一种基于联合循环燃机系统模型的调速方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于联合循环燃机系统模型的调速方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立联合循环燃机系统模型，包括依次连接的调节系统模型单元、燃料阀电液伺服系统模型单元和联合循环燃机原动机模型单元；2)在调节系统模型单元中采用前馈和反馈无差PID控制：将电网频率偏差产生的一次调频功率变化需求值与AGC初始负荷相加得到联合循环燃机实际负荷指令，再将该指令经过前馈和反馈无差PID控制产生的燃料阀指令；3)在燃料阀电液伺服系统模型单元中根据燃料阀指令控制燃料阀产生燃料量信号；4)在联合循环燃机原动机模型单元中根据燃料量信号控制联合循环燃机，调节联合循环燃机输出功率。与现有技术相比，本发明具有控制精度高、响应速度快等优点。
【专利说明】一种基于联合循环燃机系统模型的调速方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种调速方法，尤其是涉及一种基于联合循环燃机系统模型的调速方 法。
【背景技术】
[0002] 华东电网已迈入多落点直流、特高压交直流互联的新格局，受端电网特征明显，电 网频率稳定问题日益突出。发电机组原动机及其调速系统是重要的涉网设备，对电力系统 电网频率稳定具有显著的影响，是电网低频保护策略研究的基础，对完善电网的频率控制 体系具有重要意义。
[0003] 近些年来，随着燃机数量的不断增加，其占全网装机容量的权重已不容忽视，电网 精细化运行和管理对调速系统建模提出了迫切的需求。2012年颁发的国网企业标准《同 步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则》中并未给出完整的能表征国内F级联 合循环燃机调速系统的标准数学模型，其中所提供的是部分单元通用模型和调速系统部分 参数表，因此不能依据导则有效完成F级联合循环燃机的调速系统建模工作。国内电力系 统分析综合程序PSD-BPA动态仿真程序中也未明确定义燃机调速系统各单元的通用模型。 因此有必要开展燃机的调速系统参数实测及建模研究，为电网稳定计算提供精确的数学模 型，填补电网仿真计算中燃机调速系统模型的空白，完善上海电网计算数据基础，使电网动 态仿真能够模拟电力系统的实际动态特性，对分析电力系统暂态稳定、研究电网控制策略 和电网安全预警控制措施等将起到重要的作用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制精度高、响 应速度快的基于联合循环燃机系统模型的调速方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种基于联合循环燃机系统模型的调速方法，包括以下步骤：
[0007] 1)建立联合循环燃机系统模型，包括调节系统模型单元、燃料阀电液伺服系统模 型单元和联合循环燃机原动机模型单元；
[0008] 2)在调节系统模型单元中采用了与机组实际负荷控制相同的前馈和反馈无差 PID控制：首先将电网频率偏差产生的一次调频功率变化需求值与AGC初始负荷相加得到 联合循环燃机实际负荷指令，然后将联合循环燃机实际负荷指令经过前馈和反馈无差PID 控制产生的燃料阀指令传递给燃料阀电液伺服系统模型单元；
[0009] 3)在燃料阀电液伺服系统模型单元中根据燃料阀指令控制燃料阀的开关产生燃 料量信号传递给联合循环燃机原动机模型单元；
[0010] 4)在联合循环燃机原动机模型单元中根据燃料量信号控制联合循环燃机，改变联 合循环燃机的输出速度，进而调节联合循环燃机输出功率。
[0011] 所述步骤1)中的调节系统模型单元包括PID调节模块、前馈放大器、转速差放大 器、第一加法器、第二加法器和第三加法器，所述的电网频率偏差经过转速差放大器放大产 生一次调频功率变化需求值，再通过第一加法器与AGC初始负荷相加产生联合循环燃机实 际负荷指令，该指令经过PID调节模块和前馈放大器的前馈和反馈无差PID控制通过第三 加法器产生了燃料阀指令传递给燃料阀电液伺服系统模型单元。
[0012] 所述的燃料阀电液伺服系统模型单元包括与第三加法器连接的电液伺服执行机 构模块。
[0013] 所述的原动机模型单元包括与电液伺服执行机构模块连接的原动机模块，所述的 原动机模型单元包括原动机模块根据燃料量信号输出联合循环燃机的功率，并且将该功率 信号反馈回第二加 法器。
[0014] 所述的电液伺服执行机构模块的传递函数为一个具有开关特性的拟合函数。
[0015] 所述的原动机模块的传递函数为一个一阶传递函数或者由燃机和汽机的负荷模 型传递函数叠加而成。
[0016] 与现有技术相比，本发明具有以下优点。
[0017] 一、提出了联合循环燃机系统模型，填补电网仿真计算中燃机调速系统模型的空 缺。
[0018] 二、控制精度高，在调节系统模型单元中采用了 PID无差反馈控制，降低了稳态误 差，提1?系统精度。
[0019] 三、响应速度快，在调节系统模型单元中同时采用了前馈控制和PID无差反馈控 制，使得系统的响应速度进一步提1?。
[0020] 四、适用范围广，本方法不仅适用F级燃气轮机调速系统，也适用其他类似结构的 燃汽轮机调速系统建模。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的模型原理框图；
[0022] 图2为本发明的MATLAB模型仿真图；
[0023] 图3为本发明的负荷频率控制原理图；
[0024] 图4为一种F燃气轮机模型在-5rpm扰动下仿真结果和试验数据对比图；
[0025] 图5为一种F燃气轮机模型在+5rpm扰动下仿真结果和试验数据对比图。
[0026] 其中，1、转速偏差值模块，2、PID调节模块，3、前馈放大模块，4、电液伺服执行机构 模块，5、原动机模块。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0028] 实施例：
[0029] 如图1所示，本发明提供了一种F级燃汽轮机调速系统的控制模型，模型主要包括 三个模型单元，调节系统模型单元，电液伺服系统模型单元，原动机模型单元，其频率控制 原理图如图3所示，在调节系统模型单元中采用了与机组实际负荷控制相同的前馈和反馈 无差PID控制：首先将电网频率偏差产生的一次调频功率变化需求值与AGC初始负荷相加 得到联合循环燃机实际负荷指令，然后将联合循环燃机实际负荷指令经过前馈和反馈无差 PID控制产生的燃料阀指令传递给燃料阀电液伺服系统模型单元；在燃料阀电液伺服系统 模型单元中根据燃料阀指令控制燃料阀的开关产生燃料量信号传递给联合循环燃机原动 机模型单元；在联合循环燃机原动机模型单元中根据燃料量信号控制联合循环燃机，改变 联合循环燃机的输出速度，进而调节联合循环燃机输出功率。
[0030] 在燃机停机状态，进行预混阀0-100%开关阶跃测试，根据T0、Tc和Kp2可建立电 液伺服执行机构单元模型：辨识出Τ0和Tc参数；然后进行0-5 %和5% -0开关幅度阶跃测 试，通过对测试结果曲线拟合，辨识得到Kp2。
[0031] 在燃机正常运行状态下，根据Tch可建立原动机一次传递函数单元模型：机组带 80%额定负荷，预混阀控制放手动状态。进行5%幅度阶跃开关试验，记录预混阀开度和联 合循环机组实际功率变化曲线，并对结果进行拟合，辨识得到Tch。
[0032] 在燃机正常运行状态下，机组带80 %额定负荷，预混阀控制放自动状态。进行 ±5rpm频率扰动试验，电网频率偏差产生的一次调频功率变化需求叠加到AGC (自动发电 控制）负荷指令上，产生一个联合循环实际负荷，指令通过前馈+反馈燃料控制系统产生燃 料阀指令，根据燃料阀指令，开、关燃料控制阀（预混阀）增加或减少燃料量，进而改变机组 出力。根据试验结果和曲线进行拟合辨识，可辨识出KP1、Til和K2。根据上述参数，可搭 建出燃机调节系统单元模型。
[0033] 如图2所示，根据上述三个单元模型用MATLAB搭建出的燃机调速系统控制模 型。根据4%转速不等速率，设置转速偏差放大倍数为25,转速信号延迟为0. 02秒，死区 ±2rpm。在模型在输入5rpm转速扰动，通过模型仿真，获取仿真曲线，与燃机实际测试曲线 进行比对辨识，得到参数：Kpl = 0. 01，Ki = 0. 08, K2 = 0. 7。至此，一种F级燃机调节系 统模型搭建完毕。用该模型，输入一个转速扰动（> 2rpm)进行仿真计算，得到图4和图5 仿真计算曲线，与实测结果进行比对，其一致性相当好。
【权利要求】
1. 一种基于联合循环燃机系统模型的调速方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 建立联合循环燃机系统模型，包括依次连接的调节系统模型单元、燃料阀电液伺服 系统模型单元和联合循环燃机原动机模型单元； 2) 在调节系统模型单元中采用了与机组实际负荷控制相同的前馈和反馈无差PID控 制：首先将电网频率偏差产生的一次调频功率变化需求值与AGC初始负荷相加得到联合循 环燃机实际负荷指令，然后将联合循环燃机实际负荷指令经过前馈和反馈无差PID控制产 生的燃料阀指令传递给燃料阀电液伺服系统模型单元； 3) 在燃料阀电液伺服系统模型单元中根据燃料阀指令控制燃料阀的开关产生燃料量 信号传递给联合循环燃机原动机模型单元； 4) 在联合循环燃机原动机模型单元中根据燃料量信号控制联合循环燃机，改变联合循 环燃机的输出速度，进而调节联合循环燃机输出功率。
2. 根据权利要求1所述的一种基于联合循环燃机系统模型的调速方法，其特征在于， 所述步骤1)中的调节系统模型单元包括PID调节模块（1)、前馈放大器（2)、转速差放大器 (3)、第一加法器、第二加法器和第三加法器，所述的电网频率偏差经过转速差放大器（3) 放大产生一次调频功率变化需求值,再通过第一加法器与AGC初始负荷相加产生联合循环 燃机实际负荷指令，该指令经过PID调节模块（1)和前馈放大器（2)的前馈和反馈无差PID 控制通过第三加法器产生了燃料阀指令传递给燃料阀电液伺服系统模型单元。
3. 根据权利要求2所述的一种基于联合循环燃机系统模型的调速方法，其特征在于， 所述的燃料阀电液伺服系统模型单元包括与第三加法器连接的电液伺服执行机构模块 ⑷。
4. 根据权利要求3所述的一种基于联合循环燃机系统模型的调速方法，其特征在于， 所述的原动机模型单元包括与电液伺服执行机构模块（4)连接的原动机模块（5)，所述的 原动机模型单元包括原动机模块（5)根据燃料量信号输出联合循环燃机的功率，并且将该 功率信号反馈回第二加法器。
5. 根据权利要求3所述的一种基于联合循环燃机系统模型的调速方法，其特征在于， 所述的电液伺服执行机构模块（4)的传递函数为一个具有开关特性的拟合函数。
6. 根据权利要求4所述的一种基于联合循环燃机系统模型的调速方法，其特征在于， 所述的原动机模块（5)的传递函数为一个一阶传递函数或者由燃机和汽机的负荷模型传 递函数叠加而成。
【文档编号】G06F17/50GK104102788SQ201410360669
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】单英雷, 李福兴 申请人:国网上海市电力公司, 华东电力试验研究院有限公司