki=0.5 解耦系數(shù)K1=35 K2=0.015.3對(duì)擾動(dòng)

15、的仿真與分析5.3.1 在最正確參數(shù)配置下：僅在對(duì)象前汽機(jī)側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖5.3a所示；僅在對(duì)象后汽機(jī)側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖5.3b所示；僅在對(duì)象前鍋爐側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖5.4a所示；僅在對(duì)象后鍋爐側(cè)進(jìn)行內(nèi)擾實(shí)驗(yàn)，機(jī)爐兩側(cè)的響應(yīng)輸出如圖5.4b所示仿真結(jié)果圖5.3(a)對(duì)象前汽機(jī) 圖5.4(a)對(duì)象前鍋爐側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線 側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線圖5.3(b)對(duì)象前汽機(jī) 圖5.4(b)對(duì)象前鍋爐側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線 側(cè)內(nèi)擾下響應(yīng)曲線5.4魯棒性試驗(yàn) 5.4.1在只有壓力處來擾動(dòng)時(shí)，改變汽機(jī)側(cè)對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行魯棒性試驗(yàn)，仿真后可得汽機(jī)側(cè)對(duì)象參數(shù)的變化范

16、圍為K：0.087；T：7005.4.2在只有功率處來擾動(dòng)時(shí)，改變鍋爐側(cè)對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行魯棒性試驗(yàn)，仿真后可得鍋爐側(cè)對(duì)象參數(shù)的變化范圍為K：1.034512.414；T：1006506、結(jié)論通過以上仿真研究，可以發(fā)現(xiàn)： 爐跟機(jī)運(yùn)行方式，如果使功率適應(yīng)性強(qiáng)，那么壓力波動(dòng)大。適合于以汽機(jī)為主的運(yùn)行方式。機(jī)跟爐運(yùn)行方式，如果使壓力波動(dòng)小，那么功率適應(yīng)性就差。適合于以鍋爐為主的運(yùn)行方式。 協(xié)調(diào)運(yùn)行方式能較好地折中機(jī)爐兩側(cè)的控制品質(zhì)，具有較強(qiáng)的對(duì)象適應(yīng)能力和抗干擾性能，但該方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的參數(shù)整定困難。三種運(yùn)行方式均具有一定的魯棒性。參考文獻(xiàn)1劉吉臻.協(xié)調(diào)控制與給水全程控制,華北電力學(xué)院,水利電力出版社,1995,11:25,181