CC BY
45
УДК 681.513.54+621.311.22
ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЬНОГО ПРОГНОЗИРУЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭНЕРГОБЛОКА ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
А. А. Лебедев
MODEL PREDICTIVE CONTROL OF THE THERMAL POWER PLANT GENERATING UNIT OUTPUT
A.A. Lebedev
В данной статье описана процедура синтеза алгоритма модельного прогнозирующего управления для регулирования активной мощности энергоблока тепловой электростанции, позволяющего повысить качество регулирования по сравнению с классическим линейным управлением.
Ключевые слова: тепловая электростанция, энергоблок, модельное прогнозирующее управление.
This paper reports the development of model predictive control for improved control of a thermal power plant generating unit output. As the results of modeling demonstrate, this control strategy provides more efficient control than the standard linear one.
Keywords: thermal power plant, power generating unit, model predictive control
Введение
Традиционные алгоритмы управления в электроэнергетических системах сложились более полувека назад и предполагают проектирование системы управления в виде отдельных линейных подсистем, использующих классические линейные регуляторы. Однако линейные регуляторы не позволяют учитывать ряд важных нелинейностей объекта управления: ограничение амплитуды и скорости ее нарастания для исполнительных механизмов, ограничения на некоторые параметры (например, уровень воды в барабане котла). Кроме того, энергоблок является сложной и многосвязной системой, поэтому согласованная настройка всех регуляторов требует больших временных затрат. Также очевидно, что такой подход не гарантирует получения оптимального и экономичного управления [1].
В отличие от классического линейного управления, модельное прогнозирующее управление (МПУ) позволяет учитывать характерные для энергоблоков нелинейности, а также обеспечить возможность оптимизации процесса. Данные особенности алгоритмов МПУ позволяют значительно повысить эффективность работы системы управления.
В данной работе представлена процедура синтеза алгоритма МПУ для регулирования активной мощности энергоблока тепловой электростанции,
учитывающего ограничения исполнительных механизмов и позволяющего повысить качество регулирования мощности по сравнению с классическим линейным управлением.
1. Математическая модель энергоблока
Нелинейная модель энергоблока была получена из векторных уравнений балансов массы, энергии и импульсов для элементов парового котла, представленных в виде рекуперативных теплообменников, а также из уравнений материального баланса отсеков паровой турбины и уравнения ее вращательного движения [1, 2]. Линейная модель энергоблока получена из нелинейной с помощью процедуры линеаризации «в малом» относительно номинального режима работы энергоблока и с учетом допущений, принятых в [3]. Входами модели являются входные сигналы, подаваемые на исполнительные механизмы, управляющие перемещением клапана турбины, расходом питательной воды и расходом топлива (мм, ипв. и ит соответственно). Выходы - активная мощность И, температура пара в промежуточной точке тракта ^ и температура факела в топке Записанная в пространстве состояний, модель имеет вид х(0 = Ах(0 + Ви(0, у(0 = Сх(0,
где 11(7) = [Икл ип.в. мт]т, у(0 = [4р /ф ЩТ, х(0 е К30.
Лебедев Александр Анатольевич - аспирант кафедры «Автоматика и управление» ЮУрГУ; A.A.Lebedev@gmail.com
Lebedev Alexandr Anatolievich - postgraduate student of Automation and Control department of SUSU; A.A.Lebedev@gmail.com
А.А. Лебедев
2. Синтез алгоритма модельного
прогнозирующего управления
Типовая структурная схема системы управления энергоблоком представлена на рис. 1 [2]. Введены следующие обозначения (см. рис. 1): ТРМ -турбинный регулятор мощности, КРМ - котельный регулятор мощности, РТ - регулятор температуры, ИМК - исполнительный механизм клапана турбины, ИМПВ - исполнительный механизм подачи питательной воды, ИМТ - исполнительный механизм подачи топлива, Д - дифференциатор, N3 - задание по мощности, /3 - задание по температуре, Д, в - расход питательной воды, DT - расход топлива, Лю, - относительное перемещение клапана турбин, рк - давление пара на выходе котла, DK -расход пара на выходе котла, м„, мпв. им,- соответственно управляющие воздействия действующие на исполнительные механизмы клапана турбины, клапана подачи питательной воды и подачи топлива.
Модельное прогнозирующее управление - алгоритм управления, основанный на решении задачи оптимального управления в реальном масштабе времени и состоящий из следующих шагов.
1. В момент времени к для текущего вектора состояния х(к) решить в реальном времени для разомкнутого контура задачу оптимального управления для некоторого будущего интервала (горизонт предсказания гг), учитывая ограничения.
2. Применить первый шаг последовательности оптимального управления.
3. Повторить процедуру для момента к + 1, используя текущее состояние \(к +1).
Наиболее приемлемым вариантом применения алгоритма МПУ в задаче регулирования активной мощности энергоблока является замена одного или нескольких линейных регуляторов системы управления на регуляторы с МПУ. Такой подход позволяет сохранить существующую структуру системы управления, оставляя возможность непосредственного регулирования других парамет-
(1)
ров энергоблока (давление пара на выходе котла, температура в промежуточной точке тракта и др.).
Основным управляющим воздействием при регулировании активной мощности энергоблока является перемещение регулирующего клапана турбины Ли, [2]. Формирование сигналов, управляющих исполнительным механизмом клапана турбины, осуществляется ТРМ. Поэтому использование алгоритма МПУ в ТРМ представляется наиболее эффективным.
Таким образом, в качестве объекта управления для регулятора с МПУ выступает канал ^кл—N. Выделяя вышеуказанный канал из модели (1) и переходя к дискретной форме с шагом 0,1 с, получим
х(к +1) = А|Х(А:) + Щи{к)), у{к) = Cjx(&),
где U = Мк„, y = N, х е R14.
Задача МПУ формулируется как задача ограниченного квадратичного программирования, учитывающая нелинейность исполнительного механизма:
и
J(U, AU, Е) = AUrQAU AU + ErQEE-> min, х(к) - Ах(к -1) - Bu(A -1) = 0, у(к)-Сх(к) = 0,
0 < и(к) < 1,
где
и=[и(А: + 1),...,и(к + п)],
AU = [и(к + 1)-и(к), ...,и(к + п)-и{к + п-\)~\,
Е = [у(к + \)-уъ(к +1 ),...,у(к + п)-у3(к + л)], Qav = diag(0,1...0,l), Qe = diag(l...l).
Здесь уъ(к) - заданное значение (уставка).
3. Результаты моделирования
Для моделирования использовался пакет программ MATLAB 2006а / SIMULINK. На рис. 2 представлены результаты моделирования при уве-
Рис. 1. Структурная схема системы управления мощностью энергоблока
24
Вестник ЮУрГУ, № 26, 2009
Применение модельного прогнозирующего управления для регулирования активной мощности энергоблока тепловой электростанции______________
800
750
700
40
20
0
800
750
700
650
20
О
-20
Задание по мощности, МВт
г:
20
30
Отбор пара, т/ч
40
50
60
70
10
20
30 40
Вырабатываемая мощность, МВт
50
60
70
I I ■ I I I
Ч
\ \ I \ \
30 40
Относительная ошибка, %
50
“1“
X
20
30 40
Выходные сигналы ТРМ
50
60
70
30 40
Время, мин
Рис. 2. Результаты моделирования
70
личении задания по мощности на 10 %. При этом на 30-й минуте на систему начинает действовать внешнее возмущение - включается отбор пара на собственные нужды. На трех последних графиках сплошная линия соответствует системе с ПИД-регуляторами, настроенными на технический оптимум, пунктирная линия соответствует МПУ.
Используемые модели исполнительных механизмов содержат естественные ограничения по амплитуде, поэтому при подаче входного сигнала выход исполнительного механизма попадает в зону насыщения, что приводит к ухудшению качества регулирования. В отличие от классического управления, алгоритм МПУ учитывает данное ограничение, что позволяет обеспечить работу механизма в зоне линейности. Также наблюдается увеличение быстродействия и повышение качества регулирования.
Заключение
В рамках проведенных исследований рассмотрена возможность применения алгоритмов модель-
ного прогнозирующего управления. Экспериментальные результаты показывают увеличение быстродействия и улучшение качества регулирования мощности при модельном прогнозирующем управлении по сравнению с классическим управлением. При этом более высокое качество регулирования достигается при меньшей интенсивности управляющих воздействий.
Литература
1. Синергетические методы управления сложными системами: Энергетические системы / под ред. А. А. Колесникова. - М.: КомКнига, 2006. — 248 с.
2. Плетнев Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций: учеб. пособие для вузов. / Г.П. Плетнев. — М.: Энергоиз-дат, 1981.-367 с.
3. Чертков Н.К. Система моделирования энергетических установок / Н.К. Чертков, Г.Б. Бар-менков, Б. Б. Мешков 1/ Теплоэнергетика. - 2006. -№5.-С. 62-65.
Поступила в редакцию 14 мая 2009 г.
