混合能源電力系統中燃氣輪機發電機組的控制方法與流程
2023-06-03 12:42:06 1
本發明涉及混合能源電力系統發電領域，特別涉及一種應用於燃氣輪機發電系統的功率控制和可靠控制的方法。
背景技術：
當前霧霾現象嚴峻，環境問題日益凸顯，加快新能源(包括太陽能、風能等)發電系統建設並提高能量轉換效率，調整化石燃料佔電力系統比重至關重要。然而新能源系統中的光伏發電和風力發電利用的太陽能和風能，二者均具有間歇性特性。在無光照或風力不足的條件下，光伏發電和風力發電產生的能量不足以滿足負載側的用電需求。以天然氣或液體燃料作為燃料的燃氣輪發電機組就顯出其獨特的優勢，它可以作為補充能源用在電網中。有許多文獻針對天然氣與風力發電、光伏發電和蓄電池發電系統的融合控制策略展開研究。而且，隨著天然氣和液體燃料在一次能源中比例的上升，以及燃氣輪機技術的成熟，燃氣輪機在我國發電設備中的比例逐漸增大，以燃氣輪機為核心的總能系統將成為我國火電動力的發展趨勢。因而，融合天然氣等清潔能源的混合能源電力系統成為解決化石燃料環境汙染的有效方式之一。
隨著人們對實際問題的研究和解決與控制理論的成熟，燃氣輪機的控制理論逐漸發展起來並突破了經典PID算法，先進控制算法主要包括模糊控制、模糊神經網絡、預測控制、魯棒控制、內模控制、反饋線性化控制等也被引入其中。然而在燃氣輪機最重要的轉速控制環節，都採取的是PID控制器或者超前滯後傳遞函數來處理。然而針對非線性多變量的複雜燃氣輪機系統，當負載側的負荷需求發生改變時，燃氣輪機發電系統將會受到擾，這二者的控制方法常常不能獲得預期的控制效果。並且忽略執行器故障給燃氣輪機帶來的影響，導致燃氣輪機發電系統不能可靠地工作，將會對整個混合系統或者電網產生擾動。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的是提供一種混合能源電力系統中燃氣輪機發電機組的控制方法，以解決現有技術中燃氣輪機控制忽略了執行器故障，導致發電系統不能可靠工作的問題，以及解決燃氣輪機的轉速控制環節多採用傳統的PID算法，對於複雜的非線性多變量燃氣輪機系統控制效果不夠好的問題。
本發明混混合能源電力系統中燃氣輪機發電機組的控制方法，包括以下步驟：
一、建立孤島模式下燃氣輪機發電系統的數學模型：
其中，x1代表為燃氣輪機轉速，x2為進入渦輪氣體流量Wf2，x3為燃燒室燃料流量Wf，x4為經過閥門調整後進入的燃料量，其中u為轉速控制信號；Te為永磁同步電機的電磁轉矩，J為轉動慣量；TCD為渦輪環節時間參數，其中a,b,c為閥門位置常數，Ka,Ta為燃料傳動系統參數，kf為最小負荷常數，其中kf的取值範圍為kl～(1-kl)；
考慮執行器故障情況，上式可以改寫為：
其中，為狀態矩陣，u,y分別為控制器輸入和輸出，gi為控制器增益，θi代表參數矩陣，為擾動項；其中ua為實際控制器輸入，u為設計控制器輸入，ρ(t)代表執行器的健康因子，因而實際控制器為ua＝ρ(t)u，其中ρ(t)＝0表示執行器完全失效，ρ(t)＝1表示執行器正常工作；因考慮執行器故障情況，故取0＜ρ(t)＜1；
二、設計控制器並利用控制器控制燃氣輪機；
1、動態面設計
由坐標變換
z1＝x1-yd
zi＝xi-αif
其中，yd為設計的轉速參考值，其中αif為濾波器；
定義誤差面：
yi＝αif-αi-1
其中，αi為虛擬控制器，滿足
其中ξi為濾波參數，ξi＞0，且αif(0)＝αi-1(0)；
2、利用反步法設計魯棒自適應控制器：
其中ci為參數，且ci＞0，為θi的估計值；
3、設計可靠性控制器：
u＝N(ζ)η
其中u為設計控制器輸入，因而實際控制器為ua＝ρ(t)u，其中ρ(t)代表執行器的健康因子；ρ(t)＝0表示執行器完全失效，ρ(t)＝1表示執行器正常工作；因考慮執行器故障情況，故取0＜ρ(t)＜1；N(ζ)為Nussbaum函數，取N(ζ)＝exp(ζ2)cos((pi/2)ζ),ζ∈R，k4,ι為正常數。
本發明的有益效果：
1、本發明混合能源電力系統中燃氣輪機發電機組的控制方法，通過設計的魯棒自適應控制器對複雜的非線性燃氣輪機系統進行控制，夠獲得較好的控制效果。
2、本發明混合能源電力系統中燃氣輪機發電機組的控制方法，通過設計的可靠性控制器控制燃氣輪機系統，當負載擾動時或執行器故障時，能夠保障系統可靠工作。
附圖說明
圖1為燃氣輪機發電機組基本組成結構示意圖。
圖2為燃氣輪機燃料系統模塊圖。
圖3為燃氣輪機主要控制系統示意圖。
圖4為孤島模式下燃氣輪機發電系統的簡化系統模型結構圖。
圖5為轉速跟蹤曲線圖。
圖6為實際控制器ua隨採樣時間變化曲線圖。
圖7為參數估計值隨採樣時間變化曲線圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
如圖1所示，燃氣輪機發電機組主要由燃氣輪機、永磁同步電機PMSM、整流逆變等電力電子變換裝置、濾波器和負載等構成。其中，燃氣輪機主要由壓縮機、燃燒室和渦輪三部分組成。空氣進入壓縮機，被壓縮成高壓氣體和噴入燃燒室的燃料混合併充分燃燒，排出的高溫高壓氣體推動渦輪旋轉推動永磁同步電機發電，這一過程將蘊含在燃料的化學能轉換成電能供應負載。
燃氣輪機的燃料系統包括閥門位置系統和燃料傳動系統，模塊結構圖如圖2所示。控制信號和轉速信號共同作用產生燃料信號Uf，燃料信號作用於閥門，控制進入燃燒室的燃料量Wf。其中，為了避免燃氣輪機在低負荷狀態下工作，保證燃燒室內燃料不低於穩定燃燒所需的燃料量，因此，最小負荷常數kf來保證燃燒室內穩定燃燒，其中kf的取值範圍為kl～(1-kl)。
燃氣輪機中燃料和高壓空氣在燃燒室混合併充分燃燒後，排出高溫高壓的氣體。氣體隨著管道進入渦輪中，推動渦輪葉片轉動產生機械能。機械能帶動永磁同步電機產生電能。渦輪轉矩Tm由渦輪轉速ω和進入渦輪的燃氣量Wf2共同作用產生，其輸出函數表達式f1如下所示：
f1＝1.3(Wf-0.23)+0.5(1-ω)。
燃氣輪機的控制系統主要包括溫度控制環節、速度控制環節和加速度控制環節組成。溫度控制環節主要控制燃氣輪機燃燒室不超溫、不超壓，保證燃氣輪機在適宜的溫度條件下工作，保證系統各個部件的正常穩定工作。加速度控制環節主要工作在兩種情況下：一是在燃氣輪機啟動過程，在啟動環節限制轉速在快到達工作轉速時過快增長；二是甩負載過程，加速度控制環節用來防止機器動態超速。這三個控制環節分別給出三個燃料衝程信號：Fuel Stroke Reference，簡寫為FSR，分別是溫度控制器產生的燃料衝程信號FSRT、轉速控制器產生的燃料衝程信號FSRN和加速度控制器產生的燃料衝程信號FSRA。最小值系統MIN選取這三個控制信號中的最小值作為燃料系統的燃料衝程信號FSR，如圖3所示。
為了更好地研究燃氣輪機發電機組轉速控制對系統的影響，通常省略溫度控制環節和加速度控制環節。基於以上分析，考慮孤島模式下燃氣輪機發電系統，簡化系統結構圖1，並根據William I.Rowen提出的簡化模型得到如圖4所示的系統。
本實施例混混合能源電力系統中燃氣輪機發電機組的控制方法，包括以下步驟：
一、建立孤島模式下燃氣輪機發電系統的數學模型：
其中，x1代表為燃氣輪機轉速，x2為進入渦輪氣體流量Wf2，x3為燃燒室燃料流量Wf，x4為經過閥門調整後進入的燃料量，其中u為轉速控制信號；Te為永磁同步電機的電磁轉矩，J為轉動慣量；TCD為渦輪環節時間參數，其中a,b,c為閥門位置常數，Ka,Ta為燃料傳動系統參數，kf為最小負荷常數，其中kf的取值範圍為kl～(1-kl)；
考慮執行器故障情況，上式可以改寫為：
其中，為狀態矩陣，u,y分別為控制器輸入和輸出，gi為控制器增益，θi代表參數矩陣，為擾動項；其中ua為實際控制器輸入，u為設計控制器輸入，ρ(t)代表執行器的健康因子，因而實際控制器為ua＝ρ(t)u，其中ρ(t)＝0表示執行器完全失效，ρ(t)＝1表示執行器正常工作；因考慮執行器故障情況，故取0＜ρ(t)＜1；
二、設計控制器並利用控制器控制燃氣輪機；
1、動態面設計
由坐標變換
z1＝x1-yd
zi＝xi-αif
其中，yd為設計的轉速參考值，其中αif為濾波器；
定義誤差面：
yi＝αif-αi-1
其中，αi為虛擬控制器，滿足
其中，ξi為濾波參數，ξi＞0，且αif(0)＝αi-1(0)；
2、利用反步法設計魯棒自適應虛擬控制器：
其中ci為參數，且ci＞0，為θi的估計值；
3、設計可靠性控制器：
u＝N(ζ)η
其中u為設計控制器輸入，因而實際控制器為ua＝ρ(t)u，其中ρ(t)代表執行器的健康因子；ρ(t)＝0表示執行器完全失效，ρ(t)＝1表示執行器正常工作；因考慮執行器故障情況，故取0＜ρ(t)＜1；N(ζ)為Nussbaum函數，取N(ζ)＝exp(ζ2)cos((pi/2)ζ),ζ∈R，k4,ι為正常數。
下面對本實施例混混合能源電力系統中燃氣輪機發電機組的控制方法進行仿真驗證。
取執行器健康因子為ρ＝0.8+0.2cos((pi/4)t)，Nussbaum函數為N(ζ)＝exp(ζ2)cos((pi/2)ζ)，仿真參數取值ζ＝1,ι＝0.0001。仿真結果如下圖5、圖6和圖7所示。
由圖5-7可知，在執行器故障發生時，實際控制器和設計控制器存在偏差。而本實施例中設計的可靠控制器，使得轉速能夠快速跟蹤給定值，控制器也快速調整，包容執行器發生的故障，實現可靠工作。由圖7參數估計值快速穩定，表明系統快速穩定下來。經仿真驗證控制器能夠可靠工作且轉速也能夠快速達到預設值。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。