Alstom气化炉控制基准问题的分析研究

江苏电机工程2010年11月Jiangsu Electrical Engineering第29卷第6期Alstom气化炉控制基准问题的分析研究郝飞',刘吉臻2,谭文2(1.南瑞继保电气有限公司,江苏南京210006;2.华北电力大学,北京102206)摘要:气化炉控制基准问题是对一类多变量 强耦合.非线性的系统模型进行控制的问题。针对这一模型首先采用间隙测度的方法对其进行了的非线性度的分析,并进行了线性化处理;结合RGA在分散控制中确定操纵变量和被控变量之间的配对关系的方法,引入了一种改进的、实用的回路变量配对的准则,考虑了系统的动态行为。最后根据分析结果,给出了系统的控制结构的设计方案。关键词:厂级控制;非线性度;间隙测度;分散控制;相对增益阵列中圈分类号:TP273;TK323文献标志码:A文章编号:1009-0665(2010)06 0007 -04Alstom公司提出气化炉控制基准问题的模型分析。用于系统非线性分析的方法有很多，近年来非是一个复杂的过程控制模型,是一个具有非线性和线性的量化问题受到了人们的重视，也出现了几种.强耦合的多变量系统,具有5个控制输人量和4个方法:稳态图方法、泛函无限级数方法、协方差矩阵输出。控制输人量包括进口空气流量War进口蒸汽方法、统计方法以及基于算子范数的量化方法。本文流量W、、煤粉流量Wan吸附剂流量W。和排出煤中采用的是一种间隙测度的方法对系统的非线性度焦量Wa,输出量为料床质量M.、燃料气的热值进行分析[s),从而确定系统是否适合采用线性的控Cm温度T_和压力Pg。另外下游燃气透平进气阀制策略,以及控制器的选择。在气化炉模型中分别给门的调解,会对气化炉的压力产生扰动,带来扰动出了气化炉在100%负荷.50%负荷.0%负荷的系统输人量P:"。在Alstom气化炉控制的基准问题中,模型,对其进行线性化后可以得到用状态空间表示所采用的气化炉是87 MW空气鼓风气化循环具有25个状态6输入4输出的系统,本文将主要对(ABGC)整体示范电厂的一-部分,采用喷动流化床系统在100%和50%的2个负荷之间进行系统的非气化概念设计。煤粉和吸附剂(石灰)由增压空气和线性的分析。蒸汽运送,喷人气化炉里,空气和蒸汽对固体进行气化炉系统CTPm 燃气轮机进口燃气流化，同时与煤中的碳和挥发份发生化学反应,产生低热值燃气(约4.5 MJ/kg,相当于天然气热值的V好12%) ,经净化后进入燃气轮机，余下的灰分,石灰和未完全反应的碳从气化炉的底部或顶部排出。气上化护为了能够获得更好的控制性能指标,需要对系Wa.w&W-M= 本统模型进行设计前的深人分析,了解系统的非线性W.度,明确变量之间的控制关系(24),为具体控制器的设计打下基础。本文主要从2个方面展开,一方面通过引人间围1气化炉原理图隙测度的方法对系统的非线性度进行分析,另一方1.1.1间隙测度与非线性度面采用了一种改进的变量配对的方法,从静态特性设P为pxm的有理传递函数矩阵。令P具有以和动态特性两个角度对系统变量的控制关系进行下正规化右互质因式分解:分析,确定系统的控制结构。P=NxM',且M:M+N:N=1(1)1气化炉控制基准问题的非线性分析式中:():,即M(s) :=M(-s)F。P的图(graph)为Hardy.空间H的子空间.1.1基于间隙测度方法的模型非线性分析中国煤化工Alstom提供的气化炉模型是一个非线性的模(2)型,具有4个输出量,5个输人量和1个千扰量(见HCNMHG图1),因此首先需要对这个系统模型进行非线性的2个线性系统P和P2的间隙(gap)定义为6.7]:8(P,P):=l| Ian-IanlI (3)收稿日期:2010-04-23;修回日期:2010-05-26.8江苏电机工程其中I为正交投影。间隙可以认为是2个线X=diag(8.58x10 ,5.21x10 , 1.55x10 , 164.64)性系统的“距离”的度量,它不仅适用于稳定的系标量化后的系统静态增益为:G (0)=X G(0)统,同时也适用于不稳定的系统。介于计算上的考虑,本文定义了如下基于间隙测度的非线性度为:由于篇幅在文中只给出了100%负荷下标量化后的系统的静态增益。Vj;=inf 8dN,L)=inf sup&(L,mL)(4( 0.0385. -0.0427 0.0444 -0.0474式中: L,N为N在任意操作点r.上的线性化模型, L .oo(0)=-0.1115 -0.0297 0.0770 -0.0142为所有可行线性模型。实际计算中,通常将L固定0.0327 0.8630 0.0477 0.501 9为N在某-操作点上的线性化模型,因此式(4)反l 0.0088 0.1284 -0.1101 -0.2834」映了非线性系统与某一线性化模型的距离。下面分2一种实用回路配对准则的研究及其应用析一下气化炉系统模型从50%变化到100%负荷过程中的非线性度变化情况。2.1有效相对增益阵列(ERGA)1.1.2气化炉模型的非线性度的分析令G()表示系统输人输出传递雨数矩阵,G(0)以气化炉系统在100%负荷时的模型作为研究是稳态增益矩阵, G ei";i=1,2,.. ,M, 2im,=n,的标称模型，让其模型从100%变化到50%计算变化后模型与标称模型之间的间隙测度,得到的曲线其中G,是对原系统分解后得到的不重叠的方阵子如图2所示。对于2个模型之间的间隙在-般情况系统，G,∈i代表G的x:和u;之间的块增益,下应满足0≤g∞φ≤1 ,在间隙测度的计算中,0代表pair(y,4)表示与G,(s)相关的变量配对。-一个系统的2个模型之间几乎是一样的，而值越大表明2个系静态相对增益阵列可以通过公式[8):统的差距越大。从图中可以看出气化炉系统模型存在着较强的非线性,如果在系统负荷在50%~100%A(G)=G(0)-G(0)"(5)变化时采用一个线性的控制器将很难得到好的控由于上式是根据系统的静态增益计算出来的,制效果,因此需要考虑采用多模型的控制,或在不而无法体现系统的动态行为,因此在本文中对其进同负荷段进行相应控制器的切换。行了修改,并引入了回路的带宽频率,它可以反映系统回路的响应速度。在分散的控制系统设计中单独回路的调节,-般是在控制系统的带宽所在的频段0.8附近进行的，而回路的响应速度在频域中是与带宽0.6成比例的，因此可以用带宽来反映来自有限带宽控0.4制的相互作用和快速响应的配对回路。令:0.2g, (jw)=g; (O)g,(jw)(6)式中:g(0)和g/(iw)分别是稳态增益和g(iw)归-化01520图2基于间隙测度方法的系统非线性分析曲线的传递函数,即g;(0)=1。为了能将稳态增益和响应速度的信息用于回路间相互作用的量度和回路配1.2模型标化处理模型的标量化处理在多变量的系统设计和分对,本文中引人了有效增益:析中是很-一个很重要的环节,其目的之一就是要保eσ=g()。|&Ci)o(7)证在不同负荷条件下以同一标准对系统的响应进其中wp,j为频率响应降到0.707g。(0)时的频率。行衡量和分析。本文采用了一种简单的方法,标量化矩阵可以表示为:即:gy (ovp.,)=g(0)V2 ,式(7)中的ey可以认为是Xg=g;(jw)的有效能量输出(见图3),相应的有效增益矩max{ I Co)2, I [Gxe()]| |I2, I[G~()]Na}阵可中国煤化工式中: [00oe(0),表示在100%负荷下系统静态增益TYHCNMHG矩阵的第i行，在对系统不同负荷条件下静态增益E=|~Z~Z的计算和选取后,可以得到系统的标量化矩阵:lea e2“em郝飞等:Alsom气化炉挖制基准问题的分析研究9↑e,V@)3气化炉控制基准问题的控制结构的确定气化炉在100%负荷时系统可以通过线性化得g()到一个4输人4输出的状态空间表示，通过降阶处0.707g,()理获得系统的最小实现,其含有为17个状态。根据前面的定义和公式可以得到其带宽矩阵为:[0.0124 0.338 6 0.256 0 0.309 8。0.0003 0.0004 0.0003 0.001 00.0410 0.0512 3.7161 0.8952图3有效能的表示及响应曲线[0.05731 0.0029 0.0042 0.0006可以将式(7)简化成:eg =≈g(0)0B.,得到有效增根据式(8 ,9)可得最终的ERGA为:益矩阵为:[0.0001 -0.0193 0.0043 1.0149E=G(0)⑧2(8)ERGA=| 1.0071 -0.0083 0.0008 0.00 3Wg.n Wg.u2 ”Wg.n-0.00270.5678 0.4543 -0.019 4. -0.0045 0.4598 0.5406 0.004 1其中:Q=在结合NI值的情况,可以得到系统的被控变量与操纵变量之间的控制关系为:由于eg是当(y;-y)回路闭合时,其对其他回路{6i ,u),6r2 ,u),63-Y4 ,4-4)互相作用能量的一个指示，其值越大表明此回路的其中由于(x,-y。,u-u, )的ERGA的元素并没有优势越大。因此可以将其与RGA结合,将其称之为呈现出很大的优势,或者从RGA的结论分析它们之间的耦合很大,无法对其进行完全的分散控制，因ERGA ,此可以得到以下的系统的控制结构设计方案:ERGA=E区E-T因为ERGA也是用相对增益计算来的,因此它(r ,u4),02 ,u,)可以采用独立的单回路进行控制和具有RGA的所有特性。调节,至于控制器的选择根据系统的实际情况而定;2.2闭环稳定性指标(;-y, ,u2-u,)由于存在很强的耦合,可以将其作为如果系统的所有环路都闭合，如果NI的值是负一个分散块采用多变量的控制方法进行控制，也可的,那末对于任何可能的控制器的参数,多回路系统以先解耦成单回路的,然后再进行控制器的设计。将是不稳定的。其中:4结束语N= |G(O)L(10)Img(0) .文中针对Alstom公司提出的气化炉控制基准问题的模型从两个方面进行了详细的分析。一方面NI> 0提供了一个必要的稳定条件。从式(10)系统非线性度的分析,表明系统在100%负荷变化中可以看出他的值也是与系统的静态增益矩阵有到50%负荷段之间存在着很强的非线性,单单通过关,所以它可以作为ERGA的一个补充,用来判断一个控制器的调节是很难获得优良的控制品质的,配对方案的闭环稳定性。需要针对不同的负荷段设计不同的控制器，然后再2.3改进的分散控制系统的配对准则根据负荷的变化进行控制器的无扰切换。另一.对于分散控制系统来说，操纵变量和被控变量方面由于在多变量分散控制中RGA的变量配对的之间的控制关系的确定是系统设计的一个相当关键方法只能体现系统的静态特征,无法反映动态行为,的部分，它的选择正确与否将关系到整个系统的控而动态RGA的设计又依赖于控制器，文中通过一制性能。下面给出一种简单实用又可以兼顾到系统种改进ERGA的方法,进行了系统操作变量和被控的动态特性和闭环稳定的配对准则:(1)优先选择变量的控制关系的确定最终确定了系统控制结构。ERGA元索的值最接近零的;(2)NI的值要大于零;中国煤化工气化炉控制问题得(3)所有配对的ERGA的值都要大于零;(4)舍弃到以|YHCNMHG则度方法对系统非ERGA的值过大的元素。线性度分析，在50% 100%负荷应该采用至少2个ERGA用来衡量回路间的相互作用,而NI作为线性控制器,如果采用2个控制器,根据间隙测度的一个充分的条件来去除那些闭环不稳定的配对。曲线可以将分界点设在80%负荷;在100%负荷时10江苏电机工程系统可以采用分散控制的方法.但对(v,-y, ,u2-4,)th IEEE Conf. 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Considering the dynamic behavior of the system, the paper adopts a modified and practicalloop variables pairing rule combined with the RGA method in the decentralized control to determine the relationshipbetween the manipulated variables and the controlled variables. Finally the system control structure is proposed in the paper.Key words: plantwide control; nonlinear degree; gap metric; decentalized control; relative gain array(上接第6页)置的设计与实现[]继电器,2007 ,35(4):49-52.157-160.[3]莫峻,谭建成.变电站过程总线采样值传输仿真系统[J].[6]石剑华,黄文韬。基于GOOSE报文的简易母线保护的应电力自动化设备,2010 ,30(5); 101-103.用[]广西电力,2010,23(1);45-48.[4]谌争鸣,陈辉,陈卫,等.全数字化继电保护测试系统设计[J].电力自动化设备,2009.29(5);109-112.[5]邓洁清袁宇波,基于PLC模块的变电站自动化测试仿真系陈久林(1970-),男,江苏扬州人,高级T程师.主要从事电力系统的实现及应用[)].电力系统保护与控制,2009 ,37(24);统继电保护的试验与研究工作。Research on Relay Protection Packet Simulation SystemCHEN Jiu-lin, GE Yong-gao, JIANG Yi-quan, FAN Li-xin(Jiangsu Frontier Electric Technology Co, Ltd, Nanjing 21102,0 China)Abstract: Relay protection packet simulation system is basis of function test of relay protection and is also part oftransformer substaion automation simulation test system. The relay protection packet simulation system completes thesystem-level test of the transformer substation automation system with transformer substation automation simulation testsystem based on PLC module. Firstly, this paper describes the stu中国煤化工ulation system. Itexplains the software, hardware and background system. Techniqu. The sccessfulresearch and development of the relay protection packet simulationYHCN M H Gm for esinig theperformances of transformer substation automation system and a good tool for analyzing the transformer substation failure.Key words : transformer substation automation system test; packet simulation system; simulation device