周 淼，徐萬兵，李陽海，李 剛，王 楠

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有效率高、投資少、啟停速度快、污染排放低、機(jī)組占地面積少、調(diào)峰能力好等優(yōu)點，近年來在我國有了長足的發(fā)展［1-4］。調(diào)速系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制的主要系統(tǒng)之一，其調(diào)節(jié)品質(zhì)及動態(tài)特性不僅影響到機(jī)組自身的經(jīng)濟(jì)性和安全性，也對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、保證電網(wǎng)頻率質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用［5-8］。獲取準(zhǔn)確可靠的原動機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)仿真計算，了解其動態(tài)特性及對負(fù)荷變動的適應(yīng)能力，探討其動態(tài)特性對電網(wǎng)的影響是非常必要的［9-20］。本文主要以9E 燃?xì)廨啓C(jī)為例，介紹燃?xì)廨啓C(jī)組的原動機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)實測建模與仿真研究。

1 燃?xì)廨啓C(jī)組及其調(diào)速系統(tǒng)工作原理

1.1 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組工作原理及流程

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組工藝流程為：天然氣經(jīng)由截止閥、速比閥后進(jìn)入燃燒室，空氣經(jīng)過濾器進(jìn)入空壓機(jī)升壓后進(jìn)入燃燒室內(nèi)與天然氣混合燃燒，帶動燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)，并直接驅(qū)動一臺發(fā)電機(jī)發(fā)電，將做功后排出的高溫?zé)煔馑腿胗酂徨仩t，利用其熱量產(chǎn)生高溫高壓的水蒸汽，再去驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，形成高效利用率的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)［21-26］。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組正常運行時，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組一般采用滑壓運行模式，控制進(jìn)汽流量的調(diào)門全開，處于跟隨狀態(tài)，不參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功能主要由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組承擔(dān)［27-28］。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理

燃?xì)廨啓C(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)通過燃?xì)廨啓C(jī)實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值的偏差，計算出對應(yīng)的燃料給定指令，燃料給定指令控制主燃料噴嘴的開度，通過改變進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃料量，來改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)的功率負(fù)荷和轉(zhuǎn)速［29］。

接入電網(wǎng)的大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，其燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理如圖1 所示，與軸轉(zhuǎn)速設(shè)定值或參考值進(jìn)行比較后得到的轉(zhuǎn)速誤差測量回路。燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括放大誤差信號的功率放大器、驅(qū)動燃料閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率放大器、燃料伺服機(jī)構(gòu)以及渦輪機(jī)動態(tài)特性［30］。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas turbine speed governor system

2 燃?xì)廨啓C(jī)及調(diào)速系統(tǒng)模型建立

根據(jù)對燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)的理論研究及GE 公司9E系列燃機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，燃?xì)廨啓C(jī)的理論模型可以由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、原動機(jī)3個功能模塊組成。

其中調(diào)速器又稱為控制器，負(fù)責(zé)從燃?xì)廨啓C(jī)中接受功率指令和轉(zhuǎn)速信號，根據(jù)內(nèi)部控制邏輯計算出燃料指令；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是接受來自調(diào)速器的燃料指令并付諸實施的伺服機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)燃料閥門的開度從而達(dá)到控制燃料流量的目的；原動機(jī)是指包括燃燒室及透平的燃燒做功機(jī)構(gòu)。

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括燃料速比閥（SRV）、燃?xì)饪刂崎y（GCV）、空氣進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉（IGV）等，均可采用較類似一階慣性環(huán)節(jié)的模型來描述。其模型建立如圖2所示。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural of actuator model

2.2 調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

9E燃?xì)廨啓C(jī)組由GE公司技術(shù)生產(chǎn)，通常采用GE提供的MARKⅥe控制系統(tǒng)。

燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速/負(fù)荷閉環(huán)控制、溫度閉環(huán)控制、加速度閉環(huán)控制等方式，運行時總是選擇各個控制輸出中的最小值。加速度控制邏輯僅在機(jī)組啟動和停機(jī)時起作用，因此在調(diào)速系統(tǒng)建模中可以忽略。正常運行時，并網(wǎng)后的控制方式一般為負(fù)荷閉環(huán)控制，并在該控制方式下實現(xiàn)一次調(diào)頻功能。

根據(jù)負(fù)荷閉環(huán)控制策略，建立其控制系統(tǒng)模型如圖3所示。

2.3 原動機(jī)

在燃?xì)廨啓C(jī)原動機(jī)方面，主要考慮主燃料噴嘴開度引起的有功功率變化的動態(tài)特性，為一階慣性環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定計算模型建立如圖4所示。

圖3 燃機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型Fig.3 Gas turbine control system model

圖4 燃機(jī)原動機(jī)模型Fig.4 Gas turbine prime mover model

3 模型的參數(shù)實測與辨識

3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)實測與辨識

分別對燃?xì)饪刂崎y（GCV）進(jìn)行閥位指令大階躍試驗、閥位指令小階躍試驗，測試執(zhí)行機(jī)構(gòu)大、小階躍特性。試驗曲線見圖5、圖6所示。

圖5 閥位大階躍擾動實測曲線Fig.5 Measuring curve of big step disturbance on valve position

圖6 閥位小階躍擾動實測曲線Fig.6 Measuring curve of little step disturbance on valve position

計算可得執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型中正常開啟和關(guān)閉時間常數(shù)分別為：TO=0.175 s，TC=0.438 s。通過遺傳算法［31］得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)PID 參數(shù)為：KP=10，KI=1.0，KD=0。執(zhí)行機(jī)構(gòu)上、下階躍仿真與實測結(jié)果對比如圖7所示。

同樣依次進(jìn)行燃?xì)馑俦乳y（SRV）和空氣進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉（IGV）的開啟和關(guān)閉時間常數(shù)實測與辨識，得到燃?xì)馑俦乳y特性測試及辨識結(jié)果為TO=0.420 s，TC=0.378 s，空氣進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉（IGV）特性測試及辨識結(jié)果為TO=7.09 s，TC=6.27 s。

圖7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果與實測對比Fig.7 Comparison between test data with simulation result of actuator model

3.2 原動機(jī)及控制系統(tǒng)的參數(shù)實測與辨識

在功率負(fù)荷調(diào)整模式下，通過一次調(diào)頻功能施加頻率擾動試驗，根據(jù)機(jī)組功率反饋特性實現(xiàn)原動機(jī)和控制系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識，圖8 為對該燃?xì)廨啓C(jī)組進(jìn)行頻率擾動試驗的錄波圖。

圖8 燃機(jī)一次調(diào)頻試驗實測曲線Fig.8 Primary frequency test curve of gas turbine

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)一次調(diào)頻模式下試驗測得的燃?xì)饪刂崎y開度和發(fā)電機(jī)組電功率，基于MATLAB_SIMULINK 仿真軟件，采用遺傳算法，對圖3 和圖4 燃?xì)廨啓C(jī)模型中的參數(shù)進(jìn)行辨識計算，辨識得到燃?xì)廨啓C(jī)時間常數(shù)TGAS=0.5 s，控制系統(tǒng)PID比例環(huán)節(jié)系數(shù)KP=0.9，積分環(huán)節(jié)系數(shù)KI=0.85，微分環(huán)節(jié)系數(shù)KD=0。

4 模型與參數(shù)的仿真校核

將上述參數(shù)辨識結(jié)果帶入電力系統(tǒng)仿真軟件PSASP 中，通過負(fù)荷控制回路投入情況下一次調(diào)頻試驗進(jìn)行模型和參數(shù)的仿真校核，仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比見圖9。

圖9 PSASP中仿真結(jié)果與試驗實測對比Fig.9 Comparison of test data with simulation results in PSASP

由圖9 可見，在功率閉環(huán)運行方式下仿真結(jié)果與試驗實測曲線具有良好的吻合度，誤差滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［9］，模型與參數(shù)可以用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算。

5 結(jié)語

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)組的工作特性，建立了機(jī)組原動機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)并網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，并通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行了參數(shù)實測辨識與仿真校核。仿真結(jié)果表明所建模型能準(zhǔn)確地模擬機(jī)組在并網(wǎng)狀態(tài)下對頻率變化的動態(tài)響應(yīng)特征，驗證了機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型與參數(shù)的有效性，可為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算提供依據(jù)。

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