CN110556840B - 一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气轮机调速系统的控制技术领域，具体涉及一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法及控制系统。燃气轮发电机组输出功率由调速系统输出开度指令值PCV，再经过电液伺服系统调节燃料阀开度以控制燃气轮发电机输出功率的大小，本发明在调速系统输出汽门开度指令值PCV与电液伺服系统输入之间增加了修正曲线函数f(PCV)，实现了燃料阀指令与燃料阀开度非线性关系的修正，确保燃料阀指令与发电机输出功率呈线性关系。同时在电液伺服系统的输入信号侧增加阻尼控制器，实现燃气轮发电机组超低频功率振荡抑制。

Description

一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及燃气轮机调速系统的控制技术领域，具体涉及一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法及控制系统。
背景技术
随着电网容量增大，风、光、核等多种能源发电，区域电网和大工业用户的产能升级，以及高铁、地铁等新发电与用电新形式出现，电网出现了超低频振荡现象，影响了电网安全与电力用户的正常生产运营。燃气轮机发电机组是参与电网频率调节响应速度最快的机组,在维持电网稳定方面发挥了重要的作用,能够对电力系统大、小干扰作出快速响应。为此提出了一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法及控制系统，以实现电网超低频振荡的有效抑制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法及控制系统，具体技术方案如下：
一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法，燃气轮发电机组输出功率由调速系统输出开度指令值PCV，再经过电液伺服系统调节燃料阀开度以控制燃气轮发电机输出功率的大小，在电液伺服系统的输入信号侧增加阻尼控制器，并在调速系统的输出信号PCV与电液伺服系统的输入信号之间增加消除燃料阀非线性的修正曲线函数，实现燃气轮发电机组超低频功率振荡抑制，具体步骤如下：
S1：调速系统接收机组转速(频率)信号并输出气门开度指令值PCV；
S2：采用修正曲线函数f(PCV)对气门开度指令值PCV进行修正；并将经过修正曲线函数f(PCV)修正的气门开度指令值PCV输入至电液伺服系统；其中；
其中 a、b、c为系数；
S3：阻尼控制器接收机组转速(频率)信号并输出信号PCVS，并将信号PCVS输入至电液伺服系统；
S4：电液伺服系统根据调节经过修正的气门开度指令值PCV与信号PCVS调节燃料阀开度；
S5：燃料阀开度变化后通过燃汽轮机带动燃汽轮发电机输出电功率。
优选地，所述调速系统的传递函数为：
；
其中，K表示转速放大倍数，KP表示PID控制比例环节系数，KD表示PID控制微分环节系数，KI表示PID控制积分环节系数，T1表示转速测量时间常数，TR表示电磁功率测量时间常数，K2表示负荷控制前馈系数，△ω表示机组转速偏差值，Pref表示发电机组的功率整给定值，PE表示电磁功率，PCV表示汽门开度指令值；s表示拉普拉斯算子。
优选地，所述阻尼控制器接收机组转速(频率)信号，通过滤波器对频率信号进行噪音和高频干扰信号过滤，过滤后的信号经过第1-5级相位补偿，经过增益环节将信号放大，通过死区和限幅环节，输出信号PCVS；其中死区用于防止幅度波动引起燃料阀的反复动作，限幅环节用于防止信号失真工况下引起燃气轮发电机功率大幅变化。
优选地，所述步骤电液伺服系统的传递函数为：
当燃料阀关闭时，传递函数为：；
当燃料阀打开时，传递函数为：；
其中，TC表示油动机关闭时间常数，TO表示油动机开启时间常数，T2表示反馈环节时间常数，KP表示PID控制比例环节系数，KD表示PID控制微分环节系数，KI表示PID控制积分环节系数，PCV表示汽门开度指令值，PCVS表示阻尼控制器汽门开度指令值，PGV表示电液伺服系统的燃料阀开度输出值。
优选地，所述步骤S5中燃汽轮发电机的传递函数为：
；
其中，PGV表示电液伺服系统的燃料阀开度输出值，PM表示燃气轮发电机组输出机械功能，TGAS表示燃气轮机容积时间常数，单位s。
一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制系统，包括调速系统、阻尼控制器、电液伺服系统、燃气轮发电机；所述电液伺服系统分别与调速系统、阻尼控制器、燃气轮发电机连接。
本发明的有益效果为：本发明在调速系统输出汽门开度指令值PCV与电液伺服系统输入之间增加了修正曲线函数f(PCV)，实现了燃料阀指令与燃料阀开度非线性关系的修正，确保燃料阀指令与发电机输出功率呈线性关系。同时在电液伺服系统的输入信号侧增加阻尼控制器，实现燃气轮发电机组与电网的超低频功率振荡抑制。
附图说明
图1为调速系统的传递函数示意图；
图2为阻尼控制器的传递函数的示意图；
图3为电液伺服系统的传递函数示意图；
图4为燃汽轮发电机模型示意图；
图5为一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制系统的结构示意图；
图6为机械阻尼转矩分析示意图；
图7为加阻尼控制器前后的相频特性曲线；
图8为加阻尼控制器前后频率振荡抑制效果对比图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法，燃气轮发电机组输出功率由调速系统输出开度指令值PCV，再经过电液伺服系统调节燃料阀开度以控制燃气轮发电机输出功率的大小，在电液伺服系统的输入信号侧增加阻尼控制器，并在调速系统的输出信号PCV与电液伺服系统的输入信号之间增加消除燃料阀非线性的修正曲线函数f(PCV)，实现燃气轮发电机组超低频功率振荡抑制，具体步骤如下：
S1：调速系统接收机组转速(频率)信号并输出气门开度指令值PCV；如图1所示，调速系统的传递函数为：
；
其中，K表示转速放大倍数，KP表示PID控制比例环节系数，KD表示PID控制微分环节系数，KI表示PID控制积分环节系数，T1表示转速测量时间常数，TR表示电磁功率测量时间常数，K2表示负荷控制前馈系数，△ω表示机组转速偏差值，Pref表示发电机组的功率整给定值，PE表示电磁功率，PCV表示汽门开度指令值；s表示拉普拉斯算子。
S2：采用修正曲线函数f(PCV)对气门开度指令值PCV进行修正；并将经过修正曲线函数f(PCV)修正的气门开度指令值PCV输入至电液伺服系统。
S3：阻尼控制器接收机组转速(频率)信号并输出信号PCVS，并将信号PCVS输入至电液伺服系统；具体为：如图2所示，阻尼控制器接收机组转速(频率)信号，通过滤波器对频率信号进行噪音和高频干扰信号过滤，过滤后的信号经过第1-5级相位补偿，经过增益环节将信号放大，通过死区和限幅环节，输出信号PCVS；以对燃气轮发电机功率进行控制，达到超低频振荡的有效抑制。其中死区用于防止幅度波动引起燃料阀的反复动作，限幅环节用于防止信号失真工况下引起燃气轮发电机功率大幅变化。图2中其中、、、、分别为一级、二级、三级、四级、五级相位补偿超前时间，、、、、分别为一级、二级、三级、四级、五级相位补偿滞后时间，单位均为s；为增益系数；为阻尼控制器输出信号。
S4：电液伺服系统根据调节经过修正的气门开度指令值PCV与信号PCVS调节燃料阀开度；如图3所示，电液伺服系统的传递函数为：
当燃料阀关闭时，传递函数为：；
当燃料阀打开时，传递函数为：；
其中，TC表示油动机关闭时间常数，TO表示油动机开启时间常数，T2表示反馈环节时间常数，KP表示PID控制比例环节系数，KD表示PID控制微分环节系数，KI表示PID控制积分环节系数，PCV表示汽门开度指令值，PCVS表示阻尼控制器汽门开度指令值，PGV表示电液伺服系统的燃料阀开度输出值。
S5：燃料阀开度变化后通过燃汽轮机带动燃汽轮发电机输出电功率；燃汽轮发电机的传递函数为：
；
其中，PGV表示电液伺服系统的燃料阀开度输出值，PM表示燃气轮发电机组输出机械功能，TGAS表示燃气轮机容积时间常数，单位s。
如图5所示，一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制系统，包括调速系统、阻尼控制器、电液伺服系统、燃气轮发电机；电液伺服系统分别与调速系统、阻尼控制器、燃气轮发电机连接。
9E级燃气轮发电机组加装阻尼控制器，采取在同步发电机组的调速系统侧装设阻尼控制器，通过改变机组原动机的输入功率来抑制振荡。图6为机械阻尼转矩分析示意图，当相位位于第3、4象限提供正阻尼，图7为加阻尼控制器前后的相频特性曲线，加阻尼控制器后相位位于第3、4象，加阻尼控制器后相频特性得到明显改善。
表 1 阻尼控制器参数值
#timg# #timg# #timg# #timg# #timg# #timg# #timg# #timg# #timg# #timg# #timg#
6.8 8.02 80.1 2.71 0.41 2.04 0.41 2.04 0.41 2.02 2.01
表 2 加装加阻尼控制器前后的阻尼比较
图8为加阻尼控制器前后频率振荡抑制效果对比图，表2为加装加阻尼控制器后阻尼比提高情况，从对比结果来看抑制振荡效果明显，提高了电力供应品质。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法，燃气轮发电机组输出功率由调速系统输出开度指令值PCV，再经过电液伺服系统调节燃料阀开度以控制燃气轮发电机输出功率的大小，其特征在于：在电液伺服系统的输入信号侧增加阻尼控制器，并在调速系统的输出信号PCV与电液伺服系统的输入信号之间增加消除燃料阀非线性的修正曲线函数f(PCV)，实现燃气轮发电机组超低频功率振荡抑制，具体步骤如下：
S1：调速系统接收机组转速信号并输出气门开度指令值PCV；
S2：采用修正曲线函数f(PCV)对气门开度指令值PCV进行修正；并将经过修正曲线函数f(PCV)修正的气门开度指令值PCV输入至电液伺服系统；
S3：阻尼控制器接收机组转速信号并输出信号PCVS，并将信号PCVS输入至电液伺服系统；
S4：电液伺服系统根据经过修正的气门开度指令值PCV与信号PCVS调节燃料阀开度；
S5：燃料阀开度变化后通过燃汽轮机带动燃汽轮发电机输出电功率；
所述阻尼控制器接收机组转速信号，通过滤波器对频率信号进行噪音和高频干扰信号过滤，过滤后的信号经过5级相位补偿，经过增益环节将信号放大，通过死区和限幅环节，输出信号PCVS；其中死区用于防止幅度波动引起燃料阀的反复动作，限幅环节用于防止信号失真工况下引起燃气轮发电机功率大幅变化；
所述步骤电液伺服系统的传递函数为：
当燃料阀关闭时，传递函数为：
Figure FDA0003907415300000011
当燃料阀打开时，传递函数为：
Figure FDA0003907415300000012
其中，TC表示油动机关闭时间常数，TO表示油动机开启时间常数，T2表示反馈环节时间常数，KP表示PID控制比例环节系数，KD表示PID控制微分环节系数，KI表示PID控制积分环节系数，PCV表示汽门开度指令值，PCVS表示阻尼控制器汽门开度指令值，PGV表示电液伺服系统的燃料阀开度输出值。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法，其特征在于：所述调速系统的传递函数为：
Figure FDA0003907415300000013
其中，K表示转速放大倍数，KP表示PID控制比例环节系数，KD表示PID控制微分环节系数，KI表示PID控制积分环节系数，T1表示转速测量时间常数，TR表示电磁功率测量时间常数，K2表示负荷控制前馈系数，△ω表示机组转速偏差值，Pref表示发电机组的功率整给定值，PE表示电磁功率，PCV表示汽门开度指令值；s表示拉普拉斯算子。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮发电机组调速系统的阻尼控制方法，其特征在于：所述步骤S5中燃汽轮发电机的传递函数为：
Figure FDA0003907415300000021
其中，PGV表示电液伺服系统的燃料阀开度输出值，PM表示燃气轮发电机组输出机械功能，TGAS表示燃气轮机容积时间常数，单位：秒。
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