燃氣輪機組調速系統(tǒng)建模與仿真研究

周 淼，徐萬兵，李陽海，李 剛，王 楠

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具有效率高、投資少、啟停速度快、污染排放低、機組占地面積少、調峰能力好等優(yōu)點，近年來在我國有了長足的發(fā)展［1-4］。調速系統(tǒng)作為發(fā)電機組進行控制的主要系統(tǒng)之一，其調節(jié)品質及動態(tài)特性不僅影響到機組自身的經(jīng)濟性和安全性，也對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、保證電網(wǎng)頻率質量起著至關重要的作用［5-8］。獲取準確可靠的原動機及調速系統(tǒng)模型參數(shù)，進行相關仿真計算，了解其動態(tài)特性及對負荷變動的適應能力，探討其動態(tài)特性對電網(wǎng)的影響是非常必要的［9-20］。本文主要以9E 燃氣輪機為例，介紹燃氣輪機組的原動機及其調速系統(tǒng)實測建模與仿真研究。

1 燃氣輪機組及其調速系統(tǒng)工作原理

1.1 燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組工作原理及流程

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組工藝流程為：天然氣經(jīng)由截止閥、速比閥后進入燃燒室，空氣經(jīng)過濾器進入空壓機升壓后進入燃燒室內(nèi)與天然氣混合燃燒，帶動燃氣輪機旋轉，并直接驅動一臺發(fā)電機發(fā)電，將做功后排出的高溫煙氣送入余熱鍋爐，利用其熱量產(chǎn)生高溫高壓的水蒸汽，再去驅動汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電，形成高效利用率的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)［21-26］。

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組正常運行時，汽輪機發(fā)電機組一般采用滑壓運行模式，控制進汽流量的調門全開，處于跟隨狀態(tài)，不參與電網(wǎng)一次調頻。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組一次調頻功能主要由燃氣輪機發(fā)電機組承擔［27-28］。

1.2 燃氣輪機調速系統(tǒng)工作原理

燃氣輪機及其調速系統(tǒng)通過燃氣輪機實際轉速與設定值的偏差，計算出對應的燃料給定指令，燃料給定指令控制主燃料噴嘴的開度，通過改變進入燃氣輪機燃燒室的燃料量，來改變?nèi)細廨啓C的功率負荷和轉速［29］。

接入電網(wǎng)的大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，其燃氣輪機調速系統(tǒng)原理如圖1 所示，與軸轉速設定值或參考值進行比較后得到的轉速誤差測量回路。燃氣輪機調速系統(tǒng)，包括放大誤差信號的功率放大器、驅動燃料閥執(zhí)行機構的功率放大器、燃料伺服機構以及渦輪機動態(tài)特性［30］。

圖1 燃氣輪機調速系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas turbine speed governor system

2 燃氣輪機及調速系統(tǒng)模型建立

根據(jù)對燃氣輪機調速系統(tǒng)的理論研究及GE 公司9E系列燃機調速系統(tǒng)的結構分析，燃氣輪機的理論模型可以由執(zhí)行機構、調節(jié)控制系統(tǒng)、原動機3個功能模塊組成。

其中調速器又稱為控制器，負責從燃氣輪機中接受功率指令和轉速信號，根據(jù)內(nèi)部控制邏輯計算出燃料指令；執(zhí)行機構是接受來自調速器的燃料指令并付諸實施的伺服機構，負責調節(jié)燃料閥門的開度從而達到控制燃料流量的目的；原動機是指包括燃燒室及透平的燃燒做功機構。

2.1 執(zhí)行機構

燃氣輪機調節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機構包括燃料速比閥（SRV）、燃氣控制閥（GCV）、空氣進口可轉導葉（IGV）等，均可采用較類似一階慣性環(huán)節(jié)的模型來描述。其模型建立如圖2所示。

圖2 執(zhí)行機構模型結構圖Fig.2 Structural of actuator model

2.2 調節(jié)控制系統(tǒng)

9E燃氣輪機組由GE公司技術生產(chǎn)，通常采用GE提供的MARKⅥe控制系統(tǒng)。

燃氣輪機控制系統(tǒng)包括轉速/負荷閉環(huán)控制、溫度閉環(huán)控制、加速度閉環(huán)控制等方式，運行時總是選擇各個控制輸出中的最小值。加速度控制邏輯僅在機組啟動和停機時起作用，因此在調速系統(tǒng)建模中可以忽略。正常運行時，并網(wǎng)后的控制方式一般為負荷閉環(huán)控制，并在該控制方式下實現(xiàn)一次調頻功能。

根據(jù)負荷閉環(huán)控制策略，建立其控制系統(tǒng)模型如圖3所示。

2.3 原動機

在燃氣輪機原動機方面，主要考慮主燃料噴嘴開度引起的有功功率變化的動態(tài)特性，為一階慣性環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定計算模型建立如圖4所示。

圖3 燃機調節(jié)系統(tǒng)模型Fig.3 Gas turbine control system model

圖4 燃機原動機模型Fig.4 Gas turbine prime mover model

3 模型的參數(shù)實測與辨識

3.1 執(zhí)行機構參數(shù)實測與辨識

分別對燃氣控制閥（GCV）進行閥位指令大階躍試驗、閥位指令小階躍試驗，測試執(zhí)行機構大、小階躍特性。試驗曲線見圖5、圖6所示。

圖5 閥位大階躍擾動實測曲線Fig.5 Measuring curve of big step disturbance on valve position

圖6 閥位小階躍擾動實測曲線Fig.6 Measuring curve of little step disturbance on valve position

計算可得執(zhí)行機構模型中正常開啟和關閉時間常數(shù)分別為：TO=0.175 s，TC=0.438 s。通過遺傳算法［31］得出執(zhí)行機構PID 參數(shù)為：KP=10，KI=1.0，KD=0。執(zhí)行機構上、下階躍仿真與實測結果對比如圖7所示。

同樣依次進行燃氣速比閥（SRV）和空氣進口可轉導葉（IGV）的開啟和關閉時間常數(shù)實測與辨識，得到燃氣速比閥特性測試及辨識結果為TO=0.420 s，TC=0.378 s，空氣進口可轉導葉（IGV）特性測試及辨識結果為TO=7.09 s，TC=6.27 s。

圖7 執(zhí)行機構仿真結果與實測對比Fig.7 Comparison between test data with simulation result of actuator model

3.2 原動機及控制系統(tǒng)的參數(shù)實測與辨識

在功率負荷調整模式下，通過一次調頻功能施加頻率擾動試驗，根據(jù)機組功率反饋特性實現(xiàn)原動機和控制系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識，圖8 為對該燃氣輪機組進行頻率擾動試驗的錄波圖。

圖8 燃機一次調頻試驗實測曲線Fig.8 Primary frequency test curve of gas turbine

根據(jù)燃氣輪機一次調頻模式下試驗測得的燃氣控制閥開度和發(fā)電機組電功率，基于MATLAB_SIMULINK 仿真軟件，采用遺傳算法，對圖3 和圖4 燃氣輪機模型中的參數(shù)進行辨識計算，辨識得到燃氣輪機時間常數(shù)TGAS=0.5 s，控制系統(tǒng)PID比例環(huán)節(jié)系數(shù)KP=0.9，積分環(huán)節(jié)系數(shù)KI=0.85，微分環(huán)節(jié)系數(shù)KD=0。

4 模型與參數(shù)的仿真校核

將上述參數(shù)辨識結果帶入電力系統(tǒng)仿真軟件PSASP 中，通過負荷控制回路投入情況下一次調頻試驗進行模型和參數(shù)的仿真校核，仿真結果與實測結果對比見圖9。

圖9 PSASP中仿真結果與試驗實測對比Fig.9 Comparison of test data with simulation results in PSASP

由圖9 可見，在功率閉環(huán)運行方式下仿真結果與試驗實測曲線具有良好的吻合度，誤差滿足相關標準［9］，模型與參數(shù)可以用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算。

5 結語

根據(jù)燃氣輪機組的工作特性，建立了機組原動機及其調速系統(tǒng)并網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)學模型，并通過現(xiàn)場試驗進行了參數(shù)實測辨識與仿真校核。仿真結果表明所建模型能準確地模擬機組在并網(wǎng)狀態(tài)下對頻率變化的動態(tài)響應特征，驗證了機組調速系統(tǒng)模型與參數(shù)的有效性，可為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算提供依據(jù)。

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