微型燃气轮机的微网管理与控制策略

安英会

燃气轮机冷热电联供系统是指制冷、供暖、发电三者合一的燃气轮机用户系统，通常配置的装置有燃气轮机发电机、燃气轮机余热供暖系统、燃气轮机余热制冷系统以及控制装置。冷热电联产有助于能源的更为合理分配、使用与经济运行[1]。系统由3台30 kW的微型燃气轮发电机、两台15万大卡的余热烟气溴化锂型吸收式空调、两台15万大卡热水炉和一台可产生12 m3/h流量的换热器以及一台15 kW的低温吸附式制冷机组成。

余热烟气溴化锂型吸收式空调用于制冷，热水炉用于供暖和洗澡用水，具有储存功能，换热器可以用于供暖和洗澡，也可以通过循环泵给15 kW的低温吸附式制冷机制冷用。通常制冷设备、燃气轮机以及热水锅炉均需要并列运行。冬天热负荷较高的情况下余热系统用于供热，夏天冷负荷较高的情况下主要用于制冷，低温余热制冷器可以调整冷热负荷。燃气轮机发电通过并网控制器接入电网，并配置有无功补偿器调整发电机无功输出。

微型燃气轮机的微网管理主要是并网情形下以冷热定电[2]，离网情形下可以通过配置电制冷、制热系统亦可以以冷热定电，供电负荷可以在离网情形下进行优化配置[3]。本文介绍了一种微型燃气轮机串级控制策略，能较好地在满足冷热电等负荷需求的情况下，实现燃气轮机转速及燃料的控制。仿真性能曲线表明，本文介绍的微型燃气轮机的微网管理与控制策略具有响应迅速，控制稳定的特征。

1 燃气轮机动态模型[2]

燃气轮机的工作过程是，压缩机压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转并输出机械功率，燃机带动发电机输出电功率。燃气轮机包括燃料伺服系统、压缩机、燃烧室、透平室、异步发电机。其动态模拟结构如图1所示。

图1 燃气轮机动态模拟结构方框图

燃料伺服机构应用惯性环节模拟，标记为Gf（S），Gf（S）的传递函数为：

其中，Tf为燃料伺服机构的惯性常数，由伺服机构的管路特性确定。

压气机应用具有增益的惯性环节模拟，标记为Gk（S），Gk（S）的传递函数为：

其中，Tf为压气机的惯性常数，由压气机的容量特性确定，Kk为压缩比，由压气机的压缩比性能确定。

燃烧室由具有增益的纯延迟环节模拟，标记为GB（S），GB（S）的传递函数为：

其中，TB为燃烧室的延迟时间常数，由燃烧室的燃烧特性确定；KB为质能比，由燃烧室的燃烧效率、燃料的热值等确定。

将透平室仅仅看做能量转换场所，不考虑转矩计算，转矩计算在异步电动机部分加以考虑。透平室传递函数可以用能效曲线，为了平滑曲线，简化考虑各种工况下的能效近似为线性，同样用具有增益的线性环节替代能效曲线，则透平室的传递函数标记为GT（S），GT（S）的传递函数为：

其中，TT为透平室的延迟时间常数，由透平室的喷嘴及叶片特性确定；KT为效能比，由透平室的能效确定；T1，T2为能效曲线的近似线性参数。

异步电动机来自与透平的输出转矩为TT（S）。

其中，K1系数与透平转换效率相关，K2系数为转速相关系数。

为了简化，不考虑异步电机的电磁函数，将异步电动机的负载看成惯性转矩，则异步电机的传递函数标记为 GM（S），GM（S）的传递函数为：

其中，Tr为轴系的转动惯量[3，4]。

2 燃气轮机的微网控制

并网情形下，为了实现燃气轮机的以“冷热定电”的控制策略，并列运行的三台燃气轮机均可以采用PV控制方法，通过控制燃气轮机的进气量来维持燃气轮机的有功输出，控制燃气轮机的输出功率P和机端电压V的恒定。机端电压V控制需要保持励磁电压的恒定，并网情形下，燃气轮机的转速可以视为恒定。

离网情形下，亦可以通过调整燃气量控制燃气轮机的输出功率P和燃气轮机的转速或频率f.考虑到燃气轮机输出为直流，需要考虑到整流、滤波等因素，则微型燃气轮机有功功率输出P可以简单由式（7）来计算[5]。

其中，X为整流逆变的等效电抗，Uinv为逆变器的输出电压，E为机端电压，δv为二者之间的夹角。

燃气轮机发电调整实质是指燃气轮机转速调整，通常是在离网状况下进行的，即当燃气轮机实际转速n与给定转速n0发生偏差△n后通过调整燃气供应量Gf来维持转速平衡，燃气轮机控制回路干扰为r.控制回路采用PID调节器，当发电机转速高于警告值时切除燃气轮发电机或切除用电负荷。其控制原理如图2所示。

图2 微型燃气轮机发电调整控制原理方框图

其中GM（S）的整体传递函数参看图1以及式（1）~（7）。

燃气轮机冷热电联供能量管理系统中由于燃气轮机为单台、两台或三台并列运行，调节指令Gf指优先一台接近满负荷运行，再梯次分配给其它燃气轮机，为了减少扰动，实际采用串级调整方案。即在图2所示的控制回路增加负荷平衡控制外环，负荷指令通过负荷监控端或设定端作为设定值，燃气轮机通过Gf分配调整后先满足负荷的需求，再逐步调整Gf满足转速需求。控制框图如图3所示。

图3 微型燃气轮机串级控制原理方框图

3 控制效果仿真及结论

为了验证控制效果，仿真模型平台为SIMULINK，用于参比的参数包括：负荷Load、燃料流量Fu以及烟气温度To，结果如图4～5所示。仿真计算结果采用标幺值形式用于比较仿真时间步长取为0.1 s.如图4所示为燃气轮机甩负荷控制效果，时间轴的单位是秒。即设定第3 s机组从满负荷突然甩负荷至空载运行，仿真过程持续10 s.如图5所示为燃气轮机增负荷过程中的控制效果，从60%负荷增至100%负荷。本文为了实验简便，只选择了一台燃气轮机作为仿真对象。图4、图5数据说明通过本文所设计的控制策略，燃气轮机可以非常快速稳定实现负荷输出与调整，即实现以热定电控制模式。

图4 燃气轮机甩负荷控制效果

图5 燃气轮机增负荷控制效果

[1]朱成章.从小型热电联产走向冷热电联产[J].能源技术，2000（1）：29-30.

[2]段建东，孙 力，赵 克，等，一种微型燃气轮机抗扰控制器设计及验证方法[J].电机与控制学报，2012（6）：19-24.

[3]SOON K Y，HUGHES F M，MILANOVIC J V.Comparative analysis and reconciliation of gas turbine models for stability studies[J].IEEE PowerEngineering Society GeneralMeet ing，Tampa，2007.

[4]SAHA A K，CHOWDHURY S，CHOWDHURY S P，et al.Modeling and performance analysis of a microturbine as a distributed energy resource[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24（2）：529-538.

[5]Bergen A R.Power systems analysis[M].Englewood Cliffs，NJ，USA：Prentice-Hall，1986.