燃煤电站作为当前电力系统的支柱，其灵活性改造对于提高电网消纳可再生能源的能力至关重要。熔盐储热系统作为大规模储能的可行技术路径，其与燃煤电站的集成被认为是一种提升电站调峰性能的有效方法。在此集成系统中，蒸汽发生系统是能量转换的核心环节，其性能直接影响整个电站的快速响应能力。然而，蒸汽发生系统具有多变量强耦合、非线性显著、控制难度大等特点，尤其是在快速变负荷场景下，如何实现蒸汽流量、压力和汽包水位的稳定协调控制是亟待解决的关键问题。为此，来自华北电力大学和北京怀柔实验室的研究团队开展了一项面向控制的蒸汽发生系统建模与先进控制策略研究。本研究论文《control-oriented modeling and dynamic energy balance control strategy of steam generation system in coal-fired power plants》已发表于《Applied Energy》期刊第404卷（2026年）。
本研究的主要作者包括华北电力大学控制与计算机工程学院的Chen Zhu, Keyan Zhu, Yuguang Niu, Jizhen Liu，以及北京怀柔实验室的Guangming Zhang（通讯作者）, Qinghua Wang, Jinliang Xu。研究发表于2026年的《Applied Energy》期刊。论文旨在针对集成熔盐储热的燃煤电站中的蒸汽发生系统，开发一种面向控制的三输入三输出动态模型，并设计一种结合非线性模型预测控制与直接能量平衡原理的先进控制策略，以提升系统在快速变负荷过程中的动态性能、稳态精度和抗干扰能力。研究的背景在于，随着可再生能源渗透率的提高，电力系统对燃煤电站的灵活性要求日益增强。熔盐储热技术为燃煤电站提供了有效的调峰辅助手段。蒸汽发生系统作为该技术路线中的关键产汽部件，其控制性能决定了整个电站的负荷响应速度和稳定性。然而，现有的针对聚光太阳能发电系统中蒸汽发生系统的控制研究，往往聚焦于高负荷稳定运行，不适用于燃煤电站中常见的低负荷启动、快速爬坡等工况。此外，蒸汽发生系统存在输入输出变量间的复杂耦合、热传递动态迟滞以及外部扰动非线性影响等挑战，传统的单变量或顺序控制策略难以取得理想效果。因此，开发面向控制的简化模型并设计多变量协同控制策略，对于推动熔盐-燃煤耦合系统的工程应用具有重要意义。
本研究的工作流程详细严谨，主要包含以下四个核心环节：动态建模、特性分析、控制策略设计与仿真验证。 首先是蒸汽发生系统的控制导向动态建模。研究团队基于能量和质量守恒原理，为与燃煤电站耦合的蒸汽发生系统建立了机理模型。该系统物理结构包括熔盐回路、蒸汽发生系统和汽轮机系统。蒸汽发生系统本身由预热器、蒸发器和过热器三级串联组成。研究将系统抽象为一个三输入、三输出的模型。三个控制输入分别为熔盐泵频率、给水泵频率和过热器出口蒸汽调节阀开度；三个系统输出分别为蒸汽阀前压力、蒸发器水位和出口蒸汽质量流量；此外，将热盐罐温度视为主要的扰动输入。在建模过程中，研究者采用了集总参数法，并作出了合理的简化假设，如忽略管壁导热、认为熔盐沿流动方向均匀受热、忽略系统对环境的热损失等。关键动态方程的推导包括：1) 基于蒸汽能量平衡推导出蒸发器压力的动态方程，并建立了阀前压力与蒸发器压力之间的非线性函数关系；2) 基于蒸汽-水质量平衡推导出蒸发器水位的动态方程，并引入了蒸汽流量变化率项来模拟“虚假水位”现象；3) 基于整个系统的能量平衡推导出蒸汽质量流量的动态方程。模型中包含多个静态参数、动态参数和非线性函数。随后，研究利用遗传算法，基于实际运行数据对模型的参数进行辨识，并对未定函数进行拟合。参数辨识结果详细列出了热效率系数、比热容、动态系数（如压力系数、水位系数、储热系数）以及各非线性函数（如给水泵频率与流量关系、阀前压力与蒸发器压力关系等）的具体表达式。最后，通过闭环测试对模型准确性进行验证。将实际运行的时间序列数据输入模型，比较模型输出与实际输出的趋势，并绘制了蒸汽流量、上游压力和水位的相对误差分布图。验证结果显示，三个输出参数的相对误差绝大部分集中在6%以内，其中水位误差分布最为紧凑，未超过5%。这表明所建立的数学模型具有较高的精度，适合用于蒸汽发生系统的控制研究。
其次是对蒸汽发生系统动态特性的深入分析。为了解各执行机构动作对系统的影响，研究分别对三个控制输入（熔盐泵频率、蒸汽调节阀开度、给水泵频率）施加了不同幅值的正负阶跃扰动，观察系统的响应特性。分析发现：1）当熔盐泵频率发生阶跃变化时，上游压力和蒸汽流量是具有时滞、自平衡、无振荡的过程；而蒸发器水位则表现出时滞、非自平衡特性，并出现明显的“虚假水位”现象。这是由于熔盐流量突增导致蒸发器内瞬时汽化率剧增，蒸汽气泡体积迅速膨胀，导致水位传感器读数先快速上升，随后随着蒸汽流量稳定输出，水位持续下降。2）当蒸汽调节阀开度变化时，上游压力是无时滞、自平衡的过程；蒸汽流量具有时滞；水位同样呈现非自平衡和较弱的“虚假水位”现象，其原因是阀开度变化通过消耗系统内部储热来产生蒸汽，对系统的直接冲击小于熔盐侧热量的改变。3）当给水泵频率变化时，上游压力和蒸汽流量是具有时滞的自平衡过程；水位表现为时滞、非自平衡，但未出现“虚假水位”。这些分析为后续控制器的设计和参数整定提供了重要的过程动态知识基础。
第三个核心环节是先进控制策略的设计。针对蒸汽发生系统面临的源-荷能量不匹配、变量强耦合和非线性问题，研究团队提出了一个创新的NMPC&DEB多回路协同控制框架。该方案的整体思路是：引入直接能量平衡协调控制的概念，通过构建蒸汽发生系统与汽轮机之间的能量平衡信号，将熔盐侧放热能力、汽轮机负荷需求和系统储热状态统一到一个能量框架中，用基于能量的控制替代传统的压力控制。同时，采用非线性模型预测控制来处理系统的多变量耦合和非线性特性。NMPC在每个控制周期利用当前状态信息预测未来轨迹，并优化控制输入，实现控制回路间的协调动作。此外，还集成了扩展卡尔曼滤波器模块，利用测量值进行反馈校正，以处理模型失配和参数扰动。具体而言，DEB部分的核心是构建新的能量信号和热量信号：热量信号 = 蒸发器压力 + 其微分项（反映系统储热变化）；能量信号 = 阀前压力设定值 + （蒸发器压力/设定值）* 压力变化系数。通过比较这两个信号来调整熔盐质量流量设定值。NMPC部分则将三输入三输出模型抽象为状态空间形式，采用欧拉法离散化，并设计包含状态跟踪误差和控制增量惩罚的目标函数。为了融入EKF的状态估计不确定性，目标函数中还增加了与状态估计协方差矩阵迹相关的惩罚项。最终，将DEB构建的能量平衡关系融入到NMPC的参考轨迹中，形成完整的NMPC&DEB优化问题，在满足执行机构约束的条件下进行在线求解。
最后是全面的仿真验证与性能对比。为了验证NMPC&DEB策略的有效性，研究设置了四种控制方案进行对比：方案1（传统PID控制）、方案2（DEB协调控制）、方案3（NMPC控制）、方案4（NMPC&DEB集成控制）。研究在三种典型工况下测试了这些方案：连续斜坡负荷指令、阶跃负荷指令和熔盐温度/给水温度扰动。在连续斜坡负荷测试中（爬坡率为1.5%、3%、6% Pe/min），方案4（NMPC&DEB）展现了卓越的性能。在6% Pe/min的快速降负荷过程中，方案4的蒸汽流量平均绝对误差为2.53 t/h，相较于方案1、2、3分别降低了76.1%、65.5%和9.9%。对于上游压力控制，方案4的最大动态偏差仅为0.10 MPa，比方案1降低了93.8%，且调节时间最短。蒸发器水位的最大动态偏差也降低了54.2%（相较于PID）。在阶跃负荷指令测试中（蒸汽流量从79 t/h阶跃至200 t/h），方案4在稳定性和快速性方面均表现最佳。其上游压力的最大动态偏差降低了93.7%（相较于PID），蒸汽流量的调节时间缩短至11秒，比PID提高了94.3%。此外，方案4的执行机构（蒸汽调节阀和熔盐泵）动作曲线更加平滑，波动范围更小，有利于减少设备磨损和能耗。在抗干扰能力测试中，当热盐温度发生扰动时，方案4的蒸汽流量最大动态偏差仅为1.08 t/h，比方案1、2、3分别降低了88.1%、80.0%和63.5%。对于上游压力和水位，方案4在动态性能方面的改进尤为显著。在给水温度扰动测试中，方案4同样表现出了优异的抗干扰性能，有效弥补了单一NMPC策略可能存在的稳态误差问题。
本研究的主要结论如下：通过建立精确的控制导向蒸汽发生系统模型，并设计NMPC&DEB联合控制方案，显著提升了蒸汽发生系统在快速变负荷过程中的控制性能。该方案能够有效协调各控制回路，优化输出参数，实现快速产汽并增强系统抗干扰能力。具体数据表明，在斜坡、阶跃负荷及温度扰动等多种工况下，NMPC&DEB策略在蒸汽流量跟踪精度、压力稳定性和水位控制方面均全面优于传统的PID、DEB乃至单一的NMPC策略。这不仅解决了蒸汽发生系统中存在的大压力波动、内部变量耦合和系统非线性等关键问题，还为熔盐-燃煤电站集成系统的控制优化与安全运行提供了有价值的参考。
本研究的亮点和创新之处主要体现在两个方面。在建模方面，针对控制需求，摒弃了结构复杂、计算负荷高的详细机理模型，开发了一个结构清晰、关键输入输出映射关系明确的三输入三输出控制导向动态模型。该模型在保证精度的同时，显著降低了计算复杂度，更适合用于动态优化和实时控制设计。在控制策略方面，创造性地将适用于锅炉-汽轮机协调控制的直接能量平衡原理引入到蒸汽发生系统-汽轮机的能量协调中，并结合非线性模型预测控制来处理多变量耦合与非线性的核心难题。这种NMPC与DEB的深度融合，构建了一个全新的多变量协同控制框架，在控制理念和方法上具有显著的创新性。仿真结果充分证明了该框架在提升系统动态响应和稳态精度方面的巨大优势。
该研究的价值在于其兼具科学意义与应用前景。从科学上讲，它为解决复杂热工过程的多变量、非线性、强耦合控制问题提供了一个成功的范例，展示了将经典能源协调控制思想与现代预测控制算法相结合的有效路径。从应用上讲，所开发的模型和控制策略可直接用于指导熔盐储热型燃煤电站灵活性改造项目的工程实施，有助于提高电站的负荷响应速率和调峰深度，从而增强电网对波动性可再生能源的接纳能力，对于推动能源结构转型和实现“双碳”目标具有积极的实践意义。论文中详实的参数、完整的模型推导和全面的对比实验，也为同行研究者提供了可复现、可借鉴的宝贵资料。