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摘要：针对汽轮机组各种运行方式的特点（包括优点和缺点），从能量供需协调的角度出发，提出了机组柔性控制，该控制方法结构简单，调整方便，不带非线性环节，具有明显的减弱锅炉汽压广义对象非线性的作用。对于不同的机组都可以通过调整一个参数-能量供需协调度a，得到满足主汽压波动小、机组负荷适应性强的控制系统，该控制系统适用于机组在大范围的不同工况下运行。仿真表明了这一结果。
关键词：柔性控制；汽轮机组；能量供需协调；功频调节
1 引言
单元火电机组控制目标的本质是保证能量转换过程顺利地进行，保证能量转换过程各环节能量流的供需平衡。整个能量转换过程是一个复杂的,多输入、多输出的过程,在输入和输出之间存在着相互关联和耦合，在认定锅炉系统正常燃烧和正常给水，励磁系统正常工作的前提下，单元机组可简化为一个具有双输入双输出的被控对象，机组的能量流输出（功率Ne）和机前压力PT为被控量，调节汽门开度mT和能量流输入（燃料量mB）为控制量。
由于火电机组各环节能量转换过程的快慢程度相差很大（见图1），第1、2环节是一个相对慢速的能量转换过程,有非线性，惯性较大，在锅炉中完成；第3、4环节是一个相对快速的能量转换过程,惯性较锅炉小得多，由汽轮发电机完成。要保证能量转换过程顺利地进行，对快速能量转换过程和慢速能量转换过程进行协调是必要的。 （图片） 机炉协调控制在火电机组中得到了广泛采用[1,2]，但目前采用的机炉协调控制存在以下不足：① 目前的机炉协调控制是在机跟炉或炉跟机两种方式的基础上加以修补而成的，因此在本质上这些协调控制存在炉跟机或机跟炉的特性（包括优点和缺点）；② 很大程度上基于物理概念进行设计，例如加入汽压死区限制、功率上下限幅等，结果是引入了非线性，使系统复杂化，回路动态特性设计的难度增加；③ 所采用的系统更多是调试出来的，不是设计出来的，即使有些研究采用了最优控制、预测控制、智能控制等设计的控制器，也由于过分的繁琐、复杂限制了应用。
本文的目的是从能量流动和转换的角度，深入研究锅炉、汽轮机和电网负荷之间的能量供需内在特性, 以找到一种控制方法, 使系统结构简单、调整方便、消除非线性影响，能满足各型机组控制的要求。
2 火电机组柔性控制的设计思想
2.1 常规协调控制方式的回顾
通常火电单元机组包括炉跟机运行、机跟炉运行、以炉跟机为基础的协调运行和以机跟炉为基础的协调运行4种方式。
当炉跟机运行时，锅炉的负荷是根据汽轮机的要求而变化的，汽轮机调节器控制能量输出（机组功率），锅炉调节器控制主汽压，负荷快速适应性好，但汽压波动较大；当机跟炉运行方式时，锅炉调节器控制能量输入（燃料量），汽机调节器控制主汽压，这种方式汽压波动小，但负荷适应能力较差。
以炉跟机为基础的协调运行，引入功率控制带有死区的非线性环节，当主汽压波动超过非线性环节的死区时，非线性环节将输出一个信号直接作用于汽门调节阀，通过其动作限制主汽压波动；以机跟炉为基础的协调运行，引入了一个具有上下限幅的非线性环节，作用于主汽压调节回路，来提高机组跟踪负荷的能力，这种适应负荷变化能力的提高是牺牲主汽压的稳定性换取的。
以上两种协调运行方式都带有明显的炉跟机或机跟炉的痕迹,也就是说仍然或多或少带有这两种基本运行方式自身的不足；而引入的死区或限幅环节带来了强非线性，对控制系统设计产生不利因素。
2.2 柔性控制的概念和结构
保持单元火电机组能量流供需双方的平衡是控制的目标，机炉间的协调控制实质上就是能量流供需平衡的控制，炉跟机运行方式代表了“按需分配”，以满足能量需求为控制目标，需要多少能量就供给多少；机跟炉运行方式代表了“按供分配”，以不超过能量供应能力为控制目标，能供多少能量就供给多少。
由于火电机组各环节能量转换过程的快慢程度相差很大，炉跟机运行方式的主要矛盾是能量供应不足，表现为主汽压波动过大；机跟炉运行方式的主要矛盾是能量供应过程缓慢，表现为负荷适应性较差。这两种基本模式形成了控制特性的两个极端，现有的两种协调运行方式是两种基本运行方式向对方靠拢的结果，所得到的协调运行方式的控制特性也大致是两种基本方式的控制特性在某种意义下的折衷，这反映了火电机组控制发展的趋势。基于以上分析，提出了一种机炉协调的柔性控制概念，见图(1)、(2)。（图片） 图1中KT1为引入汽轮机调节器的功率信号通道增益；KT2为汽压信号通道增益；KB1为引入锅炉调节器的功率信号通道增益；KB2为汽压信号通道增益。
分析发现：当KT1和KB2取极小增益（为零），而KT2和KB1取极大增益（为1）时，就成为机跟炉运行方式，火电机组具有完整的机跟炉特性；当KT1和KB2取为1时，而KT2和KB1取值为零时，就变成为炉跟机运行方式，火电机组具有完整的炉跟机特性；当KT1和KB1、KT2和KB2取两极值之间（0～1），就决定了机组协调运行是炉跟机运行为主，还是机跟炉运行为主。
如果设定各信号通道增益表示为KT1 =1-a，KB2=1-a，KT2=a，KB1=a。那么当a取最大值1时，KT1=0，KB2=0，KT2=1，KB1=1就成为机跟炉运行方式；当a取最小值0时，KT1 =1，KB2=1，KT2=0，KB1=0就成为炉跟机运行方式；当a取两极值之间（0～1），KT1，KB2， KT2，KB1取两极值之间（0～1）就决定了机组协调控制是炉跟机为主，还是机跟炉运行为主。
用一个简单的参数a取0~1之间的值就表示机组运行的特性，当机组出现能量供应不足时，a值需要增大，机组中炉跟机功能的比重下降，而机跟炉功能的比重加大，即增加了能量供应为控制目标的比重，解缓了能量供应不足的矛盾；同理当机组出现能量需求不足时，a值需要减小，机组中炉跟机功能的比重加大，而机跟炉功能的比重下降，即增加了能量需求为控制目标的比重，解缓了能量需求不足的矛盾。
显然a值具备能量供需协调的功能，这里称a为能量供需协调度。通过调整a值，使机组达到能量流的供需‘平衡点’，既能保证较小的主汽压波动，又既能保证较好的负荷适应性，这个点的值a p是柔性控制的最佳点。不同的机组由于其锅炉和汽轮机的特性不同，ap的值也是不同的。可以根据锅炉和汽轮机对象特性,找到合适的a值，使机组既能保证较小的主汽压波动，又能保证较好的负荷适应性，满足机组运行的要求。能量供需协调度a和机组特性的关系见表1。（图片） 图3中虚线框内为柔性控制器的结构图，输入参数为机组功率、电网频率和主蒸汽压力。汽轮机主调节器采用功频调节，同时引入主汽压反馈信号；锅炉主调节器引入主汽压、机组功率和电网频率反馈信号，输出控制燃料量和调节阀开度。（图片） 2.3 柔性控制减弱了非线性的影响
火电机组能量转换过程存在着非线性，由于非线性系统设计十分繁琐，应用上有相当的困难，而常用的小偏差线性化方法，一般仅适用于工作点附近一定范围内，不适用于大范围变工况情况。因此要获得适用于大范围变工况且调整方便的控制系统是有相当困难的。
锅炉汽压广义对象的非线性是火电机组的主要非线性，产生的主要原因有两个（见图3）：
1）过热器管道进口压力Pd与出口压力PT的压力降和蒸汽流量SF之间存在平方关系：Pd-PT=kSF2，即dPd-dPT=2kSFdSF，取过热器非线性系数R（SF）= 2kSF；
2）主蒸汽流量变动DST与调节阀的开度变动DμT和主蒸汽压力变动DPT的乘积成正比：DST=KDmTDPT，调节阀开度mT和主蒸汽压力PT相互关联。
分析发现，由于柔性控制采用功频调节（引入机组功率和电网频率信号），减弱了锅炉汽压广义对象的非线性的影响。功频调节时，汽轮机组表现为恒功率输出，调节阀引起的非线性对主蒸汽流量ST没有多大影响；过热器蒸汽流量SF变动较小，非线性系数R（SF）=2kSF变动较小，其特性出现明显的线性化。
根据线性系统的叠加性原理，定义锅炉汽压广义对象动态特性的相对线性度
qN=[PT(△N3)-PT(△N1)]-PT(△N2]/PT(△N3)×100%
式中DN3=DN1+DN1，DN为变量，PT (DN)为函数量，|q|越小，PT(N)的线性化程度越好，当q=0时PT(N)完全线性化。
可以证实功频调节对锅炉非线性特性的线性化作用，当负荷变化DN1=-40MW，DN2=-60MW，DN3=DN1+DN1=-100MW，采用斜波输入方式，在40s内升至变化值时，函数输出量主蒸汽压力PT(DN)的相对线性度见图4。（图片） 功频调节的|q|值比速度调节（仅引入转速信号）小一个数量级，主汽压PT(DN)的相对线性度|q|≤0.1，即锅炉汽压广义对象的动态特性在功频调节的作用下非线性的影响大大减弱。
3 火电机组柔性控制模型
图3是火电机组柔性控制系统图，锅炉蒸汽系统采用低阶的非线性模型[2,3]，其中燃烧动态特性为Wr(S)；燃煤为e-20S/(30S+1)；燃油或燃煤气为1/(15S+1)；水蒸发传递函数为1/(TFS+1)，TF=98；锅炉蓄热系数CB=176S；过热器管道阻力系数Ksh=0.07；主汽阀门管道阻力传递函数1/TsS，Ts=8；汽轮机及中间再热容积 (1+lTpS)/(1+TpS)，高压缸功率系数l =1/3，Tp=9；转子传递函数1/（TaS+b），Ta=8，b=0.010；发电机异步阻力系数 CD=20；发电机同步功率传递函数为1/TrS，Tr=20 ；锅炉主调节器 P1I1，P1=1，KI=200；汽轮机功频调节器P2I2，P2=1，KI=8；汽轮机纯速度调节1/d =20；汽轮机额定功率为300MW；额定主蒸汽压力为16.17 Mpa。
4 柔性控制的动态特性仿真和研究
4.1 柔性控制的动态特性
在本仿真研究中作了以下必要的假设：① 锅炉系统燃烧和供水正常；② 励磁系统工作正常；③ 采用单机无穷大电网。
当机组并网正常工作，出现电网频差扰动或负荷给定变动时，采用不同能量供需协调度a值的柔性控制的动态特性有很大的区别，电网频差Df出现2%的级跃扰动时的动态特性，可见随着a值的增大，主汽压力波动明显减缓，见图5(a)，当a≌0.92时，主汽压力PT波动出现极小值，随后出现主汽压力PT相反方向的波动。当a =0时，负荷适应能力最好，输出功率Ne响应迅速，随着a值的增大，输出功率波动变大，见图5(b)，到一定值后趋于平缓，当a ≌0.92时，输出功率波动出现极小值，达到了整个过程的能量供需平衡点，柔性控制的动态特性最佳。（图片） 4.2 柔性控制的大范围变工况特性
由于功频调节明显减弱了锅炉非线性特性的影响，锅炉汽压特性表现出良好的全局性能一致性。当汽轮机组在不同工况工作，负荷出现扰动时，汽轮机控制方式对锅炉汽压广义对象特性有明显的影响，采用功频调节的锅炉汽压特性几乎不受工况变化的影响，而采用速度调节时影响显著，见图6。（图片） （图片） 在不同工况300MW、250MW和200MW时，负荷出现15MW扰动时，以工作点300MW和250MW为例，可以发现采用速度调节，锅炉汽压特性随工况变动有较大的变化，峰值分别为PT1=15.38MPa, PT2=15.46Mpa，差值达0.08Mpa，其相对峰值变化度∣(PT1-PT2)/PT1×100%=0.5%,调整时间分别为T1=912s，T2=881s，差值为31s，相对调整时间变化度∣(T1-T2)/ T1×100%=2.5%；而采用功频调节时，锅炉汽压特性随工况变动很小， 峰值差值0.005Mpa，调整时间差值为2s，表现了在大范围不同工况下，锅炉汽压特性良好的全局性能一致性。
5 几点说明
（1）采用能量供需协调度和功率调节相结合的柔性控制方法，可以获得结构简单、调整方便，能满足各型机组大范围全工况控制的要求。
（2）能量供需协调度a 反应了机组能量流供需双方的平衡，它的取值和锅炉与汽轮机对象特性有关，燃料的种类、锅炉的类型和汽轮机的类型都对a 值有明显的影响。不同类型的机组都有一个能量供需最佳平衡点ap，仅通过调整一个参数a就可以得到ap值。有的机组允许主汽压在相应的范围内波动，那么a 取值可以根据实际使用情况，选择小于a p值。
燃料种类的不同主要表现为燃烧动态特性的差异，煤的燃烧过程由纯滞后环节和惯性环节组成；油和煤气燃烧迅速，几乎没有纯滞后环节，可看成只有一个惯性环节。因此燃煤炉能量供给速度较慢，要求增大能量供给为控制目标的比重，即a p值较大，而燃油炉的a p值相对较小。
燃煤炉中带中间粉仓供煤方式的纯滞后比直吹式供煤方式要小得多，应该增大能量供给为控制目标的比重，即中间粉仓式的ap值比直吹式供煤方式大一些。
锅炉类型的不同主要表现蓄热容量的差异，直流炉的蓄热容量比汽包炉小得多，约为汽包炉的1/2～1/4，可利用的蓄热量较小，负荷扰动时，蒸汽参数变化大，因此能量供给速度需加大，即a p值较大。
汽轮机类型的不同主要是有无中间再热器的区别，中间再热型机组有一个相当大的中间再热器，高压缸部分的特性和非中间再热机组相同，中、低压缸的功率变动只随中间再热器参数的变化而变化，由于中间再热器热容量很大，机组对能量的需求也有所降低，即ap值较小。当机组工作在30%负荷以下时，中压调节阀工作，两类机组特性相同。
（3）汽轮机采用功率调节保证了火电机组在大范围不同工况下，良好的全局性能一致性，引入的主汽压反馈解决了功率调节对锅炉汽压对象特性的无自平衡问题，这对锅炉的控制是有利的。目前大多数大型火电机组采用电液调节，具有功率调节功能，即使原来没有，增加功率调节也是容易的，这为全面实现火电机组柔性控制提供了基础。
（4）本文对火电机组柔性控制仅提出了一个粗浅的想法，做了一些仿真试验，还有许多工作需要做，特别是ap值的计算方法和调整措施等。谨希望广大同行共同加以研究，使这种想法能够趋于完善，早日应用于生产。
参考文献
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2/20/2005
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