安英會

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學院動力工程系，廣西 南寧530007）

微型冷熱電聯(lián)供燃氣輪機能量管理系統(tǒng)設計

安英會

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學院動力工程系，廣西 南寧530007）

微型燃氣輪機的冷熱電負荷小，波動變化大，負荷運行與配置問題比較難于控制。介紹了一種微型冷熱電聯(lián)供燃氣輪機能量管理系統(tǒng)，主要能實現(xiàn)對用戶冷熱電供應負荷管理、冷熱儲能管理、離網(wǎng)與并網(wǎng)命令發(fā)布等。通過實際運行，燃氣輪機冷熱電聯(lián)供能量管理系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)燃汽輪機、制冷設備、熱水鍋爐的優(yōu)化投入，離網(wǎng)時能夠及時切除過量用戶，總線結(jié)構(gòu)的通訊模式使得系統(tǒng)安裝方便，便利。

微型冷熱電聯(lián)供；燃氣輪機；能量管理系統(tǒng)

燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是指制冷、供暖、發(fā)電三者合一的燃氣輪機用戶系統(tǒng)，通常配置的裝置有燃氣輪機發(fā)電機、燃氣輪機余熱供暖系統(tǒng)、燃氣輪機余熱制冷系統(tǒng)以及控制裝置。系統(tǒng)一共設計有3臺30 kW的微型燃氣輪發(fā)電機，帶動兩臺15萬大卡的余熱煙氣溴化鋰型吸收式空調(diào)，兩臺15萬大卡熱水爐和一臺可產(chǎn)生12 m3/h流量的換熱器以及一臺15 kW的低溫吸附式制冷機。

如圖1所示，三臺燃氣發(fā)電機并列運行，煙氣共同排放至高溫煙氣母管，兩臺余熱制冷機入口設計有電動蝶閥，可以調(diào)節(jié)煙氣進口量，兩臺煙氣熱水鍋爐入口設計有電動蝶閥，用于調(diào)整用熱量，煙氣余熱熱水爐配置有兩臺并列給水泵，一用一備，變頻調(diào)節(jié)，一方面用于調(diào)整熱水鍋爐水位，另一方面也可用于調(diào)整熱水鍋爐溫度，煙氣熱水鍋爐、余熱制冷機排放出來的尾部煙氣進入低溫余熱制冷機，低溫余熱制冷熱水來自于給水母管，設計有電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)給水流量，控制熱水溫度，低溫換熱器出口設計有兩個電動蝶閥，分別用于供熱調(diào)整和低溫余熱制冷。冬天熱負荷較高的情況下余熱系統(tǒng)用于供熱，夏天冷負荷較高的情況下主要用于制冷，低溫余熱制冷器可以調(diào)整冷熱負荷。燃氣輪機發(fā)電通過并網(wǎng)控制器接入電網(wǎng)，并配置有無功補償器調(diào)整發(fā)電機無功輸出。冷熱電聯(lián)產(chǎn)有助于能源的更為合理分配、使用與經(jīng)濟運行[1]。

圖1 微型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設計

微型燃氣輪機能量管理系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)而言，不僅提供各功能設備的控制功能，還提供有冷、熱、電負荷預測功能和冷熱電負荷優(yōu)化管理功能。冷、熱、電負荷預測功能是指管理系統(tǒng)根據(jù)制冷、制熱量的需求，優(yōu)化安排燃氣輪機運行臺數(shù)，并通過制冷、制熱溫度和流量控制實現(xiàn)負荷優(yōu)化調(diào)整。微型燃氣輪機能量管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)綜合處理、供冷供熱方案制定、供冷供熱指令發(fā)布及與微電網(wǎng)并網(wǎng)功能，主要包括對微電網(wǎng)用戶管理、微型燃氣輪機發(fā)電控制、制冷制熱儲能裝置管理、冷熱電負荷管理、微型發(fā)電機自動并網(wǎng)、無功自動補償?shù)萚2]。

1 燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)用電用戶管理設計

燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)用戶管理部分主要解決微電網(wǎng)孤島運行時的限負荷運行，負荷監(jiān)測與預警，電網(wǎng)頻率監(jiān)測與減載等功能。

（1）限負荷運行。當微電網(wǎng)接入電網(wǎng)斷開時，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)將先切斷常規(guī)負荷，確保重點敏感負荷用電。1臺發(fā)電機設計容量可以保障微電網(wǎng)系統(tǒng)中的敏感用戶負荷用電。再根據(jù)制冷制熱量制定新的生產(chǎn)計劃。一般用戶根據(jù)用電大小和發(fā)電容量限定用電。

（2）自動低頻減載。微電網(wǎng)獨立運行時，如微型燃氣輪機一臺或兩臺因故跳閘，自動低頻減載裝置按用戶用電大小迅速跳閘，實現(xiàn)低頻減載。

（3）負荷監(jiān)測。每個獨立負荷均裝設電壓、電流互感器，實時監(jiān)控負載功率和電流情況，用于微電網(wǎng)負荷預測和負荷預警[3]。

（4）負荷控制。每個獨立負荷均裝設自動跳閘和自動合閘裝置，可以快速實現(xiàn)減載和切斷故障。

2 燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)設計

（1）并網(wǎng)工況下的能量調(diào)節(jié)

并網(wǎng)工況下，系統(tǒng)頻率可以視為固定的。燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)根據(jù)用戶供冷供熱需求定制發(fā)電量。微型燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)制冷量和制熱量供應根據(jù)日溫度曲線和用戶制冷量和制熱量計劃進行統(tǒng)計和制定的。制冷、制熱量用戶分為固定用戶和臨時用戶兩個部分，臨時用戶占總用戶量比例不超過30%.正常時開啟兩臺微型燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)供應固定用戶制冷制熱量，通過溫度和流量調(diào)節(jié)滿足部分臨時用戶用冷和用電需求，用冷或用電需求臨時用戶較多時，啟動第三臺微型燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

（2）冷熱用戶集中管理系統(tǒng)

冷熱用戶采用用戶請求模式，用戶在用戶端發(fā)送用冷或用熱請求，系統(tǒng)根據(jù)用戶請求和當前的制冷或制熱用量重新按排生產(chǎn)計劃，并逐步恢復冷、熱供應質(zhì)量。冷熱用戶采用供應分級模式，根據(jù)其實際需求也分為基本戶和調(diào)整戶兩種用戶，基本戶需要確保用冷和用熱用量與質(zhì)量，調(diào)整戶根據(jù)系統(tǒng)實際容量進行調(diào)整和供應。冷熱源不足時需限制調(diào)整戶的冷熱供應量。譬如用熱用戶先保障供暖用戶，再提供熱水使用用戶等。

（3）離網(wǎng)工況下的能量調(diào)節(jié)

離網(wǎng)工況下根據(jù)冷熱用戶安排發(fā)電量，再根據(jù)發(fā)電量實現(xiàn)用電用戶調(diào)整。

（4）無功功率調(diào)節(jié)

在離并網(wǎng)運行工況下，能量管理系統(tǒng)監(jiān)測微網(wǎng)中的有功和無功變化，并通過無功補償裝置進行無功調(diào)整，維持微電網(wǎng)的無功平衡和電壓水平。

在離網(wǎng)運行方式下，無功調(diào)整通過Q-V特性設定曲線阻止末端電壓偏壓，通過設定的功率因數(shù)調(diào)整無功。

3 能量管理系統(tǒng)的Modbus總線命令與消息機制設計

燃氣輪機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能量管理具有監(jiān)控數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)及調(diào)控命令發(fā)布及與微電網(wǎng)并網(wǎng)功能等，主要包括對用戶冷熱電供應負荷管理、冷熱儲能管理、離網(wǎng)與并網(wǎng)命令等。各控制器主要包括發(fā)電機、水泵變頻控制器、引風變頻控制、斷路器控制、調(diào)節(jié)蝶閥控制等，經(jīng)過總線傳輸各種信息狀態(tài)，包括微電網(wǎng)參數(shù)、冷熱電集中負荷參數(shù)、斷路器通斷狀態(tài)、冷熱電源儲存信息參數(shù)、用戶冷熱負荷使用請求命令等，經(jīng)過能量管理系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)處理，制定各斷路器的投切、調(diào)節(jié)蝶閥的調(diào)整、變頻器輸出調(diào)整、工作方式切換、功率輸出等調(diào)節(jié)、調(diào)整控制策略。然后把這些設定值與控制命令通過能量管理系統(tǒng)的Modbus總線命令與消息發(fā)送各調(diào)節(jié)裝置，維持微電網(wǎng)的正常運行。

標準的Modbus口是使用RS-485兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜規(guī)格、信號位設定，同時用戶可以設置總線的傳輸波特率、奇偶校驗位等?？刂破髂苤苯咏M網(wǎng)或經(jīng)過Modem組網(wǎng)，控制器通訊模式為主從模式，即控制器通過主設備初始化并查詢各站點信息，亦可設置各站點信息，其它從設備或站點根據(jù)主設備設定進行信息交互與傳遞。如圖2所示。

圖2 能量管理系統(tǒng)命令與消息機制

4 能量管理系統(tǒng)的控制方案設計

（1）微型燃氣輪機發(fā)電調(diào)整[4]

燃氣輪機發(fā)電調(diào)整實質(zhì)是指燃氣輪機轉(zhuǎn)速調(diào)整，通常是在離網(wǎng)狀況下進行的，即當燃氣輪機實際轉(zhuǎn)速n與給定轉(zhuǎn)速n0發(fā)生偏差△n后通過調(diào)整燃氣供應量Gf來維持轉(zhuǎn)速平衡，燃氣輪機控制回路干擾為r.控制回路采用PID調(diào)節(jié)器，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于警告值時切除燃氣輪發(fā)電機或切除用電負荷。其控制原理圖如圖3.

圖3 微型燃氣輪機發(fā)電調(diào)整

燃氣輪機冷熱電聯(lián)供能量管理系統(tǒng)中由于燃氣輪機為單臺、兩臺或三臺并列運行，調(diào)節(jié)指令Gf指優(yōu)先一臺接近滿負荷運行，再梯次分配給其它燃氣輪機，為了減少擾動，實際采用串級調(diào)整方案。即在圖3所示的控制回路增加負荷平衡控制外環(huán)，負荷指令通過負荷監(jiān)控端或設定端作為設定值，燃氣輪機通過Gf分配調(diào)整后先滿足負荷的需求，再逐步調(diào)整Gf滿足轉(zhuǎn)速需求。

（2）供熱或制冷調(diào)整

燃氣輪機供熱或制冷調(diào)整實質(zhì)是燃氣進氣量調(diào)整，通常是在并網(wǎng)下進行的。并網(wǎng)情形下，發(fā)電量隨著制冷或制熱量進行優(yōu)化調(diào)整。由于供冷和供熱網(wǎng)均有一定的儲能作用，慣性較大，因此通常取制冷或制熱功率W，即流量與溫度作為控制目標。制冷與制熱功率由各用戶端流量檢測數(shù)據(jù)W0和新請求用戶綜合指令Wm組成給定值。制冷或制熱機的輸出熱功率或制冷功率作為反饋，根據(jù)其偏差值△W后通過調(diào)整燃氣供應量Gf來維持轉(zhuǎn)速平衡，燃氣輪機控制回路干擾為r.控制回路采用PID調(diào)節(jié)器。

燃氣輪機冷熱電聯(lián)供能量管理系統(tǒng)中由于制冷機或熱水鍋爐為單臺、兩臺或三臺并列運行，調(diào)節(jié)指令Gf指優(yōu)先一臺接近滿負荷運行，再梯次分配給其它制冷機或熱水鍋爐，目的是為了減少擾動。在熱水鍋爐和制冷機實際控制中，由于制冷和制熱過程具有慣性，實質(zhì)通過負荷指令計算出實際的Gf量后采用串級調(diào)整方案，以制冷制熱的溫度作為第一控制環(huán)節(jié)，逐步滿足Gf分配調(diào)整需求。即在圖4所示的控制回路增加制冷制熱溫度平衡控制外環(huán)。溫度設定值為負荷偏差換算計算結(jié)果值。

圖4 微型燃氣輪機制冷制熱量調(diào)整

5 結(jié)束語

燃氣輪機冷熱電聯(lián)供能量管理系統(tǒng)目前的管理模式是以冷或熱定電的運行模式為主進行設計的，是以供冷量和供熱量作為控制目標。在離網(wǎng)運行狀態(tài)下，如果用電需求較少，制冷或制熱量需求較大，可以用電來增加制冷和制熱量。對于整個能量管理系統(tǒng)最終的評價指標就是燃氣供應量和發(fā)電、制冷或制熱經(jīng)濟效益比值。因此以制冷或制熱量作為控制標準，能較大程度上滿足燃氣輪機的經(jīng)濟效益。當然如何將天然氣價格、氣候、負荷質(zhì)量等等因素綜合考慮進燃氣輪機能量管理，這是本文需要進一步研究的方向。通過實際運行，燃氣輪機冷熱電聯(lián)供能量管理系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)燃汽輪機、制冷設備、熱水鍋爐的優(yōu)化投入，離網(wǎng)時能夠及時切除過量用戶，總線結(jié)構(gòu)的通訊模式使得系統(tǒng)安裝方便，便利。

[1]朱成章.從小型熱電聯(lián)產(chǎn)走向冷熱電聯(lián)產(chǎn)[J].能源技術(shù)，2000（1）：29-30.

[2]F.Katiraei，R.Iravani，N.Hatziargyriou，Microgrids management[J].IEEE Power and Energy Magazine，2008，6（03）：54-65.

[3]殷桂梁，楊麗君，王 珺.分布式發(fā)電技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[4]F.Katiraei，M.R.Iravani，Power Management Strategies for a Microgrid With Multiple Distributed Generation Units”Power Systems[J].IEEE Transactions on Volume 21，2006（4）：1821-1831.

Design of Micro Cooling Combined Heat and Power Supply Gas Turbine Energy Management System

AN Ying-hui
（Department of Power Engineering，Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning Guangxi 530007，China）

Micro turbine has small cold and thermal load and fluctuates greatly.It is difficult to control the load operation and configuration.This paper introduces a kind of micro CCHP gas turbine management system，it can realize the user on the hot and cold storage cooling heating and power supply load management，energy management，off grid and grid connected command issued.The practical operation of gas turbine cogeneration energy management system can well realize the optimization of gas turbine，refrigeration equipment，hot water boiler input from the network can be promptly removed excessive users，communication mode of bus structure makes the system easy to install，convenient.

micro cooling combined heat and power supply；gas turbine；energy management system

TK01.8

A

1672-545X（2017）09-0118-03

2017-06-09

廣西教育廳科研項目（編號：YB2014547）資助

安英會（1980-），女，河北保定人，講師，碩士研究生，主要研究方向為控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)及仿真性能研究。