国际电气工程先进技术译丛 发电设备中的控制技术.pdf

国际电气工程先进技术译丛发电设备中的控制技术 （日）松村 司郎平山开一郎 著 马立新 译机 械 工 业 出 版 社本书主要介绍了以控制理论为先导的控制技术在发电设备中的应用。书中第1 部分“火力发电设备的控制”中详细介绍了现代控制理论在锅炉控制中的应用、人工智能技术在锅炉控制中的应用、火力发电设备的仿真技术、火力发电设备用的 SCADA 系统；第2 部分“发电机的励磁控制”中详细介绍了发电机的励磁控制概要、励磁控制特性、励磁控制理论、电力系统的稳定性和励磁控制、电力系统稳定性、系统稳定性装置等实用技术。对从事发电系统控制理论研究的技术人员，可通过本书以发电设备控制中须待解决的课题为基础找到新的解决方案，帮助技术人员积累更多的经验。本书适用于工业自动化控制理论的工程技术人员，以及大专院校相关专业师生参考。Copyright 2005 by Shiro Matsumura，Kaiichirou Hirayama CoronaPublishing Co.，Ltd.All rights reserved.Chinese translation rights arranged with Corona Publishing Co.，Ltd.Tokyo，Japan through TOHAN CORPORATION.Tokyo，Japan.本书的中文简体字版由机械工业出版社出版，未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，翻印必究。本书版权登记号：图字 01-2009-5503 号书名原文：產業制御英文书名：Control of Energy Industry图书在版编目（CIP）数据发电设备中的控制技术/（日）松村司郎，（日）平山开一郎著；马立新译.北京：机械工业出版社，2012.1（国际电气工程先进技术译丛）ISBN 978-7-111-36671-3.发.松平马.发电厂-发电设备-控制.TM621.3中国版本图书馆 CIP 数据核字（2011）第 250826 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：张沪光 责任编辑：张沪光 版式设计：霍永明责任校对：张晓蓉 封面设计：马精明 责任印制：北京振兴源印务有限公司印刷2012 年 4 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm11.75 印张232 千字00013000 册标准书号：ISBN 978-7-111-36671-3定价：49.80 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务网络服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649门户网：http：/教材网：http：/读者购书热线：（010）88379203封面无防伪标均为盗版李 妍译者序本书从时间延迟问题和发电设备的先进运行系统的经典控制理论，到作为现代控制理论的人工智能技术等方面都有所论及。作为占我国能源生产百分之九十以上的火力发电及其技术仍是当前和未来相当长的时间内研究的重点。随着能源问题的日益突出和国家节能减排政策的推进，可再生能源发电事业越来越受到重视。因此风力发电，太阳能光伏发电，燃料电池发电等的研究也在如火如荼地进行着，并已经向着实用化的方向在发展，但是，却还没有发展成能够代替以石化燃料为主要能源的火力发电的规模。有关火力发电设备的控制研究虽然已经进行了 30 多年，大部分都是关于蒸汽从锅炉传到汽轮机的温度控制。可以这么说，蒸汽温度的控制难度非常高，几乎所有的研究人员都想研究攻克它。实际上至今仍然还未对关键的问题给出圆满的解答。随着智能电网的建设和使用，火力发电成套设备的锅炉控制和发电机的励磁控制理论与应用的研究将变得更加充满挑战性和具有吸引力。本书在详细介绍锅炉的结构和传统的控制方法的基础上，着重讨论了现代控制理论在锅炉控制中的应用：如非线性离散控制、参考模型的自适应控制、长无用时间体系的控制等；根据传统控制理论在锅炉控制中存在的问题，全面详尽地介绍了人工智能技术在锅炉控制中的应用，尤其重点介绍了模糊控制及其在蒸汽温度控制系统中的应用，还有混合模糊控制方法的新思考，以及讨论使用专家系统技术的先行控制信号的自动调整等；本书介绍的新的研究成果如锅炉跟踪控制系统、汽轮机跟踪控制系统、锅炉汽轮机协调控制系统等，对智能电网中发电系统、设备 锅炉温度控制问题研究提供了新的研究思路。本书在这些介绍中插入了大量的实例和仿真结果，通过这些来说明算法的可行性和有效性。本书简要介绍了火力发电设备的仿真技术和火力发电设备用的 SCADA 系统，还展望了火力发电的未来。本书的第 2 部分从提高电能质量的角度，介绍了至关重要的发电机的励磁控制技术。本书的译者多年来从事人工智能与控制技术的研究应用、信息处理、管理以及翻译工作，对该领域的发展有着较深刻的认识和研究。本书的翻译工作得到了许多本领域专家的大力支持与协助，在此表示真诚的感谢。由于译者的水平有限，如有错误与不妥之处，敬请批评指正。译者2011 年 10 月原书序有过试图尽可能快地，并以更低价位生产出更好产品的人，大概都有一种欲罢不能的感受。在生产第一线，几乎是日益增长永无止境地追求着这个目标，而控制工程领域为了实现这个目标做出了贡献。作为实现上述目标的直接方法，Automa-tion（自动装置）是第二次世界大战以后在欧洲诞生的术语，控制技术则是占据了其核心的关键技术（Key Technology）。说到 Automation，自然让人联想到自动化，但是现代控制技术并不仅仅是自动化，还会结合系统化、最佳化和智能化，为了以更快、更低成本地生产出更好的产品，在各个产业领域中不断地突破极限。控制技术并不只是在制造产品过程中，在产品的使用中也被灵活地应用。为了提高汽车、照相机、空调器等消费品的功能，内置了先进的控制技术，使其附加价值得以提高。适用于制造技术的控制产品技术方面的应用范围也在快速扩大。而且在制造业范畴之外，控制技术也在日新月异地发展。例如，飞机、火车、船舶等交通工具的控制是现代控制技术的一个重点，在环境产业中控制技术也发挥了关键技术的作用，而且通过家庭自动化，控制技术在提高个人生活方面也作出了巨大贡献。最近，控制技术的显著发展在很多情况下负有推进各产业领域的具体技术进步的责任。控制技术的基础的是传感器和传动装置，如果没有与之相关的信号处理技术的进步，以及包含通信或图形接口的软件、硬件这两项计算机技术的进步，是根本得不到发展的。另一方面，控制技术也是各工业生产共通而且普遍的技术，就是所谓的跨学科技术，是具有跨越了各行业具体技术的通用性技术。这个情景类似于材料，材料在自然科学（力学物理或化学等）中有着普遍性，对控制而言，控制理论就充当了这个角色。控制理论和其他工程理论相比较，不仅具有非常古老的历史，最近也取得了令人瞩目的发展。控制作为普遍性学科，其控制理论与产业现场的控制技术之间的关系并不是直接的，但是却有很强的关联性。控制技术在近年来的发展中，控制理论发挥着至关重要的作用。日文原书为系列专著。本系列专著中，工业界控制技术的最新发展，以控制理论的贡献为主线来介绍各领域中的成熟技术。基于控制理论的控制系统设计追求合理性，就是在基本成型的产品生产现场可以达成怎样的控制效果，作为这个系列专著的中心课题。到目前为止，已经出版过大量控制理论方面的教科书、手册和专业书，有限领域或对象的控制技术方面的手册类书籍也不在少数。但是到目前为止至少在日本还没有出版过像本系列专著这样覆盖各个产业领域，从理论观点讲述与控制技术相关的控制方面书籍。我们相信这个系列专著会给在制造或开发现场兢兢业业工作的控制技术人员、希望了解控制理论应用现状的研究人员，以及学习控制相关知识的大学生们提供一套十分有用的参考书。书中，变形后的瓦特离心调速器的封套设计图样是由北神由子提供的（译本封面未采用此图）。并借此机会对向本系列专著提供了相应成果的各位表示衷心感谢。策划、编辑委员长 木村 英纪原 书 序前言在能源工业领域中，所谓燃料，也就是从煤炭与原油中提炼出能够在生产中使用的液化石油气与汽油、柴油等燃料能源的燃料制造设备技术与用燃料生产电力能源的发电设备技术，虽有以上两种技术，但本书将以电力作为讨论重点。电力可以由各种能源转换而来。首先是采用利用重力势能差的水力发电，并在相当长的一段时间内保持着发电能源的首位，即使是现在水力发电对于发展中国家而言也是最重要的发电技术之一。其次讨论的是将燃料具有的能量转移到水中，即产生水蒸气，利用热能差发电。这是目前最容易产生大量电能的技术，且该装置被称为蒸汽发电设备。在蒸汽发电设备中，作为它的燃料，有使用煤炭、重原油或者天然气这些化石燃料设备，有应用核反应的核能发电设备，以及利用生活垃圾作为燃料的生物能发电设备。近来，人们考虑到能源的枯竭、环境问题，因此风力发电、太阳光伏发电、燃料电池发电等的研究也在如火如荼地进行着，并渐渐地向着实用化的方向发展，但是还没有发展成能够代替蒸汽发电设备的规模。本书中，作为商业发电主要蒸汽发电设备的高质量能源的运送媒介蒸汽，对电力的稳定供给做出了贡献。在第 1 部分会介绍关于针对电力需求的响应，既快速又稳定的蒸汽控制技术。一般的发电技术是将各种涡轮机（水轮机、蒸汽汽轮机、风力机、内燃机等）的转动能量转换成电力的技术。为了提供高质量的电能，发电机的励磁技术显得至关重要，关于这方面的内容会在书的第 2 部分中进行描述。本书总结了关于电气事业中的火力发电成套设备的锅炉控制与发电机的励磁控制理论与应用，并使之在实际中能够运用。本书推荐给缺少实际操作经验的技术者使之对理论有更深的理解。也相信对于经验丰富的技术者而言，对实际中遇到的问题，在参考本书的同时，并根据这些问题的解析能够进一步加深理解。将产生的电力输送到终端消费者的过程中，由于采取了其他产业中所没有的发电也就是消费形式，电力供应网的控制技术也是很重要的，虽然是技术上的关键课题，由于版面有限，本书就不作介绍了。但是，在电力市场化方面，若能够发现与欧美的水平相媲美的技术，无论是谁都希望能够尽早将其出版出来。松村 司郎、平山开一郎2005 年 1 月目录译者序原书序前言第 1 部分 火力发电设备的控制1 1.1 锅炉的构造与传统的控制1 1.1.1 绪论1 1.1.2 火力发电设备的构造2 1.1.3 锅炉的种类和构造6 1.1.4 锅筒锅炉的控制7 1.1.5 直流锅炉的控制14 1.2 现代控制理论在锅炉控制中起的应用25 1.2.1 非线性离散控制25 1.2.2 模型参考自适应控制31 1.2.3 延迟时间长的系统的控制45 1.3 人工智能技术在锅炉控制中的应用50 1.3.1 模糊控制理论在蒸汽温度控制系统中的应用50 1.3.2 混合模糊控制方案60 1.3.3 采用专家技术的预先控制信号的自动调整73 1.4 火力发电设备的仿真78 1.4.1 MMS 的开发情况78 1.4.2 MMS 的基本结构与特征81 1.4.3 采用 MMS 的动力学仿真实例82 1.5 用于火力发电设备的 SCADA 系统84 1.5.1 支持 SCADA 的基础技术85 1.5.2 火力发电的现状与未来前景86 1.5.3 运行业务88 1.5.4 操作界面88 1.5.5 SCADA 系统的程序90 参考文献91第 2 部分 发电机的励磁控制93 2.1 绪论93 2.2 发电机励磁控制的概要95 2.2.1 自动电压调节器（AVR）的设置目的95 2.2.2 励磁系统的构成97 2.3 励磁控制特性100 2.3.1 励磁控制功能100 2.3.2 励磁系统的响应103 2.3.3 数字励磁控制（D-AVR）104 2.4 励磁控制理论106 2.4.1 励磁控制系统的框图107 2.4.2 励磁机方式的设计实例108 2.4.3 晶闸管励磁方式的设计范例114 2.5 电力系统的稳定性与励磁控制115 2.5.1 单位法115 2.5.2 发电