基于经济预测控制的直接空冷发电机组冷端优化方法研究

Cold-end optimization provides an effective way to improve the efficiency of the direct air-cooling generating units. Because the frequent variation of load demands as well as the environmental issues have significant impacts on the performance of air-cooling system, higher operation and regulation requirements are raised . For this reason, this project proposes a new optimization control scheme for the cold-end optimization of the air-cooling generating units by using economic model predictive control, in which the economic and dynamic performance indices are integrated into one optimization problem to balance among the safety and costs, so that dynamic optimization of the air-cooling system can be achieved.The main contents of this project are as follows. Firstly, a dynamic analytical model is established on the basis of the working mechanism of air-cooling system to investigate the characteristics of the plant; the mixed logical dynamic modeling method is then employed to obtain the control model of the system for the convenience of controller design; the formulation of the economic model predictive control, as well as the related solving algorithm and disturbance rejection method are studied in detail; then the cold-end optimization strategy is proposed for the direct air-cooling generating units during large load variation; and finally, performance analysis and simulation verifications of the whole unit is carried out.

冷端优化是直接空气冷却发电机组（以下简称：直接空冷机组）实现经济运行的重要手段。频繁变动的负荷指令和环境因素都会影响空冷凝汽系统的工作性能，这对它的运行和调整提出了更高的要求。项目结合直接空冷机组的空冷凝汽系统的特点，综合考虑整体的安全性、经济性，提出基于经济预测控制的冷端优化方法，把经济指标与动态性能指标放在同一框架下进行滚动优化，从而实现空冷凝汽系统的动态优化控制。项目首先在分析空冷凝汽系统的工作机理的基础上，建立机理动态模型并研究其动态特性；然后基于混合逻辑理论建立满足在线计算要求的冷端系统混合逻辑动态控制模型；接着重点研究经济预测控制问题的构建、求解与扰动补偿问题，提出直接空冷机组在负荷大范围变化时冷端优化策略；最后进行性能分析和整体仿真验证。

基于我国燃煤发电为主导的能源结构，火电机组的经济优化运行是我国实施节能减排的重点领域。火电机组冷端系统在火电机组中占有重要地位，其中凝汽器作为汽轮机组的重要辅机之一，其运行性能对汽轮机组循环热效率有很大的影响，对火电机组的安全、经济运行有着决定性的影响。为深入研究火电机组冷端系统运行对机组整体安全性、经济性的影响，本项目以直接空冷机组冷端系统为研究对象，对冷端系统主要组成设备汽轮机、直接空冷凝汽器、热井、回热加热系统等部分进行了动态机理建模，分析了机组负荷、轴流风机群转速、环境工况(环境温度、环境风速)等因素对冷端系统背压以及机组输出功率的影响；以机组输出功率和轴流风机群功耗差值最大为优化目标，轴流风机群转速为优化变量，采用粒子群优化算法优化计算得到机组在不同负荷、不同环境温度下的最优运行背压，为直接空冷机组的冷端经济优化运行提供理论指导。针对冷端系统易受频繁变动的负荷指令和环境因素影响的特点，项目提出基于经济预测控制算法的直接空冷机组冷端优化方法研究，重点研究了经济预测控制算法的数值求解方法，具有稳定性保证的多目标经济预测控制算法以及基于L1自适应的经济预测融合控制算法，把经济指标与动态性能指标放在同一框架下进行滚动优化，从而实现直接空冷机组冷端系统的动态经济优化运行；项目还针对环境工况扰动和系统中的不确定扰动等因素，结合状态观测器、不确定扰动估计器以及自抗扰控制器等技术研究了扰动抑制控制方法。所提算法的有效性通过大量的仿真实验得到验证，仿真实验表明对直接空冷机组冷端系统实施经济优化运行对于提高机组整体的安全性、经济性具有重要意义。