Controllo multivariabile di un impianto termoelettrico con evaporatore ad attraversamento forzato

The goal of this work is to design a robust controller in order to ensure optimal operation of a coal-fired thermal power plant, with a once-through boiler. In the first part of this thesis, a dynamic model of the plant is realized. In par-ticular we focus on the Vado Ligure plant with 320 MW electric power. The model includes the fuel supply system, the boiler with the once-through evaporator, the fundamental heat exchangers and the turbine. For that we use nonlinear lumped parameter differential equations, implemented by an S-function (written in C language) in MatLab-Simulink®. In the second part, control is designed according to two different approaches. The former, classical control, is characterized by Proportional-Integral SISO (Single Input Single Output) controller. The latter technique, employed for control design, is MIMO (Multiple Input Multiple Output) H∞ - Loop Shaping. Both are completed by some "feed-forward" actions. At the end, we consider the connection of the plant to the electric grid and in particular the primary frequency regulation is inserted into the plant control system. Specifically the behavior of the designed controllers is tested when a power generator failure happens thus perturbing the grid frequency. The simulations results show that the multivariable controller operates effi-ciently on the system as the classical controller. In addition, by using the MIMO controller, improvements are obtained mainly in terms of controlled variables fluctuations limitation. In addition, the MIMO controller has been designed starting from simple first and second order transfer functions (identified around the nominal working point); then its operation has been tested on the non-linear model of the system, thus assessing its robustness.

Il lavoro ha avuto come obiettivo il progetto di un controllore robusto, tale da garantire il funzionamento ottimale di un impianto termoelettrico, alimentato a carbone, con evaporatore “once-through”. Nella prima fase del lavoro si è realizzato un modello dinamico dell’impianto, con particolare attenzione per il sistema di alimentazione del combustibile, la caldaia con l’evaporatore e gli scambiatori di calore e il gruppo di turbina. I dati di riferimento sono relativi alla centrale di Vado Ligure da 320 MWe. Per la modellazione si sono usate equazioni differenziali non lineari a parametri concentrati implementate mediante “S-function”, scritte in linguaggio C, in ambiente MatLab-Simulink®. Nella seconda fase si è progettato il controllo dell’impianto seguendo due di-versi approcci. Il primo, tradizionale, è caratterizzato da controllori Proporzionali Integrali SISO (“Single Input Single Output”). Il secondo è basato su una tecnica “H∞- Loop Shaping” MIMO (“Multiple Input Multiple Output”). In entrambe le configurazioni sono presenti opportune azioni di “feed-forward”. In fine si è considerata l’ipotesi di funzionamento dell’impianto connesso alla rete elettrica e si è inserita la regolazione primaria di frequenza per l’impianto considerato. Nello specifico si è testato il comportamento dei controllori pro-gettati in caso di guasto ad un generatore di potenza che introduce uno sbilanciamento della frequenza nella rete elettrica. Analizzando le simulazioni eseguite è possibile concludere che il controllore multivariabile opera efficacemente sull’impianto, come il controllore tradizionale. Inoltre, il controllore MIMO permette dei miglioramenti nel comporta-mento in anello chiuso, soprattutto in termini di limitazione delle oscillazioni delle variabili controllate. Oltre a ciò, per il suo progetto si sono usate semplici funzioni di trasferimento del primo e secondo ordine (identificate attorno al punto di lavoro nominale), mentre il suo funzionamento è stato con successo verificato sul modello non lineare dell’impianto, mettendo, in questo modo, in evidenza la sua robustezza.