[发明专利]一种提高火电机组灵活性运行的级联自适应容积卡尔曼自抗扰控制方法

说明书

本发明公开了一种面向火电机组灵活性运行的级联自适应容积卡尔曼自抗扰控制方法。首先，将超超临界机组的协调控制系统作为研究对象并分析其控制难点；然后，为其设计级联自适应容积卡尔曼自抗扰控制方法。最后，依托仿真平台验证本发明控制方法的可行性，并采用性能指标量化统计分析控制方法的有效性。本发明的研究对象分析中，将其简化为三输入三输出的系统，更准确描述了其动态特性。此外，本发明将数值精度高且稳定性强的自适应容积卡尔曼滤波与基于误差形式的状态观测器级联，使控制器性能显著提高。很大程度上改善了系统的负荷快速控制能力，提高了机组的灵活运行能力。

技术领域

本发明涉及火力发电机组灵活性运行的协调控制技术领域，更具体地，涉及一种提高大型火力发电机组灵活运行能力的级联自适应容积卡尔曼自抗扰控制策略。

背景技术

近年来，随着规模化可再生能源发电并入电网，有效缓解了我国化石能源短缺、环境污染等问题。但其伴随的强随机性、波动性和间歇性严重威胁着电网的安全、经济、稳定运行。全球能源互联网发展合作组织指出，能源清洁低碳转型和高质量发展是贯彻落实新发展理念的重要抓手和着力点。加快能源变革转型，以清洁能源为主导转变能源生产方式，以电为中心转变能源消费方式，以大电网互联转变能源配置方式，将有力推动构建清洁低碳、安全高效的能源体系。由此可见，以可再生能源发电为主体，发挥火电机组的基荷作用将成为我国电力生产领域的发展趋势。因此，急需推进火力发电机组的技术改造，提高其深度调峰能力，为大规模集中式可再生能源电力的消纳提供保障。

超超临界机组是一种具有高热效率、低排放、少污染的先进发电技术。目前运行的超超临界机组过热器出口主蒸汽压力高于26MPa、蒸汽温度高于 600℃。与超临界机组相比，超超临界机组的热效率提高了1.2％～4％，因此它已成为我国近年来电力生产领域的主力机组。此外，超超临界机组广泛采用以锅炉跟随为基础的直接能量平衡协调控制策略，在保证快速准确响应外部负荷指令的同时维持锅炉与汽轮机之间的能量平衡。所以，挖掘超超临界机组的负荷快速控制能力，对提高能源利用效率及接纳大规模新能源电力并入电网具有重要现实意义。作为超超临界机组的控制核心，协调控制系统需满足高品质的控制性能要求以提高单元机组的灵活性运行能力。然而，超超临界机组协调控制系统具有多变量、时变、非线性、大延迟和强耦合的动态特性，加之可再生能源电力并入电网带来的波动，采用常规的控制方法已难以满足控制性能需求。因此，本文将超超临界机组的协调控制系统作为被控对象，为其设计先进的级联自适应容积卡尔曼自抗扰控制策略，对提高大型火力发电机组的灵活性运行能力具有重要意义。

自抗扰控制是基于经典PID控制理论并融合了非线性机制和现代控制理论优势的一种先进控制技术。线性自抗扰控制器具有结构固定和不依赖于精确模型的优势，易于在工业过程中实现。此外，自抗扰控制器拥有卓越的跟踪性能和抗干扰能力，其核心部件为状态观测器(ESO)。利用ESO可对未知的系统总扰动(包含内部扰动和外部扰动)进行实时准确估计，并通过状态反馈控制律对其进行补偿。可见，自抗扰控制是处理未知干扰和系统内部不确定性的有效控制方案。但传统的基于输出的自抗扰控制器在跟踪性能及工业实现便利化方面还有很大的改进空间。为提高自抗扰控制技术的工业竞争力，在控制性能和工业便利化之间达到合理平衡的基于误差的自抗扰控制(EADRC)应运而生。与传统的基于输出的自抗扰控制策略不同，EADRC将系统设定值与实际输出值之间的误差作为跟踪信号。采用基于误差形式表示的EADRC，更符合常见的工业形式及提高跟踪精度的要求。更令人满意的是，可将EADRC的三大经典元部件(微分跟踪器、ESO、反馈控制律)封装成单个模块，并设计成“即插即用”的工业解决方案。此外，将具有良好滤波精度以及数值稳定性的自适应容积卡尔曼滤波器与 EADRC的ESO级联，可降低ESO的观测负担提高控制器的跟踪精度。基于此，潜在地增加了EADRC相对于无处不在的PID型控制器的竞争力，可高效处理无精确模型的强非线性的工业过程控制问题。EADRC在电力、航空航天、燃料电池等工业领域得到广泛研究与应用。因此，采用级联自适应容积卡尔曼滤波自抗扰控制技术为多变量强耦合的单元机组协调控制系统设计控制器，以提高机组的负荷快速控制能力、实现大型火电机组的灵活性运行。

发明内容