海上平臺燃氣發電機組模塊化建模與分析

徐蘊镠，楊凱

(華中科技大學 電氣與電子工程學院， 武漢 430074)

0 引 言

近年來，電力工業對能源清潔和高效的要求逐漸增加，燃氣發電機組以其功率密度大、啟動速度快、噪聲低頻分量低、壽命周期較長等優點被廣泛應用于電力調峰、船舶動力、石油生產平臺供電等場合。

隨著燃氣發電機組這類分布式資源越來越廣泛地滲透到分布式網絡中，需要提前研究其暫態行為及其對網絡穩定性的影響。然而，機組由許多復雜的子系統組成，安裝維護費用高，對系統進行性能評估將耗費大量資金和人力物力[1]。因此，建立能夠進行瞬態性能分析的精細化仿真模型至關重要。

在傳統的電力系統分析中，研究人員利用仿真軟件中的現成模塊或者簡化傳遞函數充當發電機的原動機和勵磁系統從而進行控制算法的研究，而不關心模型的適用性和機組內部的變化過程，包括對輸出燃氣量的調節過程、對溫度和負荷的限制過程、對機組轉速的調節過程、對勵磁電壓的調節過程、測量信號的反饋過程等。近年來，越來越多的研究人員開始關注機組的精細化建模。

在原動機模型相關研究中，文獻[1]對燃氣輪機調速器系統的各項任務進行分類說明，文獻[2]中解釋了燃氣輪機調速器各控制器的作用并將該分布式機組置于某電力系統環境進行仿真分析，但二者均僅對機組結構和仿真結果進行描述。文獻[4-5]提出兩種新的原動機及調速器模型，并進行參數辨識，利用系統發生大擾動時的數據進行校核。在發電機組相關研究方面，文獻[6]對不同勵磁系統建模方法進行了總結；文獻[7]著重研究發電機勵磁系統建模和辨識中的發電機飽和問題, 并給出詳細的論述和解決方法；文獻[8]通過建立電磁暫態模型提出了一種自并勵靜止勵磁系統精細模型來替代電力系統分析過程中常用的傳遞函數形式；文獻[9]提出利用發電機組勵磁調差系數優化整定策略來改善高耗能點負荷接入帶來的不利影響。目前的研究中，尚未有對在瞬態負荷階躍變化下，燃氣輪機部分及發電機組部分包括燃氣消耗量、溫度、端電壓、勵磁電壓、頻率等在內的物理量之間的聯動關系進行深入分析。

基于目前研究內容的不足，文中建立了基于GGOV1燃氣調速結構和AC8B勵磁模型的燃氣發電機組的通用型動態模型，并以錦州25-1南CEPF海上石油生產平臺現已投入運行的燃氣發電機組參數為算例，建立了詳細的原動機和勵磁系統模型，并將二者輸出作為主發電機的輸入控制機組的運行。通過模型的建立，可以幫助監視機組各部分的運行情況。為了驗證模型，選取了發電機端電壓、機組轉速、燃氣輪機燃氣消耗量、燃氣輪機輸出機械功率、勵磁電壓等作為分析對象。其中，文章以已投入運行的某公司的Titan130單軸軸流式燃氣輪機和某公司的AMS900LH三級無刷電勵磁同步發電機作為研究對象。

1 燃氣發電機組通用模型的建立

1.1 燃氣輪機模型

圖1為機組調速結構的基本結構示意圖。作為算例的Titan130單軸軸流式燃氣輪機由14級軸向壓縮機、環管式燃燒室、三級透平、齒輪減速箱等部分構成。機組調速機構在運行中需要考慮到頻率的調節，并兼顧燃氣出口溫度的限制和啟停加速度的限制，根據目標值與實際值的差異調節燃氣消耗量[10]。

圖1 燃氣輪機結構示意圖

美國電氣與電子工程師學會(IEEE) 動態分析專業委員會在其報告[11]中總結了幾種燃氣輪機的傳統模型和近年來開始被廣泛應用的改進模型。對于燃氣輪機建模，采取GGOV1調速結構較為合適[12]。該結構由WECC提出，結構中同樣包括轉速控制部分、加速度限制控制部分、溫度限制控制部分以及燃氣控制部分。相比起傳統的GAST調速結構和GAST2A調速結構，其優勢在于控制部分的靈活性，包括P控制、PI控制、PID控制等控制方式的使用和轉速、發電機輸出功率、燃氣量等反饋信號的選擇。表1總結了各部分控制器控制特性。

表1 控制器控制特性表

以機組的燃氣消耗量、轉速和發電機輸出功率的反饋信號作為溫度限制環節、啟停加速度限制環節和轉速控制器的輸入，以機械功率作為輸出，搭建通用燃氣調速系統仿真模塊如圖2所示。

圖2 GGOV1通用型燃氣輪機仿真模塊示意圖

在各控制部分輸出信號中，fsrt為溫度限制環節輸出，fsra為加速度限制環節輸出，fsrn為轉速控制器輸出。由于只有保證燃氣輪機無論在什么運行狀態都采用最低的燃料量，才能保證機組安全運行，因此需在閥門開度調節控制器環節前加入低值選擇器。fsrr為經過低值選擇器后，用于調節閥門開度的控制信號。穩定運行情況下，轉速調節器的輸出fsrn通過低值選擇器并作為燃氣閥的控制信號控制燃氣閥的開度從而控制燃氣的使用排放量，進而控制透平部分輸出的機械功率。燃氣輪機輸出功率與燃氣消耗量之間的關系如下：

Pm=Kturb(Wf-Wfnl)

(1)

式中Pm為輸出的機械功率；Kturb為透平環節增益常數；Wf為燃氣實際消耗量；Wfnl為空載時的燃氣消耗量。

與1983年提出的傳統的Rowen模型[13]不同的是，GGOV1結構利用燃氣消耗量的計算和限制代替傳統的溫度限制，從而省去了燃氣消耗量與溫度之間的轉換過程。需要注意的是，溫度限制環節僅在溫度達到限值時發揮作用，加速度限制環節僅在限制啟停轉速突變時發揮作用，二者均可通過設置合適的Ldref和aset參數值禁用。此外，通過選取Rselect的參數值可選擇控制器調差作用的反饋源(包括無反饋源、燃氣消耗量、發電機輸出功率和燃氣閥門開度控制信號)；Flag參數的選取反映了實際中的燃氣類型是純燃氣還是氣液混合燃料。通過前述兩個選擇環節，拓寬了模型的應用范圍。

GGOV1通用燃氣輪機仿真模塊中各部分參數的含義見表2，并以Titan130燃氣輪機為例為仿真模塊各部分參數選取合適的值。另外，已知在標幺值為1.0的情況下對應額定運行工況為輸出功率13.6 MW，初溫1 149 ℃，排氣溫度487 ℃，也可據此結合仿真情況計算出實際運行數據。

1.2 勵磁系統模型

根據IEEE 能源發展和發電委員會在其報告[14]中制定的參考標準，選取AC8B勵磁系統模型作為三級無刷電勵磁同步發電機勵磁系統的建模依據，此標準模型表示有不可控整流器的控制磁場型交流電機勵磁系統，可看作一種旋轉勵磁系統。此類勵磁系統主要由非終止極限電子放大器、交流勵磁機、整流器和阻尼濾波器等環節組成，輸入量為發電機端電壓信號，輸出量為發電機中勵磁電路的勵磁電壓[15]。圖3為基于AC8B勵磁系統模型的結構示意圖，主勵磁機的輸入為自動電壓調節裝置(AVR)的輸出電壓VR(這里為副勵磁機輸出經過晶閘管調節后的輸出)和發電機的勵磁電流IFD，其輸出為施加給主發電機的勵磁電壓EFD，總體上通過PID控制器調節勵磁電壓。

勵磁系統模型參數中，TE為電氣時間常數，參數SE等效了不同勵磁電壓情況下磁場飽和的影響，參數KD反映了電樞去磁的影響，參數KC模擬了整流器導致的換相壓降的影響，參數KE反映了變阻器分壓的影響(方便起見通常取1)，FEX為整流系數。有關參數的計算方法如下。

表2 控制器控制特性表

圖3 AC8B勵磁系統模型結構

(1)計算飽和系數SE。

圖4為空載特性曲線示意圖。根據運行點勵磁電壓EFDX，得到運行點勵磁電壓對應氣隙線和空載特性曲線下的勵磁電流點，結合下式即可求出飽和系數SE：

(2)

在進行勵磁系統模型計算時，需將飽和系數以數學表達式形式表示，其表達式有多種，其中之一如下：

SE=C1eC2EFD

(3)

式中C1和C2為待定系數。

飽和系數的確定應考慮到勵磁機工作點的變化，通常會根據最大強勵電壓點EFDmax和0.75倍最大強勵電壓點0.75EFDmax的飽和系數求得式(3)中的待定系數并由此得到飽和系數的數學表達式。

圖4 空載特性曲線

(2)計算整流器換相壓降系數KC。

(4)

(5)

(6)

(7)

(3)計算電樞反應系數KD。

計算電樞反應系數KD如式(8)所示：

(8)

式中EFD為額定勵磁電壓；SE0為勵磁電壓為額定值時的飽和系數；VE為額定勵磁電流下對應到控制特性曲線上的電壓值。

(4)計算整流系數FEX。

為了方便計算，對應不同的換相狀態，得到整流系數FEX的計算式如下：

(9)

(10)

表3為對勵磁系統各部分參數的具體取值情況。另外，已知在標幺值為1.0的情況下對應勵磁系統輸出勵磁電壓為34 V，額定勵磁電流為257.8 A。

表3 勵磁系統參數取值

1.3 主發電機模型

主發電機AMS900LH的參數如表4所示。該發電機為常規勵磁同步電機，并在算例中使用常規的基于“xad”的標幺化模型，仿真過程中直接使用庫中已較為完備的標準標幺化同步電機模塊。

表4 主發電機參數取值

至此，已完成了燃氣發電機組模型的建立，并列出了海上平臺投入運行機組的參數。

2 基于模型的仿真

2.1 穩定負載下機組的運行狀態

根據實際運行情況，通過Rselect選擇運行方式為同步運行即恒轉速模式，通過Flag選擇燃氣為純氣體，其排放量與轉速無關。首先得到機組在8 MW有功負荷(約0.51 p.u.)負載下啟動后穩定運行時機組轉速n、發電機端電壓Vt、勵磁電壓Vf、燃氣輪機輸出功率Pm、燃氣消耗量Fout的變化曲線如圖5所示。

圖5 穩定負載下機組的運行狀態

2.2 有功負荷階躍變化時機組的響應

假設10 s時有功負荷階躍增加0.5 MW，機組轉速n、發電機端電壓Vt、勵磁電壓Vf、燃氣輪機輸出功率Pm、燃氣消耗量Fout的瞬時變化曲線如圖6所示。

圖6 有功負荷增加時機組的動態響應

有功負荷階躍增加時，機組轉速降低約0.3%，端電壓降低5%，勵磁電壓增加約15%，但均在1 s內恢復到正常情況，在穩定時勵磁電壓增加約1%；燃氣機輸出機械功率和燃氣排放量平緩增加，經1 s左右升高到新的穩定值，二者變化趨勢基本一致。

另外，為反映正常運行時燃氣輪機的控制過程，圖7給出了fsrr與fsrt、fsra、fsrn的對比圖。機組啟動階段，由加速度控制器發揮作用，而穩定運行情況下fsrn通過低值選擇器作為燃氣閥的控制信號控制燃氣閥的開度從而控制燃氣的使用排放量。

圖7 控制器輸出信號對比(1)

2.3 無功負荷階躍變化時機組的響應

假設無功負荷在10 s時階躍增加0.5 Mvar，機組轉速n、發電機端電壓Vt、勵磁電壓Vf、燃氣輪機輸出功率Pm、燃氣消耗量Fout的瞬時變化曲線見圖8。

圖8 無功負荷增加時機組的動態響應

機組轉速、端電壓瞬間輕微波動，勵磁電壓增加約25%，但在1 s內就能恢復到正常運行的情況；與有功負荷增加的動態過程不同的是，達到穩態時，勵磁電壓增加約3.8%，用以增加機組無功功率的輸出，而燃氣輪機輸出功率只用于調節發電機有功功率，因此恢復到負荷突變前的穩定值。

2.4 過載時機組的響應

假設機組的有功負荷在10 s時階躍增加至過載，得到圖9fsrr與fsrt、fsra、fsrn的對比圖，由此可以看出，過載情況下，由溫度控制器發揮作用，此時fsrr跟隨fsrt的變化，保證溫度在限值以下。

圖9 控制器輸出信號對比(2)

3 結束語

通過前述研究內容，得到以下成果：

(1)以錦州25-1南CEPF海上石油生產平臺投入運行的燃氣發電機組參數為算例，搭建較精細的通用模塊化燃氣發電機組模型。其中，燃氣輪機基于GGOV1調速結構，勵磁系統基于AC8B結構；

(2)通過對模型中Rselect和Flag取值的選擇，可以使模型機組據實際情況運行在不同模式下；

(3)通過對有功功率、無功功率突變的動態過程以及過載狀態進行仿真，得到機組轉速、發電機電壓、勵磁電壓、燃氣輪機輸出機械功率、燃氣消耗量的變化情況，以及燃氣輪機不同控制部分輸出的控制信號的對比。仿真結果說明模型能夠較為直觀地反映負荷發生動態變化時，機組各物理量之間的聯動變化關系，驗證了模型的普適性。