论文总字数：27223字

摘 要

为了提高火电机组的效率以及满足环保需求，在耐高温材料水平限制参数进一步增长的情况下，二次再热技术成为提高机组效率的另一个方向。二次再热超超临界机组的被控对象具有大惯性、非线性、时变性、强耦合性等特点，这对其协调系统的自动控制提出了更高的要求。

本文针对660MW二次再热超超临界机组，采集燃料量B、给水流量W、汽机调门开度μ阶跃响应下实发功率Ne、主汽压力P、中间点温度Tsp的响应数据，利用阶跃响应法，拟合出三输入三输出对象传递函数模型。

采用传统PID控制，加入前馈量加以改进，负荷指令以一定速率增长，在Simulink中进行控制仿真，整定控制器参数，仿真结果表明在PID控制下，机组实发功率能快速跟随负荷指令，但主汽压力和中间点温度有较大的超调，且存在一定的波动和滞后，系统稳定性差。

采用广义预测控制算法，利用过去和当前的输出以及过去、现在和未来的输入量来预测未来的输出，以预测长度内的预测输出与参考轨迹偏差为优化目标，滚动优化控制长度内的控制增量，取当前时刻控制增量作用于对象。选择合适的控制器参数，仿真结果表明在广义预测控制作用下，机组实发功率、主汽压力、中间点温度均能快速跟随设定值，波动小，系统稳定性好，可见广义预测控制控制效果优于PID控制。

关键词：二次再热，超超临界，协调控制系统，PID控制，广义预测控制

Coordinated Object Modeling and Control Simulation of 660MW Ultra-supercritical Unit with Double Reheat

Abstract

In order to improve the efficiency of thermal power unit and meet the demand of environmental protection, ultra-supercritical technology becomes another direction under the condition that further growth of unit parameter is limited because of high temperature resistant material level. The controlled object of the ultra-supercritical unit with double reheat has the characteristics of large inertia, nonlinear, time-varying and strong coupling, which puts forward higher requirements for the automatic control of system.

Based on 660MW ultra-supercritical unit with double reheat, data of net power Ne, main steam pressure P, intermediate point temperature Tsp under the step response of fuel quantity B, feed water flow W, turbine valve opening μ is collected to fit object transfer function model with three input and three output using the method of step response.

A traditional PID control method, improved by adding feedforward quantity is used. Load demand is made grow at a certain rate, which is simulated in Simulink. PID parameters are regulated and the simulation results show that the unit net power can quickly follow the load command under PID control, but the main steam pressure and the intermediate point temperature have larger overshoot, and there are some fluctuations and lag, which means that the system stability is poor.

A generalized predictive control algorithm is used, which can predict future outputs based on former and present outputs and former, present and future inputs. GPC uses the deviation of predicting outputs and reference trajectory within prediction length as the optimization goal. The control increment is rolling optimized within controlling length and the control increment at the current time is implemented on the object. Appropriate parameters are chosen and the simulation results show that the unit net power, the main steam pressure, and the intermediate point temperature can all quickly follow the set value, and there are fewer fluctuations, which means the system stability is greater. GPC is better than PID.

KEY WORDS: double reheat, ultra-supercritical, coordinated control system, PID control, generalized predictive control

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 二次再热技术介绍 1

1.2.1 研究背景及意义 1

1.2.2 二次再热技术发展及特点 1

1.2.3 二次再热技术的关键技术及研究热点 2

1.3 预测控制的介绍 2

1.3.1 研究背景 2

1.3.2 预测控制的发展 3

1.3.3 预测控制在火电厂单元机组协调控制系统中的应用 3

1.4 课题的研究方法和主要内容 4

第二章 单元机组协调被控对象模型的辨识 5

2.1 引言 5

2.2 阶跃响应法基本原理 5

2.3 对象建模 9

2.3.1 被控对象模型结构 9

2.3.2 协调控制系统被控对象特性试验 10

2.3.3 被控对象模型的拟合及验证 11

2.3.4 被控对象模型汇总 29

第三章 协调控制系统传统PID控制策略 31

3.1 引言 31

3.2 控制思路 31

3.3 参数整定 33

3.4 仿真结果 34

第四章 广义预测控制在超超临界机组协调控制系统中的应用 38

4.1 引言 38

4.2 广义预测控制的基本原理 38

4.2.1 预测模型 38

4.2.2 滚动优化 43

4.2.3 反馈校正 44

4.3 多变量广义预测控制 44

4.4 仿真研究 46

4.4.1 控制器内部模型 46

4.4.2 参数整定 47

4.4.3 结果分析 48

第五章 总结与展望 53

5.1 总结 53

5.2 展望 53

致谢 55

参考文献 56

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

火力发电带来的资源量减少、环境和气候变化的问题越来越受到重视，提高火电机组的效率，减少煤耗量，采用清洁燃烧技术是当前研究的热点。当提高机组的初参数时，有利于提高机组的效率，但是初参数高时，高温对材料影响很大，需要材料具有更高的耐高温能力。耐高温性能好的材料比如有镍基合金，但是其成本很高。现阶段材料的生产水平无法与实际应用需求相匹配，所以我们不能仅仅依赖提高机组参数，必须采取一些切合实际的措施。实验和生产实际都表明可以采用二次再热技术是另一种提高效率的方式。华能安源电厂一期工程2×660MW机组，机组温度参数为600/620/620℃，是最先投入运行的二次再热机组之一。

由于超超临界二次再热机组被控对象更加复杂，被控量和控制量更多，对机组协调控制提出了更高的要求。国内暂时没有超超临界二次再热机组协调对象的模型，本课题针对华能安源电厂660MW二次再热超超临界机组，通过机组协调被控对象特性试验，获取相关实验数据，利用先进算法对实验数据进行拟合，建立协调被控对象模型，在此基础上利用预测控制对所获取的对象进行控制仿真。课题对二次再热超超临界机组协调控制系统进行研究，具有开创性意义。

1.2 二次再热技术介绍

1.2.1 研究背景及意义

火力发电是在国内发电中占很大比重，但是燃烧煤会产生很多污染物，比如碳氧化合物、硫化物等等，提高机组效率是减小污染的方法之一。文献^[1]指出，超超临界机组逐渐成为主流机组，若在此基础上进一步提高机组参数，需要耐高温性能更好的材料，比如镍基合金材料。然而高性能材料的生产能力无法满足火电机组对材料的需求。二次再热技术作为提高机组效率的另一种方式，具有更好的发展前景。

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