Alstom氣化爐控制基準問(wèn)題的分析研究

江蘇電機工程2010年11月Jiangsu Electrical Engineering第29卷第6期A(yíng)lstom氣化爐控制基準問(wèn)題的分析研究郝飛',劉吉臻2,譚文2(1.南瑞繼保電氣有限公司,江蘇南京210006;2.華北電力大學(xué),北京102206)摘要:氣化爐控制基準問(wèn)題是對一類(lèi)多變量 強耦合.非線(xiàn)性的系統模型進(jìn)行控制的問(wèn)題。針對這一模型首先采用間隙測度的方法對其進(jìn)行了的非線(xiàn)性度的分析,并進(jìn)行了線(xiàn)性化處理;結合RGA在分散控制中確定操縱變量和被控變量之間的配對關(guān)系的方法,引入了一種改進(jìn)的、實(shí)用的回路變量配對的準則,考慮了系統的動(dòng)態(tài)行為。最后根據分析結果,給出了系統的控制結構的設計方案。關(guān)鍵詞:廠(chǎng)級控制;非線(xiàn)性度;間隙測度;分散控制;相對增益陣列中圈分類(lèi)號:TP273;TK323文獻標志碼:A文章編號:1009-0665(2010)06 0007 -04Alstom公司提出氣化爐控制基準問(wèn)題的模型分析。用于系統非線(xiàn)性分析的方法有很多，近年來(lái)非是一個(gè)復雜的過(guò)程控制模型,是一個(gè)具有非線(xiàn)性和線(xiàn)性的量化問(wèn)題受到了人們的重視，也出現了幾種.強耦合的多變量系統,具有5個(gè)控制輸人量和4個(gè)方法:穩態(tài)圖方法、泛函無(wú)限級數方法、協(xié)方差矩陣輸出?？刂戚斎肆堪ㄟM(jìn)口空氣流量War進(jìn)口蒸汽方法、統計方法以及基于算子范數的量化方法。本文流量W、、煤粉流量Wan吸附劑流量W。和排出煤中采用的是一種間隙測度的方法對系統的非線(xiàn)性度焦量Wa,輸出量為料床質(zhì)量M.、燃料氣的熱值進(jìn)行分析[s),從而確定系統是否適合采用線(xiàn)性的控Cm溫度T_和壓力Pg。另外下游燃氣透平進(jìn)氣閥制策略,以及控制器的選擇。在氣化爐模型中分別給門(mén)的調解,會(huì )對氣化爐的壓力產(chǎn)生擾動(dòng),帶來(lái)擾動(dòng)出了氣化爐在100%負荷.50%負荷.0%負荷的系統輸人量P:"。在A(yíng)lstom氣化爐控制的基準問(wèn)題中,模型,對其進(jìn)行線(xiàn)性化后可以得到用狀態(tài)空間表示所采用的氣化爐是87 MW空氣鼓風(fēng)氣化循環(huán)具有25個(gè)狀態(tài)6輸入4輸出的系統,本文將主要對(ABGC)整體示范電廠(chǎng)的一-部分,采用噴動(dòng)流化床系統在100%和50%的2個(gè)負荷之間進(jìn)行系統的非氣化概念設計。煤粉和吸附劑(石灰)由增壓空氣和線(xiàn)性的分析。蒸汽運送,噴人氣化爐里,空氣和蒸汽對固體進(jìn)行氣化爐系統CTPm 燃氣輪機進(jìn)口燃氣流化，同時(shí)與煤中的碳和揮發(fā)份發(fā)生化學(xué)反應,產(chǎn)生低熱值燃氣(約4.5 MJ/kg,相當于天然氣熱值的V好12%) ,經(jīng)凈化后進(jìn)入燃氣輪機，余下的灰分,石灰和未完全反應的碳從氣化爐的底部或頂部排出。氣上化護為了能夠獲得更好的控制性能指標,需要對系Wa.w&W-M= 本統模型進(jìn)行設計前的深人分析,了解系統的非線(xiàn)性W.度,明確變量之間的控制關(guān)系(24),為具體控制器的設計打下基礎。本文主要從2個(gè)方面展開(kāi),一方面通過(guò)引人間圍1氣化爐原理圖隙測度的方法對系統的非線(xiàn)性度進(jìn)行分析,另一方1.1.1間隙測度與非線(xiàn)性度面采用了一種改進(jìn)的變量配對的方法,從靜態(tài)特性設P為pxm的有理傳遞函數矩陣。令P具有以和動(dòng)態(tài)特性?xún)蓚€(gè)角度對系統變量的控制關(guān)系進(jìn)行下正規化右互質(zhì)因式分解:分析,確定系統的控制結構。P=NxM',且M:M+N:N=1(1)1氣化爐控制基準問(wèn)題的非線(xiàn)性分析式中:():,即M(s) :=M(-s)F。P的圖(graph)為Hardy.空間H的子空間.1.1基于間隙測度方法的模型非線(xiàn)性分析中國煤化工Alstom提供的氣化爐模型是一個(gè)非線(xiàn)性的模(2)型,具有4個(gè)輸出量,5個(gè)輸人量和1個(gè)千擾量(見(jiàn)HCNMHG圖1),因此首先需要對這個(gè)系統模型進(jìn)行非線(xiàn)性的2個(gè)線(xiàn)性系統P和P2的間隙(gap)定義為6.7]:8(P,P):=l| Ian-IanlI (3)收稿日期:2010-04-23;修回日期:2010-05-26.8江蘇電機工程其中I為正交投影。間隙可以認為是2個(gè)線(xiàn)X=diag(8.58x10 ,5.21x10 , 1.55x10 , 164.64)性系統的“距離”的度量,它不僅適用于穩定的系標量化后的系統靜態(tài)增益為:G (0)=X G(0)統,同時(shí)也適用于不穩定的系統。介于計算上的考慮,本文定義了如下基于間隙測度的非線(xiàn)性度為:由于篇幅在文中只給出了100%負荷下標量化后的系統的靜態(tài)增益。Vj;=inf 8dN,L)=inf sup&(L,mL)(4( 0.0385. -0.0427 0.0444 -0.0474式中: L,N為N在任意操作點(diǎn)r.上的線(xiàn)性化模型, L .oo(0)=-0.1115 -0.0297 0.0770 -0.0142為所有可行線(xiàn)性模型。實(shí)際計算中,通常將L固定0.0327 0.8630 0.0477 0.501 9為N在某-操作點(diǎn)上的線(xiàn)性化模型,因此式(4)反l 0.0088 0.1284 -0.1101 -0.2834」映了非線(xiàn)性系統與某一線(xiàn)性化模型的距離。下面分2一種實(shí)用回路配對準則的研究及其應用析一下氣化爐系統模型從50%變化到100%負荷過(guò)程中的非線(xiàn)性度變化情況。2.1有效相對增益陣列(ERGA)1.1.2氣化爐模型的非線(xiàn)性度的分析令G()表示系統輸人輸出傳遞雨數矩陣,G(0)以氣化爐系統在100%負荷時(shí)的模型作為研究是穩態(tài)增益矩陣, G ei";i=1,2,.. ,M, 2im,=n,的標稱(chēng)模型，讓其模型從100%變化到50%計算變化后模型與標稱(chēng)模型之間的間隙測度,得到的曲線(xiàn)其中G,是對原系統分解后得到的不重疊的方陣子如圖2所示。對于2個(gè)模型之間的間隙在-般情況系統，G,∈i代表G的x:和u;之間的塊增益,下應滿(mǎn)足0≤g∞φ≤1 ,在間隙測度的計算中,0代表pair(y,4)表示與G,(s)相關(guān)的變量配對。-一個(gè)系統的2個(gè)模型之間幾乎是一樣的，而值越大表明2個(gè)系靜態(tài)相對增益陣列可以通過(guò)公式[8):統的差距越大。從圖中可以看出氣化爐系統模型存在著(zhù)較強的非線(xiàn)性,如果在系統負荷在50%~100%A(G)=G(0)-G(0)"(5)變化時(shí)采用一個(gè)線(xiàn)性的控制器將很難得到好的控由于上式是根據系統的靜態(tài)增益計算出來(lái)的,制效果,因此需要考慮采用多模型的控制,或在不而無(wú)法體現系統的動(dòng)態(tài)行為,因此在本文中對其進(jìn)同負荷段進(jìn)行相應控制器的切換。行了修改,并引入了回路的帶寬頻率,它可以反映系統回路的響應速度。在分散的控制系統設計中單獨回路的調節,-般是在控制系統的帶寬所在的頻段0.8附近進(jìn)行的，而回路的響應速度在頻域中是與帶寬0.6成比例的，因此可以用帶寬來(lái)反映來(lái)自有限帶寬控0.4制的相互作用和快速響應的配對回路。令:0.2g, (jw)=g; (O)g,(jw)(6)式中:g(0)和g/(iw)分別是穩態(tài)增益和g(iw)歸-化01520圖2基于間隙測度方法的系統非線(xiàn)性分析曲線(xiàn)的傳遞函數,即g;(0)=1。為了能將穩態(tài)增益和響應速度的信息用于回路間相互作用的量度和回路配1.2模型標化處理模型的標量化處理在多變量的系統設計和分對,本文中引人了有效增益:析中是很-一個(gè)很重要的環(huán)節,其目的之一就是要保eσ=g()。|&Ci)o(7)證在不同負荷條件下以同一標準對系統的響應進(jìn)其中wp,j為頻率響應降到0.707g。(0)時(shí)的頻率。行衡量和分析。本文采用了一種簡(jiǎn)單的方法,標量化矩陣可以表示為:即:gy (ovp.,)=g(0)V2 ,式(7)中的ey可以認為是Xg=g;(jw)的有效能量輸出(見(jiàn)圖3),相應的有效增益矩max{ I Co)2, I [Gxe()]| |I2, I[G~()]Na}陣可中國煤化工式中: [00oe(0),表示在100%負荷下系統靜態(tài)增益TYHCNMHG矩陣的第i行，在對系統不同負荷條件下靜態(tài)增益E=|~Z~Z的計算和選取后,可以得到系統的標量化矩陣:lea e2“em郝飛等:Alsom氣化爐挖制基準問(wèn)題的分析研究9↑e,V@)3氣化爐控制基準問(wèn)題的控制結構的確定氣化爐在100%負荷時(shí)系統可以通過(guò)線(xiàn)性化得g()到一個(gè)4輸人4輸出的狀態(tài)空間表示，通過(guò)降階處0.707g,()理獲得系統的最小實(shí)現,其含有為17個(gè)狀態(tài)。根據前面的定義和公式可以得到其帶寬矩陣為:[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圖3有效能的表示及響應曲線(xiàn)[0.05731 0.0029 0.0042 0.0006可以將式(7)簡(jiǎn)化成:eg =≈g(0)0B.,得到有效增根據式(8 ,9)可得最終的ERGA為:益矩陣為:[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=在結合NI值的情況,可以得到系統的被控變量與操縱變量之間的控制關(guān)系為:由于eg是當(y;-y)回路閉合時(shí),其對其他回路{6i ,u),6r2 ,u),63-Y4 ,4-4)互相作用能量的一個(gè)指示，其值越大表明此回路的其中由于(x,-y。,u-u, )的ERGA的元素并沒(méi)有優(yōu)勢越大。因此可以將其與RGA結合,將其稱(chēng)之為呈現出很大的優(yōu)勢,或者從RGA的結論分析它們之間的耦合很大,無(wú)法對其進(jìn)行完全的分散控制，因ERGA ,此可以得到以下的系統的控制結構設計方案:ERGA=E區E-T因為ERGA也是用相對增益計算來(lái)的,因此它(r ,u4),02 ,u,)可以采用獨立的單回路進(jìn)行控制和具有RGA的所有特性。調節,至于控制器的選擇根據系統的實(shí)際情況而定;2.2閉環(huán)穩定性指標(;-y, ,u2-u,)由于存在很強的耦合,可以將其作為如果系統的所有環(huán)路都閉合，如果NI的值是負一個(gè)分散塊采用多變量的控制方法進(jìn)行控制，也可的,那末對于任何可能的控制器的參數,多回路系統以先解耦成單回路的,然后再進(jìn)行控制器的設計。將是不穩定的。其中:4結束語(yǔ)N= |G(O)L(10)Img(0) .文中針對Alstom公司提出的氣化爐控制基準問(wèn)題的模型從兩個(gè)方面進(jìn)行了詳細的分析。一方面NI> 0提供了一個(gè)必要的穩定條件。從式(10)系統非線(xiàn)性度的分析,表明系統在100%負荷變化中可以看出他的值也是與系統的靜態(tài)增益矩陣有到50%負荷段之間存在著(zhù)很強的非線(xiàn)性,單單通過(guò)關(guān),所以它可以作為ERGA的一個(gè)補充,用來(lái)判斷一個(gè)控制器的調節是很難獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)的,配對方案的閉環(huán)穩定性。需要針對不同的負荷段設計不同的控制器，然后再2.3改進(jìn)的分散控制系統的配對準則根據負荷的變化進(jìn)行控制器的無(wú)擾切換。另一.對于分散控制系統來(lái)說(shuō)，操縱變量和被控變量方面由于在多變量分散控制中RGA的變量配對的之間的控制關(guān)系的確定是系統設計的一個(gè)相當關(guān)鍵方法只能體現系統的靜態(tài)特征,無(wú)法反映動(dòng)態(tài)行為,的部分，它的選擇正確與否將關(guān)系到整個(gè)系統的控而動(dòng)態(tài)RGA的設計又依賴(lài)于控制器，文中通過(guò)一制性能。下面給出一種簡(jiǎn)單實(shí)用又可以兼顧到系統種改進(jìn)ERGA的方法,進(jìn)行了系統操作變量和被控的動(dòng)態(tài)特性和閉環(huán)穩定的配對準則:(1)優(yōu)先選擇變量的控制關(guān)系的確定最終確定了系統控制結構。ERGA元索的值最接近零的;(2)NI的值要大于零;中國煤化工氣化爐控制問(wèn)題得(3)所有配對的ERGA的值都要大于零;(4)舍棄到以|YHCNMHG則度方法對系統非ERGA的值過(guò)大的元素。線(xiàn)性度分析，在50% 100%負荷應該采用至少2個(gè)ERGA用來(lái)衡量回路間的相互作用,而NI作為線(xiàn)性控制器,如果采用2個(gè)控制器,根據間隙測度的一個(gè)充分的條件來(lái)去除那些閉環(huán)不穩定的配對。曲線(xiàn)可以將分界點(diǎn)設在80%負荷;在100%負荷時(shí)10江蘇電機工程系統可以采用分散控制的方法.但對(v,-y, ,u2-4,)th IEEE Conf. 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Department of劉吉臻(1951-),男,山西嵐縣人,教授,博士生導師,研究方向Chemical Engineering Norwegian University of Science and為大機組智能優(yōu)化控制,火電廠(chǎng)綜合自動(dòng)化;Technology,2000.[5] JAMES M R,SMITH M C, VINNICOMBE G. Gap Metrics,潭文(1969-),男,江西九江市人,教授, 研究方向為魯棒控制,工業(yè)過(guò)程控制。Representations, and Nonlinear Robust Stability[C]. Proc. 39Analysis and Research on the Benchmark Problem of Alstom Gasifier ControlHAO Feil, LIU Ji-zhen', TAN Wen2(1.Nanjing Nari-relays Elctic Co., Ltd, Nanjing 21100 China; .2.North China Elcric Power University, Beijing 102206, China)Abstract: The gasifier control benchmark problem is an isue associated with the control of the multi-variables, strongcoupling and nonlinear system model. A nonlinear degree analysis using the gap metric method and linearization operation iscarried out for the model firstly. 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頁(yè))置的設計與實(shí)現[]繼電器,2007 ,35(4):49-52.157-160.[3]莫峻,譚建成.變電站過(guò)程總線(xiàn)采樣值傳輸仿真系統[J].[6]石劍華,黃文韜?；贕OOSE報文的簡(jiǎn)易母線(xiàn)保護的應電力自動(dòng)化設備,2010 ,30(5); 101-103.用[]廣西電力,2010,23(1);45-48.[4]諶爭鳴,陳輝,陳衛,等.全數字化繼電保護測試系統設計[J].電力自動(dòng)化設備,2009.29(5);109-112.[5]鄧潔清袁宇波,基于PLC模塊的變電站自動(dòng)化測試仿真系陳久林(1970-),男,江蘇揚州人,高級T程師.主要從事電力系統的實(shí)現及應用[)].電力系統保護與控制,2009 ,37(24);統繼電保護的試驗與研究工作。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中國煤化工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