火电机组自抗扰控制关键技术研究及工程实践-(20190905-热工自动化专委会)黄卫剑

GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院火电机组自抗扰控制关键技术研究及工程实践广东电网有限责任公司电力科学研究院广东电科院能源技术有限责任公司清华大学广州恒运热电（D）厂有限责任公司广东省韶关粤江发电有限责任公司广东粤电靖海发电有限公司汇报人：黄卫剑2019年09月05日(吉林市）完成单位：GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院1项目背景3项目成果4项目推广及效益汇报内容2关键技术及创新点GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院燃煤多变，过程建模困难，运行人员无法预判，影响机组运行安全性深度调峰，机组工况变化大，控制品质难以满足电网调度要求国外控制优化软件无法适用于国内燃用非设计煤种及频繁深度调峰的工况一、项目背景3负荷多变煤质多变1月2月3月广东某电厂2016年度第一季度燃料来源广东某1000MW火力发电厂日负荷曲线开发适应中国国情的具有自主知识产权的机组控制优化技术势在必行！GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院一、项目背景4现代控制理论经典PID控制多变量控制解耦能力弱抗扰性能一般解决非线性问题偏弱工程实现困难依赖精确模型算法复杂？自抗扰控制(ActiveDisturbanceRejectionControl,ADRC)韩京清教授于1998年提出不依赖对象具体模型核心思想:扩张状态观测器(ESO)在航天、运动控制领域得到应用及发展优点：精度高，稳定域宽，鲁棒性好，易于实现GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院技术难题实现效果关键技术生产现状过程复杂煤质多变节能减排需求迫切电网深度调峰热工对象模型建模困难，不同负荷模型参数差异大将少依赖模型的自抗扰控制技术应用到火电机组控制中首次将ADRC在大型火电机组上工程实现机组工况多变，可安排的现场调试时间短研发快速有效的工程参数整定技术缩短了ADRC现场调试时间热工过程存在大时滞大惯性，易造成过程量超调研发带有前馈与时滞补偿的自抗扰控制有效改善了大滞后对象的控制性能现场控制对象耦合因素多研发基于不确定补偿的自抗扰多变量解耦控制技术提高了多变量控制回路运行参数控制水平5技术路线二、关键技术及创新点GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院关键技术1、热工过程自抗扰控制器的工程设计与实现二、关键技术及创新点6基于状态反演的输出受限设计速率输出受限限制器的结构示意图工程应用中存在的问题：速率限制、上下限幅、闭锁增减；不同模式下的跟踪问题等。技术措施：1）限制器约束控制器的输出；2）反演计算的方法补偿理论控制量和实际控制量的偏差，使得控制器和扩张状态观测器时刻处于正常工作状态。+Z-1ulim(k)u1(k)++-+-Z-1++u(k)GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院ADRC控制器按照工业过程传统的PID控制器进行封装。输入包含过程设定值SP、过程值PV、跟踪值TR、跟踪开关TS、闭锁增LI、闭锁减LD、输出上限COH、输出下限COL、前馈引脚FF、时滞补偿时间DT；输出包括控制器的输出CO。关键技术1、热工过程自抗扰控制器的工程设计与实现二、关键技术及创新点7模块化封装OutPv∫TrackSwitchSP∑+-AA=Kp×∑+×AA=1/b0×AA=b0∑+++∑-OutPv∫TrackSwitch×AA=β1-+Z1×AA=β2Z2TSAA=b0×切跟踪Delay∑++∑FF+-∑++PV∑MaxMin∑CO+-DelayTime=2T++COILDLTYNTNYCOHCOLTYNTNY前馈模块化ADRC逻辑TRTNY0DTADRCSPCODHTRTSLILDFFDLPVCOHCOLDTGPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院已经在ABB、OVATION、上海新华、浙大中控、国电智深、和利时等DCS组态中实现了自抗扰控制，首次实现了ADRC科学技术的在火电控制中的工程化应用。关键技术1、热工过程自抗扰控制器的工程设计与实现二、关键技术及创新点8DCS组态GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院关键技术2、热工过程自抗扰控制参数的量化整定技术二、关键技术及创新点9先进控制算法往往整定与计算复杂，适应性很难与PID比肩。需要为ADRC找到一种能够在工业应用中快捷有效的参数整定方法。PI1阶ADRCPID2阶ADRCGPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院关键技术2、热工过程自抗扰控制参数的量化整定技术二、关键技术及创新点101）b0为系统的增益，不建议进行大幅度调整，对于难控系统，可取实际增益的2至5倍以提高闭环系统的稳定裕度。2）kp则根据系统的纯迟延和ESO的极点位置确定。3）而ESO的极点w0与控制系统计算周期有关。ADRC参数整定软件GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院11SPPVMVDisturbance(#2valve)340s10mmPVdMVSPPVMVDisturbance(#2valve)310s24mmPVMVd二、关键技术及创新点关键技术2、热工过程自抗扰控制参数的量化整定技术低加水位控制回路投运效果GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院二、关键技术及创新点12pk01/b−−yESOe0u1nzh+≈urdPGLse−1LsEPesG−≈具有前馈与时滞补偿的改进自抗扰控制()1LsPKGseTs−=+扩张状态观测器（ExtendedStateObserver,ESO）TxAxBuEhycx=++=12nxxzxh=()ˆˆeeTezAzBuHyyycz=++−=①②③估计误差反馈关键技术3、具有前馈与时滞补偿的自抗扰控制器GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院三、项目成果PIDADRC13关键技术3、具有前馈与时滞补偿的自抗扰控制器磨煤机出口风温控制回路投运效果GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院关键技术3、具有前馈与时滞补偿的自抗扰控制器二、关键技术及创新点14二级减温水三级减温水去汽轮机扰动：燃烧不稳定性(Q)，给水流量不稳定(m)、减温水流量不稳定等整个汽水系统和燃烧系统的扰动都会在汽温上体现一级减温水GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院15原PID控制方案负荷(扰动量)过热汽温（被控量）负荷(扰动量)过热汽温（被控量）负荷变化量：20MW,温度偏差：7.2oCVSADRC控制方案负荷变化量：50MW,温度偏差：3.4oC关键技术3、具有前馈与时滞补偿的自抗扰控制器主蒸汽温度控制回路投运效果二、关键技术及创新点GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院关键技术4、基于不确定补偿的自抗扰多变量解耦控制技术二、关键技术及创新点16过热器TµTpNe汽轮机发电机再热器省煤器空预器回热器给煤机Bu磨煤机1p二次风机HPLPLP热井灰渣bp模块#1模块#2模块#3火电机组有多个多变量控制回路，最典型的就是机组协调控制。++---PI11g12g22g21g1y2y1r2rPI1u2u多变量控制回路典型的解耦控制结构PI---PI-11g12g22g21g1c2c1y2y12111()gQsg1r2r21222()gQsg1u2uGGDGC多变量控制回路常规的PID控制结构++---ADRC11g12g22g21g1y2y1r2rADRC1u2u针对火电机组多变量控制回路的与常规PID控制结构一致的ADRC解耦控制。GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院关键技术4、基于不确定补偿的自抗扰多变量解耦控制技术二、关键技术及创新点17在机组协调控制系统上的验证协调控制被控对象锅炉主控汽机主控tµMeNtpNertPr1pbp()yg压力设定曲线()rg电网负荷指令负荷设定曲线负荷-燃料量曲线微分+++'mQ'mQr111'(,)bmybbdpQgpppCdt==+1'1(,,)mttQrtpptprgpprrp==111tbbptdpppCrdtp+=热量信号：能量需求信号：能量平衡：GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院PID控制下的稳态负荷曲线ADRC控制下的稳态负荷曲线18稳态负荷过程中，当控制方式是原有PID模式时，主汽压力偏差达0.79MPa，过程中的平均偏差达0.45MPa。采用ADRC控制算法后，主汽压力最大值为0.25MPa，过程中的平均偏差0.13MPa。显著提高了主汽压力的控制精度，提高了机组的运行效率。关键技术4、基于不确定补偿的自抗扰多变量解耦控制技术实际机组协调控制系统投运效果二、关键技术及创新点GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院控制器软件在PC机运行PID控制下的变负荷曲线ADRC控制下的变负荷曲线19变负荷过程中，当控制方式是原有PID模式时，主汽压力偏差达1.248MPa，过程中的平均偏差达0.58MPa。采用ADRC控制算法后，主汽压力最大值为0.90MPa，过程中的平均偏差0.26MPa。显著提高了主汽压力的控制精度，提高了机组的运行效率。关键技术4、基于不确定补偿的自抗扰多变量解耦控制技术实际机组协调控制系统投运效果二、关键技术及创新点GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院提出了一种基于状态反演运算的ADRC设计方法，解决了工程中的无扰切换、输出限速、限幅、闭锁增/减等工程实际问题，并实现了模块化的封装。创新点1提出了时滞过程的ADRC参数工程量化整定方法，解决了投运过程中的安全问题，缩短了现场调试时间，为ADRC在火电机组控制中的规模化应用奠定了基础。构建带有前馈与时滞补偿的ADRC控制器，改善了大滞后热工对象控制回路的调节性能，有效地克服了控制回路快速性与稳定性之间的矛盾。创新点3提出基于不确定性补偿方法的ADRC多变量解耦控制方法，解决了多变量控制回路调整试验周期长、难以优化等难题，提高了火电机组运行参数控制水平。创新点4创新点2二、关键技术及创新点创新点GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院二、关键技术及创新点21序号比较项目目前国内外技术本项目1工业现场工程实现主要在运动控制中，并且大多数为试验台设备。按照工业过程控制的实际需求进行了算法的工程实现，特别是在大型火力发电机组中开展了多台机组的工程应用。2控制参数整定理论上开展了相应的研究工作，对于运动控制比较适合，但对于过程控制还存在不足。针对工业过程控制，提出了定量的参数工程整定方法。3大时滞大惯性对象控制主要是快系统应用场景的试验研究应用。在大时滞大惯性对象中，提出了滞后补偿自抗扰控制器的结构设计，开展了诸多有成效的工作，丰富了自抗扰理论体系4复杂多变量系统的控制常规PID的单回路控制或者先进控制算法的解耦控制。采用类似常规PID的单回路控制方式，使用ADRC进行回路耦合扰动的观测补偿解耦，简化了控制系统结构与参数整定，并取得良好的控制效果。国内外技术对比GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院三、项目成果22项目总体成果于2016年6月在开始在恒运电厂、惠来电厂、韶关电厂和海丰电厂等机组的控制回路中应用实施。机组协调ADRC控制再热汽温ADRC控制主蒸汽汽温ADRC控制磨煤机出口风温ADRC控制加热器ADRC控制基于ADRC的控制系统优化可应用于机组各个控制回路。成果通用性好，可应用到超超临界机组、超临界机组、亚临界机组、流化床等多种机组类型的多种类型的控制系统中。炉膛负压ADRC控制二次风ADRC控制优化GPTRI广东电网有限责任公司电力科学研究院序号代表性论文名称刊物检索1OnTuningandPracticalImplementationofActiveDisturbanceRejectionController:ACaseStudyfromaRegenerativeHeaterina1000MWPowerPlant.IndustrialEngineeringChemistryResearhSCI&EI2Multi-objectiveoptimizationforadvancedsuperheatersteamtemperaturecontro