一种微型燃气轮机解耦控制方法
【专利摘要】本发明针对微型燃气轮机冷热电联供系统可分解为两个子系统的特点，提出了一种微型燃气轮机解耦控制方法，采用效能相对增益矩阵准确判断输入量与输出量的配对方式，通过奇异值分解的解耦方法对控制对象进行控制器设计。单元机组的协调控制的仿真结果表明，基于效能相对增益矩阵—奇异值分解解耦控制方法与传统的PID控制方法相比可以减少调节时间，减弱耦合，降低超调量，使系统获得良好的动态和静态特性。与一般的解耦控制方法相比，消除耦合的效果好，计算简单，工程上易于实现。
【专利说明】
一种微型燃气轮机解耦控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于分布式能源系统领域，尤其涉及一种微型燃气轮机解耦控制方法。
【背景技术】
[0002] 微型燃气轮机冷热电联供系统(Micro Gas Turbine Based Combined Cooling Heating and Power system,以下简称为MGT-CCHP系统）是一种具有代表性的分布式能源 的形式。该系统主要由一台微型燃气轮机和一台吸收式制冷机组成，同时产出电能、冷水、 热水。其中微型燃气轮机用于供电，其排烟进入吸收式制冷机后产出冷水、热水。
[0003] MGT-CCHP系统的控制研究从微型燃气轮机、双效吸收式制冷机和集成系统三个方 面入手，分别研究微型燃气轮机侧、供热制冷系统侧和整体的动态特性。燃气轮机的控制比 较成熟，燃气轮机的各重要设备厂商均为各自的设备提供了相对完善的控制系统，不少学 者尝试采用先进的控制方法如神经网络控制、模糊控制、预测控制等来解决燃气轮机控制 问题。然而对于微型燃气轮机控制系统的研究基本上是对燃气轮机的横向延伸，忽略了微 型然轮机中余热利用需求、变转速运行状况以及回热器惯性等需求。吸收式制冷机控制系 统主要采用PID控制器。目前对于吸收式制冷机能量调节方面还不够深入，主要是有以下原 因：一是大部分吸收式制冷机的负荷输出单一(仅供冷或供热），调节量少(仅热源调节），控 制系统普遍为单输入单输出结构;二是吸收式制冷机内耦合部件多，机理复杂。上述研究主 要针对各装置独立运行，而各装置组成MGT-CCHP集成系统是一个有多个输出负荷需求(发 电、供热、制冷)的强耦合的多变量系统，目前鲜有针对MGT-CCHP系统的控制规律和优化特 性的深入研究。
[0004] MGT-CCHP系统是一个复杂的三输入三输出的系统，多变量之间存在复杂的关联作 用，使用传统的PID控制方法调节过程时间长，超调量大，各变量之间耦合严重，应用常见的 解耦方法计算量大，同时结构复杂，工程上不易于实现。
【发明内容】
[0005] 发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种MGT-CCHP系统的快速解耦控制方法。包括如下步骤：
[0006] 步骤1，MGT-CCHP系统的结构特点是微型燃气轮机和溴化锂制冷机在能量的梯级 利用上是处于上下游分布，在开环条件下，下游设备焓温同道的扰动对上游设备的焓温同 道基本不产生影响，可以将MGT-CCHP系统中三输入三输出结构的控制问题，分解成两个双 输入双输出结构的控制问题，即微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的独立闭环控 制问题，通过机理建模方法或模型辨识方法获取两个子系统的传递函数(参考文献张俊礼. 微型燃气轮机冷热电联供系统集成优化与动态运行规律研究[D].东南大学，2015);
[0007] 步骤2,对获取的微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的传递函数进行降 阶处理得到微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统降阶后的传递函数；
[0008] 步骤3,根据微型燃气轮机子系统降阶后的传递函数，计算得到稳态增益矩阵Gi (0)及带宽矩阵Ω i (Ο )，求解出效能增益矩阵Ei (Ο )和效能相对增益矩阵（Effective Relative Gain Array，简称ERGA) Φι(0)，根据配对规则判断变量的最佳配对方式；
[0009] 步骤4,根据溴化锂制冷机子系统降阶后的传递函数，计算得到稳态增益矩阵G2 (〇)及带宽矩阵ω2(0)，求解出效能增益矩阵e2(o)和效能相对增益矩阵Φ2(ο)，根据配对规 则判断变量的最佳配对方式；
[0010] 步骤5,对微型燃气轮机子系统的稳态增益矩阵Gi(0)进行奇异值分解（Singular Value Decomposition，简称SVD)，得到微型燃气轮机子系统的设计结果；
[0011] 步骤6,对溴化锂制冷机子系统的稳态增益矩阵G2(0)进行奇异值分解，得到溴化 锂制冷机子系统的设计结果；
[0012] 步骤7,根据微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的设计结果，完成MGT-CCHP系统的控制。
[0013] 其中，步骤2包括:对获取的微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的传递函 数进行降阶，通过比较响应曲线的方法，将传递函数中的高阶惯性环节近似为一阶惯性环 节加上纯延迟环节，得到微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统降阶后的传递函数。
[0014] 步骤3包括如下步骤：
[0015] 步骤3-1，根据微型燃气轮机子系统降阶后的传递函数，得到稳态增益矩阵GK0):
[0016]
Λ·^ / ·&η2η C^nn ^ /_
[0017]其中glj(0)表示传递函数中第i行，第j列的稳态增益，η为稳态增益矩阵&(0)的行 数，η取值为自然数；
[0018] 步骤3-2，根据1%("心,,），求出带宽矩阵Ω JO):
[0019]
[0020] 其中是使得第i行，第j列传递函数的稳态增益glj(0)为;^倍时的频率值，B代 表带宽，带宽是指在频率特性上，使输出为|q(o)/VJ|时的频率值；
[0021] 步骤3-3,根据稳态增益矩阵GK0)和带宽矩阵ΩΚ〇)求解出效能增益矩阵ΕΚ0):
[0022]
[0023] 其中eij表示第i个输入与第j个输出之间的效能增益关系；
[0024] 步骤3-4,根据效能增益矩阵求出效能相对增益矩阵ΦΚ0):
[0025]
[0026] 其中表示第i个输入与第j个输出之间的效能相对增益关系；
[0027] 步骤3-5,根据效能相对增益矩阵?:^)的配对规则判断微型燃气轮机子系统输 入输出之间的最佳配对方式。（两个子系统中有两个输入，两个输出，一个输入变化时，两个 输出会同时产生变化，解耦过程是使一个输入对应一个输出，即一个输入变化时只有一个 输出变化，另一个输出不产生变化或者变化很小，最佳的配对方式是指解耦后两个输入和 输出如何对应最佳。）
[0028] 步骤4中采用与步骤3相同的方法得到溴化锂制冷机子系统输入输出之间的最佳 配对方式。
[0029] 步骤5包括:对微型燃气轮机子系统的稳态增益矩阵GK0)进行奇异值分解，得到 左奇异值矩阵山、右奇异值矩阵％和主对角矩阵Σ:，将控制回路闭环，保持溴化锂制冷机子 系统回路开环，调整PID或者PI控制器的参数，使得响应曲线的过渡过程时间最小和超调量 最小，从而得到微型燃气轮机子系统的设计结果。
[0030] 步骤6包括:对溴化锂制冷机子系统的稳态增益矩阵G2(0)进行奇异值分解，得到 左奇异值矩阵U2,右奇异值矩阵V 2,主对角矩阵Σ2，将控制回路闭环，保持微型燃气轮机子 系统回路开环，调整PID或者ΡΙ控制器的参数，使得响应曲线的过渡过程时间最小和超调量 最小，从而得到溴化锂制冷机子系统的设计结果。
[0031] 步骤7包括:根据微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统PID或ΡΙ控制器设计 的结果，得到MGT-CCHP系统的协调控制系统结构，分别对MGT-CCHP系统的负荷设定值r n、冷 水温度rTc；1。和热水温度rThw。三个输入量进行阶跃扰动，对两个子系统控制回路的控制器参 数进行微调，使得响应曲线的过渡过程时间最小和超调量最小，从而完成MGT-CCHP系统的 控制。
[0032] 有益效果：
[0033]本发明方法针对MGT-CCHP系统可分解为两个子系统的特点，提出了一种效能相对 增益矩阵(ERGA)与奇异值分解(SVD)相结合的解耦方法，采用效能相对增益矩阵(ERGA)准 确判断输入量与输出量的最佳配对方式，通过奇异值分解(SVD)的解耦方法对控制对象进 行控制器设计。单元机组的协调控制的仿真结果表明，基于ERGA-SVD解耦控制方法与传统 的PID控制方法相比可以减少调节时间，减弱耦合，降低超调量，使系统获得良好的动态和 静态特性。与一般的解耦控制方法相比，消除耦合的效果好，计算简单，工程上易于实现。
【附图说明】
[0034] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做更进一步的说明，本发明的上述和/或 其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0035] 图1为MGT-CCHP系统结构框图。
[0036] 图2为MGT-CCHP系统控制结构框图。
[0037]图3为微型燃气轮机系统汽轮机转速阶跃下降10%解耦之前的控制效果和解耦后 的控制效果对比图。
[0038]图4为微型燃气轮机系统排气温度阶跃下降10%解耦之前的控制效果和解耦后的 控制效果对比图。
[0039]图5为溴化锂制冷机系统冷水温度设定值阶跃下降10%解耦之前的控制效果和解 耦后的控制效果对比图。
[0040]图6为溴化锂制冷机系统热水温度设定值阶跃下降10%解耦之前的控制效果和解 耦后的控制效果对比图。
[0041 ]图7为汽轮机转速阶跃扰动实验后效果对比图。
[0042] 图8为冷水温度设定值阶跃扰动实验后效果对比图。
[0043] 图9为热水温度设定值阶跃扰动实验后效果对比图。
【具体实施方式】
[0044] 本发明提出了一种微型燃气轮机解耦控制方法，如图1所示。此冷热电联供系统在 输出电能的同时还能提供60-80°C的生活热水和7-12Γ的冷媒水（用来制冷）。控制目标是 实现对用户侧供电、供热以及制冷负荷的良好跟踪。（参考文献张俊礼.微型燃气轮机冷热 电联供系统集成优化与动态运行规律研究[D].东南大学，2015)
[0045]针对一台80kW回热微型燃气轮机以及一台425kW双效溴化锂吸收式制冷机组成的 MGT-CCHP系统的仿真模型，MGT-CCHP系统结构框图如图1所示。本发明将三输入三输出的控 制结构分解为两个双输入双输出的控制结构，使三个输出变量汽轮机转速y n (r/mi η )、冷媒 水温度°C)以及生活热水温度yThwc^C)能够根据微型燃气轮机侧的燃料流量控制阀门 umbf和双效溴化锂吸收式制冷机侧的再热阀门开度Ura、高压冷剂阀开度Uhg^变化做出快速 响应，从而良好地追踪用户侧的负荷指令，提尚调节品质，
[0046] MGT-CCHP系统控制结构框图如图2所示，包括80kW回热微型燃气轮机子系统及 425kW双效溴化锂吸收式制冷机子系统。图2中，Rn是汽轮机转速的设定值，RQg是排烟温度的 设定值，队1。是冷水温度的设定值，R Thw。是热水温度的设定值，Xmbf是燃料流量，Xr^汽轮机 转速，ΧΦ烟气热量，X(fe是排烟温度，Xuhgr是高压冷剂阀，XTcd。是冷水温度，XThw。是热水温度。 [0047] 包括如下步骤：
[0048] 1)MGT-CCHP系统的结构特点是微型燃气轮机和溴化锂制冷机在能量的梯级利用 上是处于上下游分布，在开环条件下，下游设备焓温同道的扰动对上游设备的焓温同道基 本不产生影响，可以将MGT-CCHP系统中三输入三输出结构的控制问题，分解成两个双输入 双输出结构的控制问题，即微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的独立闭环控制问 题，通过机理建模方法获取两个子系统的传递函数。
[0049] 微型燃气轮机子系统的传递函数为：
[0050]
[0051 ]溴化锂制冷机子系统的传递函数为：
[0052]
[0053] 2)对获取的微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的传递函数进行降阶，通 过比较响应曲线的方法，将传递函数中的高阶惯性环节近似为一阶惯性环节加上纯延迟环 节，得到微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统降阶后的传递函数；
[0054]降阶后的微型燃气轮机子系统的传递函数为：
[0055]
[0056] 降阶后的溴化锂制冷机子系统的传递函数为：
[0057]
[0058] 3)首先根据降阶后的微型燃气轮机的传递函数求出稳态增益矩阵：
[0059]
[0060]根据％(/%#).，求出带宽矩阵
[0061] 带宽是指在频率特性上，使输出为|g(0>/VJ|时的频率值。
[0062] 由稳态增益矩阵与带宽矩阵，求出效能增益矩阵：
[0063]
[0064] 根据效能增益矩阵求出效能相对增益矩阵：
[0065]
[0066] 效能相对增益矩阵(ERGA)的配对规则是：
[0067] 1)配对的ERGA元素尽量趋近于1.0;
[0068] 2)所有配对的ERGA元素都应该为正；
[0069] 3)尽量避免很大的ERGA元素；
[0070] 4)NI 值为正（
[0071] 其中，|G(0)|是矩阵G(0)的行列式值，gll(0)是矩阵G(0)主对角线上的元素。
[0072] 根据效能相对增益矩阵?:与配对规则判断出对角配对方式是微型燃气轮机子系 统输入与输出之间的最佳配对方式。
[0073] 4)根据溴化锂制冷机子系统降阶后的传递函数，计算稳态增益矩阵：
[0074]
[0075] 根据v,,) = g,;(0)/.ν/?，求出带宽矩阵：
[0076] _ / / .；>
/ J J
[0077] 由稳态增益矩阵与带宽矩阵，求出效能增益矩阵：
[0078]
[0079] 根据效能增益矩阵可以求出效能相对增益矩阵：
[0080]
[0081] 根据求解出的效能相对增益矩阵02与配对规则判断出对角配对方式是溴化锂制 冷机子系统输入与输出之间的最佳配对方式。
[0082] 5)根据 = 1，V/Vi: 1,6! = ^ Σ 可知 Σ : = Σ ，Σ :为对角矩阵， 对微型燃气轮机子系统的稳态增益矩阵Gi(0)进行奇异值分解，
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 对于微型燃气轮机系统而言，一般要求有较小的超调量、较快的过渡过程和无稳 态误差。微型燃气轮机本身的惯性较小，使用PI控制器即可。将控制回路闭环，保持其他回 路开环，逐渐调整响应曲线的过渡过程时间和超调量，使得过渡过程时间和超调量尽可能 的小，获取PI控制器参数，
[0087] 图3为微型燃气轮机系统汽轮机转速阶跃下降10%解耦之前的控制效果和解耦后 的控制效果对比图。图4为微型燃气轮机系统排气温度阶跃下降10%解耦之前的控制效果 和解耦后的控制效果对比图。其中虚线为解耦之前的控制效果，实线为解耦后的控制效果。 从图3可以看出，在转速设定值的阶跃下降时，转速控制回路解耦后的响应变快，超调量也 较小，烟气温度的变化减小。从图4中可以看出，在温度设定值阶跃下降时，耦合显著减小， 转速变化值减小，烟气温度解耦后的响应加快。
[0088] 6)根据U2TU2 = I，V2TV2 = I，G2 = U2 Σ 2V2T可知 Σ 2 = U2T(U2 Σ 2V2T) V2，Σ 2为对角矩阵，
[0089] 对溴化锂制冷剂子系统的稳态增益矩阵G2(o)进行奇异值分解，
[0090]
[0091]
[0092] 在溴化锂制冷机系统中，热水负荷只占总负荷很小的一部分，高压冷剂蒸汽阀只 宜作为辅助调节作用。冷负荷的调节通过热源参数的调整来实现，热水负荷的调节通过高 压冷剂蒸汽阀的调整来实现。将控制回路闭环，保持其他回路开环，逐渐调整响应曲线的过 渡过程时间和超调量，使得过渡过程时间和超调量尽可能的小，获取PI控制器参数，
[0093] 如图5所示，为溴化锂制冷机系统冷水出口温度阶跃下降10 %解耦之前的控制效 果和解耦后的控制效果对比图。图6为溴化锂制冷机系统热水出口温度阶跃下降10%解耦 之前的控制效果和解耦后的控制效果对比图。其中虚线为解耦之前的控制效果，实线为解 耦后的控制效果。从图5中可以看出，在冷水温度设定值的阶跃下降时，冷水温度和热水温 度控制回路解耦后的响应变快，耦合也基本消除，超调量较小。从图6中可以看出，在热水温 度设定值阶跃下降时，耦合减弱，系统能迅速达到稳定，表明控制系统设计是合理的。
[0094] 7)根据微型燃气轮机和溴化锂制冷机控制系统设计的结果，可得到微MGT-CCHP系 统的协调控制系统结构。分别对汽轮机转速，冷水出口温度，热水出口温度进行阶跃扰动， 对各个回路的控制器参数进行微调。
[0095] 根据微型燃气轮机和溴化锂制冷机控制系统设计的结果，分别对汽轮机转速，冷 水出口温度和热水出口温度进行阶跃扰动实验，根据实验结果适当调整PI或PID控制器参 数。
[0096] 图7为汽轮机转速阶跃下降后效果对比图，图8为冷水出口温度阶跃下降后效果对 比图，图9为热水出口温度阶跃下降后效果对比图。
[0097]由上面的阶跃试验可以看出，经过解耦后的系统，主要的耦合已经基本消除，已经 可以较好地实现系统的控制。这也表明，本文提出的解耦控制策略是合理可行的，可以较好 地满足MGT-CCHP系统对冷热电负荷调节的需求。
[0098]本发明提出了一种微型燃气轮机解耦控制方法，应当指出，对于本技术领域的普 通人员来说，在不脱离发明原理的前提下还可以做出若干改进和润饰，这些也应视为本发 明的保护范围。另外，本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
【主权项】
1. 一种微型燃气轮机解耦控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1，将MGT-CCHP系统中三输入三输出结构的控制问题，分解成两个双输入双输出结 构的控制问题，即微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的独立闭环控制问题，获取 两个子系统的传递函数； 步骤2,对获取的微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的传递函数进行降阶处 理得到微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统降阶后的传递函数； 步骤3,根据微型燃气轮机子系统降阶后的传递函数，计算得到稳态增益矩阵GKO)及带 宽矩阵Ω K0)，求解出效能增益矩阵EKO)和效能相对增益矩阵ΦΚΟ)，根据配对规则判断 变量的最佳配对方式； 步骤4,根据溴化锂制冷机子系统降阶后的传递函数，计算得到稳态增益矩阵G2(0)及带 宽矩阵Ω 2(〇)，求解出效能增益矩阵E2(0)和效能相对增益矩阵Φ2(0)，根据配对规则判断 变量的最佳配对方式； 步骤5,对微型燃气轮机子系统的稳态增益矩阵GKO)进行奇异值分解，得到微型燃气轮 机子系统的设计结果； 步骤6,对溴化锂制冷机子系统的稳态增益矩阵G2(0)进行奇异值分解，得到溴化锂制冷 机子系统的设计结果； 步骤7，根据微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的设计结果，完成MGT-CCHP控 制系统的设计。2. 根据权利要求1所述的一种微型燃气轮机解耦控制方法，其特征在于，步骤2包括:对 获取的微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统的传递函数进行降阶，通过比较响应曲 线的方法，将传递函数中的高阶惯性环节近似为一阶惯性环节加上纯延迟环节，得到微型 燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统降阶后的传递函数。3. 根据权利要求2所述的一种微型燃气轮机解耦控制方法，其特征在于，步骤3包括如 下步骤： 步骤3-1，根据微型燃气轮机子系统降阶后的传递函数，得到稳态增益矩阵GKO):其中gij (0)表示传递函数中第i行，第j列的稳态增益，η为稳态增益矩阵Gi (0)的行数； 步骤3-2，根据g,(mt,) = g/;.(0)Z VI，求出带宽矩阵 Ω :(〇):其中wb^是使得第i行，第j列传递函数的稳态增益glj(0)为^倍时的频率值，B代表带 宽，带宽是指在频率特性上，使输出为|g(〇)/^|时的频率值； 步骤3-3,根据稳态增益矩阵GKO)和带宽矩阵Ω Κ0)求解出效能增益矩阵ΕΚΟ):其中表示第i个输入与第j个输出之间的效能增益关系； 步骤3-4,根据效能增益矩阵求出效能相对增益矩阵ΦΚΟ):其中Φ ^表示第i个输入与第j个输出之间的效能相对增益关系； 步骤3-5,根据效能相对增益矩阵①:⑶)的配对规则判断微型燃气轮机子系统输入输出 之间的最佳配对方式。4. 根据权利要求3所述的一种微型燃气轮机解耦控制方法，其特征在于，步骤5包括:对 微型燃气轮机子系统的稳态增益矩阵61(0)进行奇异值分解，得到左奇异值矩阵山、右奇异 值矩阵Vi和主对角矩阵Σ:，将控制回路闭环，保持溴化锂制冷机子系统回路开环，调整PID 或者PI控制器的参数，使得响应曲线的过渡过程时间最小和超调量最小，从而得到微型燃 气轮机子系统的设计结果。5. 根据权利要求4所述的一种微型燃气轮机解耦控制方法，其特征在于，步骤6包括:对 溴化锂制冷机子系统的稳态增益矩阵G2(0)进行奇异值分解，得到左奇异值矩阵U 2,右奇异 值矩阵V2，主对角矩阵Σ 2，将控制回路闭环，保持微型燃气轮机子系统回路开环，调整PID或 者PI控制器的参数，使得响应曲线的过渡过程时间最小和超调量最小，从而得到溴化锂制 冷机子系统的设计结果。6. 根据权利要求5所述的一种微型燃气轮机解耦控制方法，其特征在于，步骤7包括:根 据微型燃气轮机子系统和溴化锂制冷机子系统PID或PI控制器设计的结果，得到MGT-CCHP 系统的协调控制系统结构，分别对MGT-CCHP系统的负荷设定值rn、冷水温度rTc；i。和热水温度 rThw。三个输入量进行阶跃扰动，对两个子系统控制回路的控制器参数进行微调，使得响应 曲线的过渡过程时间最小和超调量最小，从而完成MGT-CCHP系统的控制。
【文档编号】F02C9/00GK105863850SQ201610178952
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】刘彦翔, 张帆, 张俊礼, 周霞, 沈炯
【申请人】东南大学