CN109763900B - 一种燃气轮机发电系统负荷突变转速波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机发电系统负荷突变转速波动抑制方法。在发电机及其整流控制子系统“电压‑电流双闭环”的控制策略基础上，把燃气轮机输出轴的转速波动量作为扰动量，补偿到发电机电压闭环控制中，通过改变发电机及其整流控制子系统输出的直流电压值，调整燃气轮机发电系统负荷突变时的负载功率的变化量，使得机组转速的波动得到快速地抑制，进而实现燃机发电系统的稳定运行。

Description

一种燃气轮机发电系统负荷突变转速波动抑制方法

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机发电系统协同控制方法，特别涉及一种燃气轮机及其控制子系统转速波动的抑制方法。

背景技术

目前燃气轮机在航空发动机、地面电站以及舰船综合电力系统、航空辅助电源等领域均得到了广泛应用。尤其是应用于舰船综合电力系统、航空辅助电源等孤网运行电力系统时，发电机组总容量与负荷功率相当。燃气轮机控制单元主要包括动力涡轮控制器以及燃气涡轮控制器两部分，用于实现对燃气轮机输出轴转速闭环控制。图1是燃气轮机采用传统的串级闭环控制系统框图。动力涡轮控制器用于实现燃气轮机输出轴转速的闭环控制，燃气涡轮控制器用于实现燃气涡轮转速的闭环控制。动力涡轮控制器和燃气涡轮控制器形成串级闭环控制具体过程如下：将动力涡轮目标转速和转速传感测量得到的实际转速求差值，经过动力涡轮控制器调节后输出燃气涡轮控制器的给定值；所述给定值和实测得到的燃气涡轮实际转速求差，输入到燃气涡轮控制器，得到需要的燃油喷射量。燃气涡轮与动力涡轮之间通常只存在气动上的联系，这造成了二者在串级闭环控制上信息的传递存在较大延时。负载扰动会引起动力涡轮转速的波动，经过动力涡轮控制器调节输出的控制信息，需要较长延时才会传递到燃气涡轮控制器，控制上存在的延时对燃气轮机转速闭环控制的稳定带来了很大的挑战。另外燃气轮机转动惯量较小，抗扰动性较差，尤其是负荷突变时，仅依靠燃气轮机传统的串级闭环控制系统很难维持燃气轮机输出轴转转速的稳定。

在燃气轮机发电系统中，在负荷突变时将燃气轮机输出轴转速控制在允许范围内是一项重要的考核指标。国内外对燃气轮机发电系统负荷突变引起燃气轮机输出轴转速波动的抑制方法进行了较深入研究，研究结果表明燃气轮机输出轴转速的下垂(超调)量，不仅与负荷功率突变的大小及转矩变化有关，还取决于燃气轮机的动态响应特性和燃气轮机控制单元的控制效果。由于燃气轮机轴系转动惯量较小，负荷的变化很容易引起转速波动，因此，对燃气轮机发电系统的协同控制提出了更高的要求。

申请号为201511009290.7的专利《一种燃气轮机负载突变控制系统及方法》。针对燃气轮机控制单元，在传统的串级闭环控制基础上，增加信号采集模块，用于采集发电机组的电流和电压信号，进而生成负载功率变化信号，设定变化阈值，依据负载功率变化的大小计算燃气发生器控制器所需的控制信息，及时调节燃油控制器做出相应的响应，达到抑制负载突变的扰动稳定动力涡轮转速波动的目的。该发明从燃气轮机控制单元的控制策略入手，在传统的串级控制基础上增加负载功率变化信息，改善燃气轮机输出轴转速闭环控制性能，但是该方法利用信号采集模块预测负载功率变化，需设定阈值和时间，算法较为复杂，且负载功率的准确预测依赖于信号采集模块电流和电压的采样准确性和采样精度，这给燃气轮机的动力涡轮转速闭环控制带了更多的不稳定因素，同时还增加了硬件测量成本。

申请号为201511009290.7的专利《一种燃气轮机甩负荷控制系统》。在燃气轮机控制单元中，将发电机组电流信号的变化转换为负载变化率，作为燃气轮机甩负荷的前馈条件，以达到大幅度甩负荷条件下减少调节时间，减小超调量的目的。该发明依然是从改变燃气轮机的控制策略入手，通过加入前馈提升燃机控制系统的快速性，以达到转速波动抑制的效果。

上述两种专利均利用燃气轮机控制单元提高燃气轮机输出轴转速闭环控制能力，在检测到负荷(负载)变化后再施加控制作用，属于被动适应负荷变化的控制方法。图2所示燃气轮机发电系统中，燃气轮机及其控制子系统输出的机械功率通过发电机及其整流控制子系统转化为功率P_e作用于负荷侧，被负荷所消耗，即发电机输出功率P_e等于负荷功率P_z，相对于燃气轮机发电系统而言，发电机及其整流控制子系统更接近负荷端。由发电机功率表达式：P_e＝T_e·ω_e/9550，式中P_e代表发电机输出功率，T_e代表转矩，ω_e代表发电机转速，可以推出，当负荷突变引起转矩T_e的变化时，若发电机输出功率P_e维持不变，必然导致发电机转速ω_e的波动，由于发电机与燃气轮机同轴连接，那么燃气轮机输出轴转速ω_m也必然波动。负荷变化的越大，引起转矩T_e的变化也就是越大，转速ω_m的波动幅度也就越大，影响系统的稳定性。

发明内容

为克服现有燃气轮机发电系统负荷突变引起燃气轮机输出轴转速的波动，并影响燃气轮机控制单元转速闭环控制的稳定性，进而影响发电机及其整流控制子系统输出的电能质量的缺点，本发明提出一种燃气轮机发电系统负荷突变转速波动抑制方法，本发明不用额外增加硬件检测电路，也无需复杂的算法，在不改变燃气轮机控制单元中控制策略的基础上，通过改变发电机及其整流控制子系统输出的直流电压特性，进而调整发电机及其整流控制子系统输出负荷功率的变化量，实现对负荷突变时燃气轮机输出轴转速波动的快速抑制。

本发明技术方案是：

应用本发明的燃气轮机发电系统，燃气轮机作为原动机，与发电机同轴连接。燃气轮机拖动发电机旋转输出的交流电经过整流器输出直流电被负荷消耗。所述的燃气轮机发电系统包括燃气轮机及其控制子系统、发电机及其整流控制子系统两部分。所述的燃气轮机及其控制子系统用于对燃气轮机输出轴转速闭环控制，所述的发电机及其整流控制子系统用于对直流电压闭环控制。

本发明中发电机控制单元接收燃气轮机输出轴给定的目标转速

利用转速传感器测得的燃气轮机输出轴的实际转速ω_m，求差，经过PI调节器生成转速波动量，用ΔU表示。燃气轮机输出轴的实际转速ω_m偏离目标值向上波动，即

时，ΔU＜0，燃气轮机输出轴的实际转速ω_m偏离目标值向下波动，即时，ΔU＞0。

本发明在传统“电压-电流双闭环”的控制策略基础上，将PI调节器生成转速波动量ΔU，与原电压环指令

相减，形成新电压指令值U^*。

进而燃气轮机输出轴的实际转速ω_m偏离目标值向上波动，即

时，ΔU＜0，

燃气轮机输出轴的实际转速ω_m偏离目标值向下波动，即

时，ΔU＞0，

那么燃气轮机输出轴转速变化必然会引起电压指令值U^*值的改变。

利用发电机控制单元中“电压环”调节器调节直流电压U_dc，使其跟随新电压指令U^*，进而改变直流电压U_dc的输出值。

直流电压U_dc与负荷功率P_z之间的关系可以表示为：

式中Z为等效负载阻抗。改变直流电压U_dc的输出值，便改变了负荷功率P_z的变化量。发电机输出功率表达式可以表示为：

P_e＝T_e·ω_e/9550

式中P_e为发电机输出功率，T_e为发电机输出的转矩，发电机转速ω_e。在恒功率情况下，转矩的变化必然会引起转速向反方向波动，并且转矩变化的越大，转速在反的方向波动也就越剧烈。

发电机及其整流控制子系统输出功率被负荷消耗，即发电机功率输出功率P_e等于负荷功率P_z。

P_z＝P_e

当负荷突变时，会引起发电机输出转矩T_e的变化，若发电机输出功率P_e维持不变，必然会导致发电机转速ω_e的波动，由于发电机与燃气轮机同轴连接，那么燃气轮机输出轴转速ω_m会波动。

负荷突变包含突加负荷和突卸负荷两种情况。

突加负荷时发电机输出转矩T_e变大，燃气轮机输出轴实际转速ω_m偏离目标值向下波动，直流电压U_dc跟随新的电压指令U^*变小，那么负荷功率P_z将变小，电机输出功率P_e也将变小，进而抑制燃气轮机输出轴转速ω_m向下波动的幅度。

突卸负荷时发电机输出转矩T_e变小，燃气轮机输出轴的实际转速ω_m偏离目标值向上波动，直流电压U_dc跟随新的电压指令U^*变大，那么负荷功率P_z将变大，电机输出功率P_e也将变大，抑制发电机输出转矩T_e变小的幅度，进而抑制燃气轮机输出轴转速ω_m向上波动的幅度。

在负荷突变时，利用本发明技术方案改变直流电压U_dc的输出值，来改变负荷功率P_z的变化量，即改变发电机输出功率P_e的变化量，进而达到抑制燃气轮机输出轴转速ω_m波动的目的。

本发明用于燃气轮机发电系统负荷突变转速波动抑制方法的具体步骤为：

1)利用转速传感器测得燃气轮机输出轴的实际转速ω_m，目标转速

与实际转速ω_m求差，经过PI调节器调节生成转速波动量，用ΔU表示；

2)将PI调节器生成转速波动量ΔU，与原电压环指令

相结合，形成新电压指令U^*。

3)利用发电机控制单元中“电压环”调节器调节直流电压U_dc，使其跟随新电压指令U^*，进而改变直流电压U_dc的输出值。

本发明所提的方法直接从负荷侧入手，在负荷变化过程中通过改变发电机及其整流控制子系统输出负荷功率的变化，实现对燃气轮机输出轴转速波动的有效抑制，这对燃气轮机发电系统的转速和直流电压的稳定性具有重要意义。

附图说明

图1燃气轮机传统的串级闭环控制框图；

图2燃气轮机发电系统结构示意图；

图3传统永磁发电机-整流器电压闭环控制框图；

图4加入转速补偿的永磁发电机-整流器电压闭环控制框图；

图5a传统电压闭环控制与加入转速补偿后转速波动对比图；

图5b传统电压闭环控制与加入转速补偿后直流电压和功率变化对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案进一步说明本发明。

本发明所述的转速均为燃气轮机输出轴的转速，由于发电机与燃气轮机同轴连接，此转速也为发电机转速。

本发明将燃气轮机输出轴的转速波动量作为扰动量，参与发电机及其控制子系统对直流电压的控制。因此本发明旨在描述发电机及其控制子系统电压闭环加入转速补偿后的控制效果。

发电机及其整流控制子系统采用三相电压源型PWM整流器和永磁同步发电机，在电压环指令上加入燃气轮机输出轴的转速波动量，参与发电机及其控制子系统对直流电压的控制。

如图2所示，燃气轮机201作为原动机，与永磁同步发电机202同轴连接，燃机轮机201燃烧航空煤油或者轻质柴油，将热能转化为机械能，拖动永磁同步发电机202旋转，永磁同步发电机输出三相交流电，经过整流器203得到电压可控直流电，后被等效负载阻抗204所消耗。负荷功率P与直流电压U_dc的关系可以表示为：

Z为等效负载阻抗。

图3是发电机及其控制子系统传统的电压闭环控制框图，它包含永磁发电机和三相电压源PWM整流器。在发电机组采用“电压-电流双闭环”的控制策略，其中外环采用电压闭环控制，维持整流器输出的直流电压U_dc时刻跟踪电压指令值

内环采用电流闭环控制，实现转矩的快速响应以应对负荷突变。电压闭环的输出作为电流闭环的指令值，经过电流调节器实现电流闭环控制。

如图4所示，发电机及其控制子系统采用传统的“电压-电流双闭环”的控制策略，在电压闭环控制中，加入转速波动量ΔU。图4中

是燃气轮机输出轴目标转速，ω_m是燃气轮机输出轴实际转速，求差，经过PI调节器输出得到转速波动量ΔU，与原电压环指令

相结合，形成新电压指令U^*。

负荷功率减小情况与负荷功率增大情况刚好相反，试验中将以负荷功率增大为例阐述本发明的实施方案。

本发明已实际应用于燃气轮机发电系统中。实验过程中，先将燃气轮机输出轴转速ω_m稳定在5800r/min，输出机械功率P为112kW，发电机及其整流控制子系统输出直流电压U_dc为700V。在加入转速补偿算法前后各增加负荷功率7kW，得到的转速、电压和功率变化曲线，如图5a和5b所示。

从图5a中可以看出，采用传统“电压-电流双闭环”的控制策略在第8s加载7kW后燃气轮机输出轴转速由稳态时5800r/min下降到5564r/min，转速波动幅度Δω_m为236r/min。在第39s时刻加入转速补偿算法，此时燃气轮机输出轴转速ω_m稳定在5800r/min，第69s再加载7kW转速下降到5565r/min，转速波动幅度Δω_m为145r/min，转速波动幅度减小38.5％。燃气轮机输出轴转速ω_m的波动幅度得到有效地抑制。

图5b中给出对应的直流电压U_dc、原电压指令

以及负载功率变化量的情况，采用传统“电压-电流双闭环”的控制策略，原电压指令值

给定为700V，直流电压U_dc跟踪原电压指令值

第8s加载7kW，直流电压Udc由稳态值700V跌落至696V，且在1s内恢复至700V，这是由于发电机组双闭环控制调节使得直流电压瞬间就跟踪原指令值

7kW的负载功率在短时间内完成加载，负载功率的变化量较大，这对燃气轮机输出轴的转速冲击很大，仅加载7kW转速波动幅度就达到236r/min。

从图5b中可以看出，第39s时刻增加原电压指令值到705V，加入转速补偿算法并锁定，随后减小原电压指令值

到700V，新电压指令U^*随转速的波动时刻变化。第69s再加载7kW，直流电压U_dc跟随由新电压指令U^*稳态值700V跌落至691V，且在30s内才恢复至700V，负载功率先变化5.4kW，再缓慢增加到7kW，负载功率的变化量变小，近似于“缓慢”加载，使得燃气轮机输出轴转速的波动幅度变小。因此通过改变发电机及其整流控制子系统输出功率的变化量，能够快速地抑制了负荷突变时燃气轮机输出轴转速的波动。

Claims (1)

1.一种燃气轮机发电系统负荷突变转速波动抑制方法，其特征在于：所述的方法在“电压-电流双闭环”的控制策略基础上，将PI调节器生成转速波动量ΔU，与原电压环指令

相减，形成新电压指令值U^*：突卸负荷时，燃气轮机输出轴的实际转速ω_m偏离目标值向上波动，即

ΔU＜0，

突加负荷时，燃气轮机输出轴的实际转速ω_m偏离目标值向下波动，即

ΔU＞0，

所述抑制方法的步骤为：

1)利用转速传感器测得燃气轮机输出轴的实际转速ω_m，目标转速

与实际转速ω_m求差，经过PI调节器调节生成转速波动量ΔU；

2)将PI调节器生成转速波动量ΔU与原电压环指令

相结合，形成新电压指令U^*：

3)利用发电机控制单元中“电压环”调节器调节直流电压U_dc，使其跟随新电压指令U^*，进而改变直流电压U_dc的输出值。

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