新奥动力:某小型燃气轮机功率控制策略设计

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摘要

 

 

燃气轮机是多系统耦合的复杂系统,具有非线性、时变性、不确定性等特点,对控制系统的设计具有较高要求。作为关键控制功能之一,功率控制贯穿于燃气轮机的带载过程,为机组负荷调节和稳定运行奠定基础,因此,设计可靠的功率控制策略具有重要意义。

 

针对某小型燃气轮机带载阶段的功率控制策抗扰动能力较弱等不足,提出基于开环与闭环控制相结合的功率控制策略,分别设计开环和闭环控制器,并基于滞环控制的状态切换策略实现开、闭环控制器灵活切换,有效提高机组带载机动能力和带载过程稳定性。通过在该机组进行测试,验证了策略的可行性和有效性,可有效增强控制系统抗扰动能力,该策略已投入实际工程项目应用。

 

 

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引言

 

 

随着社会不断发展,对能源需求日益提高,具有直接面向用户和多能输入等特点的分布式能源发展迅速[1]。微小型燃气轮机由于体积小、效率高、环境影响低等特点,是分布式能源网络中重要组成部分[2-3]。微小型燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大核心部件组成,采用布雷顿循环,空气经过滤后,进入压气机进行压缩,高压空气进入燃烧室与燃料混合燃烧,高温高压气体推动涡轮做功,带动电机发电,其排出的高温烟气可接入余热利用设备,联合循环机组可实现能量的阶梯利用[4-5]。

 

集散控制系统技术经不断发展和完善,已被广泛应用于燃机控制系统,实现发电机组全过程自动控制,自动化水平不断提高[6]。控制系统作为微小型燃机的关键系统之一,实现燃机的启停控制、转速控制、功率控制、温度控制和限值保护等[7-8],微小型燃机控制系统控制功能架构如图1所示。文献[9-14]通过建立燃气轮机机理模型或基于数据的预测模型,提出传统PID、模糊PID等控制策略,对温度控制、转速控制、启停控制等进行了研究。作为关键控制功能之一,功率控制贯穿燃气轮机的带载过程,为机组负荷调节和稳定运行奠定基础。

 

目前,针对带载阶段的功率控制策略大多为理论研究,可应用于实际工程应用的功率控制策略较少,而燃机是一个多变量、非线性、时变的高耦合系统[15-17],因此,设计可靠的功率控制策略具有重要意义。

 

图1 燃机控制系统控制功能架构

 

在某小型燃气轮机发电机组的控制策略设计过程中,发现在带载阶段,该机组的功率控制策略采用完全闭环的PI控制策略,如图2所示。但机组实际运行环境复杂,存在由于外部扰动或传感器故障等导致燃料突增或突降情况,造成带载过程不稳定[18-20]。

 

如在带载过程中,由于功率信号采集装置故障引发信号跳变,使得闭环控制器的输入误差瞬时增大,继而其输出突增,给执行机构较大的阶跃信号,从而造成功率较大范围波动,甚至功率控制失稳。为避免加载时造成振荡,当前完全闭环策略中的比例系数设置较小(执行机构控制精度也是影响因素之一),如此间接加长功率递增、递减时间,在此情况下,由于功率信号异常引起的功率波动的风险就越大,即功率在完全闭环控制时,功率递增、递减耗时越长,越易影响带载过程稳定性。

 

当前采用的完全闭环的功率控制策略抗扰动能力弱、响应慢,难以消除如上所述相关外部扰动对带载过程的影响。对此,文献[21-23]提出传感器容错控制策略,但受限于控制系统开发平台和算法复杂程度,此类策略对于实际工程应用还需验证。

 

图2 完全闭环的PI控制策略

 

针对上述问题,对该小型燃气轮机功率控制策略进行优化,提出基于开环与闭环控制相结合的功率控制策略,分别设计开环和闭环控制器,通过设置功率递增、递减速率、闭环功率等过程控制变量,基于滞环控制的状态切换策略,实现带载阶段的开环与闭环控制器之间的灵活切换,有效增强控制系统鲁棒性,提高机组带载过程稳定性和机动性。通过在该型燃气轮机机组测试,验证了策略的可行性和有效性。

 

1

控制策略设计

 

 

1.1 开环与闭环控制策略设计

 

基于开环与闭环控制相结合的功率控制策略如图3所示,该策略包括开环控制和闭环控制部分,需分别设计开环控制器和闭环控制器,其中开环控制包括加载控制器和减载控制器。根据设定功率与实际功率误差,开、闭环控制器通过预设的触发条件自动选择和执行相应的控制器,将计算结果输出给燃气阀门,实现对燃气轮机的功率控制。

 

需指出的是,上述策略仅为机组在非停机状态运行时的功率控制策略,机组停机状态时的功率控制策略与之不同。

 

图3 基于开环与闭环控制相结合的控制策略

 

当设定功率与实际功率之差的绝对值大于闭环功率,且设定功率大于实际功率时,则加载使能,投入加载控制器,阀门开度按照恒速率、恒周期递增,如式(1)、(2)所示。

 

 

其中,Pt为设定功率;p为实际功率;c(P)为闭环功率;ΔDp(t)为Pt与p之差的绝对值;F1为加载使能阀门初始开度;t1为加载使能初始时间;Ti为加载使能递增周期;Vi为加载使能递增速率;f为阀门开度。

 

当设定功率与实际功率之差的绝对值大于闭环功率,且设定功率小于实际功率时,则减载使能,投入减载控制器,阀门开度按照恒速率、恒周期递减,如式(3)、(4)所示。

 

 

其中,F2为减载使能阀门初始开度;t2为减载使能初始时间;Td为减载使能递减周期;Vd为减载使能递减速率。

 

当设定功率与实际功率之差的绝对值小于或等于闭环功率,则闭环功率控制使能,投入闭环控制器,如式(5)所示。

 

 

以设定功率为目标,将设定功率与实际功率之差Δp(t)作为功率闭环控制器的输入,其输出为燃气阀门开度f,使得实际功率跟随设定功率而变化。功率闭环控制使用PI控制器,其流程图如图4所示,Kpp、Kpi分别为比例系数和积分系数。

 

图4 PI控制器

 

综上,基于开环与闭环控制相结合的功率控制策略流程图如图5所示。

 

图5 控制策略流程图

 

带载阶段的燃气阀门输出决选策略如图6所示。根据开环和闭环状态的功率控制策略,计算出相应状态下的阀门输出,策略中保证开环和闭环状态互斥,即当某一状态使能时,仅该状态下的计算结果可输出;通过选择模块,各状态控制器计算结果依次决选,最终输出功率控制总输出信号。

 

随着功率递增,存在排气温度超限而导致部件损坏情况[24-25],为避免该情况,需将功率控制总输出与温度控制输出做最小决选,并输出给燃气阀门,最终实现功率控制回路的闭环。

 

图6 带载阶段阀门输出决选

 

1.2 基于滞环控制的状态切换策略

 

在燃机实际运行过程中,受执行机构控制精度或燃料特性等因素影响,存在由于实际功率在闭环功率边界波动而导致开环和闭环状态频繁切换现象,为此,提出基于滞环控制的状态切换策略,通过设置滞环宽度防止状态频繁切换。在控制策略中设置滞环功率过程变量,实现带载阶段不同状态之间的灵活切换,状态切换滞环控制策略如图7所示。

 

图7 状态切换滞环控制

 

当由加载使能进入功率闭环后,仅当设定功率与实际功率之差的绝对值大于滞环功率Ph,且设定功率大于实际功率时,允许由功率闭环切换至加载使能,如式(6)所示。

 

 

当由减载使能进入功率闭环后,仅当设定功率与实际功率之差的绝对值大于滞环功率Ph,且设定功率小于实际功率时,允许由功率闭环切换至减载使能,如式(7)所示。

 

 

带载阶段不同状态之间的切换示意图如图8所示。当由闭环切换至开环时,存在滞环区间Ph-Pc,即滞环宽度,为状态切换预留功率缓冲区,避免频繁切换。若由于外部扰动导致功率突增或突降,亦可通过闭环与开环灵活切换,快速退出闭环状态,降低功率持续波动或控制失稳的风险。

 

图8 状态切换示意图

 

2

控制策略验证

 

 

2022年2月,在某能源站进行该小型燃气轮机发电机组控制系统外场调试,并对开环与闭环控制相结合的功率控制策略进行验证。该能源站配置1台回热循环燃气轮机发电机组和1台换热器,实现热电联供。该回热机组的启动过程主要包括清吹、点火、升速、并网和带载阶段,在带载阶段对本文所述策略进行验证。

 

2.1 开环与闭环控制策略验证

 

对于1.1和1.2节中的相关参数,在上位机监控界面中开放设置窗口,可在测试过程中进行调节,相关参数初始值设置如表1所示,其中r(P)为该小型燃气轮机发电机组的额定功率。当同期成功后,进入带载阶段,此时退出转速控制,转速随电网频率而变化,由转速控制转换为功率控制。

 

 

如图9所示,当设定功率Pt=0.3r(P)时,ΔDp>c(P)且Pt>p,加载使能,f随Vi线性递增,实际功率p逐渐递增;当ΔDp<c(P),即pe[0.275r(P),0.325r(P)]时,闭环功率控制使能,功率PI调节f,使p跟随Pt。当Pt=0.15r(P)时,ΔDp>c(P),且Pt<p,减载使能,f随Vd线性递减,即p递减;当ΔDp<c(P),即pe[0.125r(P),0.175r(P)],时,闭环功率控制使能,功率PI调节f,使p跟随Pt。

 

图9 功率控制曲线

 

此过程中,当开环与闭环切换时,需根据功率是否出现较大超调,调节Vi、Vd、Kpp、Kpi,使切换阶段的功率曲线平滑,同时可根据功率稳态调节的波动区间,适当调节c(P)、Ph,避免开环和闭环状态频繁切换。通过反复测试,以确保上述参数设置使得带载阶段功率曲线平滑且满足设计要求。

 

如图10所示,在相同Kpp、Kpi情况下,A部分是仅在闭环PI控制时的功率曲线,B部分是开环与闭环控制相结合时的功率曲线。当仅在闭环PI控制时,若继续增大Kpp,在加载过程中,易导致f和p波动,如图11所示。

 

由图10和图11,易知在相同功率递增区间内,本文策略可有效提高功率控制稳定性,且加载时间仅为完全闭环控制策略的50%,并可通过调节Vi进一步优化加载时间。

 

图10 功率控制对比曲线

 

图11 加载功率波动曲线

 

2.2 状态切换策略验证

 

在上述测试基础上,进行各状态切换测试,确保各状态可灵活切换。将Pt设置为0.15r(P),分别进行以下测试:

 

(1)从加载使能切换到减载使能:如图12所示,设置Pt=0.35r(P),加载使能,待p增至0.25r(P)后,设置Pt=0.15r(P),此时由加载使能直接切换至减载使能;

 

图12 加载使能-减载使能

 

(2)从加载使能切换至功率闭环,再次加载使能:如图13所示,在(1)基础上,设置Pt=0.35r(P),加载使能切换至功率闭环,使p跟随Pt;设置Pt=0.5r(P),退出功率闭环,再次加载使能;

 

图13 加载使能-功率闭环-加载使能

 

(3)从减载使能切换至功率闭环,再次减载使能:如图14所示,在(2)基础上,设置Pt=0.35r(P),减载使能切换至功率闭环,使p跟随Pt;设置Pt=0.15r(P),退出功率闭环,再次减载使能;

 

图14 减载使能-功率闭环-减载使能

 

(4)从减载使能切换至加载使能:如图15所示,在(3)基础上,设置Pt=0.35r(P),稳定运行一段时间后,设置Pt=0.15r(P),待p减至0.25r(P)后,设置Pt=0.35r(P),此时由减载使能直接切换至加载使能。

 

图15 减载使能-加载使能

 

通过上述测试可知,开环与闭环控制器切换有效衔接,各状态切换过程顺畅,功率控制平稳。

 

3

结论

 

 

针对某小型燃气轮机发电机组在带载阶段的功率控制策略抗扰动能力较弱等不足,提出基于开环与闭环控制相结合的功率控制策略,并基于滞环控制的状态切换策略,实现带载阶段的开环与闭环控制器之间的灵活切换,有效增强控制系统鲁棒性。通过在实际运行机组进行测试,验证了上述策略的可行性和可靠性,有效提高机组带载机动能力和带载过程稳定性。

 

本文所述策略已投入实际工程项目应用,对小型燃气轮机功率控制策略优化具有重要意义,同时,对于有类似于本文情况的设备的控制策略设计具有一定参考意义。本文控制策略仍采用传统控制算法,过程控制变量的获取需经多次测试或专家经验所得,在后续工作中,可考虑基于大数据的智能控制算法,实现开环和闭环控制器参数自整定,进一步提高控制策略的可靠性和时效性。

 

来源:《中国电机工程学报》,作者许胜、鲍其雷、李雷、李静、张孟然

 

 

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