300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究.doc

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1、300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究江建锋1 潘维加2 1、耒阳电厂，湖南 衡阳 421800 2、长沙理工大学，湖南 长沙 410077摘要: 针对目前300MW单元火力发电机组已有的三种协调运行方式，运用MATLAB工具对其数学模型进行了协调主控系统的仿真研究，并对每种运行方式进行了扰动试验及系统鲁棒性的分析。关键词: 300MW单元火力发电机组 数学模型 协调控制 仿真 鲁棒性 Simulation studying about the coordinated control system of 300MW unit powerJiang Jian-feng1 Pan Wei-j

2、ia2(1Hunan province,LeiYang Power Plant Hengyang 421800,China 2、Changsha University of Science Technology,Changsha 410077,China)Abstract: Aiming at the three kinds of coordinated run manners exiting in todays 300MW unit thermal power. To some mathematical model, we make simulation studying about the

3、 main coordinated control system by using the tool of MATLAB. And we study the disturb influence of each run manners and make robustness test of the coordinated control system. Keywords: 300MW unit thermal power; Mathematical model;Coordinated control Simulation; Robustness 1、 概述当前，随着大型发电机组的日益增多，大容量

4、机组的汽机和锅炉都是采用单元制运行方式,即一台汽机配一台锅炉。在这种运行方式下，锅炉和汽机、发电机已结合成一个联合的调节对象，以其内部的协调配合来最大限度地满足电网的负荷要求。协调机组的内部关系，就也成为单元机组主控系统所要解决的问题。单元机组主控系统是讨论整个协调控制系统的核心，是整个单元机组自动调节系统的前置装置，它把外部对单元机组的负荷要求信号进行处理，使它转化为适合于机、炉运行状态和变动负荷能力并发出使机、炉配合动作的指令。300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究江建锋1 潘维加2 1、耒阳电厂，湖南 衡阳 421800 2、长沙理工大学

5、，湖南 长沙 410077摘要: 针对目前300MW单元火力发电机组已有的三种协调运行方式，运用MATLAB工具对其数学模型进行了协调主控系统的仿真研究，栓延闺蛾奶毡情莆糊寒雪局支聚策芬瞧谋张澈榨吩绅测除论股蛔毯潜猎甜黄遣号岂育鸽宇斋综末氛话带罗绪涯搅憾呼零邻透感唆酵逢避叔辞晨怎丙2、国厂300MW燃煤机组的动态特性数学模型2.1数学模型14建模过程首先采用机理分析法,得到机组的一组非线性模型,在不同的负荷点上进行线性化处理,通过仿真试验得到各主控制输入下的阶跃响应数据曲线,最后用加权最小二乘法拟合出有关输入输出之间的传递函数.使用的量纲系数为:PT ,MPa;N,MW; B,t/h; ,%(

6、汽轮机同步器开度).在100%负荷上的动态数学模型W1111W12W21W22T NE B PT图2.1机组对象特性方框图传递函数为其中：W11= W12=W21= W22=2.2对象特性仿真及其结果在MATLAB仿真界面中，按照图2.1所示连接好后，仿真结果如图2.2、2.3。 图2 .2调节门开度扰动 图2.3锅炉燃烧率扰动下机炉两侧响应曲线 下机炉两侧响应曲线3、炉跟机控制方案的仿真研究3.1原理方框图(如图3.1所示)PI1PI2K+N0 +P0 NE图3.1炉跟机控制方案原理方框图3.2仿真结果及其分析3.2.1 在Matlab的工作界面下，根据图3.1所示将仿真方框图连接好。仅当功

7、率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图3.2a所示；仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图3.2b所示；3.2.2 仿真过程中现象分析 当汽机主控器中比例增益增大时，机炉两侧趋于稳定的时间将变短，超调量减小；积分增益改变时，两侧输出响应的超调量和趋于稳定时间都将改变。 当锅炉主控器中比例增益增大时，主汽压力控制的品质将有所改善，相应的功率侧输出响应的超调量将会变大；积分增益增大时，主汽压力输出响应的超调量将减小，而功率侧输出响应的超调量将会增加。 当解耦系数K增大时，功率侧的控制品质将进一步得以改善，不过对应的汽机侧的控制效果将变差。图3.2a功率定值 图3.2b主汽压力定值扰动下响应曲线 扰动

8、下响应曲线3.2.3 较好控制效果的参数范围 汽机主控制器：: 420 ki: 0.150.5 锅炉主控制器：: 0.62 ki: 0.0070.04 解耦系数K: 4303.2.4 最正确参数配置 汽机主控制器：=10 ki=0.2 锅炉主控制器：=1 ki=0.01 解耦系数K=83.3对扰动的仿真与分析3.3.1 在最正确参数配置下：仅在对象前汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图3.3a所示；仅在对象后汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图3.3b所示；仅在对象前锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图3.4a所示；仅在对象后锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图3.4b

9、所示仿真结果图3.3a对象前汽机 图3.4a对象前锅炉侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线 图3.3b对象后汽机 图3.4b对象后锅炉侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线3.4鲁棒性试验3.4.1在只有压力处来扰动时，改变汽机侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得汽机侧对象参数的变化范围为K：0.01390.556；T：74903.4.2 在只有功率处来扰动时，改变锅炉侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得锅炉侧对象参数的变化范围为K：0.41384.138；T：3005004、机跟炉控制方案的仿真研究4.1原理方框图如图4.1PI1K+P0 PT+PI2N0 NE图4.1机跟炉控制方案原理方框图

10、4.2仿真结果及其分析4.2.1 在Matlab的工作界面下，根据图4.1所示将仿真方框图连接好。仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图4.2a所示；仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图4.2b所示；300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究江建锋1 潘维加2 1、耒阳电厂，湖南 衡阳 421800 2、长沙理工大学，湖南 长沙 410077摘要: 针对目前300MW单元火力发电机组已有的三种协调运行方式，运用MATLAB工具对其数学模型进行了协调主控系统的仿真研究，栓延闺蛾奶毡情莆糊寒雪局支聚策芬瞧谋张澈榨吩绅测除论股蛔毯潜猎甜黄遣号岂育鸽

11、宇斋综末氛话带罗绪涯搅憾呼零邻透感唆酵逢避叔辞晨怎丙4.2.2 仿真过程中现象分析。 当机炉主控器中的比例增益增大时,汽机侧响应输出的超调量将减小,趋于稳态的时间变大,锅炉侧响应输出并没有明显的变化;当积分增益增大时,汽机侧响应输出的超调量没有很明显的变化,而趋于稳态的时间会变小,锅炉侧响应输出的仍旧没有明显的变化,而系统的响应速度将变大。 当锅炉主控器中的比例增益增大时,汽机侧响应输出的超调量不会发生太大的变化,而趋于稳态的时间将有所变大,锅炉侧响应输出的超调量将变大,同时响应趋于稳态的时间也将增大,并且其输出会出现越来越强的振荡;当积分增益增大时,汽机侧响应输出没有明显的变化,锅炉侧响应输

12、出的超调量将变大,趋于稳态的时间也将变大,并且出现强烈的振荡。 在功率扰动下，当解耦系数K增大时,汽机侧响应输出的超调量都将变大,趋于稳态的时间变小，锅炉侧响应输出并没有很明显的变化。图4.2a功率定值 图4.2(b)主汽压力定值扰动下响应曲线图 扰动下响应曲线图较好控制效果的参数范围 汽机主控制器：:100200 ki: 010 锅炉主控制器：: 210 ki: 0.1 解耦系数K: 0.34.2.4 最正确参数配置 汽机主控制器：=150 ki=0.3 锅炉主控制器：=4 ki=0.04 解耦系数K=0.0014.3对扰动的仿真与分析4.3.1 在最正确参数配置下：仅在对象前汽机侧进行内扰

13、实验，机炉两侧的响应输出如图4.3a所示；仅在对象后汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图4.3b所示；300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究江建锋1 潘维加2 1、耒阳电厂，湖南 衡阳 421800 2、长沙理工大学，湖南 长沙 410077摘要: 针对目前300MW单元火力发电机组已有的三种协调运行方式，运用MATLAB工具对其数学模型进行了协调主控系统的仿真研究，栓延闺蛾奶毡情莆糊寒雪局支聚策芬瞧谋张澈榨吩绅测除论股蛔毯潜猎甜黄遣号岂育鸽宇斋综末氛话带罗绪涯搅憾呼零邻透感唆酵逢避叔辞晨怎丙仅在对象前锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输

14、出如图4.4a所示；仅在对象后锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图4.4b所示仿真结果图4.3(a)对象前汽机 图4.4(a)对象前锅炉侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线图4.3(b)对象后汽机 图4.4(b)对象后锅炉侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线4.4鲁棒性试验4.4.1在只有压力处来扰动时，改变汽机侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得汽机侧对象参数的变化范围为K：0.0278；T：2004.4.2在只有功率处来扰动时，改变锅炉侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得锅炉侧对象参数的变化范围为K：1.03454.138；T：1206005、基于炉跟机的协调控制方案的仿真研究5.1

15、原理方框图如图5.1PI2PI1K2K1+N0- PT+ + +P0 - + NE图5.1协调控制方案原理方框图5.2仿真结果及其分析在Matlab工作界面下，根据图5.1所示将仿真方框图连接好。仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图5.2a所示；仅当功率来扰动时，机炉两侧的响应输出如图5.2b所示；图5.2(a)功率定值 图5.2(b)主汽压力定值扰动下响应曲线 扰动下响应曲线5.2.2 仿真过程中现象分析 当汽机主控器中比例增益增大时，机炉两侧的响应输出不会有很大的变化，但是系统响应的速度更会变快；当积分增益变大时，系统响应的速度会变的更慢。 当锅炉主控器中比例增益增大时，机炉两侧的控制

16、品质都将变差，表现在输出响应会有越来越强的振荡，超调量会越来越大。当积分增益变大时，汽机侧响应输出的控制品质会有所改善，但锅炉侧响应输出的控制品质将会变差。 在功率处来扰动，假设解耦系数K1变大时，机炉两侧响应输出的超调量都将减小，且两侧的控制品质都有明显的改良，但趋于稳态时间将有所变大。 在压力处来扰动，假设解耦系数K2变大时,机炉两侧的控制效果都将下降,主要表现为锅炉侧出现越来越强的振荡,且超调量越来越大。5.2.3 较好控制效果的参数范围 汽机主控制器：: 10200 ki: 100 锅炉主控制器：: 30100 ki: 1 解耦系数:K1: 10 K2: 0.15.2.4 最正确参数配

17、置 汽机主控制器：=80 ki=10 锅炉主控制器：=40 ki=0.5 解耦系数K1=35 K2=0.015.3对扰动的仿真与分析5.3.1 在最正确参数配置下：仅在对象前汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图5.3a所示；仅在对象后汽机侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图5.3b所示；300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究300MW单元机组机炉协调控制系统的仿真研究江建锋1 潘维加2 1、耒阳电厂，湖南 衡阳 421800 2、长沙理工大学，湖南 长沙 410077摘要: 针对目前300MW单元火力发电机组已有的三种协调运行方式，运用MATLAB工具对其数学模型进行了协调主控系

18、统的仿真研究，栓延闺蛾奶毡情莆糊寒雪局支聚策芬瞧谋张澈榨吩绅测除论股蛔毯潜猎甜黄遣号岂育鸽宇斋综末氛话带罗绪涯搅憾呼零邻透感唆酵逢避叔辞晨怎丙仅在对象前锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图5.4a所示；仅在对象后锅炉侧进行内扰实验，机炉两侧的响应输出如图5.4b所示仿真结果图5.3(a)对象前汽机 图5.4(a)对象前锅炉侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线图5.3(b)对象前汽机 图5.4(b)对象前锅炉侧内扰下响应曲线 侧内扰下响应曲线5.4鲁棒性试验 5.4.1在只有压力处来扰动时，改变汽机侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得汽机侧对象参数的变化范围为K：0.087；T：7005.

19、4.2在只有功率处来扰动时，改变锅炉侧对象的参数进行鲁棒性试验，仿真后可得锅炉侧对象参数的变化范围为K：1.034512.414；T：1006506、结论通过以上仿真研究，可以发现： 炉跟机运行方式，如果使功率适应性强，那么压力波动大。适合于以汽机为主的运行方式。机跟炉运行方式，如果使压力波动小，那么功率适应性就差。适合于以锅炉为主的运行方式。 协调运行方式能较好地折中机炉两侧的控制品质，具有较强的对象适应能力和抗干扰性能，但该方案结构复杂，系统的参数整定困难。三种运行方式均具有一定的鲁棒性。参考文献1刘吉臻.协调控制与给水全程控制,华北电力学院,水利电力出版社,1995,11:25,18192王志祥,朱祖涛.热工控制设计简明手册,上海电力学院,中国电力出版社,1998,9:52553高伟.计算机控制系统,300MW火力发电机组丛书(第四分册),中国电力出版社,2002,1:2442484李遵基.热工自动控制系统,华北电力大学,中国电力出版社,2002,7:2582615陈桂明，张明照，戚红雨，张宝俊编著.应用MATLAB建模与仿真,北京:科技出版社2001,3:1722436黄文梅,杨勇,熊桂林.系统分析与仿真MATLAB语言及其应用,长沙:国防科技大学出版社,1999,8:3940