燃煤机组动态变负荷过程的动态能效优化控制的设计方法与流程

本发明属于火电厂热工控制领域，具体涉及燃煤机组动态变负荷过程的动态能效优化控制的设计方法。

背景技术：

1、新能源装机容量的逐年攀升迫切要求燃煤发电机组具有更强的灵活变负荷响应能力。燃煤机组的控制系统在生产安全以及经济运行中起到重要作用。在快速变负荷过程中燃煤机组面临着调节动作难协调、动态效率下降及响应速度慢的挑战。一方面，传统的燃煤机组控制系统在设计时侧重于在特定负荷区间稳定、高效运行，而面对宽范围、高频次的负荷波动时难以有效地处理各类外界干扰及负荷变化速率不确定性的问题，使控制性能偏离预期，制约了其变负荷过程的快速性及稳定性。另一方面，随着燃煤机组出力状态的频繁调整，机组热力系统一直处于变负荷非稳态过程中，影响机组的安全经济运行，导致动态运行过程中系统能量利用效率的下降。通过对各类不确定性进行在线估计和补偿可以有效提升模型预测控制的适应性和鲁棒性。同时，先进的动态能效优化控制技术在实时地对燃煤机组在变负荷过程中的各项关键参数进行精细化调控及能效优化，实现燃煤机组的灵活性与高效性的提升。

技术实现思路

1、为克服上述技术的缺点，本发明针对快速变负荷过程中燃煤机组控制系统面临的各类不确定性及动态能效降低的问题，结合电厂实际运行过程的典型问题，旨在探究动态变负荷过程机组协调级控制策略。本发明的目的是提供一种燃煤机组动态变负荷过程的不确定性补偿动态能效优化控制方法，提升机组变负荷响应速度与稳定性，进而提高机组运行灵活性与能源利用效率。

2、为了达到上述目的，本发明采用技术方案如下：

3、燃煤机组动态变负荷过程的动态能效优化控制的设计方法，包括如下步

4、骤：s1、根据典型燃煤机组，建立基于质量和能量平衡定律的机组非线性模型；动态

5、s2、基于多目标遗传算法以最小化积分绝对误差为目标进行参数辨识获取燃煤机组非线性动态模型的参数，基于稳定操作点线性化得到燃煤机组线性状态空间模型；

6、s3、设计扩张状态卡尔曼观测器，对模型不确定性、外界扰动及噪声条件下的燃煤机组模型状态进行估计与补偿；

7、s4、提出综合考虑跟踪性能与动态损失的优化目标，结合扩张状态卡尔曼观测器，完成燃煤机组动态变负荷过程的不确定性补偿动态能效优化控制系统的设计。

8、进一步地，骤s1中所述的典型燃煤机组包括锅炉系统以及汽轮机系统，所述锅炉系统包括给煤经磨煤机吹入炉膛，燃烧煤粉以加热蒸汽，蒸汽经过过热器成为高温高压的产品蒸汽输出至汽轮机系统。

9、进一步地，典型燃煤机组基于质量与能量平衡定律，完整产品蒸汽产生过程计算式如下：

10、

11、式中：qf为煤粉质量流量；c0为待辨识系数；ub为锅炉给煤量指令；t为某一时刻；τ为时滞常数；db为蒸汽产生流量；c5为待辨识系数；k4为增益系数；db为蒸汽产生流量；di为汽包入口工质流量；c6、c7为待辨识系数；pb为汽包压力；pt为主汽压力；k5为增益系数；dt为主蒸汽流量；k2为增益系数；p1为调节级压力；

12、实现动态变负荷响应的关键部件是汽轮机系统中的调节级，通过调节机构进行开度调整控制主蒸汽流量，汽轮机系统通过将蒸汽的热能转化为机械功输出，调节及发电过程计算式为：

13、

14、ne＝k3dt；

15、式中：p1为调节级压力；c1为待辨识系数；k1为增益系数；μt为主汽阀门开度；pt为主蒸汽压力；ne为输出功率；k3为增益系数；dt为主蒸汽流量。

16、进一步地，通过电厂实际的现场稳态数据拟合得到步骤s1中的5个静态增益系数k1～k5,其中，k1以及k2为0.0083和74.7，k3、k4、k5的表达式如下：

17、

18、式中：dt为主蒸汽流量；qf为煤粉质量流量；pb为汽包压力。

19、进一步地，采用多目标遗传算法对步骤s1中的6个待辨识参数：c0～c7，以及时滞常数τ进行系统辨识，所述优化目标为最小积分绝对误差：

20、

21、式中：n为样本的数量；δt为采样时间；yi(k)为模型输出；y'i(k)为输出的测量值。

22、采用多目标遗传算法nsga-ⅱ进行参数辨识，nsga-ⅱ的相关参数种群规模为100，交叉概率80％，突变概率5％，帕累托分数为35％。

23、进一步地，定义系统输入u为给煤量指令u1和主汽阀门开度u2，将系统的主要过程变量定义为状态变量x，包括：煤粉质量流量x1、蒸汽产生流量x2、汽包压力x3、主蒸汽压力x4、调节级压力x5及主蒸汽流量x6，定义系统输出y为负荷y1及主汽压力y2，根据步骤s1公式及s2参数辨识结果，燃煤机组完整能量转化过程通过下列非线性微分方程组及系统输出描述如下：

24、

25、将非线性系统通过泰勒展开进行线性化，将所述非线性机理模型在额定工况处u1＝112t/h,u2＝86.2％进行线性化得到连续的线性状态空间模型：

26、

27、式中：x(t)为状态变量；u(t)为输入；y(t)为输出；am、bm、cm为系数矩阵。

28、进一步地，步骤s3中，考虑各类不确定性及扰动的离散的状态空间方程描述为：

29、

30、式中：x(k)为状态变量；u(k)为输入；y(k)为输出；w(k)为模型不确定性、外界扰动及噪声的总和，简称为总扰动；am、bm、be、cm为系数矩阵；

31、考虑各类不确定性及提高估计精度，将总扰动扩张成新状态量，得到扩张状态方程：

32、

33、式中：为扩张状态变量；akf、bkf、ckf为扩张系统系数矩阵；

34、根据实际输出与估计输出的差值，得到扩张状态卡尔曼观测方程及各类相关计算式，更新状态估计值和协方差矩阵，公式如下：

35、

36、式中：为扩张状态估计值；y(k)为实际输出；为输出估计；kk为卡尔曼增益；pk分别为先验和后验估计误差的协方差矩阵；qk、rk分别为过程噪声和测量噪声的协方差矩阵。

37、进一步地，燃煤机组热电转换过程会造成能量质量的降低，即损失，定义机组变负荷过程中的动态损失为给煤的输入与发电量的输出之差，表达式如下：

38、v(k)＝wuu(k)-wyy(k)

39、式中：v(k)表示k时刻的损失；wu、wy分别为系数矩阵；u(k)为输入；y(k)为输出，

40、基于机组动态损失计算式综合考虑设定值跟踪效果和动态损，建立燃煤机组控制系统优化目标函数：

41、

42、式中：j为优化目标函数；y(k)为k时刻的输出；r(k)为k时刻的输出设定值；δu(k)为k时刻的输入量增量；v(k)表示k时刻的损失；sq、sr、sv分别为误差权重矩阵、控制权重矩阵及损权重矩阵；

43、根据扩张状态卡尔曼观测器的实时估计值，设计燃煤机组协调级经济模型预测控制策略，包括实时估计的综合考虑设定值跟踪效果和动态损优化问题的目标函数及相关约束：

44、

45、u(k)∈ω1,k＝1,…,nc

46、δu(k)∈ω2,k＝1,…,nc；

47、式中：j为优化目标函数，其中js、je分别为设定值跟踪目标和动态损目标；np为预测时域；nc为控制时域；r(k)为k时刻输出设定值；δu(k)为k时刻的输入量增量；v(k)表示k时刻的损失；sq、sr、sv分别为误差权重矩阵、控制权重矩阵及损权重矩阵；x(k),u(k),w(k)分别为k时刻的状态、输入和总扰动；s(δ)为输入的取值范围；为k+1时刻的扩张状态估计值；为k时刻的输出估计值；fd、hd分别为对应计算状态估计和输出估计的函数关系；ω1、ω2表示输入量、输入量增量的约束条件。

48、一种控制系统，由上述的燃煤机组动态变负荷过程的动态能效优化系统的设计方法设计而得；

49、包括燃煤机组、扩张状态观测器以及动态能效模型预测控制器，燃煤机组反馈输入功率以及主汽压力至扩张状态观测器，扩张状态观测器输出估计值以及扩张状态估计值至动态能效模型预测控制器，动态能效模型预测控制器向燃煤机组输出给煤量以及主汽阀门开度的控制。

50、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现上述的燃煤机组动态变负荷过程的动态能效优化系统的设计方法。

51、相比于现有技术，本发明具有有益效果如下：

52、(1)考虑燃煤机组快速变负荷过程中的各类不确定性及扰动，引入了不确定性补偿机制，能够有效提高机组状态变量的估计精度，增强控制系统在未知或突发扰动下的抗干扰能力，提升机组协调级控制性能；

53、(2)针对燃煤机组变负荷过程动态能量利用效率下降的问题，实现动态能效优化的协调级模型预测控制，提升机组运行效率与经济效益，减少能源浪费。