基于二自由度控制的火電機組功率控制器設計

劉翠梅

(南寧市三峰能源有限公司，廣西 南寧 530021)

1 引言

在互聯的電力系統中，系統頻率和聯絡線負荷的變化是由于電力負荷與發電系統輸出功率的不完全匹配造成的[1]。通過對發輸配電環節的合理規劃，使電力系統有功功率和頻率維持在穩定波動的范圍，因此功率調節是電網運行的基本任務之一。一次調頻和自動發電控制系統是實現功率調節的重要方式，火電機組的功率控制系統不僅有利于保持電網頻率的穩定，還可以提高電網運行的質量。

二自由度控制方式最早由Horowitz提出的[2]。近年來，許多學者根據不同的對象或控制方式設計了二自由度控制器[3-5]，使得二自由度控制方式得到了迅速的發展和應用。特別是二自由度控制具有較好的集點跟蹤性和負載干擾抑制特性?；痣姍C組的功率控制必須快速跟蹤滿足負荷的變化、抗干擾性好等要求，采用二自由度控制結構對功率控制系統進行優化。在實施過程中，與經典的前饋反饋控制和內?？刂七M行了比較和分析。結果表明，本文所設計的二自由度控制系統是最有效的、穩定的。

2 功率控制系統

一般來說，如圖1所示的前饋反饋控制是一種典型的火電廠功率控制方式。有功功率PE為被控變量，功率參考點Pr通過手動調節或AGC進行目標設定。Pr與主頻調制功率增量ΔPr之和為前饋反饋控制器的設定點?？刂破鲗υ摴β蕝⒖键c進行設定后，再進行有功功率反饋，發出閥位控制命令，來決定執行器的開度μ。μ與主蒸汽壓力PT共同決定了蒸汽流量Q的大小,蒸汽流量Q隨汽輪機內蒸汽膨脹轉化為轉子的機械功率PM，發電機轉子將機械功率PM轉化為有功功率PE并送入到電網中。

圖1 功率控制系統

在實際運行過程中，火電機組常采用滑壓運行，主蒸汽壓力PT隨負荷的波動而變化。此時，即使氣門開度μ相同，汽輪機Q的汽流量也不同。因此，有必要考慮閥流量特性，即確定閥的開度與進入汽輪機的蒸汽流量之間的關系。為了方便分析控制系統的性能,采用了閥流量特性法，汽輪機閥流量特性k表示由閥位單位當量引起的汽輪機穩態汽流量變化量，其表達式如下：

(1)

式中,ΔQ為汽輪機穩態蒸汽流量變化量;Δμ為在穩定狀態下改變閥門位置的量。

3 基于二自由度內?？刂葡到y

3.1 級聯二自由度內?？刂葡到y

級聯二自由度內?？刂平Y構如圖2所示，其結構是基于內?？刂坪投杂啥冉怦钤硖岢龅腫4]。在圖2中，Pm為P1和P2的整體模型，P1m為P1的整體模型，C為跟蹤設定點的主控制器，F為抑制擾動的副控制器。

3.2 控制器設計

控制過程可表示為：

(2)

(3)

如果過程中包含延時部分e-τs，可以采用Pade相似法生成分子和分母階相同的傳遞函數。式(2)和式(3)中A1(s)和A2(s)的零點都在右半平面內。B1(s)，B2(s)，C1(s)和C2(s)的零點在左半平面上。A1(s)、A2(s)、B1(s)、B2(s)、C1(s)、C2(s)的順序分別是m11、m21、m12、m22、n1、n2。且應該滿足以下關系：m11+m12

設定點響應的控制相當于開環方式。r和y2之間的傳遞函數為：

(4)

(5)

由于控制器不是一個實數有理分式，所以添加了一個低通濾波器Lc(s)。則最終設定點跟蹤控制器C(s)變為：

C(s)=C0(s)LC(s)

(6)

其中

(7)

(8)

其靈敏度函數為：

(9)

結合內部控制理論的最優性能指標，實際靈敏度函數可表示為：

(10)

(11)

其中F1(s)為：

(12)

4 火電機組動力控制系統

根據以上分析，可以在火電控制系統中采用二自由度控制，控制結構如圖3所示。由于實際情況下不能直接測量出汽輪機的機械功率，只能測量發電機的有功功率。因此，如圖3所示的控制結構不能滿足實際控制的需要，因此需要對二自由的控制結構進行優化。

圖3 基于二自由度控制的動力控制系統

通過比較機械功率與有功功率的變化趨勢，在一定條件下，兩者的變化趨勢并不完全一致。這主要是因為在功率響應的前期，發電機的下垂特性會導致有功功率發生振蕩。但隨著系統的逐漸調整，機械功率與有功功率逐漸趨同。因此可以假定有功功率是機械功率和發電機下垂特性引起的高頻信號的疊加?？梢酝ㄟ^設計低通濾波器Gf濾除高頻信號，將有功功率轉換為未知的機械功率。然后根據上面的分析，將圖3的結構轉化為圖4的結構。

圖4 基于二自由度控制的變換功率控制系統

5 一次調頻仿真試驗與分析

針對某火電機組的功率控制系統，對比先前設計的控制系統進行研究，將二自由度控制方式的仿真結果與典型控制系統提出的內?？刂葡到y進行了比較。本文采用文獻[6]中的模型和參數。典型的前饋反饋控制系統的PI控制器：

(13)

前饋系數Kf=1，簡化的驅動器模型為：

(14)

汽輪機模型為：

(15)

其中T1= 5.4，T2= 0.2，T3= 10。

發電機模型為：

(16)

其中T4= 0.0177，T5= 0.0333。因此：

(17)

式中，k為閥門排放特性，通常k=1。根據式(7)和(11)和系統模型，可以得到主控制器和副控制器的表達式：

(18)

通過對系統性能的優化，可以確定λc和λf。PT是一個常數，ΔPT是10s時的負荷階躍，相當于汽輪機轉速階躍變化引起的一次調頻作用。在仿真運行200s時P1(s)加入5%的擾動。研究k值不同時各功率控制系統的控制效果。k= 0.5、1、2時的仿真結果如圖5所示。

圖5 一次調頻試驗時各控制系統有功功率

仿真結果表明，當k過小時，前饋反饋控制系統的功率響應較慢，不能滿足一次調頻的快速響應需要。當k過大時，功率響應出現明顯超調，不利于機組穩定運行。與前饋反饋控制系統相比，文獻[6]中使用的內?？刂频墓β薯憫俣让黠@較快，且隨著k的增加沒有出現超調。但總的來說，本文所采用的二自由度控制的穩定時間最短，初始階段無波動，是最平穩的。此外，二自由度控制的抗干擾性也是最好的。在相同的擾動下，其沉降時間最短，波動最小。因此可以得出結論，二自由度控制效果相對于傳統的一次調頻方式，能夠更平穩地進行控制機組的出力。

6 結論

本文采用二自由度內?？刂茖痣姍C組的功率控制系統進行了設計?？紤]了汽輪機閥門排放特性對動力控制系統的影響。對AGC的一次調頻試驗進行了仿真分析。結果表明，本文設計的控制策略的控制效果優于經典的前饋反饋控制和內?？刂?，主要體現在穩定時間更快、控制效果更穩定、魯棒性更好等方面。