微型冷熱電聯供燃氣輪機能量管理系統設計

安英會

（廣西電力職業技術學院動力工程系，廣西 南寧530007）

微型冷熱電聯供燃氣輪機能量管理系統設計

安英會

（廣西電力職業技術學院動力工程系，廣西 南寧530007）

微型燃氣輪機的冷熱電負荷小，波動變化大，負荷運行與配置問題比較難于控制。介紹了一種微型冷熱電聯供燃氣輪機能量管理系統，主要能實現對用戶冷熱電供應負荷管理、冷熱儲能管理、離網與并網命令發布等。通過實際運行，燃氣輪機冷熱電聯供能量管理系統能很好地實現燃汽輪機、制冷設備、熱水鍋爐的優化投入，離網時能夠及時切除過量用戶，總線結構的通訊模式使得系統安裝方便，便利。

微型冷熱電聯供；燃氣輪機；能量管理系統

燃氣輪機冷熱電聯供系統是指制冷、供暖、發電三者合一的燃氣輪機用戶系統，通常配置的裝置有燃氣輪機發電機、燃氣輪機余熱供暖系統、燃氣輪機余熱制冷系統以及控制裝置。系統一共設計有3臺30 kW的微型燃氣輪發電機，帶動兩臺15萬大卡的余熱煙氣溴化鋰型吸收式空調，兩臺15萬大卡熱水爐和一臺可產生12 m3/h流量的換熱器以及一臺15 kW的低溫吸附式制冷機。

如圖1所示，三臺燃氣發電機并列運行，煙氣共同排放至高溫煙氣母管，兩臺余熱制冷機入口設計有電動蝶閥，可以調節煙氣進口量，兩臺煙氣熱水鍋爐入口設計有電動蝶閥，用于調整用熱量，煙氣余熱熱水爐配置有兩臺并列給水泵，一用一備，變頻調節，一方面用于調整熱水鍋爐水位，另一方面也可用于調整熱水鍋爐溫度，煙氣熱水鍋爐、余熱制冷機排放出來的尾部煙氣進入低溫余熱制冷機，低溫余熱制冷熱水來自于給水母管，設計有電動調節閥調節給水流量，控制熱水溫度，低溫換熱器出口設計有兩個電動蝶閥，分別用于供熱調整和低溫余熱制冷。冬天熱負荷較高的情況下余熱系統用于供熱，夏天冷負荷較高的情況下主要用于制冷，低溫余熱制冷器可以調整冷熱負荷。燃氣輪機發電通過并網控制器接入電網，并配置有無功補償器調整發電機無功輸出。冷熱電聯產有助于能源的更為合理分配、使用與經濟運行[1]。

圖1 微型冷熱電聯供系統設計

微型燃氣輪機能量管理系統相對于傳統的控制系統而言，不僅提供各功能設備的控制功能，還提供有冷、熱、電負荷預測功能和冷熱電負荷優化管理功能。冷、熱、電負荷預測功能是指管理系統根據制冷、制熱量的需求，優化安排燃氣輪機運行臺數，并通過制冷、制熱溫度和流量控制實現負荷優化調整。微型燃氣輪機能量管理系統具有數據綜合處理、供冷供熱方案制定、供冷供熱指令發布及與微電網并網功能，主要包括對微電網用戶管理、微型燃氣輪機發電控制、制冷制熱儲能裝置管理、冷熱電負荷管理、微型發電機自動并網、無功自動補償等[2]。

1 燃氣輪機冷熱電聯供系統用電用戶管理設計

燃氣輪機冷熱電聯供系統用戶管理部分主要解決微電網孤島運行時的限負荷運行，負荷監測與預警，電網頻率監測與減載等功能。

（1）限負荷運行。當微電網接入電網斷開時，冷熱電聯供系統將先切斷常規負荷，確保重點敏感負荷用電。1臺發電機設計容量可以保障微電網系統中的敏感用戶負荷用電。再根據制冷制熱量制定新的生產計劃。一般用戶根據用電大小和發電容量限定用電。

（2）自動低頻減載。微電網獨立運行時，如微型燃氣輪機一臺或兩臺因故跳閘，自動低頻減載裝置按用戶用電大小迅速跳閘，實現低頻減載。

（3）負荷監測。每個獨立負荷均裝設電壓、電流互感器，實時監控負載功率和電流情況，用于微電網負荷預測和負荷預警[3]。

（4）負荷控制。每個獨立負荷均裝設自動跳閘和自動合閘裝置，可以快速實現減載和切斷故障。

2 燃氣輪機冷熱電聯供系統能量調節設計

（1）并網工況下的能量調節

并網工況下，系統頻率可以視為固定的。燃氣輪機冷熱電聯供系統根據用戶供冷供熱需求定制發電量。微型燃氣輪機冷熱電聯供系統制冷量和制熱量供應根據日溫度曲線和用戶制冷量和制熱量計劃進行統計和制定的。制冷、制熱量用戶分為固定用戶和臨時用戶兩個部分，臨時用戶占總用戶量比例不超過30%.正常時開啟兩臺微型燃氣輪機冷熱電聯供系統供應固定用戶制冷制熱量，通過溫度和流量調節滿足部分臨時用戶用冷和用電需求，用冷或用電需求臨時用戶較多時，啟動第三臺微型燃氣輪機冷熱電聯供系統。

（2）冷熱用戶集中管理系統

冷熱用戶采用用戶請求模式，用戶在用戶端發送用冷或用熱請求，系統根據用戶請求和當前的制冷或制熱用量重新按排生產計劃，并逐步恢復冷、熱供應質量。冷熱用戶采用供應分級模式，根據其實際需求也分為基本戶和調整戶兩種用戶，基本戶需要確保用冷和用熱用量與質量，調整戶根據系統實際容量進行調整和供應。冷熱源不足時需限制調整戶的冷熱供應量。譬如用熱用戶先保障供暖用戶，再提供熱水使用用戶等。

（3）離網工況下的能量調節

離網工況下根據冷熱用戶安排發電量，再根據發電量實現用電用戶調整。

（4）無功功率調節

在離并網運行工況下，能量管理系統監測微網中的有功和無功變化，并通過無功補償裝置進行無功調整，維持微電網的無功平衡和電壓水平。

在離網運行方式下，無功調整通過Q-V特性設定曲線阻止末端電壓偏壓，通過設定的功率因數調整無功。

3 能量管理系統的Modbus總線命令與消息機制設計

燃氣輪機冷熱電聯供系統能量管理具有監控數據、生產計劃、生產及調控命令發布及與微電網并網功能等，主要包括對用戶冷熱電供應負荷管理、冷熱儲能管理、離網與并網命令等。各控制器主要包括發電機、水泵變頻控制器、引風變頻控制、斷路器控制、調節蝶閥控制等，經過總線傳輸各種信息狀態，包括微電網參數、冷熱電集中負荷參數、斷路器通斷狀態、冷熱電源儲存信息參數、用戶冷熱負荷使用請求命令等，經過能量管理系統的綜合數據處理，制定各斷路器的投切、調節蝶閥的調整、變頻器輸出調整、工作方式切換、功率輸出等調節、調整控制策略。然后把這些設定值與控制命令通過能量管理系統的Modbus總線命令與消息發送各調節裝置，維持微電網的正常運行。

標準的Modbus口是使用RS-485兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜規格、信號位設定，同時用戶可以設置總線的傳輸波特率、奇偶校驗位等。控制器能直接組網或經過Modem組網，控制器通訊模式為主從模式，即控制器通過主設備初始化并查詢各站點信息，亦可設置各站點信息，其它從設備或站點根據主設備設定進行信息交互與傳遞。如圖2所示。

圖2 能量管理系統命令與消息機制

4 能量管理系統的控制方案設計

（1）微型燃氣輪機發電調整[4]

燃氣輪機發電調整實質是指燃氣輪機轉速調整，通常是在離網狀況下進行的，即當燃氣輪機實際轉速n與給定轉速n0發生偏差△n后通過調整燃氣供應量Gf來維持轉速平衡，燃氣輪機控制回路干擾為r.控制回路采用PID調節器，當發電機轉速高于警告值時切除燃氣輪發電機或切除用電負荷。其控制原理圖如圖3.

圖3 微型燃氣輪機發電調整

燃氣輪機冷熱電聯供能量管理系統中由于燃氣輪機為單臺、兩臺或三臺并列運行，調節指令Gf指優先一臺接近滿負荷運行，再梯次分配給其它燃氣輪機，為了減少擾動，實際采用串級調整方案。即在圖3所示的控制回路增加負荷平衡控制外環，負荷指令通過負荷監控端或設定端作為設定值，燃氣輪機通過Gf分配調整后先滿足負荷的需求，再逐步調整Gf滿足轉速需求。

（2）供熱或制冷調整

燃氣輪機供熱或制冷調整實質是燃氣進氣量調整，通常是在并網下進行的。并網情形下，發電量隨著制冷或制熱量進行優化調整。由于供冷和供熱網均有一定的儲能作用，慣性較大，因此通常取制冷或制熱功率W，即流量與溫度作為控制目標。制冷與制熱功率由各用戶端流量檢測數據W0和新請求用戶綜合指令Wm組成給定值。制冷或制熱機的輸出熱功率或制冷功率作為反饋，根據其偏差值△W后通過調整燃氣供應量Gf來維持轉速平衡，燃氣輪機控制回路干擾為r.控制回路采用PID調節器。

燃氣輪機冷熱電聯供能量管理系統中由于制冷機或熱水鍋爐為單臺、兩臺或三臺并列運行，調節指令Gf指優先一臺接近滿負荷運行，再梯次分配給其它制冷機或熱水鍋爐，目的是為了減少擾動。在熱水鍋爐和制冷機實際控制中，由于制冷和制熱過程具有慣性，實質通過負荷指令計算出實際的Gf量后采用串級調整方案，以制冷制熱的溫度作為第一控制環節，逐步滿足Gf分配調整需求。即在圖4所示的控制回路增加制冷制熱溫度平衡控制外環。溫度設定值為負荷偏差換算計算結果值。

圖4 微型燃氣輪機制冷制熱量調整

5 結束語

燃氣輪機冷熱電聯供能量管理系統目前的管理模式是以冷或熱定電的運行模式為主進行設計的，是以供冷量和供熱量作為控制目標。在離網運行狀態下，如果用電需求較少，制冷或制熱量需求較大，可以用電來增加制冷和制熱量。對于整個能量管理系統最終的評價指標就是燃氣供應量和發電、制冷或制熱經濟效益比值。因此以制冷或制熱量作為控制標準，能較大程度上滿足燃氣輪機的經濟效益。當然如何將天然氣價格、氣候、負荷質量等等因素綜合考慮進燃氣輪機能量管理，這是本文需要進一步研究的方向。通過實際運行，燃氣輪機冷熱電聯供能量管理系統能很好地實現燃汽輪機、制冷設備、熱水鍋爐的優化投入，離網時能夠及時切除過量用戶，總線結構的通訊模式使得系統安裝方便，便利。

[1]朱成章.從小型熱電聯產走向冷熱電聯產[J].能源技術，2000（1）：29-30.

[2]F.Katiraei，R.Iravani，N.Hatziargyriou，Microgrids management[J].IEEE Power and Energy Magazine，2008，6（03）：54-65.

[3]殷桂梁，楊麗君，王 珺.分布式發電技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4]F.Katiraei，M.R.Iravani，Power Management Strategies for a Microgrid With Multiple Distributed Generation Units”Power Systems[J].IEEE Transactions on Volume 21，2006（4）：1821-1831.

Design of Micro Cooling Combined Heat and Power Supply Gas Turbine Energy Management System

AN Ying-hui
（Department of Power Engineering，Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning Guangxi 530007，China）

Micro turbine has small cold and thermal load and fluctuates greatly.It is difficult to control the load operation and configuration.This paper introduces a kind of micro CCHP gas turbine management system，it can realize the user on the hot and cold storage cooling heating and power supply load management，energy management，off grid and grid connected command issued.The practical operation of gas turbine cogeneration energy management system can well realize the optimization of gas turbine，refrigeration equipment，hot water boiler input from the network can be promptly removed excessive users，communication mode of bus structure makes the system easy to install，convenient.

micro cooling combined heat and power supply；gas turbine；energy management system

TK01.8

A

1672-545X（2017）09-0118-03

2017-06-09

廣西教育廳科研項目（編號：YB2014547）資助

安英會（1980-），女，河北保定人，講師，碩士研究生，主要研究方向為控制系統設計與實現及仿真性能研究。