USST_Arts_112340290负荷跟踪型发电系统协调控制方式的智能化研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 2.58MB 70 页 15积分

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摘要

智能电网建设已成为中国能源和电力工业发展的一个新方向。随着信息技术

的发展，电网的智能化也在迅速发展。所谓电网智能化，指的是使用先进的测量

与控制技术，在高速发展的通信网络上，实现电网的可靠、经济、高效、环境友

好及安全的使用期望。火力发电系统是智能电网的重要组成部分，汽轮机和锅炉

是火力发电系统的主要设备。因此，需要研究如何提高汽轮机和锅炉的工作效率

和发电设备的输出功率，即如何提高机组平均负荷响应速度和机组具有大范围、

持续变负荷能力，进而保证电力系统的稳定运行和智能化算法的实施。

本文首先讨论了现代控制理论和智能控制在锅炉主蒸汽温度控制中的应用。

主蒸汽温度直接影响汽轮机的输出功率，该发电功率如何匹配负荷功率，是智能

电网研究的重点和热点之一。首先建立发电系统（锅炉及汽轮机）响应负荷的模

型，在引入协调控制的机制下，设计了发电系统跟踪负荷的控制系统，该系统具

有反馈及时、响应时间短、能够大幅度降低因延时而带来的电量输出误差等优点，

有利于提高电网运行的安全性和经济性。

其次，在主蒸汽温度控制系统上，本文主要采用了非线性离散控制算法、模

糊PID算法、模糊积分控制算法、模糊控制算法这几种智能控制算法。这些现代控

制理论与智能控制领域的算法，与传统经典控制理论相比更适合锅炉这种具有大

滞后、非线性、不确定性等特点的复杂系统。根据建立的模型，运用MATLAB软

件对各种算法进行了仿真，通过仿真结果对各种控制算法的性能进行了详细的分

析。实验结果表明，本文所研究运用的算法和模型可以进一步提高智能电网运行

的实时性和经济性，两种算法都有一定误差并有差异，但基本可以响应实时变化

的负荷。

最后，在实验室的工业锅炉控制实验平台上搭建了实际的硬件和软件控制实

验系统，通过计算机上位机的控制实现了锅炉主蒸汽温度的智能化控制。集成了

锅炉主蒸汽温度控制的总体硬件结构和各组成部件的功能结构，介绍了整个系统

的工作原理，确定了实验方案；在windows平台下，利用labview可视化编程软件，

编写了上位机程序，详述了软件系统中开发通讯模块、实时显示模块、控制算法

模块的具体工作原理和系统软件平台的功能。通过系统运行和数据仿真，验证了

系统的硬件和软件设计的合理性，系统运行稳定可靠，有实际的应用价值。

关键词：智能电网协调控制方式负荷跟踪非线性离散控制器

模糊PID控制

ABSTRACT

With the development of China's energy and power industry, the smart grid

construction has become a new direction. Information technology and smart grid are

developing simultaneously. The intelligent power grid operation, which refers to using

advanced measurement and control technology to achieve the expectation of reliable,

economic, efficient, environmental friendly and safe operation of power grid on the

rapid development of communication network. Thermal power system is an important

part of smart grid, steam turbine and boiler is the main equipment of thermal power

system. Therefore, we need to study how to improve the working efficiency of the

steam turbine and boiler and the output power of power generation equipment, namely

how to improve the response speed and average load of unit generator with large range,

continuous variable load capacity to ensure the stable operation and intelligent

algorithms of power system.

This paper firstly discusses the modern control theory and the application of

intelligent control in boiler main steam temperature control system. Main steam

temperature directly affects the output power of the steam turbine. The generator power

of how to match the load power is one of the focus and hotspot in the research of the

smart grid. At first, power generation system (boiler and steam turbine) is established by

the response of load model. With the introduction of the mechanism of coordination

control, power system load tracking control system is designed. The system has some

advantages, for example: a feedback in time, short response time and it can greatly

reduce the output error because of the delay, etc. It can improve the safety and economy

of power grid operation.

Moreover, in the boiler main steam temperature control system, we use a nonlinear

discrete control algorithm, fuzzy PID algorithm, fuzzy integral control algorithm, fuzzy

control algorithm. Algorithm in this paper belongs the theory of modern control and

intelligent control field. Compared with traditional classical control theory, the

algorithm is more suitable for the boiler with many characteristics, such as large lag,

nonlinearity, uncertainty of complex systems. In addition, simulations of various

algorithms are made by MATLAB software, and detailed analysis of the performance of

the controlling algorithms are conducted by using the results of simulations. The

experimental results show that in this paper, the proposed algorithm can further improve

the safety and economy of the smart grid operation. These two algorithms have some

differences and both of them have some errors, but they basically can respond to

real-time change of the load.

Lastly, we built on actual hardware and software of the control experiment system

in the industrial boiler control experiment platform of the laboratory and realize the

intelligent control of the boiler main steam temperature through the computer upper

monitor. Additionally, the hardware structure of the main steam temperature control of

boiler is illustrated, including structure characteristics of various components, analysis

of the working principle of the whole system, and thus to determine the experimental

scheme. Introduction about how to use the software system on Labview virtual

instrument on the basis of windows is also stated in this paper. Detailed descriptions

about software systems development communication module, display module, control

module concrete realization process are illustrated, as well as the working principle of

the system software platform. The normal operation of the system proves that the

system hardware and software design are reasonable. The system operates stable and

reliable, which proves that it has a practical application value.

Key Words: smart grid, coordinated control system, load tracking,

nonlinear discrete controller, fuzzy PID control

1.1 课题背景 ............................................................................................................. 1

1.2 智能电网概述 ..................................................................................................... 2

1.2.1 电网发展面临的机遇与挑战 .................................................................. 2

1.2.2 国外的智能电网 ...................................................................................... 3

1.2.3 我国的智能电网 ...................................................................................... 4

1.2.4 我国智能电网发电环节的发展目标和研究课题（2010-2020） ......... 5

1.3 控制系统的发展现状 ......................................................................................... 6

1.3.1 经典控制理论 .......................................................................................... 6

1.3.2 现代控制理论 .......................................................................................... 8

1.3.3 智能控制理论 .......................................................................................... 9

1.4 发电系统（设备）中锅炉主蒸汽温度控制系统 ........................................... 12

1.4.1 锅炉主蒸汽温度控制系统的特点 ........................................................ 12

1.4.2 锅炉主蒸汽温度控制系统的研究现状 ................................................ 12

1.5 本文的主要内容及安排 ................................................................................... 13

2.1 锅炉的种类和工作原理 ................................................................................... 15

2.2 协调控制方式 ................................................................................................... 16

2.3 锅炉汽轮机协调控制的负荷跟踪系统 ........................................................... 18

2.4 主蒸汽温度控制 ............................................................................................... 20

2.4.1 串级控制系统的组成 ............................................................................ 20

2.4.2 主蒸汽温度串级控制系统 .................................................................... 21

2.5 燃烧控制 ........................................................................................................... 21

2.6 再热蒸汽温度控制 ........................................................................................... 22

2.7 起动系统 ........................................................................................................... 22

3.1 非线性离散控制器在锅炉主蒸汽温度控制中的应用 ................................... 24

3.1.1 发电设备模型的建立 ............................................................................ 24

3.1.2 目标值的跟踪 ........................................................................................ 25

3.1.3 抗干扰对策 ............................................................................................ 26

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

第二章发电系统（设备）中直流锅炉协调控制方式的研究 .................................. 15

第三章非线性离散法在锅炉主蒸汽温度控制中的应用 .......................................... 24

3.2 非线性离散控制器的模型 ............................................................................... 28

3.2.1 非线性离散模型的建立 ........................................................................ 28

3.2.2 非线性系统的控制 ................................................................................ 29

3.3 非线性离散算法的控制效果 ........................................................................... 29

4.1 超调防止型混合模糊控制 ............................................................................... 33

4.2 时间常数补偿控制系统 ................................................................................... 36

4.3 模糊控制算法 ................................................................................................... 37

4.4 模糊积分控制 ................................................................................................... 41

4.5 模糊 PID 控制 .................................................................................................. 41

4.5.1 模糊 PID 控制器的结构 ........................................................................ 42

4.5.2 模糊 PID 控制器的设计 ........................................................................ 43

4.5.3 模糊 PID 控制器规则设计 .................................................................... 44

4.6 算法比较及智能控制方法在发电系统中的应用 ........................................... 45

5.1 锅炉系统的硬件组成 ....................................................................................... 49

5.1.1 锅炉主体 ................................................................................................ 51

5.1.2 检测装置 ................................................................................................ 52

5.1.3 执行机构 ................................................................................................ 53

5.1.4 数据采集卡 ............................................................................................ 53

5.2 锅炉系统的软件组成 ....................................................................................... 55

5.2.1 实时数据软件通讯处理 ........................................................................ 56

5.2.2 实时显示 ................................................................................................ 57

5.2.3 Labview 程序和控制算法 ...................................................................... 57

5.2.4 实时温度显示和离线控制 .................................................................... 59

第四章模糊控制算法在锅炉主蒸汽温度控制系统中的应用 .................................. 33

第五章发电系统中锅炉主蒸汽温度智能控制系统软硬件设计与开发 .................. 49

第六章结论与展望 ...................................................................................................... 62

参考文献 ........................................................................................................................ 63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目取得的成果 ............................................ 66

致谢 .............................................................................................................................. 67

第一章绪论

1.1 课题背景

随着制造工业和现代技术的飞快发展，控制技术也在不断改进。每一种先进

的、可实现的控制算法的出现都会很大程度上地推动工业生产水平的发展。然而，

实际的工业科技水平与当今的科研成果并不同步，甚至相差甚远。造成这样的结

果有多个方面的原因，其中，一个很重要的原因是理论研究缺乏实际背景支持，

将理论算法应用于现场会遇到各种实际的问题，制约了理论算法应用。目前在实

验室中难以具备模拟真实工业过程的条件，所以，在实验室中设计具有典型对象

特性的装置是一条将理论成果转化为实际应用技术的捷径。

智能电网建设已成为中国能源和电力工业发展的一个新方向。随着信息技术

的发展，电网的智能化也在迅速发展。所谓电网智能化，指的是使用先进的测量

与控制技术，在高速发展的通信网络上，实现电网的可靠、经济、高效、环境友

好及安全的使用期望。火力发电系统是智能电网的重要组成部分，汽轮机和锅炉

是智能电网中火力发电系统的主要设备。因此，需要研究如何提高汽轮机和锅炉

的工作效率和发电设备的输出功率，即如何提高机组平均负荷响应速度，使机组

具有大范围、持续变负荷能力。进而保证电力系统的稳定运行和智能化算法的实

施。

发电系统中的锅炉主蒸汽温度控制系统，是基于发电过程的物理模拟对象。

该系统包括温度、压力、流量、液位等参数，可以实现系统单回路控制、比值控

制、串级控制、前馈—反馈控制、解耦控制、参数的辨识等多种控制的形式。锅

炉的主蒸汽温度控制回路在发电过程控制中的应用十分广泛。锅炉将输入的化学

能、电能、高温烟气的热能等转换为蒸汽、高温水或有机热载体。锅炉燃烧水产

生蒸汽，蒸汽经过一次过热和二次过程成为温度、湿度、压力都符合条件的蒸汽

进入汽轮机，将热能转化为机械能，再由汽轮机旋转将机械能转化为电能，将电

输送到各个电站进行分配[1]。存在的问题是，锅炉燃烧水产生的蒸汽经过一系列复

杂的过程才能够被传输到汽轮机中，因此这一过程就会产生较大的延时，如何改

进控制方法来减少或者消除延时带来的控制误差是历来研究的重点与难点[2]。随着

人工智能和现代科技的发展，智能控制算法也逐渐成为工业生产过程中不可或缺

的一部分。

同时，锅炉是一个具有非线性、不确定性的大滞后复杂系统，PID 控制器因其

结构简易、操作方便而广泛应用于工业制造的过程控制中。但这种方法有它的不足

之处，比如说：只适应线性控制领域、参数调节耗时耗力、对延时系统控制性能

较差等。随着微分几何方法的引入，使得非线性控制理论获得了巨大的发展，非

上海理工大学硕士学位论文

线性控制因其能够很好地处理系统动态与静态性能之间的矛盾、跟踪设定值与外

界干扰之间的协调问题，并且控制具有较强的灵活性，在工业控制领域也越来越

多的得到应用。

现代控制理论和智能控制已经应用在汽轮机锅炉主蒸汽温度控制中。主蒸汽

温度直接影响汽轮机的输出功率，该发电功率如何匹配负荷功率，是智能电网研

究的重点和热点之一。首先建立发电系统（锅炉及汽轮机）响应负荷的模型，在

引入协调控制的机制下，设计了发电系统跟踪负荷的控制系统，该系统具有反馈

及时、响应时间短、能够大幅度降低因延时而带来的电量输出误差等优点，有利

于提高电网运行的安全性和经济性。

1.2 智能电网概述

智能电网，即电网的智能化，通过采用先进的传感测量、通信网络、自动控

制、信息化、新材料等技术对传统电网进行升级改造，使之成为具有高度智能化、

信息化、互动化的新一代电网。

智能电网能够充分满足用户的电力需求，确保电力供应的安全性、可靠性和

经济性，保证电能质量，保护环境，适应电力市场化发展，从而实现对用户可靠、

经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。

智能电网是一个完整的基础设施和体系架构，可以实现对电力客户、电力资

产、电力运营的持续监视，通过信息化手段提高电网企业的管理水平、工作效率

和服务水平。随着经济社会的发展，世界各国的电网规模不断扩大，影响电力系

统安全运行的不确定因素和潜在风险随之增加，而用户对电力供应的安全性、可

靠性以及电能质量的要求越来越高，电网发展所面临的资源和环境压力也越来越

大，发展智能电网已成为全社会的共识。

1.2.1 电网发展面临的机遇与挑战

人类进入新世纪以来，社会经济快速发展，电网面临良好的发展机遇，同时

也面临许多挑战，影响电网发展的主要因素是全球性的能源危机和气候变化。经

济社会要实现可持续发展，就必须减少对化石能源的依赖，减少城市化、工业化

过程中对环境的影响，节能减排就成为可持续发展的必然要求，绿色低碳将是未

来经济发展的主导模式。电网发展正面临着世界能源革命和我国改变经济发展方

式的双重机遇。

1.环境和能源

目前，我国能源供应主要依赖化石能源，由此造成的环境污染和温室气体排

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摘要：

摘要智能电网建设已成为中国能源和电力工业发展的一个新方向。随着信息技术的发展，电网的智能化也在迅速发展。所谓电网智能化，指的是使用先进的测量与控制技术，在高速发展的通信网络上，实现电网的可靠、经济、高效、环境友好及安全的使用期望。火力发电系统是智能电网的重要组成部分，汽轮机和锅炉是火力发电系统的主要设备。因此，需要研究如何提高汽轮机和锅炉的工作效率和发电设备的输出功率，即如何提高机组平均负荷响应速度和机组具有大范围、持续变负荷能力，进而保证电力系统的稳定运行和智能化算法的实施。本文首先讨论了现代控制理论和智能控制在锅炉主蒸汽温度控制中的应用。主蒸汽温度直接影响汽轮机的输出功率，该发电功率如何匹...

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