燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法，包括1）建立被控对象模型；2）确定预测时域长度、控制时域长度、采样时间、误差权重矩阵、控制加权矩阵；3）由被控对象的传递函数模型离散化成CARIMA模型；4）根据当前时刻的燃气轮机的燃料阀、汽轮机入口调节阀开度的约束条，得到燃料阀、汽轮机入口调节阀两阀的实际开度；5）控制联合循环机组的实发功率和汽轮机主蒸汽压力的变化。本发明将广义预测控制算法策略引入燃气蒸汽联合循环机组负荷控制系统，使机组实发功率能够尽快地跟踪AGC指令，达到新制定的考核标准要求，同时减缓汽轮机主蒸汽压力波动幅度，提高供热蒸汽品质，具有良好的应用前景。
【专利说明】燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法，属于热工自动控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着国家“节能减排”政策的进一步实施，火力发电机组的发电成本日趋提高，而燃气轮机及其联合循环机组具有高效率、高灵活性、低排放、建设周期短、资金花费少等一系列的优点，成为代替火电机组的首选。目前，大多数的联合循环机组承担着电网调峰任务，其负荷指令波动较大，但是，新制定的联合循环机组升、降负荷速率指标为5% Pe/min,常规的PID负荷控制回路难以达到新制定的考核标准要求。因此，采用先进的控制策略对新制定的负荷控制系统进行改进具有特别重要的意义。
[0003]我们知道，预测控制是在过程控制工业中最具有应用价值的先进控制策略之一，通过求解丢番图方程等一系列递推公式，并对输入输出量进行约束，应用于联合循环机组中，具有良好的应用前景。
[0004]因此，为了提高联合循环负荷调节性能以及对外供热蒸汽品质，研究先进的控制策略是当如急需解决的问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服常规的PID负荷控制回路难以达到燃气轮机及其联合循环机组新制定的考核标准要求的问题。本发明的燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法，将广义预测控制算法策略引入燃气蒸汽联合循环机组负荷控制系统，对燃气蒸汽联合循环机组负荷控制系统进行调节，使机组实发功率能够尽快地跟踪AGC指令，达到新制定的考核标准要求，同时减缓汽轮机主蒸汽压力波动幅度，提高对外供热蒸汽品质，具有良好的应用前景。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]—种燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法，其特征在于:包括以下步骤，
[0008]步骤(I)，建立以燃气轮机的燃料阀开度、汽轮机入口调节阀开度为输入，机组实发功率、汽机主蒸汽压力为输出的2X2矩阵的被控对象模型；
[0009]步骤(2)，根据建立的被控对象的纯延迟时间，确定预测时域长度Np，控制时域长度M，采样时间Ts，误差权重矩阵Q、控制加权矩阵R为2X2的对角矩阵；
[0010]步骤(3)，由被控对象的传递函数模型离散化成CARIMA模型，如公式(I)所示，
IA(Z l)PW(k) = Bu(z l)UAk) + B-:2(- l)U2(k) + m)
[0011]I A2(ζ Λ)TP(k) = Β21{ζ λ )U, (k) + B22(ζ Λ )V2(k) + c2(k)q ),
mi,—
[0012]其中，為(2 ') = 1^2a?.1z '分别为卩胃⑵^卩⑵的系数，i = I或2，i = I表示燃
?Ka
气轮机燃料阀，I = 2表示汽轮机入口调节阀；B,A艺?) = Σ1)^,>ζ 分别为U1 (k)、U2 (k)的系数,i, k = I 或 2 ; ξ i (k)为零均值的白噪声，i = I 或 2 ;ai；J>bi；k；J 分别为 Ai (z<) >Bi；k(z_1)多项式中z_j的系数mapnbu分别为多项式的阶次^1GO为燃气轮机燃料阀开度，U2(k)为汽轮机入口调节阀开度；PW(k)为机组实发功率；TP(k)为汽机主蒸汽压力；
[0013]根据公式(I)及无约束广义预测控制算法，计算得到燃气轮机的开度增量AU，开度增量Λ U包括燃料阀开度增量Λ U1、汽轮机入口调节阀开度增量AU2 ；
[0014]步骤(4)，根据当前时刻的燃气轮机的燃料阀、汽轮机入口调节阀开度的约束条件，
[0015]根据公式(2)，对燃气轮机燃料阀、汽轮机入口调节阀开度进行限速处理，
?UiIk — I) + AUijnin (AUt(k) < AiZijiijll)
[0016](k) — ? U1 (k) (Δ?/(>111；η < AUt{k) < Δ?/(->ΙΙΜΙΧ)
\u-(k-Y) + AU!(AUt(k) > AtZijliax)^2)
[0017]其中，i = I, 2 ；i = I表示燃气轮机燃料阀，i = 2表示汽轮机入口调节阀；AUiQO为对应阀门开度的增量，AUiimin为对应阀门的开度变化速率的下限，AUiimax为对应阀门的开度变化速率的上限；
[0018]根据公式(3)，对燃气轮机燃料阀、汽轮机入口调节阀开度进行限幅处理，
卜师)U I/,(A) = 於)(U?ma KUiIkXUumJ
_]k 職(^M)> UljmJ
(3)
[0020]其中，Ui (k)为燃气轮机的燃料阀或汽轮机入口调节阀的开度，i = 1，2 ;i = I表示燃气轮机燃料阀，i = 2表示汽轮机入口调节阀为对应阀门开度的下限，Uiimax为对应阀门开度的上限；
[0021]根据公式(2)、公式(3)的限速处理、限幅处理，计算燃料阀、汽轮机入口调节阀两阀的实际开度；
[0022]步骤(5)，通过燃料阀、汽轮机入口调节阀两阀的实际开度，输入步骤(I)的被控对象模型，控制联合循环机组的实发功率和汽轮机主蒸汽压力的变化。
[0023]前述的燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法，其特征在于:步骤(2)所述的预测时域长度Np大于纯延迟时间，所述采样时间Ts满足香农采样定理。
[0024]本发明的有益效果是:本发明的燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法，将广义预测控制算法策略引入燃气蒸汽联合循环机组负荷控制系统，对燃气蒸汽联合循环机组负荷控制系统进行调节，使机组实发功率能够尽快地跟踪AGC指令，达到新制定的考核标准要求，同时减缓汽轮机主蒸汽压力波动幅度，提高对外供热蒸汽品质，具有良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明建立的被控对象模型的模型图。
[0026]图2是本发明燃气蒸汽联合循环机组负荷系统多变量预测控制的示意图。
[0027]图3是本发明当机组负荷为109丽低负荷点时面对AGC升、降负荷速率要求与传统控制方法的比较图。
[0028]图4是本发明当机组负荷为109MW低负荷点时，面对一次调频要求，与传统控制方法的比较图。
[0029]图5是本发明当机组负荷为165MW高负荷点时，面对AGC升、降负荷速率要求，与传统控制方法的比较图。
[0030]图6是本发明当机组负荷为165MW高负荷点时，面对一次调频要求，与传统控制方法的比较图。
【具体实施方式】
[0031]下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0032]本发明的燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法，利用多变量受限预测控制方法，解决传统的PID控制器难以使联合循环机组升、降负荷速率达到5% Pe/min的新考核标准以及汽轮机主蒸汽压力波动较大的问题，将此方法应用于联合循环机组负荷控制系统上，很好地实现了机组实发功率和对外供热品质两者的协调，使得机组实发功率能够更好地达到新制定的考核标准，汽轮机主蒸汽压力波动较小，对外供热品质提升，具体包括以下步骤，
[0033]步骤(I)，建立以燃气轮机的燃料阀开度、汽轮机入口调节阀开度为输入，机组实发功率、汽机主蒸汽压力为输出的2X2矩阵的被控对象模型，如图1所示；
[0034]步骤(2)，根据建立的被控对象的纯延迟时间，确定预测时域长度Np，控制时域长度M，采样时间Ts，误差权重矩阵Q、控制加权矩阵R为2 X 2的对角矩阵，所述的预测时域长度Np大于纯延迟时间，所述采样时间Ts满足香农采样定理；
[0035]步骤(3)，由被控对象的传递函数模型离散化成CARIMA模型，如公式⑴所示，_] I 為(2 ' )TP(k) = B1Jz 1 )Ut(k) + Β?(ζ ')U2(k) + 42(k)( i x
[0037]其中，AiU、=丨—分别为PW(k)、TP(k)的系数，i = I或2，i = I表示燃气轮机燃料阀，I = 2表示汽轮机入口调节阀；—分别为U1G^u2GO的
i=o
系数,i, k = I 或 2 ; ξ i (k)为零均值的白噪声，i = I 或 2 ;ai；J>bi；k；J 分别为 Ai (z<) >Bi；k(z_1)多项式中P的系数mapnbu分别为多项式的阶次^1GO为燃气轮机燃料阀开度，U2(k)为汽轮机入口调节阀开度；PW(k)为机组实发功率；TP(k)为汽机主蒸汽压力；
[0038]根据公式(I)及无约束广义预测控制算法，计算得到燃气轮机的开度增量△ U，开度增量Λ U包括燃料阀开度增量Λ U1、汽轮机入口调节阀开度增量AU2 ；
[0039]步骤(4)，根据当前时刻的燃气轮机的燃料阀、汽轮机入口调节阀开度的约束条件，
[0040]根据公式(2)，对燃气轮机燃料阀、汽轮机入口调节阀开度进行限速处理，
Im -1) + AUimm (AU,(k) < AUljnin)
[0041]U1(U)A Um (AU< AU,(k)< AUijmiJ
ψβ — IHΛ?/,.腿> ΔΙ7,._)(2)
[0042]其中，i = I, 2 ；i = I表示燃气轮机燃料阀，i = 2表示汽轮机入口调节阀；AUiQO为对应阀门开度的增量，AUiimin为对应阀门的开度变化速率的下限，AUiimax为对应阀门的开度变化速率的上限；
[0043]根据公式(3)，对燃气轮机燃料阀、汽轮机入口调节阀开度进行限幅处理，
K-, 砸)U
Ut(k) = IuiIk)(Jc)<￡/,_)
[0044]1?**(u,(mu,興、
ο)
[0045]其中，UiGO为燃气轮机的燃料阀或汽轮机入口调节阀的开度，i = 1，2 ;i = I表示燃气轮机燃料阀，i = 2表示汽轮机入口调节阀为对应阀门开度的下限，Uiimax为对应阀门开度的上限；
[0046]根据公式(2)、公式(3)的限速处理、限幅处理，计算燃料阀、汽轮机入口调节阀两阀的实际开度；
[0047]步骤(5)，如图2所示，联合循环机组得到的负荷指令减去汽机实发功率，同时加入负荷指令的实际微分环节，再与一次调频指令叠加得到送入燃气轮机机组的负荷指令，燃气轮机的负荷指令和汽轮机的主蒸汽压力设定值作为多变量预测控制器的设定值，结合燃气轮机当前的实发功率以及汽轮机当前主蒸汽压力，经过本发明的多变量预测控制，计算得到燃料阀、汽轮机入口调节阀两阀的实际开度，输入步骤(I)的被控对象模型，控制联合循环机组的实发功率和汽轮机主蒸汽压力的变化。
[0048]下面根据本发明提供的方法，将其应用在某180MW联合循环机组中，具体实施过程如下，
[0049]步骤一，建立以燃气轮机燃料阀开度、汽轮机入口调节阀开度为输入，机组实发功率和汽机主蒸汽压力为输出的2X2被控对象模型；
[0050]步骤二，根据建立的被控对象的纯延迟时间，确定预测时域长度Np为200s，使其大于纯延迟时间；控制时域长度M取25s，采样时间Ts为ls，满足香农采样定理，误差权
'0.07 O'
重矩阵Q和控制加权矩阵R均为2X2的对角矩阵，其中，误差权值矩阵β= 0 j Γο.οι ο I
R=I
L 0 0.01J.
[0051]步骤三，由被控对象的传递函数模型离散化成CARIMA模型，
IA1 (z ' )PW(k) 二 ?"(ζ 丨 W1 (k) + Bc(z 1 )i,2(A ) + ζ(k)
[0052]|^(ζ ')Γρ(Α.) = β;1(Γ ι)υ^)+Β22(ζ l)Uz(k) +c2(k)，
[0053]针对该特定的180MW燃气蒸汽联合循环机组，其CARIMA模型具体形式如下:
'PW{k、-X12mPW(k — I)+ 3.5575尸—2)-L7mPW(k —3) + 0.2882Ρ,(Α.—4)
=IM55U,, (A- — I) — 4.6469U, ,(A—2) + 4.269HC/, ,(A—3)^1.3075(/,, (k — 4)
+0.28766^(^-1)-0.6556^,,(^-2) + 0.4649^,,(^--4)
?
[0054]TP{k)■■■■■■ 3.m\TP(k -^1) + 4.m)TP{k -2)-2352\TP{k ^3) + 0.6633ΓΡ{Α —4)
= 7.3089χ1(Γ4?/21(Α.—麗)一0.00 夏 9?/2ι(?—2)十 Ο.ΟΟΙ7?2ι(?—3) —4.8805χ1(Γ4?21(Α-—4>
-0X)\46U22(k — I) + 0.041 KJn(k — 2) — 0.03Κ6?；,,{?^3) + 0.012 Wn(k — 4)
(5)
[0055]令系数， F)和Fj2构成以下D1phantine (丢番图)方程:
'I = E1jAlL +q iFlj
[0056]*
I = E^q-1F:(6)
[0057]将公式(6)转化为矩阵形式(7)，
Fi O]「鱗 OI[4 O] _ΓF) ο ~
[0058][O 1-— O E) —O A2A + q O Fj(乃
[0059]将矩阵形式(J)与CARIMA模型联立展开得，公式⑶，
—P(i +./) = E1jB1AUl (t +./-1) + E1jB2AU2 (t +J-1) +F；P(l) + Ε\ξχ (?+j)
[0060]<
PU (? + j)= E1jBlIsUi (? + J.-1) + E:B4AU2 (I + j.— I) + Ff PU (/)+ Ε]ξ2 (t + j)
[0061](8)其中，j为预测的步数，
[0062]令G;.= ￡;4，G)= ExjB1^ Gii=E2jBi^ G) =E1jBa^
广?ι.?1-1j
[0063]令=gjfi + gj.^ +*" + gj,，其中 i = l，2，3，4;
[0064]且=gi(k = 0, I, 2, 一< j), Sj,k 为多项式G)的系数，
[0065]设参考轨迹向量为Yr= [Yr (t+1) Yr(t+2)…Yr(t+Np)];控制增量向量为AU=[AU(t) AU(t+l)…AU(t+Nu_l)]，Nu 为控制时域长度；
[0066]其中，Yr(t)= [Pr(t) PUr(t)]T，AU(t) = [AU1U) AU2(t)]T ；
[0067]设未来的Np时刻，输出Y(t+Np)在t时刻可以确定的信息矩阵为，
【权利要求】
1.一种燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤(1)，建立以燃气轮机的燃料阀开度、汽轮机入口调节阀开度为输入，机组实发功率、汽机主蒸汽压力为输出的2X2矩阵的被控对象模型； 步骤(2)，根据建立的被控对象的纯延迟时间，确定预测时域长度Np，控制时域长度M，采样时间Ts，误差权重矩阵Q、控制加权矩阵R为2X2的对角矩阵； 步骤(3)，由被控对象的传递函数模型离散化成CARIMA模型，如公式(I)所示，
其中，
分别为PW(k)、TP(k)的系数，i = I或2，i = I表示燃气
轮机燃料阀，I = 2表示汽轮机入口调节阀；
分别为U1G^u2GO的系
数，i, k = I 或 2 ; ξ i(k)为零均值的白噪声，i = I 或 2 ;ai；J>bi；k；J 分别为 Ai (z-1) >Bi；k(z_1)多项式中z_j的系数mapnbu分别为多项式的阶次^1GO为燃气轮机燃料阀开度，U2(k)为汽轮机入口调节阀开度；PW(k)为机组实发功率；TP(k)为汽机主蒸汽压力； 根据公式(I)及无约束广义预测控制算法，计算得到燃气轮机的开度增量AU，开度增量Λ U包括燃料阀开度增量Λ U1、汽轮机入口调节阀开度增量AU2 ； 步骤(4)，根据当前时刻的燃气轮机的燃料阀、汽轮机入口调节阀开度的约束条件， 根据公式(2)，对燃气轮机燃料阀、汽轮机入口调节阀开度进行限速处理，
其中，i = 1,2 ；i = I表示燃气轮机燃料阀，i = 2表示汽轮机入口调节阀；AUiGO为对应阀门开度的增量，Λυ_η为对应阀门的开度变化速率的下限，八\_为对应阀门的开度变化速率的上限； 根据公式(3)，对燃气轮机燃料阀、汽轮机入口调节阀开度进行限幅处理，
其中，UiGO为燃气轮机的燃料阀或汽轮机入口调节阀的开度，I = 1,2 ；i = I表示燃气轮机燃料阀，i = 2表示汽轮机入口调节阀；υ^?η为对应阀门开度的下限，Utmax为对应阀门开度的上限； 根据公式(2)、公式(3)的限速处理、限幅处理，计算燃料阀、汽轮机入口调节阀两阀的实际开度； 步骤(5)，通过燃料阀、汽轮机入口调节阀两阀的实际开度，输入步骤(I)的被控对象模型，控制联合循环机组的实发功率和汽轮机主蒸汽压力的变化。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机负荷调节性能的多变量受限广义预测控制方法，其特征在于:步骤(2)所述的预测时域长度％大于纯延迟时间，所述采样时间Ts满足香农采样定理。
【文档编号】G05B13/04GK104199299SQ201410406101
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】于国强, 殳建军, 钱庆生, 刘今, 高爱民, 丁建良, 钱玉妹, 吕剑虹, 杨梓俊, 张卫庆, 李玮, 陈刚, 胡尊民, 王亚顺 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏方天电力技术有限公司