李軍，黃衛(wèi)劍，陳錦攀，王朋，周永言，朱亞清，潘鳳萍，李德波

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2. 南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080)

電力工業(yè)[1]是涉及到各個(gè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)能源提供者，是關(guān)系國計(jì)民生和國家戰(zhàn)略的基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)。電力系統(tǒng)[2]是由發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)(輸電和配電)、用電側(cè)等共同構(gòu)成的龐大且具有很高復(fù)雜性的系統(tǒng)。發(fā)電側(cè)是燃煤火力發(fā)電[2]、燃?xì)獍l(fā)電[3-4]、水力發(fā)電[5]、核能發(fā)電[6]、風(fēng)力發(fā)電[7]、太陽能光伏發(fā)電[8]等多種電源共存的復(fù)雜系統(tǒng)。

隨著環(huán)境保護(hù)的迫切需要以及“雙碳”任務(wù)的提出，以風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電為代表的新型綠色能源在我國得到迅猛發(fā)展，對減少大氣碳排放量具有積極意義，這也是新型電力系統(tǒng)的基本特點(diǎn)。為了適應(yīng)新型電力系統(tǒng)中綠色能源裝機(jī)容量的快速增長，電網(wǎng)亟需快速增加調(diào)峰、調(diào)頻能力。在我國發(fā)電側(cè)結(jié)構(gòu)中，目前火電機(jī)組在電網(wǎng)總裝機(jī)容量中占比達(dá)到52%，通過對現(xiàn)有火電機(jī)組控制系統(tǒng)優(yōu)化(即大幅提升深度調(diào)峰和快速調(diào)頻性能)來增加電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻容量，是一種投資省、見效快的方式，是目前階段電網(wǎng)快速增加調(diào)峰、調(diào)頻能力的主要方式。

建立市場機(jī)制是推進(jìn)電網(wǎng)快速增加調(diào)峰、調(diào)頻容量的有效途徑，2018年以來，電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場[9-10]的建立和完善，在發(fā)電系統(tǒng)引發(fā)了新一輪過程控制技術(shù)改進(jìn)的需求，要求提高現(xiàn)有火電機(jī)組[11-12]負(fù)荷響應(yīng)速度和精度，更要求確保火電機(jī)組運(yùn)行的安全性，保證重要過程參數(shù)平穩(wěn)和不超標(biāo)。但現(xiàn)有火電機(jī)組過程控制普遍采用的比例-積分-微分(proportional-integral-differential，PID)控制[13-15]加前饋控制[16-17]，難以繼續(xù)滿足這種要求，這對電力企業(yè)的研究人員提出了很大的技術(shù)性挑戰(zhàn)，催生出滿足此種需要的新型控制技術(shù)。

2018年，廣東電網(wǎng)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明出一種區(qū)別于PID控制的新型基礎(chǔ)控制器(new foundation controller，NFC)[18]，其代表了一種工程最速控制器(engineering fastest controller，EFC)，適應(yīng)現(xiàn)有火電機(jī)組大幅提升深度調(diào)峰和快速調(diào)頻服務(wù)能力的客觀需要。以EFC為核心開發(fā)出的火電機(jī)組輔助調(diào)頻外掛控制系統(tǒng)，在廣東省主力火電機(jī)組得到快速普及，僅在2020年1月—2021年6月期間，就已經(jīng)應(yīng)用于38臺火電機(jī)組(總計(jì)容量25 600 MW)輔助調(diào)頻外掛控制系統(tǒng)的商業(yè)合同項(xiàng)目。

1 控制科學(xué)的發(fā)展和火電機(jī)組過程控制技術(shù)的基本現(xiàn)狀

火電機(jī)組的熱工控制系統(tǒng)簡稱為“熱控系統(tǒng)”，熱控系統(tǒng)普遍采用分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)[19]?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)[20]被認(rèn)為是熱控系統(tǒng)的發(fā)展方向，但是并沒有得到普及。近年來，出現(xiàn)了DCS結(jié)合外掛系統(tǒng)的復(fù)合形式，例如DCS加外掛可編程序控制器[21]等。

應(yīng)該說，火電廠過程控制技術(shù)與控制科學(xué)[22]的發(fā)展息息相關(guān)，控制理論的發(fā)展為火電機(jī)組過程控制技術(shù)的選擇提供了多種的可能性。

1788年，吉姆斯·瓦特借助離心調(diào)速器[22]實(shí)現(xiàn)了蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制，對18世紀(jì)以蒸汽機(jī)為代表的第一次工業(yè)革命起到了巨大的推動作用。離心調(diào)速器代表的是一種比例作用的反饋控制，即瓦特原理[23]。離心調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了初步的反饋控制，代表了在工業(yè)過程控制領(lǐng)域的第一代基礎(chǔ)控制技術(shù)，離心調(diào)速器的明顯問題是存在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

從19世紀(jì)末到20世紀(jì)上半葉，電機(jī)工程的發(fā)展開啟了第二次工業(yè)革命，對控制提出了較高的要求，要求實(shí)現(xiàn)無系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的精準(zhǔn)控制。考侖德和斯蒂文森在1936年發(fā)明出PID控制器，有效提高了反饋控制性能，代表了在工業(yè)過程控制領(lǐng)域的第二代基礎(chǔ)控制技術(shù)；在20世紀(jì)40年代，形成了以奈奎斯特建立的“奈奎斯特判據(jù)”[24]、伯德建立的反饋控制系統(tǒng)頻域分析工具(即伯德圖)[25]、伊文斯提出的根軌跡法[26]等為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制論，適應(yīng)了PID控制發(fā)展的需要。

為了適應(yīng)航天航空領(lǐng)域的發(fā)展對控制理論的要求，在20世紀(jì)50年代末，形成了以龐特里亞金(前蘇聯(lián))提出的極大值原理[27]、貝爾曼創(chuàng)立的動態(tài)規(guī)劃[28]和卡爾曼建立的卡爾曼濾波理論[29]等為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制論[30]。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)，由此產(chǎn)生出宏大和嚴(yán)密的現(xiàn)代控制論，發(fā)展出眾多的先進(jìn)控制策略[31-33]。

在控制理論和技術(shù)的發(fā)展過程中，還產(chǎn)生出種類豐富的、介于經(jīng)典控制與先進(jìn)控制之間的一類高性能控制策略，例如內(nèi)?？刂破?internal model controller，IMC)[34]、Smith預(yù)估控制器[35]、二階內(nèi)反饋控制器(second order of internal feedback controller，SO-IFC)[36]、新型高性能控制器(new high performance controller，NHPC)[37]等。

然而，控制理論和技術(shù)的發(fā)展絲毫沒有撼動PID控制技術(shù)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。至今為止，基于PID的反饋控制依然是包括火電機(jī)組過程控制在內(nèi)的工業(yè)過程控制領(lǐng)域的一種首選基礎(chǔ)控制技術(shù)。文獻(xiàn)[30]指出：“當(dāng)最優(yōu)控制在航空航天領(lǐng)域取得輝煌成功的同時(shí)，它在工業(yè)控制上的影響卻幾乎為零”。文獻(xiàn)[38]指出：“實(shí)際上，在工業(yè)過程中面對復(fù)雜多變的生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)的各種要求除了PID算法尚被基本認(rèn)可外，其他的算法都很難長期、有效地得到應(yīng)用”。

先進(jìn)控制的實(shí)質(zhì)是數(shù)學(xué)問題，其基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)模型[22]，其解決的問題是求取數(shù)學(xué)上的最優(yōu)性能指標(biāo)[39]。而火電機(jī)組的過程控制屬于工程實(shí)際問題，區(qū)別于數(shù)學(xué)問題，例如準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型難以獲取，解決的問題是求取保證過程參數(shù)不超標(biāo)(如負(fù)荷、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度的偏差滿足火力發(fā)電廠相關(guān)規(guī)程的要求)的直觀性能指標(biāo)。數(shù)學(xué)上的最優(yōu)性能指標(biāo)與工程上的直觀性能指標(biāo)之間不一定是必然關(guān)系，如最優(yōu)性能指標(biāo)不代表能夠滿足直觀性能指標(biāo)的要求。錢學(xué)森等[40]指出：“只要比較直觀的講法能夠達(dá)到目的，我們就不用嚴(yán)密的精巧的數(shù)學(xué)方法來討論”。能夠滿足工程上的直觀性能指標(biāo)要求或者能夠提高工業(yè)過程控制性能的范式，是符合事物發(fā)展規(guī)律的范式。

在火電機(jī)組過程控制領(lǐng)域，至今為止，PID控制、前饋控制依然是被大量運(yùn)用的基礎(chǔ)控制技術(shù)，它們占據(jù)著主導(dǎo)地位，這就是目前火電機(jī)組過程控制技術(shù)的基本現(xiàn)狀，反映出控制理論研究與控制實(shí)際存在差距。

2 工程最速控制器

2018年，PID的一種本質(zhì)缺陷被揭示，這就是常規(guī)積分(conventional integrator，CI)作用存在跟蹤常值擾動效率不高的本質(zhì)缺陷[17-18]。長期以來，人們主要的研究方向是控制結(jié)構(gòu)的問題(如IMC、Smith預(yù)估控制器、SO-IFC、NHPC等)，鮮有人研究控制機(jī)制的問題，CI作用效率不高的問題就屬于一種控制機(jī)制上的問題。

目前已經(jīng)開發(fā)出2種EFC，一種是工程最速比例-積分控制器(engineering fastest proportional-integral，EFPI)與工程最速超前觀測器(engineering fastest leading observer，EFLO)的串級結(jié)構(gòu)，另一種是EFPI與工程最速比例-微分控制器(engineering fastest proportional-differential，EFPD)的串級結(jié)構(gòu)，文中采用前者。EFC的基礎(chǔ)是一種慣性組合濾波器(inertial combination filter，ICF)[41]，ICF是一種滑動窗濾波器(sliding window filter，SWF)[17]的工程化。SWF代表了一種零加速度最速跟蹤濾波器(fastest tracking filter，F(xiàn)TF)，ICF代表了一種工程最速跟蹤濾波器(engineering fastest tracking filter，EFTF)。所謂最速跟蹤，即最快的跟蹤輸入或者跟蹤輸入的時(shí)間最小。相對PID控制器，EFC在控制機(jī)制上取得本質(zhì)突破。

2.1 工程最速跟蹤濾波器

首先需要了解FTF和一階慣性濾波器(first order inertia filter，F(xiàn)OIF)，表達(dá)式為

(1)

式中：fFTF(s)、TW分別為FTF的傳遞函數(shù)、窗口時(shí)間長度；fFOIF(s)、TFOIF分別為FOIF的傳遞函數(shù)、慣性時(shí)間常數(shù)；s為拉普拉斯算子。

文中變量包括符號的表達(dá)具有唯一性，出于表述簡潔性的需要，對使用到的變量單位進(jìn)行統(tǒng)一，如文中無特別說明，時(shí)間單位符號為s，增益量綱為一，階次量綱為一，相位單位符號為°。

現(xiàn)有一些系統(tǒng)(如DCS)實(shí)現(xiàn)FTF存在累計(jì)誤差的問題，因此需要對FTF進(jìn)行工程化。工程化結(jié)果得到

(2)

式中：fEFTF(s)為EFTF的傳遞函數(shù)；n為整數(shù)階次。

在n=16、TW=TFOIF=100 s、輸入單位階躍信號時(shí)，得到FTF、EFTF、FOIF輸出特性的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示，圖中PFTF(t)、PEFTF(t)、PFOIF(t)分別為FTF、EFTF、FOIF在單位階躍輸入的過程輸出，t為時(shí)間。

圖1 濾波器輸出特性

很明顯，F(xiàn)TF、EFTF輸出跟蹤輸入的速度遠(yuǎn)高于FOIF，EFTF較好地實(shí)現(xiàn)了FTF的工程化。文中如無特別說明，默認(rèn)EFTF的n=16。

EFTF有多種重要用途，如用于過程信號濾波，構(gòu)造工程最速積分器(engineering fastest integrator，EFI)、工程最速微分器(engineering fastest differentiator，EFD)、EFPI、EFPD、EFLO等。

2.2 工程最速比例-積分控制器與工程最速比例-微分控制器

首先需要了解構(gòu)造CI的特殊方法，將FOIF作用于一種正反饋環(huán)節(jié)，得到的CI如圖2所示。

圖2 常規(guī)積分器示意圖

CI表達(dá)式為

(3)

式中fCI(s)、TI分別為CI的傳遞函數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)，在數(shù)值上TI=TFOIF。

同樣的原理，用EFTF構(gòu)造EFI，如圖3所示。

圖3 工程最速積分器示意圖

EFI表達(dá)式為

(4)

式中：fEFT(s)、TEFI分別為EFT的傳遞函數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)，在數(shù)值上TEFT=TW。在n=16，s趨于∞或s趨于0時(shí)，fEFT(s)分別簡化為

(5)

根據(jù)式(5)，在TEFT=TI，將EFI與CI進(jìn)行對比可知：當(dāng)s趨于∞，則EFI與CI相同；當(dāng)s趨于0，則EFI的增益是CI的1.882倍。這是EFI積分作用效率顯著高于CI的數(shù)學(xué)依據(jù)。

在TI=TEFT=100 s，輸入單位階躍信號，得到CI、EFI輸出的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示，圖中PCI(t)、PEFI(t)分別為CI、EFI在單位階躍輸入的過程輸出。顯然，EFI的積分作用效率顯著高于CI。

圖4 積分器輸出特性

EFPI表達(dá)式為

fEFPI(s)=KEFPI(1+fEFI(s))，

(6)

式中fEFPI(s)、KEFPI分別為EFPI的傳遞函數(shù)、外部比例增益。

EFPD表達(dá)式為

(7)

式中：fEFPD(s)為EFPD的傳遞函數(shù)；fEFD(s)、TEFD分別為EFD的傳遞函數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，在數(shù)值上TEFD=TW。

2.3 工程最速超前觀測器

EFLO表達(dá)式為

(8)

式中：fEFLO(s)、TEFLO分別為EFLO的傳遞函數(shù)、超前觀測時(shí)間常數(shù)，在數(shù)值上TEFLO=TW；KC為變換增益，原則上KC?1，文中固定KC=10；fFOF(s)、TFOF分別為一階濾波器(first order filter，F(xiàn)OF)的傳遞函數(shù)、濾波時(shí)間常數(shù)。設(shè)置TFOF的基本原則是EFC的噪聲功率增益(noise power gain，NPG)[18]不大于10，屬于一種較低的噪聲干擾水平。

在TEFLO=263 s，TFOF=5.66 s，得到EFLO頻率特性的數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果，如圖5所示，圖中ω為角頻率，HEFLO(ω)、GEFLO(ω)分別為EFLO的相位特性、增益特性，HEFLO,P=87.86°為HEFLO(ω)的峰值，表明EFLO具有較高的超前相位。

圖5 EFLO頻率特性

2.4 工程最速控制器參數(shù)整定

將Z-N法則[42]用于EFC參數(shù)整定，Z-N法則代表了一種工程建模方法，簡稱ZNM模型(Ziegler-Nichols model，ZNM)[18]，表達(dá)式為

(9)

式中fZNM(s)、KZN、τZN、TZN分別為ZNM的傳遞函數(shù)、增益、純滯后時(shí)間常數(shù)、時(shí)間常數(shù)。

EFC參數(shù)整定原則為

(10)

式中TCA為常數(shù)調(diào)整項(xiàng)，0≤TCA≤TZN/2。

2.5 工程最速控制系統(tǒng)

具體的EFC控制系統(tǒng)如圖6所示，圖中，被控過程采用黑箱過程(black box process，BBP)，僅能夠通過在BBP輸入施加單位階躍獲取BBP的輸出過程信息，然后根據(jù)過程信息建立BBP的ZNM。文中將BBP設(shè)置為難控制過程，為的是增加研究的難度。外擾采用斜坡函數(shù)(ramp function，RF)，其中RF速率為10-3s-1，RF長度為1 800 s。BBP、外擾耦合模型(external disturbance coupling model，EDCM)為

(11)

式中：fBBP(s)、fEDCM(s)分別為BBP、EDCM的傳遞函數(shù)。

建立BBP的ZNM，如圖7所示，圖中PBBP(t)、PZNM(t)分別為BBP、ZNM在單位階躍輸入的過程輸出。

圖7 ZNM過程輸出特性

根據(jù)圖7，得到KZN=1、τZN=226 s、TZN=276 s，進(jìn)一步得到

(12)

2.6 最優(yōu)PI、PID控制

衡量EFC控制性能需要有對比對象，文中將EFC與最優(yōu)PI(optimal proportional-integral，OPI)、最優(yōu)PID(optimal proportional-integral-derivative，OPID)進(jìn)行對比。

PI、PID控制系統(tǒng)如圖8所示，圖中C表示PI、PID控制器。

圖8 PI、PID控制系統(tǒng)示意圖

文中的PID為二階濾波PID、二階慣性逆模型(second order inertia inverse model，SOIIM)、CI、二階慣性濾波器(second order inertia filter，SOIF)的串級結(jié)構(gòu)。PI、PID為

(13)

式中：fPI(s)、KP分別為PI的傳遞函數(shù)、比例增益；fPID(s)為PID的傳遞函數(shù)；TSOIIM為SOIIM的時(shí)間常數(shù)；TSOIF為SOIF的時(shí)間常數(shù)。

在PID中，將TSOIF固定為0.054TSOIIM的目的是保證PID的NPG在10以內(nèi)。

文獻(xiàn)[14]提出了基于開環(huán)系統(tǒng)相位裕度(phase margin，PM)和幅值裕度(amplitude margin，AM)的OPID參數(shù)整定方法，文中將PM作為優(yōu)化手段，將獲取PI、PID的最小積分值作為優(yōu)化目標(biāo)，得到OPI、OPID參數(shù)，同時(shí)將過程振蕩衰減率不小于75%作為OPI、OPID參數(shù)是否有效的判定準(zhǔn)則。

用MPI,ZNM表達(dá)PI控制ZNM的PM，MPID，ZNM表達(dá)PID控制ZNM的PM。以搜索OPI參數(shù)為例，在給出的PM條件下，通過連續(xù)改變KP和TI，得到TI隨KP變化的關(guān)系曲線，在TI隨KP變化的最小點(diǎn)，得到OPI參數(shù)。同樣的原理，得到OPID參數(shù)。其中在MPI,ZNM=MPID,ZNM=60°，得到的搜索結(jié)果如圖9所示。

圖9 最優(yōu)控制參數(shù)搜索結(jié)果

圖9中，在關(guān)系曲線上標(biāo)出的黑點(diǎn)對應(yīng)OPI、OPID參數(shù)，代表積分值最小即抑制常值擾動性能最高。具體得到OPI參數(shù)為KP=0.69、TI=366 s，OPID參數(shù)為TSOIIM=145 s、TI=296 s。

用OPI、OPID控制BBP，得到的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下節(jié)的圖11、圖12所示，OPI、OPID控制的主要性能指標(biāo)見表1、表2。根據(jù)過程振蕩衰減率不小于75%的判定準(zhǔn)則，判定OPI、OPID參數(shù)有效。

2.7 工程最速控制器性能

根據(jù)式(12)給出的ZNM，得到TCA的調(diào)整范圍在0～138 s，設(shè)置TCA=125 s，得到EFC參數(shù)為KEFPI=1、TEFI=377 s、TEFLO=263 s，在TFOF=5.66 s，得到NPG為10。

為了保證閉環(huán)控制具有良好的穩(wěn)定性能，文獻(xiàn)[30]建議控制系統(tǒng)的PM在45°左右。出于研究的需要，給出EFC控制BBP的PM和AM隨TCA變化關(guān)系的數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果，如圖10所示，圖中AEFC，BBP、MEFC，BBP分別為EFC控制BBP的AM、PM。其中：在AEFC，BBP=3 dB，得到TCA=128 s；在TCA=138 s，得到MEFC，BBP=48.5°。這表明了在TCA調(diào)整的上限，EFC能夠保證較高的穩(wěn)定性能。

圖10 相位裕度、幅值裕度與常數(shù)調(diào)整項(xiàng)的關(guān)系

將EFC、OPI、OPID進(jìn)行對比，在過程給定為1時(shí)，得到的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖11所示，圖中POPI(t)、POPID(t)、PEFC(t)分別為OPI控制BBP、OPID控制BBP、EFC控制BBP的過程輸出，得到EFC、OPI、OPID控制的主要性能指標(biāo)，見表1。

圖11 EFC、OPI、OPID控制特性對比結(jié)果

表1 EFC、OPI、OPID控制的主要性能指標(biāo)

調(diào)節(jié)時(shí)間是指過程進(jìn)入到小于5%偏差的時(shí)間，相對OPI、OPID，EFC顯著提高了調(diào)節(jié)性能。

在過程給定為0，外擾為RF，得到的對比結(jié)果如圖12所示。

圖12 EFC、OPI、OPID外擾抑制特性對比結(jié)果

根據(jù)圖12，得到EFC、OPI、OPID外擾抑制的主要性能指標(biāo)，見表2。

表2 EFC、OPI、OPID外擾抑制的主要性能指標(biāo)

用抑制RF最大偏差衡量EFC外擾抑制性能，相對OPI、OPID，EFC外擾抑制性能分別提高了78.6%、43.7%。很顯然，EFC外擾抑制性能顯著優(yōu)于OPI、OPID。

3 工程最速控制器的商業(yè)應(yīng)用

本章給出EFC的3個(gè)典型商業(yè)應(yīng)用案例，其中前2個(gè)應(yīng)用案例是PID控制難以勝任的。

3.1 應(yīng)用案例1

火電機(jī)組鍋爐再熱蒸汽溫度的控制設(shè)計(jì)有減溫噴水控制和煙氣擋板控制2種方式：減溫噴水控制的主要優(yōu)點(diǎn)是容易采用自動控制，缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性較差，減溫噴水每增加鍋爐額定負(fù)荷的1%，鍋爐的效率將降低0.2%；煙氣擋板控制的主要優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性較好，但是難以采用自動控制，被熱工界認(rèn)為是一個(gè)世界性難題。

在2019年4月—5月期間，采用EFC對某電廠4號600 MW超臨界火電機(jī)組再熱蒸汽溫度的煙氣擋板控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。具體設(shè)計(jì)了煙氣擋板與減溫噴水的協(xié)同控制方式，當(dāng)再熱蒸汽溫度高出設(shè)定值8 ℃以上時(shí)加入減溫噴水控制，其中煙氣擋板控制部分的優(yōu)化如圖13所示。

圖13 煙氣擋板控制優(yōu)化示意圖

圖14是2019-04-26T13：00—14：00，4號機(jī)組在負(fù)荷指令560 MW→430 MW→510 MW變負(fù)荷過程中，煙氣擋板控制采用EFC優(yōu)化后的控制特性趨勢圖。

圖14 優(yōu)化后煙氣擋板控制特性

圖14中，再熱蒸汽溫度設(shè)定值為600 ℃，再熱蒸汽溫度最大波動為+6.8 ℃/-5.3 ℃，因未高出設(shè)定值8 ℃以上，減溫噴水控制部分未動作。

3.2 應(yīng)用案例2

將EFC運(yùn)用于提高現(xiàn)有火電機(jī)組綜合調(diào)頻性能，首先需要了解綜合調(diào)頻性能規(guī)則，文獻(xiàn)[10]公布的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)規(guī)測為

K=0.5K1+0.25K2+0.25K3

(14)

K值越高，代表綜合調(diào)頻性能指標(biāo)也越高。對于火電機(jī)組，要提高K值，只能通過縮短鍋爐風(fēng)、煤、水變化響應(yīng)時(shí)間，加大鍋爐風(fēng)、煤、水變化幅度，提高機(jī)組變負(fù)荷速率等實(shí)現(xiàn)；然而風(fēng)、煤、水的快速變化，機(jī)組變負(fù)荷速率的提高，必然會引鍋爐主蒸汽壓力、鍋爐主蒸汽溫度、鍋爐再熱蒸汽溫度等重要過程參數(shù)的大幅波動，甚至可能危及機(jī)組運(yùn)行安全。因此，提高K值不是一個(gè)簡單的技術(shù)問題，需要綜合考慮各種因素，在提高K值的同時(shí)，又要將重要的過程參數(shù)控制在允許的區(qū)域。

在2019年5月—7月期間，為提高機(jī)組綜合調(diào)頻性能，以EFC為核心采用外掛系統(tǒng)方式，對某電廠3號1 000 MW超超臨界火電機(jī)組的鍋爐主控、汽輪機(jī)主控、中間點(diǎn)蒸汽溫度、一級過熱蒸汽溫度、二級過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度煙氣擋板、再熱蒸汽減溫噴水實(shí)施控制優(yōu)化。圖15是2019-09-19T08：00—12：00，3號機(jī)組在負(fù)荷設(shè)定速率為20 MW/min、負(fù)荷指令590 MW→820 MW→410 MW變負(fù)荷過程中，重要過程參數(shù)的控制特性趨勢圖。

1—目標(biāo)負(fù)荷；2—負(fù)荷設(shè)定；3—實(shí)際負(fù)荷；4—鍋爐主蒸汽壓力設(shè)定；5—鍋爐主蒸汽壓力；6—鍋爐主蒸汽溫度；7—鍋爐再熱蒸汽溫度。

在圖15給出的趨勢范圍，鍋爐主蒸汽壓力最大偏差0.63 MPa/-0.59 MPa，鍋爐主蒸汽溫度最大偏差6.5 ℃/-5.9 ℃，鍋爐再熱蒸汽溫度最大偏差7.3 ℃/-6.7 ℃，負(fù)荷與設(shè)定值偏差小于5 MW。EFC對重要過程參數(shù)的控制性能良好，滿足火力發(fā)電廠相關(guān)規(guī)程的要求。

表3是3號機(jī)組于2019-09-18T12：00—17：00的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K值，平均值為1.15；而在優(yōu)化前，3號機(jī)組K值只有0.5～0.6?？梢?，經(jīng)優(yōu)化后，機(jī)組綜合調(diào)頻性能有了大幅提升。

表3 連續(xù)6 h綜合調(diào)頻性能指標(biāo)

由此可知，采用EFC提高現(xiàn)有火電機(jī)組的輔助調(diào)頻性能是行之有效的方法。

3.3 應(yīng)用案例3

2021年1月期間，將EFC應(yīng)用于某電廠3號600 MW超臨界火電機(jī)組的一級過熱蒸汽溫度控制回路，并且與PID控制進(jìn)行對比，得到的對比結(jié)果如圖16所示。

1—一級過熱蒸汽溫度設(shè)定；2—一級過熱蒸汽溫度；3—實(shí)際負(fù)荷；4—一級過熱蒸汽減溫器噴水指令。

圖16中，首先投入PID控制，在10：45切換到EFC。在給出的趨勢范圍，投入PID期間，相對一級過熱蒸汽溫度設(shè)定值，一級過熱蒸汽溫度最大偏差為5.9 ℃/-8.2 ℃；在切換到EFC后，一級過熱蒸汽溫度最大偏差為5.1 ℃/-3.3 ℃?？傮w看，EFC顯著優(yōu)于PID。

4 結(jié)束語

在工程實(shí)踐中，研究人員揭示出PID存在CI作用跟蹤常值擾動效率不高的本質(zhì)缺陷，由此促進(jìn)了EFC的發(fā)明，顯著提高了反饋控制性能，且沒有復(fù)雜繁瑣的數(shù)學(xué)解析過程，顯著區(qū)別于現(xiàn)有的控制理論研究。在某種意義上，EFC是瓦特原理的繼續(xù)深入發(fā)展，代表了在工業(yè)過程控制領(lǐng)域暨離心調(diào)速器、PID控制之后的第三代基礎(chǔ)控制技術(shù)，從現(xiàn)階段看，EFC代表了今后一個(gè)時(shí)期火電機(jī)組過程控制技術(shù)的一種發(fā)展方向。

以提高火電機(jī)組輔助調(diào)頻性能為目標(biāo)的商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)證明，EFC是一種成熟的技術(shù)，相對PID控制，其穩(wěn)定性能更好，性能和效率更高，參數(shù)整定更加容易，能夠更好地適應(yīng)難控制過程?？梢灶A(yù)見，EFC對工業(yè)過程控制技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步將產(chǎn)生良好的促進(jìn)和推動作用。

EFC的快速發(fā)展有效釋放了新型綠色能源，對未來碳達(dá)峰、碳中和具有積極意義。