生物质直燃发电系统的多参数鲁棒预测控制方法研究

Because the biomass combustion power generation has both economic and environmental benefits, it has been thought as a promising energy technology in the context of the growing energy and environmental issues. However, the combustion system, the circulating fluidized bed (CFB), has large inertia. Consequently, the change of load, biomass fuel type or moisture content (MC) will lead to the wide fluctuations of the gas-solid pressure and the bed temperature, which raises higher operation and regulation requirements. The main contents of this project are as follows. Firstly, a dynamic analytical model is established on the basis of the working mechanism of circulating fluidized bed for biomass fuel, to investigate the characteristics of the combustion system; the dynamic analytical model is then simplified to obtain the control model of the system for the convenience of controller design; To deal with the large inertial and the changing biomass fuel types, the formulation of the model predictive control, as well as the related solving algorithm and disturbance rejection method are studied in detail; and finally, performance analysis and simulation verifications of the whole unit is carried out.

生物质发电由于具有良好的经济和环保效益，近年来得到了快速发展。然而由于循环流化床锅炉的结构比较复杂，燃烧系统的滞后性比较大，造成目前当锅炉负荷变动或燃料的类型、含水率变化时，容易引起床温、床压在较大范围内的波动，影响机组运行安全。为此，首先建立生物质循环流化床燃烧系统的动态机理模型，以充分分析燃烧系统的动态响应特性；然后通过对机理模型的合理简化，得到面向控制系统设计的控制模型；接着针对生物质循环流化床发电机组具有大时滞特性、燃料多变的特点，研究了一类状态常时滞系统的有约束多变量参数鲁棒预测控制方法。最后，将该预测控制方法用于锅炉燃烧系统变工况时的参数调节或跟踪控制仿真实验，以检验所提方法的合理性和有效性。

生物质循环流化床直燃发电系统是一个典型的非线性、大延迟、大惯性、强耦合的热工对象，实际控制中存在输入输出约束，并且生物质燃料类型、含水率多变，容易引起床温、床压在较大范围波动，影响机组的安全运行和控制效果。本课题在研究典型生物质及燃烧灰分的物理化学特性基础上，通过分析循环流化床燃烧系统特性，建立了考虑炉膛中“积碳”影响的积碳与燃烧模型，兼顾燃料量和一次风量的影响，整体提高了燃烧系统简化机理模型的准确度。基于Modelica语言建立循环流化床锅炉燃烧系统模型，开展了燃料量、一次风量阶跃变化时，床温、床压动态响应试验。利用改进的和声搜索算法，结合现场试验数据得到简化的生物质循环流化床锅炉的辨识模型，通过现场试验数据验证了模型的可靠性，表明获得的循环流化床锅炉简化机理模型具有较高的精确度和可靠性。提出了一种复杂时滞系统非线性抗干扰模糊预测控制方法，通过建立机组的全局模糊模型，设计输出估计器、模糊扩增状态观测器、干扰补偿器和模糊模型预测控制器，提高机组面对不确定未知干扰时的安全性和调峰能力。提出了一种基于滚动时域估计（MHE）的多变量约束预测控制方法，将一次风、床温引入AGC控制的被控参数，得到针对循环流化床机组的新型AGC控制结构，开展与常规PID、DMC控制在AGC负荷跟踪性能、床温区间控制性能试验，得出所提算法在负荷跟踪性能、稳定性和鲁棒性等方面表现出一定优越性。提出了一种复杂时滞系统非线性抗干扰模糊预测控制方法，通过建立机组的全局模糊模型，设计输出估计器、模糊扩增状态观测器、干扰补偿器和模糊模型预测控制器，提高机组面对不确定未知干扰时的安全性和调峰能力。