本發(fā)明屬于火電廠熱工控制領(lǐng)域，具體涉及燃煤機(jī)組動(dòng)態(tài)變負(fù)荷過程的動(dòng)態(tài)能效優(yōu)化控制的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、新能源裝機(jī)容量的逐年攀升迫切要求燃煤發(fā)電機(jī)組具有更強(qiáng)的靈活變負(fù)荷響應(yīng)能力。燃煤機(jī)組的控制系統(tǒng)在生產(chǎn)安全以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中起到重要作用。在快速變負(fù)荷過程中燃煤機(jī)組面臨著調(diào)節(jié)動(dòng)作難協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)效率下降及響應(yīng)速度慢的挑戰(zhàn)。一方面，傳統(tǒng)的燃煤機(jī)組控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)重于在特定負(fù)荷區(qū)間穩(wěn)定、高效運(yùn)行，而面對寬范圍、高頻次的負(fù)荷波動(dòng)時(shí)難以有效地處理各類外界干擾及負(fù)荷變化速率不確定性的問題，使控制性能偏離預(yù)期，制約了其變負(fù)荷過程的快速性及穩(wěn)定性。另一方面，隨著燃煤機(jī)組出力狀態(tài)的頻繁調(diào)整，機(jī)組熱力系統(tǒng)一直處于變負(fù)荷非穩(wěn)態(tài)過程中，影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中系統(tǒng)能量利用效率的下降。通過對各類不確定性進(jìn)行在線估計(jì)和補(bǔ)償可以有效提升模型預(yù)測控制的適應(yīng)性和魯棒性。同時(shí)，先進(jìn)的動(dòng)態(tài)能效優(yōu)化控制技術(shù)在實(shí)時(shí)地對燃煤機(jī)組在變負(fù)荷過程中的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化調(diào)控及能效優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組的靈活性與高效性的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明針對快速變負(fù)荷過程中燃煤機(jī)組控制系統(tǒng)面臨的各類不確定性及動(dòng)態(tài)能效降低的問題，結(jié)合電廠實(shí)際運(yùn)行過程的典型問題，旨在探究動(dòng)態(tài)變負(fù)荷過程機(jī)組協(xié)調(diào)級控制策略。本發(fā)明的目的是提供一種燃煤機(jī)組動(dòng)態(tài)變負(fù)荷過程的不確定性補(bǔ)償動(dòng)態(tài)能效優(yōu)化控制方法，提升機(jī)組變負(fù)荷響應(yīng)速度與穩(wěn)定性，進(jìn)而提高機(jī)組運(yùn)行靈活性與能源利用效率。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案如下：

3、燃煤機(jī)組動(dòng)態(tài)變負(fù)荷過程的動(dòng)態(tài)能效優(yōu)化控制的設(shè)計(jì)方法，包括如下步

4、驟：s1、根據(jù)典型燃煤機(jī)組，建立基于質(zhì)量和能量平衡定律的機(jī)組非線性模型；動(dòng)態(tài)

5、s2、基于多目標(biāo)遺傳算法以最小化積分絕對誤差為目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)獲取燃煤機(jī)組非線性動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)，基于穩(wěn)定操作點(diǎn)線性化得到燃煤機(jī)組線性狀態(tài)空間模型；

6、s3、設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)卡爾曼觀測器，對模型不確定性、外界擾動(dòng)及噪聲條件下的燃煤機(jī)組模型狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)與補(bǔ)償；

7、s4、提出綜合考慮跟蹤性能與動(dòng)態(tài)損失的優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合擴(kuò)張狀態(tài)卡爾曼觀測器，完成燃煤機(jī)組動(dòng)態(tài)變負(fù)荷過程的不確定性補(bǔ)償動(dòng)態(tài)能效優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

8、進(jìn)一步地，驟s1中所述的典型燃煤機(jī)組包括鍋爐系統(tǒng)以及汽輪機(jī)系統(tǒng)，所述鍋爐系統(tǒng)包括給煤經(jīng)磨煤機(jī)吹入爐膛，燃燒煤粉以加熱蒸汽，蒸汽經(jīng)過過熱器成為高溫高壓的產(chǎn)品蒸汽輸出至汽輪機(jī)系統(tǒng)。

9、進(jìn)一步地，典型燃煤機(jī)組基于質(zhì)量與能量平衡定律，完整產(chǎn)品蒸汽產(chǎn)生過程計(jì)算式如下：

10、

11、式中：qf為煤粉質(zhì)量流量；c0為待辨識(shí)系數(shù)；ub為鍋爐給煤量指令；t為某一時(shí)刻；τ為時(shí)滯常數(shù)；db為蒸汽產(chǎn)生流量；c5為待辨識(shí)系數(shù)；k4為增益系數(shù)；db為蒸汽產(chǎn)生流量；di為汽包入口工質(zhì)流量；c6、c7為待辨識(shí)系數(shù)；pb為汽包壓力；pt為主汽壓力；k5為增益系數(shù)；dt為主蒸汽流量；k2為增益系數(shù)；p1為調(diào)節(jié)級壓力；

12、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變負(fù)荷響應(yīng)的關(guān)鍵部件是汽輪機(jī)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)級，通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行開度調(diào)整控制主蒸汽流量，汽輪機(jī)系統(tǒng)通過將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功輸出，調(diào)節(jié)及發(fā)電過程計(jì)算式為：

13、

14、ne＝k3dt；

15、式中：p1為調(diào)節(jié)級壓力；c1為待辨識(shí)系數(shù)；k1為增益系數(shù)；μt為主汽閥門開度；pt為主蒸汽壓力；ne為輸出功率；k3為增益系數(shù)；dt為主蒸汽流量。

16、進(jìn)一步地，通過電廠實(shí)際的現(xiàn)場穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)擬合得到步驟s1中的5個(gè)靜態(tài)增益系數(shù)k1～k5,其中，k1以及k2為0.0083和74.7，k3、k4、k5的表達(dá)式如下：

17、

18、式中：dt為主蒸汽流量；qf為煤粉質(zhì)量流量；pb為汽包壓力。

19、進(jìn)一步地，采用多目標(biāo)遺傳算法對步驟s1中的6個(gè)待辨識(shí)參數(shù)：c0～c7，以及時(shí)滯常數(shù)τ進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，所述優(yōu)化目標(biāo)為最小積分絕對誤差：

20、

21、式中：n為樣本的數(shù)量；δt為采樣時(shí)間；yi(k)為模型輸出；y'i(k)為輸出的測量值。

22、采用多目標(biāo)遺傳算法nsga-ⅱ進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，nsga-ⅱ的相關(guān)參數(shù)種群規(guī)模為100，交叉概率80％，突變概率5％，帕累托分?jǐn)?shù)為35％。

23、進(jìn)一步地，定義系統(tǒng)輸入u為給煤量指令u1和主汽閥門開度u2，將系統(tǒng)的主要過程變量定義為狀態(tài)變量x，包括：煤粉質(zhì)量流量x1、蒸汽產(chǎn)生流量x2、汽包壓力x3、主蒸汽壓力x4、調(diào)節(jié)級壓力x5及主蒸汽流量x6，定義系統(tǒng)輸出y為負(fù)荷y1及主汽壓力y2，根據(jù)步驟s1公式及s2參數(shù)辨識(shí)結(jié)果，燃煤機(jī)組完整能量轉(zhuǎn)化過程通過下列非線性微分方程組及系統(tǒng)輸出描述如下：

24、

25、將非線性系統(tǒng)通過泰勒展開進(jìn)行線性化，將所述非線性機(jī)理模型在額定工況處u1＝112t/h,u2＝86.2％進(jìn)行線性化得到連續(xù)的線性狀態(tài)空間模型：

26、

27、式中：x(t)為狀態(tài)變量；u(t)為輸入；y(t)為輸出；am、bm、cm為系數(shù)矩陣。

28、進(jìn)一步地，步驟s3中，考慮各類不確定性及擾動(dòng)的離散的狀態(tài)空間方程描述為：

29、

30、式中：x(k)為狀態(tài)變量；u(k)為輸入；y(k)為輸出；w(k)為模型不確定性、外界擾動(dòng)及噪聲的總和，簡稱為總擾動(dòng)；am、bm、be、cm為系數(shù)矩陣；

31、考慮各類不確定性及提高估計(jì)精度，將總擾動(dòng)擴(kuò)張成新狀態(tài)量，得到擴(kuò)張狀態(tài)方程：

32、

33、式中：為擴(kuò)張狀態(tài)變量；akf、bkf、ckf為擴(kuò)張系統(tǒng)系數(shù)矩陣；

34、根據(jù)實(shí)際輸出與估計(jì)輸出的差值，得到擴(kuò)張狀態(tài)卡爾曼觀測方程及各類相關(guān)計(jì)算式，更新狀態(tài)估計(jì)值和協(xié)方差矩陣，公式如下：

35、

36、式中：為擴(kuò)張狀態(tài)估計(jì)值；y(k)為實(shí)際輸出；為輸出估計(jì)；kk為卡爾曼增益；pk分別為先驗(yàn)和后驗(yàn)估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣；qk、rk分別為過程噪聲和測量噪聲的協(xié)方差矩陣。

37、進(jìn)一步地，燃煤機(jī)組熱電轉(zhuǎn)換過程會(huì)造成能量質(zhì)量的降低，即損失，定義機(jī)組變負(fù)荷過程中的動(dòng)態(tài)損失為給煤的輸入與發(fā)電量的輸出之差，表達(dá)式如下：

38、v(k)＝wuu(k)-wyy(k)

39、式中：v(k)表示k時(shí)刻的損失；wu、wy分別為系數(shù)矩陣；u(k)為輸入；y(k)為輸出，

40、基于機(jī)組動(dòng)態(tài)損失計(jì)算式綜合考慮設(shè)定值跟蹤效果和動(dòng)態(tài)損，建立燃煤機(jī)組控制系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

41、

42、式中：j為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；y(k)為k時(shí)刻的輸出；r(k)為k時(shí)刻的輸出設(shè)定值；δu(k)為k時(shí)刻的輸入量增量；v(k)表示k時(shí)刻的損失；sq、sr、sv分別為誤差權(quán)重矩陣、控制權(quán)重矩陣及損權(quán)重矩陣；

43、根據(jù)擴(kuò)張狀態(tài)卡爾曼觀測器的實(shí)時(shí)估計(jì)值，設(shè)計(jì)燃煤機(jī)組協(xié)調(diào)級經(jīng)濟(jì)模型預(yù)測控制策略，包括實(shí)時(shí)估計(jì)的綜合考慮設(shè)定值跟蹤效果和動(dòng)態(tài)損優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束：

44、

45、u(k)∈ω1,k＝1,…,nc

46、δu(k)∈ω2,k＝1,…,nc；

47、式中：j為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其中js、je分別為設(shè)定值跟蹤目標(biāo)和動(dòng)態(tài)損目標(biāo)；np為預(yù)測時(shí)域；nc為控制時(shí)域；r(k)為k時(shí)刻輸出設(shè)定值；δu(k)為k時(shí)刻的輸入量增量；v(k)表示k時(shí)刻的損失；sq、sr、sv分別為誤差權(quán)重矩陣、控制權(quán)重矩陣及損權(quán)重矩陣；x(k),u(k),w(k)分別為k時(shí)刻的狀態(tài)、輸入和總擾動(dòng)；s(δ)為輸入的取值范圍；為k+1時(shí)刻的擴(kuò)張狀態(tài)估計(jì)值；為k時(shí)刻的輸出估計(jì)值；fd、hd分別為對應(yīng)計(jì)算狀態(tài)估計(jì)和輸出估計(jì)的函數(shù)關(guān)系；ω1、ω2表示輸入量、輸入量增量的約束條件。

48、一種控制系統(tǒng)，由上述的燃煤機(jī)組動(dòng)態(tài)變負(fù)荷過程的動(dòng)態(tài)能效優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而得；

49、包括燃煤機(jī)組、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器以及動(dòng)態(tài)能效模型預(yù)測控制器，燃煤機(jī)組反饋輸入功率以及主汽壓力至擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器輸出估計(jì)值以及擴(kuò)張狀態(tài)估計(jì)值至動(dòng)態(tài)能效模型預(yù)測控制器，動(dòng)態(tài)能效模型預(yù)測控制器向燃煤機(jī)組輸出給煤量以及主汽閥門開度的控制。

50、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)用于實(shí)現(xiàn)上述的燃煤機(jī)組動(dòng)態(tài)變負(fù)荷過程的動(dòng)態(tài)能效優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

51、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有有益效果如下：

52、(1)考慮燃煤機(jī)組快速變負(fù)荷過程中的各類不確定性及擾動(dòng)，引入了不確定性補(bǔ)償機(jī)制，能夠有效提高機(jī)組狀態(tài)變量的估計(jì)精度，增強(qiáng)控制系統(tǒng)在未知或突發(fā)擾動(dòng)下的抗干擾能力，提升機(jī)組協(xié)調(diào)級控制性能；

53、(2)針對燃煤機(jī)組變負(fù)荷過程動(dòng)態(tài)能量利用效率下降的問題，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)能效優(yōu)化的協(xié)調(diào)級模型預(yù)測控制，提升機(jī)組運(yùn)行效率與經(jīng)濟(jì)效益，減少能源浪費(fèi)。