燃?xì)廨啓C(jī)組調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真研究

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(diǎn)，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(yùn)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(shí)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(yùn)行時，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組一般采用滑壓運(yùn)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(shí)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(shí)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(shí)測與辨識

3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)實(shí)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(shí)測曲線Fig.5 Measuring curve of big step disturbance on valve position

圖6 閥位小階躍擾動實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)測結(jié)果對比見圖9。

圖9 PSASP中仿真結(jié)果與試驗實(shí)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(yùn)行方式下仿真結(jié)果與試驗實(shí)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(shí)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)。

［參考文獻(xiàn)］（References）

［1］ 焦樹建.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］ 翁一武，聞雪友，翁史烈.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)及發(fā)展［J］.自然雜志，2017，39（01）：43-47.WENG Yiwu，WEN Xueyou，WENG Shilie. Gas turbine technology and development［J］.Chinese Journal of Nature，2017，39（01）：43-47.

［3］ 劉帥，劉玉春.重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］.電站系統(tǒng)工程，2018，34（05）：61-63.LIU Shuai，LIU Yuchun.Status and prospect of heavy duty gas turbine［J］.Power System Engineering，2018，34（05）：61-63.

［4］ 蔣洪德，任靜，李雪英，等.重型燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34（29）：5096-5102.JIANG Hongde，REN Jing，LI Xueying，et al. Status and development trend of the heavy duty gas turbine［J］.Proceedings of the CSEE，2014，34（29）：5096-5102.

［5］ 李大虎，劉海光，孫建波，等.湖北電網(wǎng)穩(wěn)定特性40年演變回顧與展望［J］.湖北電力，2020，44（02）：74-82.LI Dahu，LIU Haiguang，SUN Jianbo，et al.40 years review and future prospect of Hubei power grid’s stability characteristic evolution［J］.Hubei Electric Power，2020，44（02）：74-82.

［6］ 李陽海，張才穩(wěn)，楊濤，等.基于電網(wǎng)穩(wěn)定性分析的汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模試驗研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2011，53（04）：291-294.LI Yanghai，ZHANG Caiwen，YANG Tao，et al.Research on steam turbine speed governing system modeling experiment based on power grid stability analysis ［J］. Turbine Technology，2011，53（04）：291-294.

［7］ 劉海光，周鯤鵬，曹侃，等.湖北主網(wǎng)運(yùn)行特性概況［J］.湖北電力，2018，42（02）：18-23.LIU Haiguang，ZHOU Kunpeng，CAO Kan，et al.Overview on operating characteristics of Hubei main power grid［J］.Hubei Electric Power，2018，42（02）：18-23.

［8］ 駱玲，孫劍波，李大虎，等.基于SIMULINK和GA的電力系統(tǒng)智能辨識法［J］. 高電壓技術(shù)，2007，33（12）：130-133，182.LUO Ling，SUN Jianbo，LI Dahu，et al. Power system intelligent identification using the SIMULINK and genetic algorithm［J］.High Voltage Engineering，2007，33（12）：130-133，182.

［9］ 國家能源局.同步發(fā)電機(jī)原動機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測與建模導(dǎo)則：DL/T 1235-2019［S］.北京：中國電力出版社，2019.National Energy Administration. Guide for modeling and testing of generator prime mover and governing system：DL/T 1235-2019［S］.Beijing：China Electric Power Press，2019.

［10］ 張寶，樊印龍，顧正皓，等.汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中影響電力系統(tǒng)低頻振蕩的關(guān)鍵因素［J］.中國電力，2017，50（01）：105-110.ZHANG Bao，F(xiàn)AN Yinlong，GU Zhenghao，et al.The key factors in turbine governor system influencing the low frequency oscillations in power system［J］.Electric Power，2017，50（01）：105-110.

［11］ 韓志勇，武朝強(qiáng)，王官宏，等.考慮燃燒室壓力動態(tài)的燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2017，41（11）：3620-3623.HAN Zhiyong，WU Zhaoqiang，WANG Guanhong，et al.Modeling of gas turbinespeed governors considering air pressure dynamics of combustion chamber［J］.Power System Technology，2017，41（11）：3620-3623.

［12］ 于佰建.燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)勵磁及調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識的研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2008.YU Baijian.Study on parameter identification of excitation and governing system of gas turbine generator［D］.Beijing：North China Electric university，2008.

［13］ 李穎，張文輝，凌曉波，等.應(yīng)用于電力系統(tǒng)仿真計算的燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型［J］.中國電力，2010，43（02）：60-63.LI Ying，ZHANG Wenhui，LING Xiaobo，et al.Gas turbine speed governors model applied in electric power system simulation calculation［J］.ELECTRIC POWER，2010，43（02）：60-63.

［14］ 凌曉波，劉蓓，李穎，等.上海電網(wǎng)燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.華東電力，2009，37（10）：1726-1728.LING Xiaobo，LIU Bei，LI Ying，et al.Study of governor modeling and simulation for gas turbine generators in Shanghai grid［J］.East China Electric Power，2009，37（10）：1726-1728.

［15］ 李陽海，王坤，黃樹紅，等.粒子群優(yōu)化算法及其在發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識中的應(yīng)用［J］.熱能動力工程，2011，26（06）：747-750.LI Yanghai，WANG Kun，HUANG Shuhong，et al.Particle colony algorithm and its application in discriminating parameters of a speed regulation system of a generator unit［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2011，26（06）：747-750.

［16］ 武誠，徐政，潘武略，等.原動機(jī)與調(diào)速器建模和參數(shù)辨識的新進(jìn)展［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（S1）：179-182.WU Cheng，XU Zheng，PAN Wulue，et al.New developments on turbine-governor modeling and parameter identification［J］.Power System Technology，2007，31（S1）：179-182.

［17］ 李陽海.汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)試驗與模型參數(shù)辨識研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.LI Yanghai.Experiment and model parameter identification research of the turbine speed governor system［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2006.

［18］ EhsanMohammadi，MortezaMontazeri-Gh. A fuzzy-based gas turbine fault detection and identification system for full and part-load performance deterioration［J］. Aerospace science and technology，2015，46：82-93.

［19］ PaoloCasoli，AgostinoGambarotta，NicolaPompini，et al.Coupling excavator hydraulic system and internal combustion engine models for the real-time simulation［J］.Control engineering practice，2015，41：26-37.

［20］ Hajagos L. M.，Berube G. R.. Utility experience with gas turbine testing and modeling［C］.Power Engineering Society Winter Meeting，2001.

［21］ 劉尚明，李忠義.基于SIMULNK 的單軸重型燃?xì)廨啓C(jī)建模與仿真研究［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2009，22（03）：33-39，45.LIU Shangming，LI Zhongyi. Modeling and simulation of single shaft heavy-duty gas turbine sing SIMULINK［J］.Gas Turbine Technology，2009，22（03）：33-39，45.

［22］ 唐麗麗.燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的建模與仿真研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008.TANG Lili.Modeling and simulation study on gas turbine［D］.Chongqing：Chongqing University，2008.

［23］ 張俊宜，余岳峰，胡松.單軸燃?xì)廨啓C(jī)及其控制系統(tǒng)整體建模與仿真［J］.熱力發(fā)電，2008，37（07）：20-25.ZHANG Junyi，YU Yuefeng，HU Song.Study on integrated modeling and emulation of single shaft gas turbine and its control system［J］. Thermal Power Generation，2008，37（07）：20-25

［24］ 陳柯言，劉尚明.一種燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)模型的分析與改進(jìn)［J］.熱力透平，2016，45（01）：1-7.CHEN Keyan，LIU Shangming.Research and optimization of a model for gas turbine combined cycle system［J］.Thermal Turbine，2016，45（01）：1-7.

［25］ 王敏，李楊，李淑英，等.基于Matlab/Simulink的單軸燃?xì)廨啓C(jī)動態(tài)仿真［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2006，19（04）：47-50.WANG Min，LI Yang，LI Shuying，et al.Dynamic simulation of single-shaft gas turbine based on Matlab/Simulink［J］.Gas Turbine Technology，2006，19（04）：47-50.

［26］ 嚴(yán)志遠(yuǎn)，向文國，張士杰，等.基于Matlab/Simulink的微型燃?xì)廨啓C(jī)動態(tài)仿真研究［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2014，27（01）：32-37.YAN Zhiyuan，XIANG Wenguo，ZHANG Shijie，et al.Dynamic simulation study based on micro-turbine using Matlab/Simulink［J］. Gas Turbine Technology，2014，27（01）：32-37.

［27］ 張應(yīng)田，劉衛(wèi)平，王偉臣，等.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻控制系統(tǒng)［J］.自動化與儀表，2012，27（09）：34-37.ZHANG Yingtian，LIU Weiping，WANG Weichen，et al.Primary frequency control system of gas-steam combined cycle power unit［J］.Automation&Instrumentation，2012，27（09）：34-37.

［28］ 李海峰，汪蓓.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化［J］.湖北電力，2017，41（01）：44-46.LI Haifeng，WANG Bei.Performance optimization of primary frequency modulation control for gas-steam combined cycle unit［J］.Hubei Electric Power，2017，41（01）：44-46.

［29］ 衛(wèi)星云，李淑英.兩種調(diào)速系統(tǒng)下的燃?xì)廨啓C(jī)動態(tài)仿真［J］.應(yīng)用科技，2006，33（05）：24-26.WEI Xingyun，LI Shuying.Dynamic simulation for the gas turbine in two speed regulation systems［J］.Applied Science and Technology，2006，33（05）：24-26.

［30］ 文立斌.燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與模型參數(shù)測試方法研究［J］.廣西電力，2014，37（01）：5-8，47.WEN Libin.Study on gas turbine governor system modeling and parameter test method［J］. Guangxi Electric Power，2014，37（01）：5-8，47.

［31］ 高偉，李陽海，王大光，等.遺傳算法在汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識中的應(yīng)用［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，34（10）：80-82.GAO Wei，LI Yanghai，WANG Daguang，et al. Genetic algorithm applied to parameter identification of the speed governor system for steam turbines［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Nature Science），2006，34（10）：80-82.