海上平臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組模塊化建模與分析

徐蘊(yùn)镠，楊凱

(華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 武漢 430074)

0 引 言

近年來，電力工業(yè)對(duì)能源清潔和高效的要求逐漸增加，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組以其功率密度大、啟動(dòng)速度快、噪聲低頻分量低、壽命周期較長等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電力調(diào)峰、船舶動(dòng)力、石油生產(chǎn)平臺(tái)供電等場合。

隨著燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組這類分布式資源越來越廣泛地滲透到分布式網(wǎng)絡(luò)中，需要提前研究其暫態(tài)行為及其對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的影響。然而，機(jī)組由許多復(fù)雜的子系統(tǒng)組成，安裝維護(hù)費(fèi)用高，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估將耗費(fèi)大量資金和人力物力[1]。因此，建立能夠進(jìn)行瞬態(tài)性能分析的精細(xì)化仿真模型至關(guān)重要。

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析中，研究人員利用仿真軟件中的現(xiàn)成模塊或者簡化傳遞函數(shù)充當(dāng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)從而進(jìn)行控制算法的研究，而不關(guān)心模型的適用性和機(jī)組內(nèi)部的變化過程，包括對(duì)輸出燃?xì)饬康恼{(diào)節(jié)過程、對(duì)溫度和負(fù)荷的限制過程、對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程、對(duì)勵(lì)磁電壓的調(diào)節(jié)過程、測量信號(hào)的反饋過程等。近年來，越來越多的研究人員開始關(guān)注機(jī)組的精細(xì)化建模。

在原動(dòng)機(jī)模型相關(guān)研究中，文獻(xiàn)[1]對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行分類說明，文獻(xiàn)[2]中解釋了燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)速器各控制器的作用并將該分布式機(jī)組置于某電力系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行仿真分析，但二者均僅對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果進(jìn)行描述。文獻(xiàn)[4-5]提出兩種新的原動(dòng)機(jī)及調(diào)速器模型，并進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，利用系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。在發(fā)電機(jī)組相關(guān)研究方面，文獻(xiàn)[6]對(duì)不同勵(lì)磁系統(tǒng)建模方法進(jìn)行了總結(jié)；文獻(xiàn)[7]著重研究發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模和辨識(shí)中的發(fā)電機(jī)飽和問題, 并給出詳細(xì)的論述和解決方法；文獻(xiàn)[8]通過建立電磁暫態(tài)模型提出了一種自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)精細(xì)模型來替代電力系統(tǒng)分析過程中常用的傳遞函數(shù)形式；文獻(xiàn)[9]提出利用發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)優(yōu)化整定策略來改善高耗能點(diǎn)負(fù)荷接入帶來的不利影響。目前的研究中，尚未有對(duì)在瞬態(tài)負(fù)荷階躍變化下，燃?xì)廨啓C(jī)部分及發(fā)電機(jī)組部分包括燃?xì)庀牧?、溫度、端電壓、?lì)磁電壓、頻率等在內(nèi)的物理量之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行深入分析。

基于目前研究內(nèi)容的不足，文中建立了基于GGOV1燃?xì)庹{(diào)速結(jié)構(gòu)和AC8B勵(lì)磁模型的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的通用型動(dòng)態(tài)模型，并以錦州25-1南CEPF海上石油生產(chǎn)平臺(tái)現(xiàn)已投入運(yùn)行的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組參數(shù)為算例，建立了詳細(xì)的原動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)模型，并將二者輸出作為主發(fā)電機(jī)的輸入控制機(jī)組的運(yùn)行。通過模型的建立，可以幫助監(jiān)視機(jī)組各部分的運(yùn)行情況。為了驗(yàn)證模型，選取了發(fā)電機(jī)端電壓、機(jī)組轉(zhuǎn)速、燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)庀牧?、燃?xì)廨啓C(jī)輸出機(jī)械功率、勵(lì)磁電壓等作為分析對(duì)象。其中，文章以已投入運(yùn)行的某公司的Titan130單軸軸流式燃?xì)廨啓C(jī)和某公司的AMS900LH三級(jí)無刷電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象。

1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組通用模型的建立

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)模型

圖1為機(jī)組調(diào)速結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。作為算例的Titan130單軸軸流式燃?xì)廨啓C(jī)由14級(jí)軸向壓縮機(jī)、環(huán)管式燃燒室、三級(jí)透平、齒輪減速箱等部分構(gòu)成。機(jī)組調(diào)速機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中需要考慮到頻率的調(diào)節(jié)，并兼顧燃?xì)獬隹跍囟鹊南拗坪蛦⑼＜铀俣鹊南拗?，根?jù)目標(biāo)值與實(shí)際值的差異調(diào)節(jié)燃?xì)庀牧縖10]。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

美國電氣與電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE) 動(dòng)態(tài)分析專業(yè)委員會(huì)在其報(bào)告[11]中總結(jié)了幾種燃?xì)廨啓C(jī)的傳統(tǒng)模型和近年來開始被廣泛應(yīng)用的改進(jìn)模型。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)建模，采取GGOV1調(diào)速結(jié)構(gòu)較為合適[12]。該結(jié)構(gòu)由WECC提出，結(jié)構(gòu)中同樣包括轉(zhuǎn)速控制部分、加速度限制控制部分、溫度限制控制部分以及燃?xì)饪刂撇糠?。相比起傳統(tǒng)的GAST調(diào)速結(jié)構(gòu)和GAST2A調(diào)速結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢在于控制部分的靈活性，包括P控制、PI控制、PID控制等控制方式的使用和轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出功率、燃?xì)饬康确答佇盘?hào)的選擇。表1總結(jié)了各部分控制器控制特性。

表1 控制器控制特性表

以機(jī)組的燃?xì)庀牧俊⑥D(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)輸出功率的反饋信號(hào)作為溫度限制環(huán)節(jié)、啟停加速度限制環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)速控制器的輸入，以機(jī)械功率作為輸出，搭建通用燃?xì)庹{(diào)速系統(tǒng)仿真模塊如圖2所示。

圖2 GGOV1通用型燃?xì)廨啓C(jī)仿真模塊示意圖

在各控制部分輸出信號(hào)中，fsrt為溫度限制環(huán)節(jié)輸出，fsra為加速度限制環(huán)節(jié)輸出，fsrn為轉(zhuǎn)速控制器輸出。由于只有保證燃?xì)廨啓C(jī)無論在什么運(yùn)行狀態(tài)都采用最低的燃料量，才能保證機(jī)組安全運(yùn)行，因此需在閥門開度調(diào)節(jié)控制器環(huán)節(jié)前加入低值選擇器。fsrr為經(jīng)過低值選擇器后，用于調(diào)節(jié)閥門開度的控制信號(hào)。穩(wěn)定運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出fsrn通過低值選擇器并作為燃?xì)忾y的控制信號(hào)控制燃?xì)忾y的開度從而控制燃?xì)獾氖褂门欧帕?，進(jìn)而控制透平部分輸出的機(jī)械功率。燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率與燃?xì)庀牧恐g的關(guān)系如下：

Pm=Kturb(Wf-Wfnl)

(1)

式中Pm為輸出的機(jī)械功率；Kturb為透平環(huán)節(jié)增益常數(shù)；Wf為燃?xì)鈱?shí)際消耗量；Wfnl為空載時(shí)的燃?xì)庀牧俊?/p>

與1983年提出的傳統(tǒng)的Rowen模型[13]不同的是，GGOV1結(jié)構(gòu)利用燃?xì)庀牧康挠?jì)算和限制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溫度限制，從而省去了燃?xì)庀牧颗c溫度之間的轉(zhuǎn)換過程。需要注意的是，溫度限制環(huán)節(jié)僅在溫度達(dá)到限值時(shí)發(fā)揮作用，加速度限制環(huán)節(jié)僅在限制啟停轉(zhuǎn)速突變時(shí)發(fā)揮作用，二者均可通過設(shè)置合適的Ldref和aset參數(shù)值禁用。此外，通過選取Rselect的參數(shù)值可選擇控制器調(diào)差作用的反饋源(包括無反饋源、燃?xì)庀牧?、發(fā)電機(jī)輸出功率和燃?xì)忾y門開度控制信號(hào))；Flag參數(shù)的選取反映了實(shí)際中的燃?xì)忸愋褪羌內(nèi)細(xì)膺€是氣液混合燃料。通過前述兩個(gè)選擇環(huán)節(jié)，拓寬了模型的應(yīng)用范圍。

GGOV1通用燃?xì)廨啓C(jī)仿真模塊中各部分參數(shù)的含義見表2，并以Titan130燃?xì)廨啓C(jī)為例為仿真模塊各部分參數(shù)選取合適的值。另外，已知在標(biāo)幺值為1.0的情況下對(duì)應(yīng)額定運(yùn)行工況為輸出功率13.6 MW，初溫1 149 ℃，排氣溫度487 ℃，也可據(jù)此結(jié)合仿真情況計(jì)算出實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)模型

根據(jù)IEEE 能源發(fā)展和發(fā)電委員會(huì)在其報(bào)告[14]中制定的參考標(biāo)準(zhǔn)，選取AC8B勵(lì)磁系統(tǒng)模型作為三級(jí)無刷電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的建模依據(jù)，此標(biāo)準(zhǔn)模型表示有不可控整流器的控制磁場型交流電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，可看作一種旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)。此類勵(lì)磁系統(tǒng)主要由非終止極限電子放大器、交流勵(lì)磁機(jī)、整流器和阻尼濾波器等環(huán)節(jié)組成，輸入量為發(fā)電機(jī)端電壓信號(hào)，輸出量為發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁電路的勵(lì)磁電壓[15]。圖3為基于AC8B勵(lì)磁系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)示意圖，主勵(lì)磁機(jī)的輸入為自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置(AVR)的輸出電壓VR(這里為副勵(lì)磁機(jī)輸出經(jīng)過晶閘管調(diào)節(jié)后的輸出)和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流IFD，其輸出為施加給主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓EFD，總體上通過PID控制器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓。

勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)中，TE為電氣時(shí)間常數(shù)，參數(shù)SE等效了不同勵(lì)磁電壓情況下磁場飽和的影響，參數(shù)KD反映了電樞去磁的影響，參數(shù)KC模擬了整流器導(dǎo)致的換相壓降的影響，參數(shù)KE反映了變阻器分壓的影響(方便起見通常取1)，F(xiàn)EX為整流系數(shù)。有關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法如下。

表2 控制器控制特性表

圖3 AC8B勵(lì)磁系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

(1)計(jì)算飽和系數(shù)SE。

圖4為空載特性曲線示意圖。根據(jù)運(yùn)行點(diǎn)勵(lì)磁電壓EFDX，得到運(yùn)行點(diǎn)勵(lì)磁電壓對(duì)應(yīng)氣隙線和空載特性曲線下的勵(lì)磁電流點(diǎn)，結(jié)合下式即可求出飽和系數(shù)SE：

(2)

在進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)模型計(jì)算時(shí)，需將飽和系數(shù)以數(shù)學(xué)表達(dá)式形式表示，其表達(dá)式有多種，其中之一如下：

SE=C1eC2EFD

(3)

式中C1和C2為待定系數(shù)。

飽和系數(shù)的確定應(yīng)考慮到勵(lì)磁機(jī)工作點(diǎn)的變化，通常會(huì)根據(jù)最大強(qiáng)勵(lì)電壓點(diǎn)EFDmax和0.75倍最大強(qiáng)勵(lì)電壓點(diǎn)0.75EFDmax的飽和系數(shù)求得式(3)中的待定系數(shù)并由此得到飽和系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

圖4 空載特性曲線

(2)計(jì)算整流器換相壓降系數(shù)KC。

(4)

(5)

(6)

(7)

(3)計(jì)算電樞反應(yīng)系數(shù)KD。

計(jì)算電樞反應(yīng)系數(shù)KD如式(8)所示：

(8)

式中EFD為額定勵(lì)磁電壓；SE0為勵(lì)磁電壓為額定值時(shí)的飽和系數(shù)；VE為額定勵(lì)磁電流下對(duì)應(yīng)到控制特性曲線上的電壓值。

(4)計(jì)算整流系數(shù)FEX。

為了方便計(jì)算，對(duì)應(yīng)不同的換相狀態(tài)，得到整流系數(shù)FEX的計(jì)算式如下：

(9)

(10)

表3為對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)各部分參數(shù)的具體取值情況。另外，已知在標(biāo)幺值為1.0的情況下對(duì)應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)輸出勵(lì)磁電壓為34 V，額定勵(lì)磁電流為257.8 A。

表3 勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)取值

1.3 主發(fā)電機(jī)模型

主發(fā)電機(jī)AMS900LH的參數(shù)如表4所示。該發(fā)電機(jī)為常規(guī)勵(lì)磁同步電機(jī)，并在算例中使用常規(guī)的基于“xad”的標(biāo)幺化模型，仿真過程中直接使用庫中已較為完備的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)幺化同步電機(jī)模塊。

表4 主發(fā)電機(jī)參數(shù)取值

至此，已完成了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組模型的建立，并列出了海上平臺(tái)投入運(yùn)行機(jī)組的參數(shù)。

2 基于模型的仿真

2.1 穩(wěn)定負(fù)載下機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，通過Rselect選擇運(yùn)行方式為同步運(yùn)行即恒轉(zhuǎn)速模式，通過Flag選擇燃?xì)鉃榧儦怏w，其排放量與轉(zhuǎn)速無關(guān)。首先得到機(jī)組在8 MW有功負(fù)荷(約0.51 p.u.)負(fù)載下啟動(dòng)后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速n、發(fā)電機(jī)端電壓Vt、勵(lì)磁電壓Vf、燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率Pm、燃?xì)庀牧縁out的變化曲線如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定負(fù)載下機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)

2.2 有功負(fù)荷階躍變化時(shí)機(jī)組的響應(yīng)

假設(shè)10 s時(shí)有功負(fù)荷階躍增加0.5 MW，機(jī)組轉(zhuǎn)速n、發(fā)電機(jī)端電壓Vt、勵(lì)磁電壓Vf、燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率Pm、燃?xì)庀牧縁out的瞬時(shí)變化曲線如圖6所示。

圖6 有功負(fù)荷增加時(shí)機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

有功負(fù)荷階躍增加時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速降低約0.3%，端電壓降低5%，勵(lì)磁電壓增加約15%，但均在1 s內(nèi)恢復(fù)到正常情況，在穩(wěn)定時(shí)勵(lì)磁電壓增加約1%；燃?xì)鈾C(jī)輸出機(jī)械功率和燃?xì)馀欧帕科骄徳黾?，?jīng)1 s左右升高到新的穩(wěn)定值，二者變化趨勢基本一致。

另外，為反映正常運(yùn)行時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的控制過程，圖7給出了fsrr與fsrt、fsra、fsrn的對(duì)比圖。機(jī)組啟動(dòng)階段，由加速度控制器發(fā)揮作用，而穩(wěn)定運(yùn)行情況下fsrn通過低值選擇器作為燃?xì)忾y的控制信號(hào)控制燃?xì)忾y的開度從而控制燃?xì)獾氖褂门欧帕俊?/p>

圖7 控制器輸出信號(hào)對(duì)比(1)

2.3 無功負(fù)荷階躍變化時(shí)機(jī)組的響應(yīng)

假設(shè)無功負(fù)荷在10 s時(shí)階躍增加0.5 Mvar，機(jī)組轉(zhuǎn)速n、發(fā)電機(jī)端電壓Vt、勵(lì)磁電壓Vf、燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率Pm、燃?xì)庀牧縁out的瞬時(shí)變化曲線見圖8。

圖8 無功負(fù)荷增加時(shí)機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

機(jī)組轉(zhuǎn)速、端電壓瞬間輕微波動(dòng)，勵(lì)磁電壓增加約25%，但在1 s內(nèi)就能恢復(fù)到正常運(yùn)行的情況；與有功負(fù)荷增加的動(dòng)態(tài)過程不同的是，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，勵(lì)磁電壓增加約3.8%，用以增加機(jī)組無功功率的輸出，而燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率只用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)有功功率，因此恢復(fù)到負(fù)荷突變前的穩(wěn)定值。

2.4 過載時(shí)機(jī)組的響應(yīng)

假設(shè)機(jī)組的有功負(fù)荷在10 s時(shí)階躍增加至過載，得到圖9fsrr與fsrt、fsra、fsrn的對(duì)比圖，由此可以看出，過載情況下，由溫度控制器發(fā)揮作用，此時(shí)fsrr跟隨fsrt的變化，保證溫度在限值以下。

圖9 控制器輸出信號(hào)對(duì)比(2)

3 結(jié)束語

通過前述研究內(nèi)容，得到以下成果：

(1)以錦州25-1南CEPF海上石油生產(chǎn)平臺(tái)投入運(yùn)行的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組參數(shù)為算例，搭建較精細(xì)的通用模塊化燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組模型。其中，燃?xì)廨啓C(jī)基于GGOV1調(diào)速結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁系統(tǒng)基于AC8B結(jié)構(gòu)；

(2)通過對(duì)模型中Rselect和Flag取值的選擇，可以使模型機(jī)組據(jù)實(shí)際情況運(yùn)行在不同模式下；

(3)通過對(duì)有功功率、無功功率突變的動(dòng)態(tài)過程以及過載狀態(tài)進(jìn)行仿真，得到機(jī)組轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、勵(lì)磁電壓、燃?xì)廨啓C(jī)輸出機(jī)械功率、燃?xì)庀牧康淖兓闆r，以及燃?xì)廨啓C(jī)不同控制部分輸出的控制信號(hào)的對(duì)比。仿真結(jié)果說明模型能夠較為直觀地反映負(fù)荷發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，機(jī)組各物理量之間的聯(lián)動(dòng)變化關(guān)系，驗(yàn)證了模型的普適性。