本發(fā)明屬于火電廠熱工控制領域，具體涉及燃煤機組動態(tài)變負荷過程的動態(tài)能效優(yōu)化控制的設計方法。

背景技術：

1、新能源裝機容量的逐年攀升迫切要求燃煤發(fā)電機組具有更強的靈活變負荷響應能力。燃煤機組的控制系統(tǒng)在生產安全以及經濟運行中起到重要作用。在快速變負荷過程中燃煤機組面臨著調節(jié)動作難協(xié)調、動態(tài)效率下降及響應速度慢的挑戰(zhàn)。一方面，傳統(tǒng)的燃煤機組控制系統(tǒng)在設計時側重于在特定負荷區(qū)間穩(wěn)定、高效運行，而面對寬范圍、高頻次的負荷波動時難以有效地處理各類外界干擾及負荷變化速率不確定性的問題，使控制性能偏離預期，制約了其變負荷過程的快速性及穩(wěn)定性。另一方面，隨著燃煤機組出力狀態(tài)的頻繁調整，機組熱力系統(tǒng)一直處于變負荷非穩(wěn)態(tài)過程中，影響機組的安全經濟運行，導致動態(tài)運行過程中系統(tǒng)能量利用效率的下降。通過對各類不確定性進行在線估計和補償可以有效提升模型預測控制的適應性和魯棒性。同時，先進的動態(tài)能效優(yōu)化控制技術在實時地對燃煤機組在變負荷過程中的各項關鍵參數(shù)進行精細化調控及能效優(yōu)化，實現(xiàn)燃煤機組的靈活性與高效性的提升。

技術實現(xiàn)思路

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

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用技術方案如下：

3、燃煤機組動態(tài)變負荷過程的動態(tài)能效優(yōu)化控制的設計方法，包括如下步

4、驟：s1、根據(jù)典型燃煤機組，建立基于質量和能量平衡定律的機組非線性模型；動態(tài)

5、s2、基于多目標遺傳算法以最小化積分絕對誤差為目標進行參數(shù)辨識獲取燃煤機組非線性動態(tài)模型的參數(shù)，基于穩(wěn)定操作點線性化得到燃煤機組線性狀態(tài)空間模型；

6、s3、設計擴張狀態(tài)卡爾曼觀測器，對模型不確定性、外界擾動及噪聲條件下的燃煤機組模型狀態(tài)進行估計與補償；

7、s4、提出綜合考慮跟蹤性能與動態(tài)損失的優(yōu)化目標，結合擴張狀態(tài)卡爾曼觀測器，完成燃煤機組動態(tài)變負荷過程的不確定性補償動態(tài)能效優(yōu)化控制系統(tǒng)的設計。

8、進一步地，驟s1中所述的典型燃煤機組包括鍋爐系統(tǒng)以及汽輪機系統(tǒng)，所述鍋爐系統(tǒng)包括給煤經磨煤機吹入爐膛，燃燒煤粉以加熱蒸汽，蒸汽經過過熱器成為高溫高壓的產品蒸汽輸出至汽輪機系統(tǒng)。

9、進一步地，典型燃煤機組基于質量與能量平衡定律，完整產品蒸汽產生過程計算式如下：

10、

11、式中：qf為煤粉質量流量；c0為待辨識系數(shù)；ub為鍋爐給煤量指令；t為某一時刻；τ為時滯常數(shù)；db為蒸汽產生流量；c5為待辨識系數(shù)；k4為增益系數(shù)；db為蒸汽產生流量；di為汽包入口工質流量；c6、c7為待辨識系數(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為調節(jié)級壓力；

12、實現(xiàn)動態(tài)變負荷響應的關鍵部件是汽輪機系統(tǒng)中的調節(jié)級，通過調節(jié)機構進行開度調整控制主蒸汽流量，汽輪機系統(tǒng)通過將蒸汽的熱能轉化為機械功輸出，調節(jié)及發(fā)電過程計算式為：

13、

14、ne＝k3dt；

15、式中：p1為調節(jié)級壓力；c1為待辨識系數(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、進一步地，通過電廠實際的現(xiàn)場穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)擬合得到步驟s1中的5個靜態(tài)增益系數(shù)k1～k5,其中，k1以及k2為0.0083和74.7，k3、k4、k5的表達式如下：

17、

18、式中：dt為主蒸汽流量；qf為煤粉質量流量；pb為汽包壓力。

19、進一步地，采用多目標遺傳算法對步驟s1中的6個待辨識參數(shù)：c0～c7，以及時滯常數(shù)τ進行系統(tǒng)辨識，所述優(yōu)化目標為最小積分絕對誤差：

20、

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

22、采用多目標遺傳算法nsga-ⅱ進行參數(shù)辨識，nsga-ⅱ的相關參數(shù)種群規(guī)模為100，交叉概率80％，突變概率5％，帕累托分數(shù)為35％。

23、進一步地，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：煤粉質量流量x1、蒸汽產生流量x2、汽包壓力x3、主蒸汽壓力x4、調節(jié)級壓力x5及主蒸汽流量x6，定義系統(tǒng)輸出y為負荷y1及主汽壓力y2，根據(jù)步驟s1公式及s2參數(shù)辨識結果，燃煤機組完整能量轉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)通過泰勒展開進行線性化，將所述非線性機理模型在額定工況處u1＝112t/h,u2＝86.2％進行線性化得到連續(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、進一步地，步驟s3中，考慮各類不確定性及擾動的離散的狀態(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、外界擾動及噪聲的總和，簡稱為總擾動；am、bm、be、cm為系數(shù)矩陣；

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

32、

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

34、根據(jù)實際輸出與估計輸出的差值，得到擴張狀態(tài)卡爾曼觀測方程及各類相關計算式，更新狀態(tài)估計值和協(xié)方差矩陣，公式如下：

35、

36、式中：為擴張狀態(tài)估計值；y(k)為實際輸出；為輸出估計；kk為卡爾曼增益；pk分別為先驗和后驗估計誤差的協(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、進一步地，燃煤機組熱電轉換過程會造成能量質量的降低，即損失，定義機組變負荷過程中的動態(tài)損失為給煤的輸入與發(fā)電量的輸出之差，表達式如下：

38、v(k)＝wuu(k)-wyy(k)

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

40、基于機組動態(tài)損失計算式綜合考慮設定值跟蹤效果和動態(tài)損，建立燃煤機組控制系統(tǒng)優(yōu)化目標函數(shù)：

41、

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

43、根據(jù)擴張狀態(tài)卡爾曼觀測器的實時估計值，設計燃煤機組協(xié)調級經濟模型預測控制策略，包括實時估計的綜合考慮設定值跟蹤效果和動態(tài)損優(yōu)化問題的目標函數(shù)及相關約束：

44、

45、u(k)∈ω1,k＝1,…,nc

46、δu(k)∈ω2,k＝1,…,nc；

47、式中：j為優(yōu)化目標函數(shù)，其中js、je分別為設定值跟蹤目標和動態(tài)損目標；np為預測時域；nc為控制時域；r(k)為k時刻輸出設定值；δu(k)為k時刻的輸入量增量；v(k)表示k時刻的損失；sq、sr、sv分別為誤差權重矩陣、控制權重矩陣及損權重矩陣；x(k),u(k),w(k)分別為k時刻的狀態(tài)、輸入和總擾動；s(δ)為輸入的取值范圍；為k+1時刻的擴張狀態(tài)估計值；為k時刻的輸出估計值；fd、hd分別為對應計算狀態(tài)估計和輸出估計的函數(shù)關系；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)，由上述的燃煤機組動態(tài)變負荷過程的動態(tài)能效優(yōu)化系統(tǒng)的設計方法設計而得；

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

50、一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時用于實現(xiàn)上述的燃煤機組動態(tài)變負荷過程的動態(tài)能效優(yōu)化系統(tǒng)的設計方法。

51、相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有有益效果如下：

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

53、(2)針對燃煤機組變負荷過程動態(tài)能量利用效率下降的問題，實現(xiàn)動態(tài)能效優(yōu)化的協(xié)調級模型預測控制，提升機組運行效率與經濟效益，減少能源浪費。