李利生，張路，黃蕾

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214000）

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，燃氣輪機發(fā)電機組作為一種靈活高效的發(fā)電裝備，具有高效、快速響應(yīng)和靈活調(diào)節(jié)等特點，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，研究燃氣輪機發(fā)電機組的控制技術(shù)，對提高電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性具有重要意義。

1 燃氣輪機發(fā)電機組的基本原理

1.1 燃氣輪機發(fā)電機組的組成和基本原理

燃氣輪機發(fā)電機組是一種重要的電力裝備，它由燃氣輪機和發(fā)電機2 部分組成。燃氣輪機作為動力設(shè)備，負責將燃氣能源轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能。

燃氣輪機發(fā)電機組是基于熱力學和電磁感應(yīng)原理，將燃氣能源轉(zhuǎn)化為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)化為電能，其工作原理如下：燃氣輪機采用燃氣燃燒產(chǎn)生高溫高壓的氣體流，氣體流通過一個渦輪，將其動能轉(zhuǎn)化為機械能，推動渦輪機轉(zhuǎn)動。渦輪機與發(fā)電機相連，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生電能，發(fā)電機通過電子控制柜的控制，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率。在燃氣輪機發(fā)電過程中，利用高溫廢氣自發(fā)的煙氣能量，再利用余熱鍋爐或熱回收裝置將其余熱轉(zhuǎn)化為蒸汽或熱水，進一步驅(qū)動蒸汽渦輪機發(fā)電，提高能源利用效率。

1.2 燃氣輪機控制系統(tǒng)原理架構(gòu)

燃氣輪機控制系統(tǒng)采集來自燃氣輪機及輔助系統(tǒng)傳感器的模擬量信號、開關(guān)量信號、頻率量信號，接受來自就地控制盤、遠程控制盤、CCR 間工程師站相關(guān)指令、信號，按照控制規(guī)律計算并輸出模擬量、開關(guān)量信號，通過泵、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)燃機燃料供給、控制輔助系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對燃氣輪機的控制。控制系統(tǒng)同時接收來自PMS 系統(tǒng)指令信號，實現(xiàn)機組負荷分配控制?？刂葡到y(tǒng)對機組運行過程中的參數(shù)進行監(jiān)視、限制、告警對嚴重的故障執(zhí)行設(shè)定的故障處理措施，從而實現(xiàn)對燃機機組運行的安全保護。控制系統(tǒng)同時將燃機運行參數(shù)和安全保護數(shù)據(jù)通訊到HMI 人機交互界面，監(jiān)控軟件對這些信息進行分類顯示，呈報給操作人員。

2 燃氣輪機發(fā)電機組控制的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 故障檢測與診斷技術(shù)

燃氣輪機發(fā)電機組是一種常見的發(fā)電設(shè)備，其穩(wěn)定運行和可靠性對于電力系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。故障檢測與診斷技術(shù)可以幫助實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并診斷故障，從而采取相應(yīng)的措施進行修復(fù)或維護。故障檢測與診斷技術(shù)的主要目標是通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和處理，識別和定位燃氣輪機發(fā)電機組的故障，這些技術(shù)通常依賴于傳感器和監(jiān)測設(shè)備，在運行過程中收集各種參數(shù)數(shù)據(jù)，如振動、溫度、壓力、流量等，識別出異常的模式或特征，并通過與預(yù)設(shè)的故障數(shù)據(jù)庫進行比對，確定可能的故障類型。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

故障檢測與診斷技術(shù)的關(guān)鍵步驟包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取和故障診斷。機組需要通過合理的傳感器布置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時采集并記錄燃氣輪機的運行數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、濾波和歸一化等，以減少噪聲和提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。控制系統(tǒng)使用信號處理和模式識別技術(shù)，提取數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵特征，并建立合適的模型進行故障分類和診斷，通過與預(yù)設(shè)的故障數(shù)據(jù)庫進行匹配，確定故障的類型和位置，從而指導(dǎo)后續(xù)的維修和保養(yǎng)工作。

2.2 發(fā)電機組與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行技術(shù)

發(fā)電機組與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行技術(shù)旨在確保發(fā)電機組與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)電力供應(yīng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。

發(fā)電機組與電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行技術(shù)主要包括頻率控制、電壓控制和無功功率調(diào)節(jié)等方面。通過頻率控制，發(fā)電機組能夠根據(jù)電力系統(tǒng)的負荷需求變化，調(diào)整自身的功率輸出，保持電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定；通過電壓控制，發(fā)電機組能夠根據(jù)電力系統(tǒng)的電壓變化，調(diào)整輸出電壓，保持電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定；通過無功功率調(diào)節(jié)，發(fā)電機組能夠根據(jù)電力系統(tǒng)的無功功率需求，調(diào)整無功功率輸出，維持電力系統(tǒng)的功率平衡。

2.3 全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)（FADEC）

全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)（FADEC）采用數(shù)字化的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對燃氣輪機的全面控制和管理，提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和效率。FADEC 的核心是一個集成了傳感器、執(zhí)行器和計算機控制單元的數(shù)字電子控制系統(tǒng)，它通過精確測量和分析各種參數(shù)，如發(fā)動機速度、壓力、溫度等，實時監(jiān)測燃氣輪機的運行狀態(tài)?；谶@些數(shù)據(jù)，F(xiàn)ADEC 可自動調(diào)整燃料供給、點火時機和碳化防護等參數(shù)，以優(yōu)化燃氣輪機的性能。

圖2 燃機機組控制系統(tǒng)組成示意圖

FADEC 的優(yōu)勢在于其精確的控制能力和快速的響應(yīng)速度。傳統(tǒng)的機械或液壓控制系統(tǒng)存在一定的時滯，而數(shù)字電子控制系統(tǒng)可實現(xiàn)毫秒級的響應(yīng)，提供更精確的控制，F(xiàn)ADEC 還具有自適應(yīng)控制的能力，即根據(jù)發(fā)電機組的工作負荷和環(huán)境條件，自動調(diào)整控制策略，以實現(xiàn)最佳性能。另外，F(xiàn)ADEC 還具有自診斷和自修復(fù)能力，能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀態(tài)，識別故障并采取相應(yīng)的措施。當發(fā)現(xiàn)故障時，F(xiàn)ADEC 自動切換到備用系統(tǒng)，確保發(fā)電機組的可靠運行，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了維修和停機時間。

3 燃氣輪機發(fā)電機組的控制策略

3.1 常規(guī)控制策略

3.1.1 負荷調(diào)節(jié)控制

負荷調(diào)節(jié)控制是燃氣輪機發(fā)電機組常規(guī)控制策略中的重要部分，旨在確保發(fā)電機組能夠根據(jù)電網(wǎng)負荷的變化來實現(xiàn)負荷平衡，并生成穩(wěn)定的電能供應(yīng)。發(fā)電機組的負荷調(diào)節(jié)控制主要涉及到燃料供給系統(tǒng)和電力輸出部分，其關(guān)鍵目標是實現(xiàn)負荷變化時的快速響應(yīng)和穩(wěn)定控制。其主要工作如下：第一，負荷檢測和采集：負荷調(diào)節(jié)控制需要實時監(jiān)測電網(wǎng)負荷的變化情況，并采集相應(yīng)的負荷信號，使用負荷傳感器或測量裝置來實時監(jiān)測負荷需求，并將負荷信號傳輸給控制系統(tǒng)。第二，預(yù)測和計劃：基于實時負荷數(shù)據(jù)以及歷史負荷曲線等信息，負荷調(diào)節(jié)控制進行負荷預(yù)測和計劃，對負荷趨勢進行分析和預(yù)測，系統(tǒng)可提前計劃并做出相應(yīng)的負荷調(diào)整措施，以滿足未來的負荷需求。第三，燃料供給控制：負荷增加時，負荷調(diào)節(jié)控制會增加燃氣輪機發(fā)電機組的燃料供給量，以增加發(fā)電機組的輸出功率，控制燃油閥門的開啟度或調(diào)整燃氣流量，實現(xiàn)燃料供給的控制，負荷減少時，則相應(yīng)減少燃料供給。第四，輸出功率控制：負荷調(diào)節(jié)控制需要根據(jù)負荷的變化來控制發(fā)電機組的輸出功率，控制發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子速度，實現(xiàn)對輸出功率的調(diào)節(jié)，還可以考慮機組的并網(wǎng)逆變控制，以確保發(fā)電機組能夠按需輸出所需的電能。

3.1.2 頻率調(diào)節(jié)控制

發(fā)電機組的輸出頻率直接影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和正常運行。頻率調(diào)節(jié)控制的主要目標是使發(fā)電機組的輸出頻率維持在標準值（通常為50Hz 或60Hz），并及時對負荷變化做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以保持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。在負荷增加時，控制系統(tǒng)會增加發(fā)電機組的輸出功率以滿足需求；在負荷減小時，控制系統(tǒng)會相應(yīng)地減少輸出功率。頻率調(diào)節(jié)的精度和響應(yīng)速度非常重要，以確保系統(tǒng)對負荷變化能夠快速而準確地做出反應(yīng)。

頻率調(diào)節(jié)控制一般涉及到燃料供給系統(tǒng)和機械運行部分，主要包括以下幾個方面。一是燃料供給控制：頻率調(diào)節(jié)需要根據(jù)負荷變化來控制燃料供給量，負荷的增加會導(dǎo)致燃氣輪機增加燃料的供給以增加功率，而負荷的減小會相應(yīng)地降低燃料供給，燃料供給控制應(yīng)根據(jù)負荷的變化速率來調(diào)整，以確保頻率穩(wěn)定。二是換能器的調(diào)節(jié)：發(fā)電機組的換能器（如蒸汽渦輪發(fā)電機組）也需要根據(jù)負荷變化做出相應(yīng)調(diào)整，負荷增加時，換能器可能需要提供額外的蒸汽以增加功率輸出；負荷減小時，換能器則需要相應(yīng)減少蒸汽供給，頻率調(diào)節(jié)控制需要與換能器的調(diào)節(jié)策略進行協(xié)調(diào)和同步。三是機械慣性的補償：頻率調(diào)節(jié)控制還需要考慮機械部件的慣性特性，在負荷突然變化時，機械部件慣性會導(dǎo)致頻率的瞬時波動，控制系統(tǒng)需要及時感知負荷變化并通過相應(yīng)的補償措施來減小頻率的波動。

3.1.3 電壓調(diào)節(jié)控制

電壓調(diào)節(jié)控制是燃氣輪機發(fā)電機組常規(guī)控制策略中的重要組成部分，其主要目的是確保發(fā)電機組輸出的電壓穩(wěn)定在預(yù)定的水平，以滿足電力系統(tǒng)的要求。電壓調(diào)節(jié)控制主要涉及到勵磁系統(tǒng)和電力輸出部分，其關(guān)鍵任務(wù)是監(jiān)測和調(diào)整發(fā)電機的輸出電壓，使其保持在標準范圍內(nèi)。一是電壓檢測和采集：電壓調(diào)節(jié)控制需要實時監(jiān)測發(fā)電機的輸出電壓，并采集相應(yīng)的電壓信號，使用電壓傳感器或測量裝置來監(jiān)測輸出電壓，并將信號傳輸給控制系統(tǒng)。二是電壓穩(wěn)定性控制：電壓調(diào)節(jié)控制需要實時監(jiān)測輸出電壓的穩(wěn)定性，并根據(jù)需求進行相應(yīng)的調(diào)整，在電網(wǎng)負荷變化或短路等故障情況下，控制系統(tǒng)會根據(jù)反饋信號對勵磁電流進行調(diào)節(jié)，以保持輸出電壓穩(wěn)定。三是勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)：勵磁系統(tǒng)是控制發(fā)電機輸出電壓的關(guān)鍵部分，通過調(diào)節(jié)勵磁電流或磁場強度，實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。在低電壓情況下，調(diào)節(jié)系統(tǒng)會增加勵磁電流或提高磁場強度，從而提高輸出電壓；在高電壓情況下，則相反地減少勵磁電流或降低磁場強度。四是電壓補償控制：電壓調(diào)節(jié)控制還可以考慮電壓補償措施，以調(diào)整輸出電壓的波動或壓降。例如，通過采用無功功率補償裝置或自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）等設(shè)備，對輸出電壓進行動態(tài)補償和調(diào)節(jié)，使其維持在預(yù)定的范圍內(nèi)。

3.2 先進控制策略

3.2.1 模型預(yù)測控制

模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC）是燃氣輪機發(fā)電機組先進控制策略中的一種重要方法，它利用數(shù)學模型來預(yù)測系統(tǒng)的未來行為，并根據(jù)這些預(yù)測結(jié)果來制定最優(yōu)的控制策略。模型預(yù)測控制的主要思想是建立一個數(shù)學模型來描述發(fā)電機組的動態(tài)行為，并根據(jù)該模型進行預(yù)測，以確定未來一段時間內(nèi)最合適的控制策略，它可以考慮多個控制變量和約束條件，并通過數(shù)學優(yōu)化方法求解最優(yōu)控制策略。

在燃氣輪機發(fā)電機組中應(yīng)用模型預(yù)測控制有以下幾個關(guān)鍵步驟。步驟一，建立數(shù)學模型：需要建立一個準確的數(shù)學模型來描述燃氣輪機發(fā)電機組的動態(tài)行為，該模型應(yīng)包括燃氣輪機的熱力學特性、燃料供給系統(tǒng)、機械運行部分以及與電力系統(tǒng)的交互等方面。步驟二，預(yù)測控制：使用建立的數(shù)學模型對未來一段時間內(nèi)的系統(tǒng)行為進行預(yù)測，預(yù)測考慮負荷需求、燃料供給變化以及其他外部影響因素，通過預(yù)測得到未來時間內(nèi)發(fā)電機組的狀態(tài)、輸出功率、頻率和電壓等信息。步驟三，優(yōu)化問題求解：根據(jù)預(yù)測結(jié)果，通過數(shù)學優(yōu)化方法求解最優(yōu)的控制策略，優(yōu)化問題設(shè)置為多目標或單目標問題，例如，最小化能耗、最大化效率或最小化頻率、電壓偏差等，需要考慮系統(tǒng)的約束條件，如燃料供給限制、機械運行極限、電力系統(tǒng)需求等。步驟四，控制執(zhí)行：根據(jù)優(yōu)化求解得到的最優(yōu)控制策略，通過控制器實施相應(yīng)的調(diào)節(jié)，根據(jù)預(yù)測的狀態(tài)和輸入變量進行實時調(diào)整，以實現(xiàn)發(fā)電機組的穩(wěn)定運行和性能優(yōu)化。

3.2.2 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制能根據(jù)系統(tǒng)的實時反饋信息自主地調(diào)整控制參數(shù)和策略，以適應(yīng)不同的工作條件和負荷需求。自適應(yīng)控制的主要思想是通過不斷地監(jiān)測系統(tǒng)的輸出和狀態(tài)信息，以及與系統(tǒng)動態(tài)行為相關(guān)的測量量，自適應(yīng)地調(diào)整控制器的參數(shù)和輸入來實現(xiàn)控制目標。

自適應(yīng)控制在燃氣輪機發(fā)電機組中的應(yīng)用步驟如下。步驟一，參數(shù)辨識：需要對燃氣輪機發(fā)電機組的動態(tài)行為進行建模，并對模型中的未知參數(shù)進行估計和辨識，參數(shù)辨識通過采用標識試驗或其他系統(tǒng)辨識方法進行，從而得到系統(tǒng)的數(shù)學模型和參數(shù)。步驟二，自適應(yīng)控制器設(shè)計：根據(jù)估計得到的系統(tǒng)模型和參數(shù)，設(shè)計自適應(yīng)控制器。自適應(yīng)控制器通常由2 部分組成：自適應(yīng)參數(shù)估計器和調(diào)節(jié)器，自適應(yīng)參數(shù)估計器用于在線估計系統(tǒng)的未知參數(shù)，而調(diào)節(jié)器根據(jù)估計的參數(shù)來調(diào)整控制策略和參數(shù)。步驟三，系統(tǒng)監(jiān)測和反饋：自適應(yīng)控制需要實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸出和狀態(tài)信息，以及與系統(tǒng)動態(tài)行為相關(guān)的測量量，這些信息用于更新自適應(yīng)參數(shù)估計器，并作為反饋信號給調(diào)節(jié)器進行調(diào)整。步驟四，自適應(yīng)參數(shù)更新：根據(jù)系統(tǒng)的實時反饋信息，自適應(yīng)控制器通過自適應(yīng)參數(shù)估計器來更新系統(tǒng)的未知參數(shù)，更新算法根據(jù)系統(tǒng)的性能指標和誤差準則進行選擇，以實現(xiàn)最優(yōu)的參數(shù)調(diào)整。步驟五，控制策略調(diào)整：根據(jù)更新后的參數(shù)，調(diào)節(jié)器可自主地調(diào)整控制策略和參數(shù)，以實現(xiàn)對燃氣輪機發(fā)電機組的最優(yōu)控制，調(diào)節(jié)器可根據(jù)預(yù)定義的控制目標和性能指標來調(diào)整控制器的輸出，如輸出功率、頻率、電壓等。

3.2.3智能控制

智能控制是燃氣輪機發(fā)電機組先進控制策略中的一種創(chuàng)新方法，它基于人工智能和機器學習技術(shù)，通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析和學習，實現(xiàn)對發(fā)電機組的智能化控制。智能控制的主要思想是利用先進的計算和優(yōu)化方法，通過對大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和學習，從中提取系統(tǒng)的狀態(tài)模式和性能特征，以實現(xiàn)對發(fā)電機組的優(yōu)化控制。

智能控制在燃氣輪機發(fā)電機組中的應(yīng)用步驟如下。一是數(shù)據(jù)采集與處理：首先，需要收集和處理燃氣輪機發(fā)電機組的實時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以包括發(fā)電機組的工作狀態(tài)、輸出功率、溫度、壓力等多個方面的信息，對于大規(guī)模數(shù)據(jù)，還可以考慮使用數(shù)據(jù)預(yù)處理和降維技術(shù)來提取有效的特征。二是智能建模與訓(xùn)練：基于采集到的數(shù)據(jù)，可以利用機器學習和智能建模技術(shù)構(gòu)建發(fā)電機組的模型。常見的方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、決策樹等，利用歷史數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練和優(yōu)化，得到智能控制模型。三是實時預(yù)測與優(yōu)化：利用訓(xùn)練好的智能控制模型，對發(fā)電機組的行為進行實時預(yù)測和優(yōu)化，通過對當前狀態(tài)的預(yù)測，可以提前做出相應(yīng)的調(diào)整，使發(fā)電機組達到更優(yōu)化的性能狀態(tài)。四是智能調(diào)節(jié)與控制：根據(jù)智能控制模型的預(yù)測結(jié)果，調(diào)節(jié)發(fā)電機組的控制參數(shù)和輸入，以實現(xiàn)對發(fā)電機組的智能控制，這包括對燃料供給、負荷分配、冷卻系統(tǒng)等的調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文研究了燃氣輪機發(fā)電機組控制的關(guān)鍵技術(shù)和控制策略。通過對燃氣輪機發(fā)電機組的故障檢測與診斷技術(shù)、優(yōu)化調(diào)度技術(shù)、協(xié)調(diào)運行技術(shù)和全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的探討，介紹了常規(guī)控制策略和先進控制策略，利于提高燃氣輪機發(fā)電機組的運行效率和響應(yīng)速度，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。未來，應(yīng)進一步研究燃氣輪機發(fā)電機組的智能化控制技術(shù)，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析等方法，實現(xiàn)更精確、高效的控制策略，進一步提高電力系統(tǒng)的運行效率和安全性。