CN103511086B - 一种燃气轮机-同步发电机机组有差转速控制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机-同步发电机机组有差转速控制方法，涉及并网发电用简单循环或联合循环燃气轮机与同步发电机机组的转速和功率控制。该方法以同步发电机有功功率为输入信号之一，并利用简单循环或联合循环时燃气轮机燃料行程基准与有功功率的映射关系，实现了前馈加反馈的有差转速控制。与传统方法相比，本发明能够兼顾稳态精度和敏捷性，能够提高燃气轮机-同步发电机机组对电网频率的跟随能力，避免和减小在电网频率变化时燃气轮机及同步发电机的转速和功率震荡，有助于改善电网的稳定性和供电品质。

Description

一种燃气轮机-同步发电机机组有差转速控制方法

技术领域

本发明涉及简单循环以及联合循环燃气轮机-同步发电机机组的有差转速控制。

背景技术

并网发电用燃气轮机所拖动的负载是同步发电机。在简单循环燃气轮机-同步发电机机组中，燃气轮机将燃料中的化学能以一定效率转换为动能，拖动同步发电机；在联合循环燃气轮机-蒸汽轮机-同步发电机机组中，燃气轮机将燃料中的化学能转换为热能和动能，蒸汽轮机将燃气轮机输出的部分热能转换为机械能，共同拖动同步发电机；无论是在简单循环还是联合循环中，同步发电机都负责将机械能转化为电磁能，输送给电网。现代电网往往由很多同步发电机并联供电，电网中的所有同步发电机都工作在同一频率，而同步发电机的有差特性则是实现并网发电机同频率工作的关键。

一方面，同步发电机的有差特性是并网机组存在静态工作点的一个必要条件。多机并网发电的本质是相位保持。两台无差调节的同步发电机是无法并联同步发电的，因为无差调节下频率是定值，两台发电机频率的任何微小差异都会最终导致相位的混乱，而无法稳定地并联发电。

另一方面，同步发电机所呈现的有差特性也是整个电网动态稳定的一个必要条件。电网的负荷时时刻刻在变化，一个稳定的电网需要在负荷波动时仍然保持各并网机组的同步运行。并网同步发电机的有差特性实现了整个电网的负荷对频率的负反馈，是电网稳定的基础，而且并网机组的有差调节特性和参数决定了整个电网的稳定性，从而决定了供电品质。

现有的燃气轮机控制系统的有差转速控制，要么仅仅根据满负荷和空负荷时的标称燃料量来实现所需的有差调节不等率，比如GE公司的MARK VI；要么仅仅使用反馈控制来达到所需的有差调节不等率，比如三菱、西门子等的燃气轮机控制系统。第一种方法的优点是结构简单，没有需要设计的参数，但缺点是难以实现高精度的不等率；第二种方法的优点是可以实现较高的调节精度或者实现较好的动态响应，但是缺点是静态工作点由积分环节提供，因此难以同时兼顾稳态精度和动态性能，控制器参数设计不容易。

发明内容

本发明的目的是改进现有燃气轮机-同步发电机机组有差转速控制的精度和动态特性。本发明同时使用前馈和反馈两个控制模块完成有差转速控制。在电网频率波动时，反馈控制首先起作用，调节机组的频率-功率动态关系；达到新的稳定状态后，前馈控制起主要作用，燃气轮机燃料行程基准主要由前馈控制给出，而反馈控制的作用是进一步提高此时燃料行程基准的精度。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

一种燃气轮机-同步发电机机组有差转速控制方法，所述的燃气轮机-同步发电机机组为 简单循环机组或者联合循环机组，其特征在于该方法包括以下步骤：

1).利用安装于燃气轮机功率输出轴上的转速传感器，测量燃气轮机现行转速，并将其输出给前馈加反馈有差转速控制模块；

2).利用安装于发电机定子输出端的功率传感器，测量同步发电机现行有功功率，并将其输出给前馈加反馈有差转速控制模块；

3).利用安装于燃气轮机燃烧室燃料管路上的热值传感器，测量现行燃料低位热值，并将其输出给前馈加反馈有差转速控制模块；

4).前馈加反馈有差转速控制模块包含一个前馈控制模块和一个反馈控制模块；前馈控制模块根据燃气轮机现行转速和现行燃料低位热值，计算前馈燃料行程基准，计算方法为：

$R=\frac{s_0-s}{s_0\·\mathrm{\δ}}$

其中：R为有功功率百分比参考，s为燃气轮机现行转速，s₀为燃气轮机空载转速，δ为有差调节不等率，即满载转速相对于空载转速所减小的百分比，h₀为标称燃料低位热值，h为现行燃料低位热值，η₀为额定环境和工况下的热效率，η(R,P,T,H,Ξ)为现行环境和工况下的热效率函数，P为大气压力，T为大气温度，H为大气湿度，Ξ为现行余热锅炉-蒸汽轮机热效率；

反馈控制模块根据燃气轮机现行转速和同步发电机现行有功功率，计算反馈燃料行程基准修正量，反馈控制模块中包含一个PID控制器，反馈控制模块的计算方法为：首先计算有差转速偏差e：

e=s₀-δ·W-s

其中W为同步发电机现行有功功率；然后以e作为PID控制器的输入量，经过PID控制器的计算得到反馈燃料行程基准修正量；

前馈燃料行程基准与反馈燃料行程基准修正量相加，得到有差转速控制燃料行程基准；

5).将有差转速控制燃料行程基准送给燃料行程基准选择与燃料阀控制模块，燃料行程基准选择与燃料阀控制模块根据所有输入来的燃料行程基准的最小值，驱动燃料阀；燃料阀调节进入燃烧室的燃料量，从而实时调节燃气轮机输出功率，使燃气轮机-同步发电机机组的不等率跟踪不等率基准值。

上述技术方案步骤4)中的现行环境和工况下的热效率函数η(R,P,T,H,Ξ)，在简单循环时，Ξ=0，该函数表示的是，在一定有功功率、大气压力、大气温度、大气湿度时，燃气轮机的现行热效率；在联合循环时，该函数表示的是，在一定有功功率、大气压力、大气温度、大气湿度和余热锅炉-蒸汽轮机现行热效率时，燃气轮机-余热锅炉-蒸汽轮机联合循环的现行总热效率；在多台燃气轮机配单台余热锅炉-蒸汽轮机做联合循环时，该函数表示的是，在一定有功功率、大气压力、大气温度、大气湿度和余热锅炉-蒸汽轮机现行热效率时，本台燃气轮机及其所参与的部分余热锅炉-蒸汽轮机联合循环的现行热效率；

上述技术方案步骤4)中反馈控制模块的PID控制器的模型为：

$y=\mathrm{median}\{(K_p\·T_d\·\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}+r),U,L\}$

r=median{(K_p·e+v),U,L}

$\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{r-v}{T_i}$

其中y为反馈燃料行程基准修正量，K_p为比例系数，T_i为积分时间，T_d为微分时间，U为PID控制器输出上限值，L为PID控制器输出下限值，median{·,·,·}为从三个自变量中选取中间值的函数，r和v为两个辅助变量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①由于同时使用了前馈控制和反馈控制，能够分开设计静态工作点和动态参数，前馈控制模块负责给出了稳态时的大部分控制量，而反馈控制模块可以专注于动态特性的调节，使得PID参数的设计容易，使得可以兼顾响应时间、超调和稳态误差，可以实现更高的不等率控制精度和更好的动态性能。②考虑了燃气轮机所参与的热力学循环效率，因此即使仅仅使用前馈控制方式，不等率的控制精度也较高。③反馈控制模块中的PID控制器使用了特殊的结构，使得在输出达到上限或下限时，积分部分能够自动积分分离，从而减小了超调。这种自动积分分离的特点特别适用于燃气轮机的控制。燃气轮机的控制系统往往是由许多个子模块组成，将各个子模块的燃料行程基准取最小值后作为最终的燃料行程基准。如果最终输出的燃料行程基准不是有差转速控制输出的，那么就意味着有差转速控制PID控制器的输出达到了上限，此时应该停止积分，而本发明的PID控制器结构就具有自动积分分离的功能。

附图说明

图1为燃气轮机-同步发电机机组有差转速控制系统及流程。

图2为本发明的反馈控制模块中PID控制器结构。

图3为传统有差转速前馈控制转速偏差。

图4为传统有差转速前馈控制功角。

图5为传统有差转速反馈控制转速偏差。

图6为传统有差转速反馈控制功角。

图7为本发明有差转速控制转速偏差。

图8为本发明有差转速控制功角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

1).应用本发明时需要有实时的燃气轮机转速信号，因此燃气轮机功率输出轴上要装有转速传感器5，该转速传感器测量燃气轮机现行转速，并将其输出给前馈加反馈有差转速控制模块1；

2).应用本发明时需要有实时的同步发电机有功功率信号，因此发电机定子输出端要装有功率功率传感器4，该功率传感器测量同步发电机现行有功功率，并将其输出给前馈加 反馈有差转速控制模块1；

3).应用本发明时需要有实时的燃料热值信号，因此在燃气轮机燃烧室燃料管路上要装有热值传感器6，该热值传感器测量现行燃料低位热值，并将其输出给前馈加反馈有差转速控制模块1；

4).本发明的前馈加反馈有差转速控制模块根据燃气轮机现行转速、同步发电机现行有功功率、以及现行燃料热值，完成有差转速控制。该前馈加反馈有差转速控制模块包含一个前馈控制模块3和一个反馈控制模块2；前馈控制模块3根据燃气轮机现行转速和现行燃料低位热值，计算前馈燃料行程基准，计算方法为：

$R=\frac{s_0-s}{s_0\·\mathrm{\δ}},$

其中：R为有功功率百分比参考，s为燃气轮机现行转速，s₀为燃气轮机空载转速，δ为有差调节不等率，即满载转速相对于空载转速所减小的百分比，h₀为标称燃料低位热值，h为现行燃料低位热值，η₀为额定环境和工况下的热效率，η(R,P,T,H,Ξ)为现行环境和工况下的热效率函数，P为大气压力，T为大气温度，H为大气湿度，Ξ为现行余热锅炉-蒸汽轮机热效率；

反馈控制模块2根据燃气轮机现行转速和同步发电机现行有功功率，计算反馈燃料行程基准修正量，反馈控制模块2中包含一个PID控制器，反馈控制模块2的计算方法为：首先计算有差转速偏差e：

e=s₀-δ·W-s

其中：W为同步发电机现行有功功率；然后以e作为PID控制器的输入量，经过PID控制器的计算得到反馈燃料行程基准修正量。

反馈控制模块的PID控制器具有根据输出限幅值自动积分分离的功能，即当输出达到上限值U或者下限值L后，积分器会停止积分。在简单循环时，PID控制器的参数K_p、T_i和T_d是根据实际的燃气轮机-同步发电机动力学模型、同步发电机电磁模型和电网电力模型，使用标准设计方法设计得到；在联合循环时，PID控制器的参数K_p、T_i和T_d是根据实际的燃气轮机-蒸汽轮机-同步发电机动力学模型、余热锅炉-蒸汽轮机模型、同步发电机电磁模型和电网电力模型，使用标准设计方法设计得到。

反馈控制模块2的PID控制器的模型为：

$y=\mathrm{median}\{(K_p\·T_d\·\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}+r),U,L\}$

r=median{(K_p·e+v),U,L}

$\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{r-v}{T_i}$

其中y为反馈燃料行程基准修正量，K_p为比例系数，T_i为积分时间，T_d为微分时间，U为PID控制器输出上限值，L为PID控制器输出下限值，median{·,·,·}为从三个自变量中选取中间值 的函数，r和v为两个辅助变量。

对于PID控制器参数的设计是这样的：根据实际的燃气轮机动力学模型、同步发电机电磁模型和电网电力模型，在联合循环时还要考虑蒸汽轮机模型，使用通用的设计方法设计PID控制器的比例系数K_p、积分时间T_i和微分时间T_d。

前馈控制模块负责消除主要的误差，响应快；反馈控制模块负责消除剩余的误差，精度高，结合两者，可以同时提高不等率控制的相应速度和控制精度。

前馈燃料行程基准与反馈燃料行程基准修正量相加，得到有差转速控制燃料行程基准；

5).将有差转速控制燃料行程基准送给燃料行程基准选择与燃料阀控制模块7，燃料行程基准选择与燃料阀控制模块7根据所有输入来的燃料行程基准的最小值，驱动燃料阀8；燃料阀8调节进入燃烧室的燃料量，从而实时调节燃气轮机输出功率，使燃气轮机-同步发电机机组的不等率跟踪不等率基准值。

本发明的技术方案步骤4)中出现的现行环境和工况下的热效率函数η(R,P,T,H,Ξ)表示的是在各种工况下的热效率的设计值，应该由燃气轮机-余热锅炉-蒸汽轮机设计单位提供。在本发明中，此热效率函数的作用是进一步提高前馈控制的精度。在简单循环时，Ξ=0，该函数表示的是，在一定有功功率、大气压力、大气温度、大气湿度时，燃气轮机的现行热效率；在联合循环时，该函数表示的是，在一定有功功率、大气压力、大气温度、大气湿度和余热锅炉-蒸汽轮机现行热效率时，燃气轮机-余热锅炉-蒸汽轮机联合循环的现行总热效率；在多台燃气轮机配单台余热锅炉-蒸汽轮机做联合循环时，该函数表示的是，在一定有功功率、大气压力、大气温度、大气湿度和余热锅炉-蒸汽轮机现行热效率时，本台燃气轮机及其所参与的部分余热锅炉-蒸汽轮机联合循环的现行热效率。

将前馈燃料行程基准与反馈燃料行程基准修正量相加，得到有差转速控制燃料行程基准。

在燃气轮机的控制中，会根据不同要求计算出多个燃料行程基准，前述的有差转速控制燃料行程基准就是其中之一，这些燃料行程基准经过最小值选择模块，选择出最小值作为最终的燃料行程基准。根据最终的燃料行程基准，分配燃料阀中各个阀门的开度，调节到燃烧室各个燃料喷嘴的燃料量，完成对燃气轮机功率的实时控制。

实施实例： 

某型单轴简单循环燃气轮机-同步发电机机组，在使用额定热值燃料时，100%燃料行程基准下燃气轮机-同步发电机轴系加速度为3%额定转速/s，机组并网后机组频率与电网频率之差的等效阻尼系数为0.00011s^-1，电网额定频率50Hz，燃气轮机额定转速3000rpm。

首先需要在燃气轮机转子上安装转速传感器，在同步发电机定子输出端安装有功功率传感器,在燃气轮机燃料供应管路上安装燃料热值传感器；三组传感器信号输出到前馈加反馈有差转速控制模块。

根据燃气轮机制造商提供的资料，本燃气轮机-同步发电机机组的现行环境与额定环境条件相似，并且是简单循环，所以热效率函数只与有功功率百分比参考R有关，其具体关系如表1所示：

表1某型燃气轮机热效率与功率关系

功率R(%)	100	90	80	70	60	40
							热效率η(%)	38	37.2	35.3	33.7	29.2	17.9

使用燃料的低位热值h=0.98h₀；额定工况下的热效率η₀=38%；有差调节不等率δ=5%；则前馈燃料行程基准为

$R=(1-\frac{s}{3000\mathrm{rpm}})/5\%$

选取反馈控制模块PID控制器的比例系数K_p=80，积分时间T_i=10s，微分时间T_d=0；PID控制器输出上限值U=100%，PID控制器输出下限值L=12%；则反馈燃料行程基准修正量为：

反馈燃料行程基准修正量=PID控制器(e)

e=3000rpm-5%·W-s

上面二式中e为有差转速偏差，W为同步发电机现行有功功率，；PID控制器的结构为

y=median{r,1,0.12}

r=median{(80·e+v),1,0.12}

$\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{r-v}{10},$

将前馈燃料行程基准与反馈燃料行程基准修正量相加，得到有差转速控制燃料行程基准。

本实施实例中电网频率由额定频率50Hz快速降低到97%额定频率，即48.5Hz，使用本发明的控制效果如图7和图8。而在出现同样的电网频率波动时，采用传统的前馈控制的有差转速控制效果为图3和图4，虽然没有超调但是调节较慢，稳态精度无法保证；在出现同样的电网频率波动时，使用传统的PID反馈控制的有差转速控制效果为图5和图6，虽然对PID参数进行了仔细调节，但是仍然无法兼顾稳态精度和动态特性，其原因是积分时间过小则会增大超调，而积分时间过大则会降低稳态精度，只能在动态性能和稳态精度之间做出折中的选择。

对比可见，本发明能够改善并网发电用燃气轮机-同步发电机机组的动态特性和稳态精度，从而可以提高电网的稳定性和提高电网供电品质。

Claims (3)

1.一种燃气轮机-同步发电机机组有差转速控制方法，所述的燃气轮机-同步发电机机组为简单循环机组或者联合循环机组，其特征在于该方法包括以下步骤：

1).利用安装于燃气轮机功率输出轴上的转速传感器(5)，测量燃气轮机现行转速，并将其输出给前馈加反馈有差转速控制模块(1)；

2).利用安装于发电机定子输出端的功率传感器(4)，测量同步发电机现行有功功率，并将其输出给前馈加反馈有差转速控制模块(1)；

3).利用安装于燃气轮机燃烧室燃料管路上的热值传感器(6)，测量现行燃料低位热值，并将其输出给前馈加反馈有差转速控制模块(1)；

4).前馈加反馈有差转速控制模块包含一个前馈控制模块(3)和一个反馈控制模块(2)；前馈控制模块(3)根据燃气轮机现行转速和现行燃料低位热值，计算前馈燃料行程基准，计算方法为：

其中：R为有功功率百分比参考，s为燃气轮机现行转速，s₀为燃气轮机空载转速，δ为有差调节不等率，即满载转速相对于空载转速所减小的百分比，h₀为标称燃料低位热值，h为现行燃料低位热值，η₀为额定环境和工况下的热效率，η(R，P，T，H，Ξ)为现行环境和工况下的热效率函数，P为大气压力，T为大气温度，H为大气湿度，Ξ为现行余热锅炉-蒸汽轮机热效率；

反馈控制模块(2)根据燃气轮机现行转速和同步发电机现行有功功率，计算反馈燃料行程基准修正量，反馈控制模块(2)中包含一个PID控制器，反馈控制模块(2)的计算方法为：首先计算有差转速偏差e：

e＝s₀-δ·W-s

其中W为同步发电机现行有功功率；然后以e作为PID控制器的输入量，经过PID控制器的计算得到反馈燃料行程基准修正量；

前馈燃料行程基准与反馈燃料行程基准修正量相加，得到有差转速控制燃料行程基准；

5).将有差转速控制燃料行程基准送给燃料行程基准选择与燃料阀控制模块(7)，燃料行程基准选择与燃料阀控制模块(7)根据所有输入来的燃料行程基准的最小值，驱动燃料阀(8)；燃料阀(8)调节进入燃烧室的燃料量，从而实时调节燃气轮机输出功率，使燃气轮机-同步发电机机组的不等率跟踪不等率基准值。

2.如权利要求1所述的一种燃气轮机-同步发电机机组有差转速控制方法，其特征在于：对于步骤4)中的现行环境和工况下的热效率函数η(R，P，T，H，Ξ)，在简单循环时，Ξ＝0，该函数表示的是，在一定有功功率、大气压力、大气温度、大气湿度时，燃气轮机的现行热效率；在单台燃气轮机配单台余热锅炉-汽轮机做联合循环时，该函数表示的是，在一定有功功率、大气压力、大气温度、大气湿度和余热锅炉-蒸汽轮机现行热效率时，燃气轮机-余热锅炉-蒸汽轮机联合循环的现行总热效率；在多台燃气轮机配单台余热锅炉-蒸汽轮机做联合循环时，该函数表示的是，在一定有功功率、大气压力、大气温度、大气湿度和余热锅炉-蒸汽轮机现行热效率时，多台燃气轮机中的一台及其所参与的那一部分余热锅炉-汽轮机联合循环的现行热效率。

3.如权利要求1所述的一种燃气轮机-同步发电机机组有差转速控制方法，其特征在于：步骤4)中反馈控制模块(2)的PID控制器的模型为：

$y=\mathrm{med}\tan \{(K_p\·{\text{T}}_d\·\frac{de}{dt}+r),U,L\}$

r＝medtan{(K_p·e+v)，U，L}

$\frac{\mathrm{dv}}{dt}=\frac{r-v}{T_i}$

其中y为反馈燃料行程基准修正量，K_p为比例系数，T_i为积分时间，T_d为微分时间，U为PID控制器输出上限值，L为PID控制器输出下限值，为从三个自变量中选取中间值的函数，r和v为两个辅助变量。