火电厂自动发电控制（AGC）过程建模与优化控制研究

摘要

自动发电控制(AGC)的研究和应用近年来倍受重视和关注。通过区域电网互联是电力工业为保证国民经济持续稳定发展的必然。但互联电网对事故易发生连锁反应，从而导致大面积停电。随着电力市场的发展，在互联电网各区域之间传输的功率将日益增加，电网的运行方式也更加复杂多样，这种变化进一步增加了电力传输系统的压力，为电力系统的安全稳定运行带来了负面影响。为保障电力系统安全稳定运行，正常状态的AGC控制与紧急状态控制的电厂切机、变电站切负荷及机组快关汽门和电气制动等结合，成为目前预防事故的有效措施。但电力系统与电厂机组的动态交互特性及影响，尤其是非线性特性对电力系统动态安全分析带来的影响，到目前为止仍然是一个世界级的难题。电厂机组控制和电网动态安全稳定的分析无论从实时性还是准确性来看都还需要进一步发展。 初期的AGC为传统汽轮发电机组飞锤调速控制器进行开环负荷频率控制(LFC)的闭环自动实现，现代AGC系统为LFC的发展和深化。早期的AGC系统采用纯积分控制，或采用状态方程结合二次性能指标求解进行分析设计，难以适应电力系统快速负荷变化和机组复杂非线性的工程应用。目前的AGC的研究仍基本保持传统开环负荷频率控制时的格局：独立分为电力系统和热能动力控制两大领域。综合集成考虑电网和电厂机组间动态特性的建模分析和控制、并在AGC系统实现中采用先进的控制技术，既进行理论研究又重视实际工程应用，正在成为电力科学研究的热点。本文的讨论将围绕火电厂自动发电控制过程建模与优化控制展开，研究电力系统和电厂热能动力系统控制之间的相关应用领域。本文的目的之一是强调电网特性和电厂机组模型结合的重要性，并给出一些初步分析的结果。 本文关于火电厂自动发电控制过程的研究涉及三个方面：传统电网AGC系统多区域分布式模型的研究；电厂大型火电机组时滞非线性动态模型的分析控制；系统性能的现代优化技术研究及实际应用。在对目前电厂与电网动态交互特性的研究和发展进行分析的基础上，结合大型火电机组自动发电控制系统的机理数学模型，对多区域电力系统AGC进行了仿真研究，提出了多区域AGC系统的递阶控制的等效串级结构分析方法，讨论了AGC系统利用区域控制误差ACE同时控制系统频率和功率两个输出量的控制特点，提出了在运行工况点实现闭环子空间辨识的一种新结构和相应的算法，并在采用查询表实现模糊控制算法的基础上，导出了一种可以递推实现模糊规则修改的快速模糊控制算法。结合计算机仿真并引用火电机组AGC系统实际运行数据，对所提研究方法的正确性予以了验证。本文的主要研究成果如下： 1.针对目前电网安全和电厂安全经济高效需求，在充分研究电网与电厂大机组的动态特性交互作用和影响的基础上，根据复杂大系统的模块化建模方法和系统分解原则，结合AGC系统分布式控制系统，提出了电厂与电网交互影响的大系统递阶控制的一种等效串级结构分析方法，指出AGC闭环系统中切机(或机组非计划停运)与切负荷对系统稳定性的不同作用结果，并分析了切机等系统扰动对AGC系统在比例积分PI控制作用下的闭环稳定性。 2.针对电厂机组AGC系统数学建模中普遍存在的问题(如模型的分布参数、迟延与饱和非线性、模型中许多参数依赖于工程实际而无法精确确定等)，以大机组协调控制系统CCS的集中参数模型为例，给出了采用遗传算法处理实际DCS系统采集的运行数据并结合物理定律的一种综合集成建模方法，提出了针对带迟延非线性的稳定和积分对象的一种二阶系统阶跃响应参数估计算法，导出了采用PI控制时迟延非线性系统的参数稳定区域，为AGC系统参数采用GA优化的参数范围选择提供了很好的支持。 3.针对AGC系统的迟延特性，提出了一种通常反馈条件下利用迟延辨识动态系统的新结构模型。给出了一种基于状态子空间模型的闭环辨识新算法，该算法可以利用AGC系统正常调节的运行数据，实现电厂AGC机组数据的多变量系统辨识建模。给出了基于状态子空间模型的闭环辨识结果，验证了所提方法的正确性。 4.在对大型动态过程系统模型的控制策略和实现算法进行分析的基础上，提出了适合火电厂AGC系统的闭环辨识与控制器优化设计策略，结合模糊控制技术的实现，得到了一种递推计算模糊关系矩阵、将模糊规则的增添和删除融为一体、递推实现模糊规则修改的快速模糊控制决策表算法。该快速递推算法可大大增强控制系统的实时性。 5.在进行大量仿真研究的基础上，基于实际DCS的工程实现技术，对所提出的新型建模和控制方法所建立的AGC系统特性进行了性能优化分析，并针对实际AGC系统在电厂的频率和功率调整控制系统中的参数进行了辨识建模试验，对本文所提算法予以了验证。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：插图、表格、缩写语表

第一章绪论

第二章AGC系统模型与控制特性研究

第三章AGC系统的闭环子空间辨识研究

第四章AGC系统的模糊控制技术研究

第五章AGC系统智能参数优化技术研究

第六章火电厂AGC系统建模与优化的工程应用研究

第七章全文总结

参考文献

附录A定理1的证明

附录B引理2的证明

附录C定理2的证明

附录D定理3的证明

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的论文

作者在攻读博士学位期间主持研究的主要科研工作