CN105545495A - 一种燃气轮机负载突变控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设备燃气轮机控制方法，特别是涉及一种燃气轮机负载突变控制系统及方法。燃气轮机负载突变控制系统包括：第一PID控制模块、动力涡轮控制器；第二PID控制模块、燃气发生器控制器；第三PID控制模块；信号采集模块，用于采集动力涡轮连接的发电机组负载的电流和电压信号；处理模块，生成负载功率变化率，并且，当负载功率变化率大于或等于第一预定值时，且持续第一预定时间段时，处理模块根据负载功率变化率计算得到控制信息传递至第二PID控制模块。本发明的燃气轮机负载突变控制系统及方法，能够及时的预测电负载变化，有效抑制来自发电机组负载突变的扰动，使得动力涡轮转速超调/下垂量更小，实现对负载功率突变的良好跟随。

Description

一种燃气轮机负载突变控制系统及方法

技术领域

本发明涉及设备燃气轮机控制方法，特别是涉及一种燃气轮机负载突变控制系统及方法。

背景技术

相比传统的单回路控制方法，串级闭环控制具有良好的抗干扰性、自适应性，目前在燃气轮机机械驱动、船舶推进和常规发电领域应用较广。而当燃气轮机应用于应急备用电源、船舶电力推进等孤网发电领域时，由于其负载变化形式为阶跃性突变，采用常规的串级控制方法对电负载响应速度较慢，很难及时抑制动力涡轮转速超调量或下垂量，且调节转速恢复时间较长，导致瞬态发电品质达不到发电指标要求，特别是甩负荷时，很难保证燃气轮机动力涡轮不超转停车。

发明内容

本发明的目的是提供了一种燃气轮机负载突变控制系统及方法，至少解决现有燃气轮机方法对负载功率突变的跟随性差的问题。

本发明的技术方案是：

一种燃气轮机负载突变控制系统，用于对动力涡轮进行控制，所述动力涡轮又依次与燃气发生器以及燃油控制器连接，所述燃气轮机负载突变控制系统包括：

第一PID控制模块，用于接收给定动力涡轮转速以及所述动力涡轮反馈的实际转速信息，并生成第一控制信息；

动力涡轮控制器，用于根据所述第一PID控制模块输出的第一控制信息对所述动力涡轮进行控制；

第二PID控制模块，用于接收所述动力涡轮控制器发出的第一控制信息以及所述燃气发生器反馈的燃气发生器换算转速信息，并生成第二控制信息；

燃气发生器控制器，用于根据所述第二PID控制模块输出的第二控制信息对所述燃气发生器进行控制；

第三PID控制模块，用于接收所述燃气发生器控制器发出的第二控制信息以及所述燃油控制器反馈的信息，并生成用于控制所述燃油控制器的第三控制信息，同时，所述燃油控制器还生成用于控制所述燃气发生器的第四控制信息，所述燃气发生器还生成用于控制所述动力涡轮第五控制信息；

信号采集模块，用于采集所述动力涡轮连接的发电机组负载的电流和电压信号；

处理模块，用于接收所述信号采集模块采集的信号以及所述动力涡轮控制器发出的第一控制信息，还用于根据所述信号采集模块采集的信号生成负载功率变化率；

并且，当所述负载功率变化率小于预定值时，所述处理模块控制所述第一控制信息传递至所述第二PID控制模块；当所述负载功率变化率大于或等于第一预定值时，且持续第一预定时间段时，所述处理模块根据所述负载功率变化率计算得到第六控制信息，并仅将所述第六控制信息传递至所述第二PID控制模块。

优选的，所述第一预定值为800kW/s时，所述第一预定时间段为60ms。

优选的，所述燃油控制器生成第四控制信息为用于控制所述燃气发生器转动的目标转速信息；

所述处理模块将所述燃气发生器转动的目标转速信息与所述燃气发生器自动生成的换算转速进行对比，当偏差小于第二预定值时，且持续第二预定时间段时，控制所述第一控制信息传递至所述第二PID控制模块。

优选的，所述第二预定值为100r/min时，所述第一预定时间段为60ms。

本发明还提供了一种燃气轮机负载突变控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、当动力涡轮工作转速达到额定转速时，进行合闸；

步骤二、通过信号采集模块采集发电机组负载的电流和电压信息；

步骤三、处理模块根据所述信号采集模块采集的信号生成负载功率变化率；

并且，当所述处理模块判断所述负载功率变化率小于预定值时，所述处理模块控制所述第一控制信息传递至所述第二PID控制模块；

当所述负载功率变化率大于或等于第一预定值时，且持续第一预定时间段时，所述处理模块根据所述负载功率变化率计算得到第六控制信息，并仅将所述第六控制信息传递至所述第二PID控制模块。

优选的，所述的燃气轮机负载突变控制系统的控制方法还包括：

步骤四、所述燃油控制器生成用于控制所述燃气发生器转动的目标转速信息；

所述处理模块将所述燃气发生器转动的目标转速信息与所述燃气发生器自动生成的换算转速进行对比，当偏差小于第二预定值时，且持续第二预定时间段时，控制控制所述第一控制信息传递至所述第二PID控制模块。

优选的，所述第一预定值为800kW/s时，所述第一预定时间段为60ms；所述第二预定值为100r/min时，所述第一预定时间段为60ms。

优选的，所述负载功率PW计算公式如下：

PW＝1.732×U×I×cosΦ；

其中，U为电压，单位是V；I为电流，单位是A；cosΦ为功率因素。

本发明的优点在于：

本发明的燃气轮机负载突变控制系统及方法，能够及时的预测电负载变化，并能够根据超出范围的负载功率变化率计算得到用于实时控制动力涡轮转速的转速信息，从而做出快速响应，有效抑制来自发电机组负载突变的扰动，使得动力涡轮转速超调/下垂量更小，实现对负载功率突变的良好跟随，能够实现在额定工况下甩负荷不超转停车。

附图说明

图1是常规燃气轮机负载突变控制系统结构简图；

图2是本发明燃气轮机负载突变控制系统结构简图。

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。

下面结合附图1和图2对本发明燃气轮机负载突变控制系统及方法做进一步详细说明。

燃气轮机应用于应急备用电源、船舶电力推进等孤网发电领域时，由于其负载变化形式为阶跃性突变，常规控制方法很难及时抑制来自发电机组负载突变的扰动，对负载功率突变的跟随性差。而电流与电压这些与电负载直接相关的变量是最及时可靠的反映负载快速性变化的可测信息，若将其利用，可有效解决常规控制方法的不足。

本发明的设计思路是在常规的串级闭环控制方法的基础上，将电流、电压转换为功率作为负载变化的前馈条件，及时的预测电负载变化并能快速响应的设计方法，该设计方法可有效抑制来自发电机组负载突变的扰动，使得动力涡轮转速超调/下垂量更小，实现对负载功率突变的良好跟随。

本发明提供了一种燃气轮机负载突变控制系统，用于对动力涡轮进行控制。被控制的动力涡轮系统及相关部件与常规的结构相同，包括与动力涡轮连接的燃气发生器以及燃油控制器，具体结构不再赘述。

特别如图1所示，常规的串级闭环控制方法中，包括三回路PID控制策略；其中，其中外侧回路是主控回路，作用是控制动力涡轮转速；中间回路是副控制回路，作用是调节燃气发生器转速；内测回路也是副控制回路，作用是控制电液伺服阀供油量大小。由于此串级闭环控制方法属于常规控制方法，此处不再对其做过多详细的论述。

外侧回路包括第一PID控制模块、动力涡轮控制器以及动力涡轮。第一PID控制模块用于接收给定动力涡轮转速(图1和图2中的N_{p_d}，单位是r/min)以及动力涡轮反馈的实际转速信息(图1和图2中的N_p，单位是r/min)，并生成第一控制信息。动力涡轮控制器用于根据第一PID控制模块输出的第一控制信息对动力涡轮进行控制。另外，图1中的f为扰动。

中间回路包括第二PID控制模块、燃气发生器控制器以及燃气发生器。第二PID控制模块用于接收动力涡轮控制器发出的第一控制信息以及燃气发生器反馈的燃气发生器换算转速信息(图1和图2中的N_ghs，单位是r/min)，并生成第二控制信息；此时的第一控制信息为图1和图2中的N_{ghs_d}，即由动力涡轮控制器生成的燃气发生器给定转速，单位是r/min。燃气发生器控制器用于根据第二PID控制模块输出的第二控制信息对燃气发生器进行控制。其中，第二控制信息为燃料调节阀开度，即图1和图2中的W_f，单位是百分比。

内测回路包括第三PID控制模块以及燃油控制器。第三PID控制模块用于接收燃气发生器控制器发出的第二控制信息以及燃油控制器反馈的信息(燃料调节阀给定开度，即图1和图2中的W_{f_d}，单位是百分比)，并生成用于控制燃油控制器的第三控制信息(调节阀开度信息)，同时，燃油控制器还生成用于控制燃气发生器的第四控制信息(转速信息)，燃气发生器还生成用于控制动力涡轮第五控制信息。

需要说明的是，上述串级闭环控制方法属于常规控制方法，此处不再对其控制过程及控制原理做过多详细的论述。

进一步，特别如图2所示，在本发明的燃气轮机负载突变控制系统中，还包括信号采集模块以及处理模块。

信号采集模块用于采集动力涡轮连接的发电机组负载的电流和电压信号。处理模块用于接收信号采集模块采集的信号以及动力涡轮控制器发出的第一控制信息，还用于根据信号采集模块采集的信号生成负载功率变化率。

其中，负载功率PW计算公式如下：

PW＝1.732×U×I×cosΦ；

U为电压，单位是V；I为电流，单位是A；cosΦ为功率因素。

负载功率变化率计算如下：

$\frac{dPW}{dt}=\left\{\begin{array}{c}f(I,U)\\ f(I,U)\end{array}\right.;$

进一步，当处理模块判断负载功率变化率小于预定值时，处理模块控制第一控制信息传递至第二PID控制模块，也即是采用常规的串级闭环控制方法；当负载功率变化率大于或等于第一预定值时，且持续第一预定时间段时，处理模块根据负载功率变化率计算得到第六控制信息，并仅将第六控制信息传递至第二PID控制模块。另外，在本实施例中，优选第一预定值为800kW/s时，第一预定时间段为60ms。

具体地，是先根据负载功率PW计算得到负载换算功率PW₁₅：

${\mathrm{PW}}_{15}=\frac{PW\×1.01325\×{10}^5\×\sqrt{288.15}}{P_0\×\sqrt{T_0}};$

其中，PW₁₅为负载换算功率，单位是kW；P₀为大气压力，单位是Pa；T₀为大气温度，单位是℃。

进一步，再根据预先设定的燃气发生器换算转速N_ghs与负载换算功率PW₁₅对应关系(如下表1所示)，插值得到当前负载换算功率PW_{15_current}下对应的燃气发生器换算转速N_ghs，将其作为目标转速N_{ghs_target}，并按照控制系统中预先设定的不同燃气发生器换算转速下对应的转速变化速率(如表2所示)调节燃气轮机工况。

表1为燃气发生器换算转速与负载换算功率对应关系：

Nghs(r/min)	9503	10289	10856	11096	11330	11552	11822
								PW15(kW)	46	880	1710	2520	3240	4150	5700
Nghs(r/min)	12088	12174	12267	12348	12417	12502	12598
								PW15(kW)	7310	8230	9010	9820	10510	11305	12000

表2不同燃气发生器换算转速对应的转速变化率：

进一步，本发明的燃气轮机负载突变控制系统中，燃油控制器生成第四控制信息为用于控制燃气发生器转动的目标转速信息。

处理模块还用于将燃气发生器转动的目标转速信息N_{ghs_target}与燃气发生器自动生成的换算转速N_ghs进行对比，作差|N_ghs-N_{ghs_target}|，当偏差小于第二预定值时，且持续第二预定时间段时，控制第一控制信息传递至第二PID控制模块。否则，回到上述常规的串级闭环控制方法进行控制。本实施例中优选第二预定值为100r/min时，第一预定时间段为60ms。

本发明的燃气轮机负载突变控制系统，能够及时的预测电负载变化，并能够根据超出范围的负载功率变化率计算得到用于实时控制动力涡轮转速的转速信息，从而做出快速响应，有效抑制来自发电机组负载突变的扰动，使得动力涡轮转速超调/下垂量更小，实现对负载功率突变的良好跟随，能够实现在额定工况下甩负荷不超转停车。通过发电机组负荷突增及突减试验验证表明，采用常规的串级闭环控制+功率前馈控制方法要比单纯的串级闭环控制得到的突变负载动态发电品质更好，主要表现为瞬态电压偏差及恢复时间、瞬态电流偏差及恢复时间等参数改善明显。

本发明还提供了一种燃气轮机负载突变控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、当动力涡轮工作转速达到额定转速时，进行手动合闸。其中，上述判断可以通过燃机控制器判断，也可以控制上述处理模块进行判断；额定转速优选为7700r/min。

步骤二、通过信号采集模块采集发电机组负载的电流和电压信息。

步骤三、处理模块根据信号采集模块采集的信号生成负载功率变化率；

并且，当处理模块判断负载功率变化率小于预定值时，处理模块控制第一控制信息传递至第二PID控制模块(即采用常规的串级闭环控制方法进行控制)；

当负载功率变化率大于或等于第一预定值时，且持续第一预定时间段时，处理模块根据负载功率变化率计算得到第六控制信息，并仅将第六控制信息传递至第二PID控制模块，从而根据负载功率变化率来对动力涡轮的转速进行控制，即本发明的突变负载功率前馈控制方法。

进一步，燃气轮机负载突变控制系统的控制方法还可以包括：

步骤四、燃油控制器生成第四控制信息为用于控制燃气发生器转动的目标转速信息；

处理模块还用于将燃气发生器转动的目标转速信息N_{ghs_target}与燃气发生器自动生成的换算转速N_ghs进行对比，作差|N_ghs-N_{ghs_target}|，当偏差小于第二预定值时，且持续第二预定时间段时，控制第一控制信息传递至第二PID控制模块。否则，回到上述常规的串级闭环控制方法进行控制。

同样，本发明的燃气轮机负载突变控制方法，能够及时的预测电负载变化，并能够根据超出范围的负载功率变化率计算得到用于实时控制动力涡轮转速的转速信息，从而做出快速响应，有效抑制来自发电机组负载突变的扰动，使得动力涡轮转速超调/下垂量更小，实现对负载功率突变的良好跟随，能够实现在额定工况下甩负荷不超转停车。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种燃气轮机负载突变控制系统，用于对动力涡轮进行控制，所述动力涡轮又依次与燃气发生器以及燃油控制器连接，其特征在于，所述燃气轮机负载突变控制系统包括：

第一PID控制模块，用于接收给定动力涡轮转速以及所述动力涡轮反馈的实际转速信息，并生成第一控制信息；

动力涡轮控制器，用于根据所述第一PID控制模块输出的第一控制信息对所述动力涡轮进行控制；

第二PID控制模块，用于接收所述动力涡轮控制器发出的第一控制信息以及所述燃气发生器反馈的燃气发生器换算转速信息，并生成第二控制信息；

燃气发生器控制器，用于根据所述第二PID控制模块输出的第二控制信息对所述燃气发生器进行控制；

第三PID控制模块，用于接收所述燃气发生器控制器发出的第二控制信息以及所述燃油控制器反馈的信息，并生成用于控制所述燃油控制器的第三控制信息，同时，所述燃油控制器还生成用于控制所述燃气发生器的第四控制信息，所述燃气发生器还生成用于控制所述动力涡轮第五控制信息；

信号采集模块，用于采集所述动力涡轮连接的发电机组负载的电流和电压信号；

处理模块，用于接收所述信号采集模块采集的信号以及所述动力涡轮控制器发出的第一控制信息，还用于根据所述信号采集模块采集的信号生成负载功率变化率；

并且，当所述负载功率变化率小于预定值时，所述处理模块控制所述第一控制信息传递至所述第二PID控制模块；当所述负载功率变化率大于或等于第一预定值时，且持续第一预定时间段时，所述处理模块根据所述负载功率变化率计算得到第六控制信息，并仅将所述第六控制信息传递至所述第二PID控制模块。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机负载突变控制系统，其特征在于，所述第一预定值为800kW/s时，所述第一预定时间段为60ms。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机负载突变控制系统，其特征在于，所述燃油控制器生成第四控制信息为用于控制所述燃气发生器转动的目标转速信息；

所述处理模块将所述燃气发生器转动的目标转速信息与所述燃气发生器自动生成的换算转速进行对比，当偏差小于第二预定值时，且持续第二预定时间段时，控制所述第一控制信息传递至所述第二PID控制模块。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机负载突变控制系统，其特征在于，所述第二预定值为100r/min时，所述第一预定时间段为60ms。

5.根据权利要求1-4任一项所述的燃气轮机负载突变控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、当动力涡轮工作转速达到额定转速时，进行合闸；

步骤二、通过信号采集模块采集发电机组负载的电流和电压信息；

步骤三、处理模块根据所述信号采集模块采集的信号生成负载功率变化率；

并且，当所述处理模块判断所述负载功率变化率小于预定值时，所述处理模块控制所述第一控制信息传递至所述第二PID控制模块；

当所述负载功率变化率大于或等于第一预定值时，且持续第一预定时间段时，所述处理模块根据所述负载功率变化率计算得到第六控制信息，并仅将所述第六控制信息传递至所述第二PID控制模块。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机负载突变控制系统的控制方法，其特征在于，还包括：

步骤四、所述燃油控制器生成用于控制所述燃气发生器转动的目标转速信息；

所述处理模块将所述燃气发生器转动的目标转速信息与所述燃气发生器自动生成的换算转速进行对比，当偏差小于第二预定值时，且持续第二预定时间段时，控制控制所述第一控制信息传递至所述第二PID控制模块。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机负载突变控制系统的控制方法，其特征在于，所述第一预定值为800kW/s时，所述第一预定时间段为60ms；所述第二预定值为100r/min时，所述第一预定时间段为60ms。

8.根据权利要求5所述的燃气轮机负载突变控制系统的控制方法，其特征在于，所述负载功率PW计算公式如下：

PW＝1.732×U×I×cosΦ；

其中，U为电压，单位是V；I为电流，单位是A；cosΦ为功率因素。