论文总字数：25560字

摘 要

进入21世纪以后，我国的火电机组的控制系统已经进入了超临界和超超临界参数、大容量大型机组时代，意味着以机炉协调控制为基础的控制策略在高强度条件下有着更加高要求的标准，经典的PID控制系统早已不能满足新时代用电的需求，而且在机炉调节的情况下越来越体现其局限性，因此从事火力发电的工作人员们急需研究出一种能够满足快速响应外网负荷波动变化特性的多输出—多输出的控制策略。本文通过首先以火电机组的发展、超超临界下的参数特性及近几年协调控制系统策略的发展为背景，依据超超临界条件下现有单元机组的控制方式、运行方式、指令形成过程的情况，总结出一套机组建模的方法并依照前人文献的研究成果建立一个三输入——三输出的机组模型，然后在Matlab/Simulink平台上进行开环阶跃响应验证机组模型的正确性并建立PID控制模型进行仿真研究。最后引入预测控制理论知识，在Matlab的MPC工具的图形用户界面上设置主要参数，按照要求进行仿真模拟，得出了与传统PID控制特点相比分析得到预测控制具有响应特性好、鲁棒性强、汽水分离器值（或主蒸汽温度）超调量小及能够稳定控制特点的结论。

关键词：超超临界火电机组；PID控制；机组建模；负荷响应；MPC

Abstract

After entering the 21st century, China's thermal power unit control system has entered the supercritical and ultra-supercritical parameters, large-capacity large-scale unit era, means that the control of the furnace control based on the control strategy in high-intensity conditions have a higher demand Standard PID control system has long been unable to meet the needs of the new era of electricity, but also in the case of machine furnace regulation more and more reflect its limitations, so the thermal power generation staff are in urgent need to develop a response to fast response Multi - Output - Multi - Output Control Strategy for Load Fluctuation Variation of External Network. In this paper, based on the development of thermal power units, the characteristics of ultra-supercritical parameters and the development of coordinated control system strategy in recent years, according to the control mode, operation mode and instruction process of existing unit units under ultra supercritical conditions This paper establishes a three-input-three-output unit model according to the research results of the predecessors' literature, and then verifies the correctness of the unit model by the open-loop step response on the Matlab / Simulink platform. The PID control model is established to carry on the simulation research. Finally, the theory of predictive control theory is introduced, and the main parameters are set on the graphical user interface of Matlab model predictive control tool. Simulation simulation is carried out according to the requirements. It is concluded that compared with the traditional PID control characteristics, the predictive control has good response and robustness Strong, soft water separator enthalpy (or main steam temperature) overshoot small and can stabilize the characteristics of the conclusions.

Key words: ultra-supercritical thermal power unit; PID control; unit modeling; load response; model predictive control

目 录

摘要 0

Abstract 0

第一章 绪论 1

1.1我国火力发电现状 1

1.2超超临界机组参数特性 2

1.3热工自动化研究现状 3

第二章 单元机组控制系统分析 5

2.1机组负荷控制方式 6

2.2 单元机组运行方式 8

2.3单元机组协调控制系统的构成 10

2.3.1负荷指令处理回路 10

2.3.2主蒸汽压力设定值回路 11

2.3.3机炉主控系统 12

2.4超超临界机组协调控制策略 14

第三章 机组建模方法分析 17

3.1机组建模的基本方程 17

3.2被控对象建模分析 19

3.3实例负荷开环响应分析 21

第四章 预测控制原理及Matlab的应用 26

4.1预测控制 26

4.1.1预测模型 26

4.1.2输出预测 27

4.1.3滚动优化 28

4.1.4反馈校正 29

4.2在Matlab平台上的控制仿真 29

第五章 结束语 38

第一章 绪论

1.1我国火力发电现状

通过可燃气、石油和燃煤等不可再生资源作为发电能源的发电方式可以叫做火力发电。因为我国煤炭资源丰富，以山西煤产量为最多，山西大同、山东济宁等要资源的集中地，所以我国力发电产业大炭为主要能源来发电。

在2012年，全国的依靠火力的发电量达到了39108亿千瓦时，较上年同比增长0.3%。在2013年，建设火力发电厂的投资为928亿元，初次下降到1000亿元以下，较上年同比减少8.48%，到2013年末为止，中国的火电机组装机总量已破8.6亿千瓦，增加了5.7%。到2014年中国的6000千瓦及以上电厂装机总量已高达12.6亿千瓦，而其中的火力发电占据75%左右。2015年1-12月我国火电发电量为42,102亿千瓦时，同比下降2.8%。截至2016年，全国6000千瓦及以上，火0．4亿千瓦，其机亿千瓦左右。尽管和已于2016年下发各项文件，但是据了解这些主要针对已核准项目，而所受影响较小。然而又有消息指出，在中国电力需求增速放缓、电源建设速度未明显下降的背景下，2017年火电企业正面临着产能过剩、煤资源减少而价高等问题，中国发电行业今年可能会遇到大范围损失的情况，今年将是火电企业最为困难的一年。

《能源发展战略》要求：到2020年，占比重达到15%，达到10%以上，比重控制在62%以内。根据行业人士分析测算，截至2020年，留给火电机组容量的增长空间约为2亿千瓦。然而统计数据显示，目前中国在建、合计将近4亿千瓦。显然，这些机组并不会全部落地，但已足够体现出电力行业投资热情高涨与投资空间受限的矛盾。据我国《中国能源报告》蓝皮书，尽管在不远的未来会快速发展，政府对的建设热情越来越高，但考虑到建设周期长，在未来很长一段时间内火力在结构中仍然占据很高的比重而中国又是世界上最大的产和消费的国家，所以煤炭为主要供应能源的火力发电会一直扮演重要的角色。与此同时，根据统计到2020年中国将要消耗48亿吨的标准煤来作为一次性能源，我国的煤炭超过一半以上将用在发电及供热上。

在燃煤过程中，例如和直径较小的对人体及其他生物的健康生存具有巨大的威胁，对环境造成，而以为主的会改变全球气候，使得海平面上升。由此可见我国面临着较长时间严峻的经济和环境问题，减少碳排放及污染物排放成为我国环境的当务之急，而提高煤炭发电效率成为我国经济问题的严峻挑战。面对着巨大环境问题，我国政府对外承诺，到2030年，与2005年相比，会将单位GDP的二氧化碳排放量减少60%—65%。因此为了应对环境污染的严峻问题，落实可持续发展大纲的重要任务，现在急需找到一个针对上述问题而制定的有效方案，研究一种节能、低排放量的发电机组。

1.2超超临界机组参数特性

若是水蒸气的主要数值大于临界状态点（较为典型的例子为24.1MPa/538℃/566℃）的参数值，就可以说进入了超临界参数的领域中。若水蒸气的主要数值继续增大的时候，就能进入了所谓的超超临界领域内了。中国火电机组研究人员经常把水蒸汽压力超过27MPa左右的时候称为超超临界状态。当然也有着许多的国家、大型发电公司和一些较为知名的火电机组配件制造商比较认可下列超超临界参数的观点，即当某火电机组的水蒸汽参数起码达到下列指标之一时，就可认同其是超超临界机组的一员：

（1） 过热器出口水蒸汽压力超过了27MPa；

（2） 过热器出口水蒸汽压力超过了24Mpa,且蒸汽温度超过了580℃（过热器出口水蒸气温度超过了580℃或者再热器出口水蒸汽温度超过了580℃）；

有研究分析证实，超超临界机组的燃煤技术是一个不错的选择，它具有较高的运行效率和较低的温室气体及污染气体排放量。为42%-48%，而相比于37%左右的高出了近10%；超超临界机组单位负荷下的煤耗约为275 g/（kWh）左右与亚临界机组单位负荷下的煤耗量350 g/（kWh）相比，相差几十克之多。也就是说，未来十年内，若增加20%的超超临界机组用来火力发电，将能节省大约3.5亿吨的标准煤。而且超超临界机组在减少环境污染方面的效果也愈加明显。与相同容量的亚临界火电机组比较，超超临界机组的二氧化碳和二氧化硫释放量分别减少了145（g/kWh）和0.4（g/kWh），意味着预计在十年内会减少2亿吨和5百万吨的的。因此，进入新世纪以来，中国的超超临界火电机组获得了高度重视并且在不断发展完善中，随着电力行业的发展，我国早已进入超（超）临界机组的时代，其中正在运行或建设的超超临界火电机组就已经超过了100台，可以预见在三年内，中国的将超过所有发电量的30%以上。

超临界和都是采用了的。直流锅炉中的倍率为1，意味着汽—水循环乃一次循环，所以这样的能量—工质贮存缓冲原件不存在于中，这将会导致机组失去。类似于与给水量等参数之衡将会导致锅炉出口到汽机各个、的剧烈变化，特别要值得注意的是炉中的离器中的蒸度值，因为这里的参数蒸汽温制是非常重要的。兼顾到要维持各个点参数值的稳定的原因，决定各级的更正问题以及的匹配问题是非常重要的，而锅炉的给水量更是一个影响全局的重要控制参数，因此锅炉的给煤量、给水量与汽机阀门开度构成了一个主要的输入变量，而、构成了系统的主出以观察机组的负荷稳定状况、并控制机组的正常运行。协调控制系统的优化是火电发电机组控制优化的关键。但是我国的1000MW的，存在众多偏离设计值的情况，使得机组没有运行在，从而导致增加，的上升，经济效益下降。像这些非安全因素出现时它们往往不被人们注意到，所以一套对于火电机组的优化问题急需解决。

当压力达到超超临界时，机组各个原件还将承受高压与高温，需要锅炉、汽轮机材料都要提高其受热、受压、抗化学腐蚀、抗氧化等方面的能力。因此火电机组的各个组件可能还需要提供更加昂贵和耐高压、耐高温的部件，目前国内在高强度材料方面还不够成熟，大量的此类材料都需要从德国、日本等国家进口。

当然，以上这些都是机组硬性方面的要求，这需要在材料下多下功夫，但是一个优化的控制方案会更能直接的使电厂和整个国家受益，从而达到经济性和环保性的双重目的。研究一个电厂的需要基于一定的模型，在研究模型方面需要深入分析机组的各方面特性，建立一个能反映机组的模型，是开始着手研究的开始。

1.3热工自动化研究现状

具有的特性，里面存在着的作用，并且单元机组的随着增大而增强。此外，机组的可能性也会跟着电网中大容量机组数量的增多而越来越大。所以大容量火力发电的有着高标准性与复杂性。

国外在很早以前就开始了自动控制系统的研究，七十年代的时候国外的很多火电机组就采用了协调控制系统，随着自动化理论的发展和不断深入研究，采用的协调控制系统不再局限于PID控制，而是被更多的现代新型控制系统所代替。

在我国，其相应的研究开始地较晚，但是当的不断投入使用时，这方面的问题才不断引起注意，我国的，无论是国产还是国外的，当对象是其重要热工参数时，仍然以经典的PID控制系统为主但也会慢慢地着手研究状态变量的反馈控制、前馈控制、模糊控制和预测控制等，虽然这部分先进的控制理论还在仿真试验阶段。

（Model Predictive Control；MPC）的基础思想上兴起于上个世纪60年代，在所有控制算法中，是一种对，，计算简易方便而且实用性强控制方法，它有着、及的特点，作为控制器有着良好的控制作用，同时还能对系统结构进行优化控制，正越来越得到了各行各业中普遍被使用。

MPC经过半个世纪的发展，已经发展成为了上百种，其中主要包括矩阵控制算法（DMC），（MAC）和（GPC）。MPC最初是适应系统过程特点的控制算法，因为能解决在约束情况的实时优化控制而受到工业界的重视，并在等领域的过程中得到成功应用。80年代以后，预测控制的理论应用得到了迅猛发展，预测控制商用软件已经经历了四到五代的版本更新和功能扩展，不仅在全球数以千计的系统得到应用并取得显著经济效益，而且应用领域也从工业过程向制造、航空航天、交通、环境、能源等领域迅速扩展。自20世纪90年代，原来被认为相对滞后的控制理论通过采用新的综合思路和新的研究工具，迅速成为控制领域里学术研究的热点，特别是在预测控制稳定性和鲁棒性综合方面取得的系统性进展，加深了对预测控制本质机理的理解，构建内容丰富的预测控制定性综合理论体系。如今，预测控制已成为一个多重研究方向的学科分支，包含了具有不同方针和不同特点的诸多发迹，不但赢得广大工业界的钟情，成为最有代表性的先进算法，而且形成了具有的稳定和设计的理论体系。

第二章 单元机组控制系统分析

如今超超临界火电机组已经在电力产业中不断占据着越来越高的地位，在单元机组中，锅炉与汽轮机之间的能量转换是对输出电网负荷要求的基本保证，同时两者的协调运行也是整个机组能稳定、安全运行的重要因素。其中，在所有重要输出量中，单元机组的和分别保证了火电机组能够安全运行和响应外网的的能力，这种相互之间的联系揭示了发电机组内部能量平衡与需求的关系。

现在，大型的机组大都采用直炉，这种机组的规模较大因没有汽包的作用，锅能降低，在扰动时机组反映会很敏感，又因为锅炉、汽轮机和发电机存在很大的耦合作用，相比其他工业流程，这种火力发电机组是一个快速受控的过程，这表明需要对火电锅炉机组系统进行总体协调控制。

从图2.1的工艺流程可以看出，当稳定时、与达到平衡的要求时，锅炉—汽轮机单元机组负荷机组系统从研究分析中可以简化为一个的受控对象。输入参数依次为：、、;输出量分别为、、T（或者是汽水分离器）。当锅炉的或有所波动时，和都将受到波及；而且，当阀门开度生变化，也会影响其他的出量。所以，从中能得出超超临界机组内部有着很强的耦合性特点的结论。

图2.1 工艺流程图

作为单元输出量，外部参数要随时满足负荷变需要，变化时要求能够迅速；而作为内部参数反映了的能量是否平衡的关系，即使变化也应当在一定范围稳定，才能使机组能够安全有效的运行。

作为，需要把锅炉和汽轮机进行综合的控制，让锅炉在及时调整和稳定平衡时，保证汽轮机及发电机的生产电量迅速跟踪外界的负荷要求。变化是一个相对较快的过程，其响应时间非常的短。但给煤量的响应时间较长，需要经过给煤、制粉、燃烧加热以及过热才能产生一定量的蒸汽，这段时间需要以“分钟”的级别度过。耗汽响应快但产生蒸汽的过程缓慢，这种情况导致了单纯地使用锅炉调节或者是汽机调节的控制都不能兼顾好响应速度和的稳定。而机组协调控制能充分调动机组各个输出输入之间的调节，保证能够迅速适应电网的响应速度，而机组的在一定范围内波动。因为这种特点，协调系统在大型机组得了广的应用。

2.1机组负荷控制方式

单元负荷机组通常情况下存在四种运行方式，分别为控制方式（CCS）、（TF）、（BF）、机炉手动方式。

在正常情况下，即锅炉汽轮机都能很好地自动投入使用并且机组负荷在额定负荷的35%左右运行时采取机炉协调控制系统。这种控制方式是指锅炉与汽轮机一起调节。原理图2.2所示，当功率分配指令（DPC）产生时，将依据对应的负荷指令处理回路形成机组功率负荷（），汽轮机和锅炉的主控制器依照（）变化量动作，促使机组的各个参数发生合适的变化。的相应变化需要通过锅炉的协调系统调控来控制。为了能迅速呼应外部电网的负荷指令则需要通过汽轮机的调控汽机阀门来迅速跟踪工作。通过上述的锅炉汽轮机主控器相应的动作可以用来确保机组的正常稳定运行。

图2.2 机组总体控制框图

若是部分出现故障，而单元机组的运行正常的时候机组可采用自动跟随调节的方式来应对机炉控制出现的情况。汽轮机自动跟随调节的原理如图2.3所示。这种方式的运行情况下，首先实际机组功率负荷信号与动态校正信号相加所得的和来产生锅炉主控指令BID不会被系统采用，而是起到了跟踪的作用。此时锅炉系统收到了设定的指令，可以运用锅炉调节来实现调整量来改变响应，而不直接控制，而是通过主蒸汽压力的偏差信号自动调节的开度，主蒸汽压力在设定值附近稳定。在这种方式下运行，能保证主蒸汽压力参数品质良好，使得机组能够稳定运行，但是负荷变化时，由于不能利用锅炉蓄热能力而是先改变燃烧率，当主力变化时，阀门才能动作改变负荷，因此适应负荷响应；而且给煤量波动而引起汽压波动时，为了保持汽压而要调节阀门，可能会造成进一步的波动增大。

图2.3汽轮机跟踪控制原理框图

当单元机组中及其相关部分出现工作而锅炉设备运行正常时，会因此受到约束，应该采用运行，原理如图2.4所示。在这种情况下当负荷变化时，汽机主控先收到指令负荷，然后压力会发生变化，锅炉主控再收到指令调节。具体工作过程如下：首先汽机的主控制器及DEH系统收到了手动负荷调节指令，调节了阀门位置改变负荷，而此时机组的实际发电负荷信号生成主蒸汽设定值与实际压力的偏差值协调各个锅炉子系统输出。这种负荷控制方式，可以直接通过阀门改变蒸汽流量，从而改变负荷，使负荷响应速度快。但是这种方式会导致在负荷变化过快时，汽机阀门动作大而导致汽压波动大；当给煤量波动而引起汽压波动时，为了保证输出功率而要调节阀门，会进一步加大汽压的波动。

图2.4锅炉跟踪控制原理框图

在机组启动和的阶段或者是机组的阶段，机组均会采用机炉的运行方式，这些时候参数不稳定而且操作量大，采用此种方式能够稳定机炉运行，但是由于人工操作的判断、操作，可能引起误操作而导致机组熄火停机。

2.2 单元机组运行方式

一般来说，影响机组负荷运行的因素与控制策略设计、情况、操作的工作能力有关。其中可以按实际情况直接地调节，所以在汽轮机运行时，不同方式会对机组的经济和节能好坏方面具有非常重要的作用。超超临界机组在变负荷的运行工作方式分别为和：

是指锅炉保持蒸汽的数值不变，汽机通过调节阀门开度及调节速度，锅炉则是相应地改变来维持蒸汽数值稳定。在高负荷的时候可以保证运行经济的良好，对负荷响应的速度快。能保证在高负荷时热优良的特点

是随着负荷变动时，锅炉通过改变导致蒸汽的参数的变化，来保证其调速不变，从而实现了负荷变输出的目的。与比较有着许多的优点：因为压力是随着负荷减少来减少的，蒸汽的比热容、过热度会减小，能够保证蒸汽温度能够在较大区间内维持平稳；这种运行方式能使得因节流产生的能耗减少，能耗降低，高压缸的稳定，也容易维持稳定，级前后压力比与相比几持不变，机内蒸汽流量也和额保持一定比例；汽轮机的级效率与定压运行方式的相比，在变行时提高了；负生变动时，汽轮部材料度波动幅小，所以这表示汽机的金属热应力小，负荷增加或减少的速度就可以不被气缸应力所约束。

当然如今可以利用各自的优势，在不同负采取相应的运行方式发挥各行方式的优点，这种运行方式就称之为联合运行。在低负荷时可以采用滑压运行降低因节流而产生的能耗；在荷就可以采运行，来维持主汽变。以东汽超超临界火电机组为例，该机组采用了定－滑－定( 30%～95%负荷段滑压)联合滑压运行方式，其中该运行方式下的调速汽门开度与负荷变化关系如图2.5表示。

图2.5东汽超超临界 1 000MW 汽轮机优化滑压曲线

2.3单元机组协调控制系统的构成

当今越来越多大容量发电机组的涌现且单元制热力系统被广泛应用到汽轮机和锅炉内。单元机组为了解决能满足机组功率需求并同时稳定机组主要输入输出量问题时，可将锅炉、汽轮机看作是一个整体。虽然在实际的情况下，汽轮机与锅炉之间处于相对独立的关系，两者都能依靠其特有的调节方式（例如汽轮机控制阀门开度、锅炉控制燃烧率）来解决机组功率需求和维持主要参数（如过热器出口的蒸汽压力）稳定的问题，但是它们的能力又具有很大的差别。如果能在制系统设计中能够差异性以及其特有的优点，采取一些调入、的方法，让汽轮机和锅炉能够同时依据外部用电需求量的发生改变，收到外来的调节功率指令，依据某些数值的偏差值来同步地控制，从而在达到需求条件的同时保持运定，像这样的控统就可以称之为协制系统。

2.3.1负荷指令处理回路

原理如图2.6，机组的设备及其主要参数正常情况下，机组通常接收3个外来的负荷指令，依次为外部电网发出的负荷中调指令ADS、操作的手令（设定指令）和电率与给率间偏差值的指令，在一般情况下，中调指令与设定指令受到变化率的约束与工作人员所设定的最大最小值的约束。而当异常工况下，也就是机组的主机、辅助机械等设备发生运行错误，影响到了机组的带负荷能力和机组运行的安全性时，就要控制好机组的实际负荷指令，来防止此种情况扩大到其他的地方去，以维持机组继续安全、稳定地运行。而对机组实际负荷指令的处理方法有四种：（RB）、快负断（FCB）、负增/减（BI/BD；即限制最大最小负荷区间）和负降（RU/RD）。其中，负荷返回（RB）和快速负荷切断（FCB）是用来处理跳除等的故障，而负荷闭升/迫降（RU/RD）是用来处理故不明确，无法直接确定，只能通过测量相关运行接确定的故障。

2.3.2主蒸汽压力设定值回路

图2.6负荷指令处理回路结构图

主控制器中包调节力调节器，给定值形成的回路实质上是制中调节器给定值提供的回路。回路原理如图2.7所示，在定压工作下时，可采取手动方式，压力的设定值由操作员在CCS控制画面上给出。负荷发生变化时，为了能滑参数运行，操作人员需要自己去改变压力给定值；在滑压运行方式的工作下，的设定值由压力值形成回路依照当前负动地给出。在机组工作过程中，操作人员不需要直接地去改变压力设定值去实现负荷和压力匹配联系。这种方式可以根据工作人员来使用章节2.2提到过的运行方式，选择性地接收相应的外部信号，还可以对手动、自动生成的压力设定值进行上、下限制和变化率限制。

图2.7 主蒸汽压力设定值回路结构图

2.3.3机炉主控系统

机炉的主控制器由两方面构成，分别是计算锅炉主控指令运算回路的锅炉器和计算汽控制指令运算回路的汽轮机主控制器。它能依照具体工作的条件及要求，匹配适控式，收到指令处理部分发出机组有率的机令、机组汽、主力设定值，通过一定的运算回路计算出锅控指令和汽控制指令，来算出相应制方式完成功率控制任务。

（1）锅炉主控指令形成

其原理如图2.8所示，锅炉主控制器接收机组力与主蒸汽压定值之间的差值（）经过PI出指令，通信号的处理相加跟踪处理返回（RB）模块。最终可以依据实际偏差值产生控制送风与燃料的子系统的处理信号。

图2.8 锅炉主控指令形成原理

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