一种燃气发电机组调速调压模型的制作方法

本发明是关于一种燃气发电机组调速调压模型，属于电力系统仿真建模领域。

背景技术：

近年来，以风力发电、光伏电池和燃气轮机等为代表的分布式发电系统的发展已成为人们关注的热点。其中，燃气轮机发电系统是一种最为成熟、商业应用前景最为广阔的分布式发电系统。与常规发电机组相比，燃气轮机具有寿命长、可靠性高、燃料适应性好、环境污染小和便于灵活控制等优点，它是分布式发电的最佳方式，无论在并网模式还是孤岛模式下均能适用。

为模拟燃气机组不同的运行工况，了解机组各部分在运行中的具体情况，有必要对机组进行仿真建模。然而，传统的机组建模中，只考虑对机组的某一部分进行细化建模而不考虑其他部分的运行情况，从而无法模拟机组的联合运行情况。另外，现有技术中对于励磁部分的建模也很少考虑磁场饱和、去磁、换相压降和整流系数的影响，因此，建立的模型往往是不准确的。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种对燃气轮机、励磁系统和主发电机进行细化建模的燃气发电机组调速调压模型。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种燃气发电机组调速调压模型，其特征在于，包括单轴燃气轮机模块、励磁系统模块、主发电机模块、测量装置和控制器，其中，所述励磁系统模块包括主励磁机、二极管整流桥、副励磁机和晶闸管整流桥；所述单轴燃气轮机模块的输出端分别连接所述主励磁机和主发电机模块，所述主励磁机通过所述二极管整流桥连接所述主发电机模块，所述单轴燃气轮机模块用于根据所需的转速、温度以及选择的工况进行工作，并带动所述主励磁机和主发电机模块同轴转动，所述主励磁机的输出电压通过所述二极管整流桥变为直流电压并以此作为所述主发电机模块的励磁电压；所述测量装置连接所述主发电机模块，用于测量所述主发电机模块的电压信号和电流信号；所述控制器分别连接所述测量装置和晶闸管整流桥，所述晶闸管整流桥还连接所述副励磁机，所述控制器用于根据所述测量装置测量的电压信号和电流信号，控制所述晶闸管整流桥的开断，进而控制所述副励磁机的输出电压，该输出电压为所述主励磁机的励磁电压。

进一步地，所述单轴燃气轮机模块包括运行方式选择单元、转速计算单元、温度计算单元、转速控制单元、温度控制单元、燃气控制单元、低值选择器单元、限幅单元和单轴燃气轮机；所述运行方式选择单元用于选择所述单轴燃气轮机工作的工况；所述转速计算单元用于计算所述单轴燃气轮机的实际转速与转速指令值的差值；所述温度计算单元用于计算所述单轴燃气轮机的实际温度与温度指令值的差值；所述转速控制单元用于根据所述主发电机模块的实际转速和电磁功率以及实际转速与转速指令值的差值，得到所述单轴燃气轮机的转速控制信号；所述温度控制单元用于根据所述主发电机模块的实际温度和实际温度与温度指令值的差值，得到所述单轴燃气轮机的温度控制信号；所述低值选择器单元用于低值选择转速控制信号和温度控制信号，得到所述单轴燃气轮机的控制信号；所述限幅单元用于设置燃气量的限制值；所述燃气控制单元用于采用限幅和抗饱和控制算法，根据得到的控制信号和燃气量的限制值，控制所述单轴燃气轮机中燃烧室在选择的工况下进行工作，进而控制所述单轴燃气轮机中涡轮的转速。

进一步地，所述单轴燃气轮机工作的工况包括带负载时牺牲转速的工况和恒转速运行的工况。

进一步地，在所述励磁系统模块中，将积分单元等效为所述主励磁机，第一比例单元等效为所述二极管整流桥，第二比例单元等效为所述副励磁机，主发电机输出电压控制单元等效为所述晶闸管整流桥，所述励磁系统模块还包括饱和系数计算和反馈单元、换相压降系数计算和前馈单元、去磁系数计算和反馈单元以及整流系数计算和前馈单元；所述积分单元用于根据所述第二比例单元的励磁电压EFE和饱和、去磁、换相压降等带来的影响VFE，设置所述主励磁机的限幅值，并根据所述主励磁机的电磁时间常数Te和限幅值，得到加设在励磁机绕组上的励磁电压VE，以限制所述主励磁机的输出电压；所述饱和系数计算和反馈单元用于根据空载气隙线，计算饱和系数SE；所述换相压降系数计算和前馈单元用于根据所述主励磁机的电阻、负序电抗和直轴超瞬变电抗，计算换相压降系数KC；所述去磁系数计算和反馈单元用于根据空载气隙线和换相压降系数KC，计算去磁系数KD；所述第一比例单元用于根据饱和系数SE、换相压降系数KC和去磁系数KD，得到饱和、去磁、换相压降等带来的影响VFE；所述整流系数计算和前馈单元用于根据换相压降系数KC，判断励磁电流标幺值的范围，并根据标幺值的范围，确定整流系数FEX；所述主发电机输出电压控制单元用于根据加设在励磁机绕组上的励磁电压VE和整流系数FEX，得到所述主励磁机的输出电压EFD。

进一步地，所述饱和系数SE、换相压降系数KC、去磁系数KD和整流系数FEX的计算公式为：

其中，C1和C2为通过空载气隙线确定的待定系数；EFD为由恒值电阻线工作点决定的所述主发电机模块的励磁电压；XCE为所述主励磁机的等效换相电流；X″d为励磁机直轴超瞬变电抗；X2为所述主励磁机的负序电抗；UE为与位于恒值电阻线电压EFD对应在励磁机空载电压曲线上的电压值；SE0为额定工作点的饱和系数；RFDb为发电机励磁绕组电阻；IN为所述主励磁机的输出电流。

进一步地，所述主励磁机的限幅值为和VEmin，其中，VFEmax为饱和、去磁和换相压降带来的影响所产生的最大值，IFD为输入到所述主发电机模块的励磁电流，KE用于反映自励并激磁场的设置情况，VEmin为励磁电压产生的最小值。

进一步地，所述主发电机模块包括主发电机、电磁转换单元、功率计算单元、转矩计算单元、坐标系转换单元和标幺值转换单元；所述电磁转换单元用于根据所述主励磁机的输出电压，建立所述主励磁机的主磁场，使得所述主发电机进行电磁转换；所述功率计算单元用于计算所述主发电机的电磁功率，并发送至所述转速控制单元；所述转矩计算单元用于根据所述主发电机的电流和磁链值，计算所述主发电机的电磁转矩；所述坐标系转换单元用于将所述测量装置测量的所述主发电机的电压信号和电流信号由静止的三相坐标转换至旋转的两相坐标；所述标幺值转换单元用于采用“Xad”基值法，得到所述主发电机的简化磁链方程和电压方程表达式。

进一步地，所述简化磁链方程和电压方程分别为：

运动方程为：

其中，ud、uq和uf分别为定子绕组电压的直轴分量、定子绕组电压的交轴分量和励磁绕组电压；r、rf、rD和rQ分别为定子电阻、励磁绕组电阻、阻尼绕组直轴电阻分量和阻尼绕组交轴电阻分量；和分别为定子磁链直轴分量、定子磁链交轴分量、励磁绕组磁链、阻尼绕组磁链直轴分量和阻尼绕组磁链交轴分量；xd、xq、xf、xD、xQ、xad和xaq分别为定子直轴电抗、定子交轴电抗、励磁绕组电抗、阻尼绕组直轴电抗、阻尼绕组交轴电抗、定子电枢反应电抗的直轴分量和定子电枢反应电抗的交轴分量；ωm为机械角速度；H为惯性常数；Tm和Te分别为机械转矩和电磁转矩；δ为位置角。

进一步地，所述单轴燃气轮机模块的输出端与所述主励磁机和主发电机模块通过转轴连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明分别对燃气轮机、励磁系统和主发电机进行细化建模，使得机组各部分在运行中的变化情况均可以在仿真结果中体现。2、本发明中的单轴燃气轮机模块模拟真实运行情况中结合温度和转速情况进行燃气的控制，并在燃气控制单元中采用限幅和抗饱和控制算法，单轴燃气轮机模块允许机组工作在带负载牺牲转速的情况或恒转速运行的情况，可使得机组模型应用于不同场景。3、本发明的励磁系统模块考虑磁场饱和、去磁、换相压降和整流系数的运行情况，使得本发明模型接近实际运行情况。4、本发明中主发电机模块和励磁系统模块均采用“xad”基值法，便于两个模块间进行连接，可以广泛应用于电力系统仿真建模领域中。

附图说明

图1是本发明模型的整体结构示意图；

图2是本发明模型中单轴燃气轮机模块的结构示意图；

图3是本发明模型中励磁系统模块的仿真模型示意图，其中，为积分单元(等效代替了主励磁机)。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供了一种可以对燃气轮机驱动的发电机组进行整体仿真，从而模拟运行工况的Matlab/Simulink模型，该模型可仿真电机在运行中的动态变化过程并观察机组各部分的运行情况。如图1、图2所示，本发明提供的燃气发电机组调速调压模型包括单轴燃气轮机模块1、励磁系统模块2、主发电机模块3、测量装置4和控制器5，其中，励磁系统模块2包括主励磁机201、二极管整流桥202、晶闸管整流桥203和副励磁机204。

单轴燃气轮机模块1的输出端通过转轴6分别连接主励磁机201和主发电机模块3，主励磁机201通过二极管整流桥202连接主发电机模块3，单轴燃气轮机模块1用于根据所需的转速、温度以及选择的工况进行工作，并带动主励磁机201和主发电机模块3转动，使得单轴燃气轮机模块1、主励磁机21和主发电机模块3三者进行同轴转动，为整个模型提供原动力。主励磁机201的输出电压通过二极管整流桥202变为直流电压并以此作为主发电机模块3的励磁电压。

测量装置4连接主发电机模块3，用于测量主发电机模块3的电压信号和电流信号。

控制器5分别连接测量装置4和晶闸管整流桥203，晶闸管整流桥203还连接副励磁机204，控制器5用于根据测量装置4测量的电压信号和电流信号，控制晶闸管整流桥203的开断，进而控制副励磁机204的输出电压，并将该输出电压作为主励磁机201的励磁电压。

在一个优选的实施例中，如图2所示，单轴燃气轮机模块1包括转速控制单元101、温度控制单元102、低值选择器单元103、燃气控制单元104、运行方式选择单元、转速计算单元、温度计算单元、限幅单元和单轴燃气轮机，其中，单轴燃气轮机包括燃烧室105、压缩室106和涡轮107。

运行方式选择单元用于根据运行环境，选择单轴燃气轮机工作的工况，其中，工况包括带负载时牺牲转速的工况和恒转速运行的工况。

转速计算单元用于计算单轴燃气轮机的实际转速与转速指令值的差值。

温度计算单元用于计算单轴燃气轮机的实际温度与温度指令值的差值。

转速控制单元101用于根据主发电机模块3的实际转速和电磁功率以及实际转速与转速指令值的差值，得到单轴燃气轮机的转速控制信号。

温度控制单元102用于根据主发电机模块3的温度和实际温度与温度指令值的差值，得到单轴燃气轮机的温度控制信号。

低值选择器单元103用于低值选择转速控制信号和温度控制信号，得到单轴燃气轮机的控制信号，控制信号为转速控制信号或温度控制信号。

限幅单元用于设置燃气量的限制值，以保证其使用量为合理数值。

燃气控制单元104用于采用限幅和抗饱和控制算法，根据得到的控制信号、燃气量的限制值和压缩室106输送的空气，控制燃烧室105在选择的工况下进行工作，进而控制涡轮107的转速，其中，限幅和抗饱和控制算法为现有技术公开的方法，在此不多做赘述。

在一个优选的实施例中，如图3所示，在励磁系统模块2中，将积分单元205等效为主励磁机201，第一比例单元206等效为二极管整流桥202，主发电机输出电压控制单元207等效为晶闸管整流桥203，第二比例单元208等效为副励磁机204。另外，励磁系统模块2还包括饱和系数计算和反馈单元209、换相压降系数计算和前馈单元210、去磁系数计算和反馈单元211以及整流系数计算和前馈单元212。

积分单元205用于根据副励磁机204即第二比例单元208的励磁电压EFE和饱和、去磁、换相压降等带来的影响VFE，设置主励磁机201的限幅值和VEmin，并根据主励磁机201的电磁时间常数Te和限幅值VEmin，得到加设在励磁机绕组上的励磁电压VE，以限制主励磁机201的输出电压，其中，VFEmax为饱和、去磁和换相压降等带来的影响所产生的最大值，IFD为输入到主发电机模块3的励磁电流，KE用于反映自励并激磁场的设置情况，VEmin为励磁电压可能产生的最小值，一般为0。

饱和系数计算和反馈单元209用于根据空载气隙线，计算饱和系数SE。

换相压降系数计算和前馈单元210用于根据主励磁机201的电阻、负序电抗和直轴超瞬变电抗，计算换相压降系数KC。

去磁系数计算和反馈单元211用于根据空载气隙线和换相压降系数KC，计算去磁系数KD。

第一比例单元206用于根据饱和系数SE、换相压降系数KC和去磁系数KD，得到饱和、去磁、换相压降等带来的影响VFE。

整流系数计算和前馈单元212用于根据换相压降系数KC，判断励磁电流标幺值的范围，并根据标幺值的范围，确定整流系数FEX。

主发电机输出电压控制单元207用于根据加设在励磁机绕组上的励磁电压VE和整流系数FEX，得到主励磁机201的输出电压，即主发电机模块3的励磁电压EFD。

上述各系数的计算公式为：

其中，C1和C2为通过空载气隙线确定的待定系数；EFD为由恒值电阻线工作点决定的主发电机模块3的励磁电压；XCE为主励磁机201的等效换相电流；X″d为励磁机直轴超瞬变电抗；X2为主励磁机201的负序电抗；UE为与位于恒值电阻线电压EFD对应在励磁机空载电压曲线上的电压值；SE0为额定工作点的饱和系数；RFDb为发电机励磁绕组电阻；IN为主励磁机201的输出电流。

在一个优选的实施例中，主发电机模块3包括主发电机、电磁转换单元、功率计算单元、转矩计算单元、坐标系转换单元和标幺值转换单元。

电磁转换单元用于根据主发电机输出电压控制单元207得到的主励磁机201的输出电压，建立主励磁机201的主磁场，使得主发电机进行电磁转换。

功率计算单元用于计算主发电机的电磁功率，并发送至转速控制单元101。

转矩计算单元用于根据主发电机的电流和磁链值，计算主发电机的电磁转矩。

坐标系转换单元用于将测量装置4测量的主发电机的电压信号和电流信号由静止的三相坐标转换至旋转的两相坐标。

标幺值转换单元用于采用“xad”基值法，得到主发电机的简化磁链方程和电压方程表达式：

上述采用“xad”基值法得到的简化磁链方程和电压方程分别为：

运动方程为：

其中，ud、uq和uf分别为定子绕组电压的直轴分量、定子绕组电压的交轴分量和励磁绕组电压；r、rf、rD和rQ分别为定子电阻、励磁绕组电阻、阻尼绕组直轴电阻分量和阻尼绕组交轴电阻分量；和分别为定子磁链直轴分量、定子磁链交轴分量、励磁绕组磁链、阻尼绕组磁链直轴分量和阻尼绕组磁链交轴分量；xd、xq、xf、xD、xQ、xad和xaq分别为定子直轴电抗、定子交轴电抗、励磁绕组电抗、阻尼绕组直轴电抗、阻尼绕组交轴电抗、定子电枢反应电抗的直轴分量和定子电枢反应电抗的交轴分量；ωm为机械角速度；H为惯性常数；Tm和Te分别为机械转矩和电磁转矩；δ为位置角。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。