CN105464814A - 一种双轴燃机负载突变状态下控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴燃机负载突变状态下控制方法。所述双轴燃机负载突变状态下控制方法包括如下步骤：步骤1：进行燃机喘振裕度提升；步骤2：采集发动机负载功率，并对该发动机负载功率进行判断，判断其是否大于功率前馈闭环控制阈值；若是，则执行负载功率前馈模糊控制；若否，则进行下一步；步骤3：判断动力涡轮转速偏差是否大于动力涡轮单闭环控制确值，若是，则执行动力涡轮转速、燃油流量闭环串级控制；若否，则执行动力涡轮转速、燃气发生器转速以及燃油流量闭环串级控制。采用这种方法可实现对负载突变状态下，燃机功率输出轴转速波动及发电品质波动在机组系统允许的误差范围，保证燃机发电机组的安全、有效使用。

Description

一种双轴燃机负载突变状态下控制方法

技术领域

本发明涉及双轴燃机技术领域，特别是涉及一种双轴燃机负载突变状态下控制方法。

背景技术

相比较于目前国内比较流行的柴油发电机组，双轴燃机发电机组具有启动性能好、启动成功率高、机组容量大、发电品质好、使用清洁能源污染小、集成度高、安装方便、占地面积小、噪声小等优点。但同时当面临恶劣的使用环境时，燃机发电机组的弱点便凸显出来，特别是当应用于脱网发电和应急电源时，由于负载条件的不稳定，造成的输出电能品质下降，很大程度上限制了双轴燃机的使用。

由于国内尚未有严格的燃气轮机机组发电电能品质要求，目前多沿用柴油机组发电标准。柴油机组发电标准要求稳态时动力输出轴转速波动±0.5％，动态响应转速波动不超过±4％且要求2s内转速需恢复到±2％以内。

燃机尤其是多轴燃机应用于发电机组特别是孤网和应急发电状态下由于多轴燃机功率输出较大和气动连接的大惯性特性常数在负载扰动状态下动态、稳态响应精度很难达到柴油机组的设计标准。

双轴燃机应用于脱网发电和应急发电条件下，当电源负载功率大范围波动出现突增、突减极端工况条件时，将对燃机机组的输出电能品质产生巨大的影响，如果燃机机组的控制系统响应不能达到系统要求，将会出现输出电压品质恶劣，烧毁用电设备，严重情况下甚至会造成机组报废。因此燃机机组负载突增、突减状态下控制系统动态、稳态控制品质要求成为了燃机机组控制算法研究亟待解决的问题，。然而双轴燃机高压压气机轴和动力涡轮功率输出轴的气动连接特性，导致控制输出惯性滞后严重，对于控制算法研究提出了极高的要求。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双轴燃机负载突变状态下控制方法来克服或至少减轻现有技术的中的至少一个上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种双轴燃机负载突变状态下控制方法，所述双轴燃机负载突变状态下控制方法包括如下步骤：步骤1：进行燃机喘振裕度提升；步骤2：采集发动机负载功率，并对该发动机负载功率进行判断，判断其是否大于功率前馈闭环控制阈值；若是，则执行负载功率前馈模糊控制；若否，则进行下一步；步骤3：判断动力涡轮转速偏差是否大于动力涡轮单闭环控制确值，若是，则执行动力涡轮转速、燃油流量闭环串级控制；若否，则执行动力涡轮转速、燃气发生器转速以及燃油流量闭环串级控制。

优选地，所述负载功率前馈模糊控制具体为：采集负载功率值以及负载功率变化率，并根据负载功率前馈模糊控制算法和燃气发生器转速变化斜率限制，得到燃油供油给定，采集实际燃油流量，通过实际燃油流量以及燃油供油给定计算燃油流量偏差，并根据燃油流量偏差执行燃油流量闭环控制。

优选地，所述执行动力涡轮转速、燃油流量闭环串级控制具体为：采集动力涡轮转速偏差，根据动力涡轮转速偏差执行动力涡轮PID闭环控制，并得到燃油流量给定，同时采集实际燃油流量，并根据实际燃油流量以及燃油流量给定计算燃油流量偏差，根据该燃油流量偏差，执行燃油流量PID闭环控制。

优选地，所述执行动力涡轮转速、燃气发生器转速以及燃油流量闭环串级控制具体为：采集动力涡轮转速偏差，根据动力涡轮转速偏差执行动力涡轮PID闭环控制，得到燃气发生器转速给定，采集燃气发生器转速，通过燃气发生器转速给定以及燃气发生器转速计算燃气发生器转速偏差，根据燃气发生器转速偏差，执行燃气发生器模糊自适应PID参数修正控制，得到燃油流量给定，采集实际燃油流量，计算燃油流量偏差，根据燃油流量偏差，执行燃油流量闭环控制。

优选地，所述燃气发生器模糊自适应PID参数修正控制具体为：采集燃气发生器转速，根据燃气发生器转速给定和燃气发生器转速计算燃气发生器转速偏差、转速偏差变化率，根据燃气发生器转速以及燃气发生器转速偏差、转速偏差变化率是否大于确值，如果大于确值，进行燃气发生器分段式模糊自适应PID参数修正，得到修正后的参数，根据修正后的参数，进行闭环控制，得到燃油流量给定，采集实际燃油流量，通过实际燃油流量以及燃油流量给定计算燃油流量偏差，根据燃油流量偏差，执行燃油流量PID闭环控制。

优选地，所述步骤1中的进行燃机喘振裕度提升的具体方法为：使叶片角角度偏关；在允许的动力涡轮输出轴转速输出误差范围内提高动力涡轮转速闭环值以及通过发动机模型仿真确定喘振裕度增加后增加发动机升转速率。

本发明的双轴燃机负载突变状态下控制方法当电源负载功率大范围波动出现突增、突减极端工况条件时，机组的输出电能品质恶化等问题，提出了一种具体的双轴燃机负载突变状态下控制方法，利用本方法可以实现对负载突变状态下，燃机功率输出轴转速波动及发电品质波动在机组系统允许的误差范围，保证燃机发电机组的安全、有效使用。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的双轴燃机负载突变状态下控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1是根据本发明一实施例的双轴燃机负载突变状态下控制方法的流程示意图。

如图1所示的双轴燃机负载突变状态下控制方法包括如下步骤：步骤1：进行燃机喘振裕度提升；步骤2：采集发动机负载功率，并对该发动机负载功率进行判断，判断其是否大于功率前馈闭环控制阈值；若是，则执行负载功率前馈模糊控制；若否，则进行下一步；步骤3：判断动力涡轮转速偏差是否大于动力涡轮单闭环控制确值，若是，则执行动力涡轮转速、燃油流量闭环串级控制；若否，则执行动力涡轮转速、燃气发生器转速以及燃油流量闭环串级控制。

参见图1，在本实施例中，负载功率前馈模糊控制具体为：采集负载功率值以及负载功率变化率，并根据负载功率前馈模糊控制算法和燃气发生器转速变化斜率限制，得到燃油供油给定，采集实际燃油流量，通过实际燃油流量以及燃油供油给定计算燃油流量偏差，并根据燃油流量偏差执行燃油流量闭环控制。

举例来说，上述的负载功率前馈模糊控制具体为：

(1)精确量的模糊化

选择负载功率值和负载功率变化率作为基本轮域，将误差的变化范围设定为(-6,6)之间的连续量，然后将其离散化，并进行模糊化处理。

通过变换式将负载功率值进行论域变换。a为负载功率值偏差最大值，b为负载功率值偏差最小值；以及变换式将负载功率变化率进行论域变换,其中，c为负载功率变化率最大值，d为负载功率变化率最小值。

(2)语言变量的选取及论域上的模糊子集

将负载功率值和负载功率变化率采用模糊概念的等级加以区分，把(-6,6)之间的连续量分为8档，正大(PL)，正中(PM)，正小(PS),正零(PO)，负零(NO)，负小(NS)、负中(NM)，负大(NL)。

(3)建立模糊控制器的控制规则

将模糊化后的负载功率值和负载功率变化率论域值作为输入，两个输入在各自论域中对应各语言值的模糊子集，将工程实践中总结得到的燃气发生器转速闭环PID参数修正子集集合作为输出。

(4)输出量去模糊化

采用普通加权平均法对输出进行输出去模糊化，选取隶属度最大的论域元素为去模糊的结果，作为燃油流量闭环给定量。

在本实施例中，执行动力涡轮转速、燃油流量闭环串级控制具体为：

采集动力涡轮转速偏差，根据动力涡轮转速偏差执行动力涡轮PID闭环控制，并得到燃油流量给定，同时采集实际燃油流量，并根据实际燃油流量以及燃油流量给定计算燃油流量偏差，根据该燃油流量偏差，执行燃油流量PID闭环控制。

在本实施例中，执行动力涡轮转速、燃气发生器转速以及燃油流量闭环串级控制具体为：

采集动力涡轮转速偏差，根据动力涡轮转速偏差执行动力涡轮PID闭环控制，得到燃气发生器转速给定，采集燃气发生器转速，通过燃气发生器转速给定以及燃气发生器转速计算燃气发生器转速偏差，根据燃气发生器转速偏差，执行燃气发生器模糊自适应PID参数修正控制，得到燃油流量给定，采集实际燃油流量，计算燃油流量偏差，根据燃油流量偏差，执行燃油流量闭环控制。

在本实施例中，燃气发生器模糊自适应PID参数修正控制具体为：

采集燃气发生器转速，根据燃气发生器转速给定和燃气发生器转速计算燃气发生器转速偏差、转速偏差变化率，根据燃气发生器转速以及燃气发生器转速偏差、转速偏差变化率是否大于确值，如果大于确值，进行燃气发生器分段式模糊自适应PID参数修正，得到修正后的参数，根据修正后的参数，进行闭环控制，得到燃油流量给定，采集实际燃油流量，通过实际燃油流量以及燃油流量给定计算燃油流量偏差，根据燃油流量偏差，执行燃油流量PID闭环控制。

举例来说，上述的燃气发生器分段式模糊自适应PID参数修正具体为：

(1)精确量的模糊化

选择燃气发生器转速偏差和燃气发生器转速偏差变化率作为基本轮域，将误差的变化范围设定为(-6,6)之间的连续量，然后将其离散化，并进行模糊化处理。

通过变换式将燃气发生器转速偏差进行论域变换。e为燃气发生器转速偏差最大值，f为燃气发生器转速偏差最小值；以及变换式将燃气发生器转速偏差变化率进行论域变换,其中，g为燃气发生器转速偏差变化率最大值，h为燃气发生器转速偏差变化率最小值。

(2)语言变量的选取及论域上的模糊子集

燃气发生器转速偏差和燃气发生器转速偏差变化率采用模糊概念的等级加以区分，把(-6,6)之间的连续量分为8档，正大(PL)，正中(PM)，正小(PS),正零(PO)，负零(NO)，负小(NS)、负中(NM)，负大(NL)。

(3)建立模糊控制器的控制规则

将模糊化后的燃气发生器转速偏差和燃气发生器转速偏差变化率论域值作为输入，两个输入在各自论域中对应各语言值的模糊子集，将工程实践中总结得到的燃气发生器转速闭环PID参数修正子集集合作为输出。

(4)输出量去模糊化

采用普通加权平均法对输出进行输出去模糊化，选取隶属度最大的论域元素为去模糊的结果，作为燃气发生器转速闭环PID的修正执行量。

在本实施例中，执行动力涡轮转速、燃油流量闭环串级控制具体为：

采集动力涡轮转速偏差，根据动力涡轮转速偏差执行动力涡轮PID闭环控制，并得到燃油流量给定，同时采集实际燃油流量，并根据实际燃油流量以及燃油流量给定计算燃油流量偏差，根据该燃油流量偏差，执行燃油流量PID闭环控制。

在本实施例中，所述步骤1中的进行燃机喘振裕度提升的具体方法为：

使叶片角角度偏关；在允许的动力涡轮输出轴转速输出误差范围内提高动力涡轮转速闭环值以及通过发动机模型仿真确定喘振裕度增加后增加发动机升转速率。

本申请的双轴燃机负载突变状态下控制方法针对双轴燃机数字电子式控制系统应用于发电条件下，当电源负载功率大范围波动出现突增、突减极端工况条件时，机组的输出电能品质恶化等问题，提出了一种具体的双轴燃机负载突变状态下控制方法，利用本双轴燃机负载突变状态下控制方法可以实现对负载突变状态下，燃机功率输出轴转速波动及发电品质波动在机组系统允许的误差范围，保证燃机发电机组的安全、有效使用。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种双轴燃机负载突变状态下控制方法，其特征在于，所述双轴燃机负载突变状态下控制方法包括如下步骤：

步骤1：进行燃机喘振裕度提升；

步骤2：采集发动机负载功率，并对该发动机负载功率进行判断，判断其是否大于功率前馈闭环控制阈值；若是，则执行负载功率前馈模糊控制；若否，则进行下一步；

步骤3：判断动力涡轮转速偏差是否大于动力涡轮单闭环控制确值，若是，则执行动力涡轮转速、燃油流量闭环串级控制；若否，则执行动力涡轮转速、燃气发生器转速以及燃油流量闭环串级控制。

2.如权利要求1所述的双轴燃机负载突变状态下控制方法，其特征在于，所述负载功率前馈模糊控制具体为：

采集负载功率值以及负载功率变化率，并根据负载功率前馈模糊控制算法和燃气发生器转速变化斜率限制，得到燃油供油给定，采集实际燃油流量，通过实际燃油流量以及燃油供油给定计算燃油流量偏差，并根据燃油流量偏差执行燃油流量闭环控制。

3.如权利要求2所述的双轴燃机负载突变状态下控制方法，其特征在于，所述执行动力涡轮转速、燃油流量闭环串级控制具体为：

采集动力涡轮转速偏差，根据动力涡轮转速偏差执行动力涡轮PID闭环控制，并得到燃油流量给定，同时采集实际燃油流量，并根据实际燃油流量以及燃油流量给定计算燃油流量偏差，根据该燃油流量偏差，执行燃油流量PID闭环控制。

4.如权利要求3所述的双轴燃机负载突变状态下控制方法，其特征在于，所述执行动力涡轮转速、燃气发生器转速以及燃油流量闭环串级控制具体为：

采集动力涡轮转速偏差，根据动力涡轮转速偏差执行动力涡轮PID闭环控制，得到燃气发生器转速给定，采集燃气发生器转速，通过燃气发生器转速给定以及燃气发生器转速计算燃气发生器转速偏差，根据燃气发生器转速偏差，执行燃气发生器模糊自适应PID参数修正控制，得到燃油流量给定，采集实际燃油流量，计算燃油流量偏差，根据燃油流量偏差，执行燃油流量闭环控制。

5.如权利要求4所述的双轴燃机负载突变状态下控制方法，其特征在于，所述燃气发生器模糊自适应PID参数修正控制具体为：

采集燃气发生器转速，根据燃气发生器转速给定和燃气发生器转速计算燃气发生器转速偏差、转速偏差变化率，根据燃气发生器转速以及燃气发生器转速偏差、转速偏差变化率是否大于确值，如果大于确值，进行燃气发生器分段式模糊自适应PID参数修正，得到修正后的参数，根据修正后的参数，进行闭环控制，得到燃油流量给定，采集实际燃油流量，通过实际燃油流量以及燃油流量给定计算燃油流量偏差，根据燃油流量偏差，执行燃油流量PID闭环控制。

6.如权利要求1所述的双轴燃机负载突变状态下控制方法，其特征在于，所述步骤1中的进行燃机喘振裕度提升的具体方法为：

使叶片角角度偏关；在允许的动力涡轮输出轴转速输出误差范围内提高动力涡轮转速闭环值以及通过发动机模型仿真确定喘振裕度增加后增加发动机升转速率。