微型燃氣輪機的微網管理與控制策略

安英會

燃氣輪機冷熱電聯供系統是指制冷、供暖、發電三者合一的燃氣輪機用戶系統，通常配置的裝置有燃氣輪機發電機、燃氣輪機余熱供暖系統、燃氣輪機余熱制冷系統以及控制裝置。冷熱電聯產有助于能源的更為合理分配、使用與經濟運行[1]。系統由3臺30 kW的微型燃氣輪發電機、兩臺15萬大卡的余熱煙氣溴化鋰型吸收式空調、兩臺15萬大卡熱水爐和一臺可產生12 m3/h流量的換熱器以及一臺15 kW的低溫吸附式制冷機組成。

余熱煙氣溴化鋰型吸收式空調用于制冷，熱水爐用于供暖和洗澡用水，具有儲存功能，換熱器可以用于供暖和洗澡，也可以通過循環泵給15 kW的低溫吸附式制冷機制冷用。通常制冷設備、燃氣輪機以及熱水鍋爐均需要并列運行。冬天熱負荷較高的情況下余熱系統用于供熱，夏天冷負荷較高的情況下主要用于制冷，低溫余熱制冷器可以調整冷熱負荷。燃氣輪機發電通過并網控制器接入電網，并配置有無功補償器調整發電機無功輸出。

微型燃氣輪機的微網管理主要是并網情形下以冷熱定電[2]，離網情形下可以通過配置電制冷、制熱系統亦可以以冷熱定電，供電負荷可以在離網情形下進行優化配置[3]。本文介紹了一種微型燃氣輪機串級控制策略，能較好地在滿足冷熱電等負荷需求的情況下，實現燃氣輪機轉速及燃料的控制。仿真性能曲線表明，本文介紹的微型燃氣輪機的微網管理與控制策略具有響應迅速，控制穩定的特征。

1 燃氣輪機動態模型[2]

燃氣輪機的工作過程是，壓縮機壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉并輸出機械功率，燃機帶動發電機輸出電功率。燃氣輪機包括燃料伺服系統、壓縮機、燃燒室、透平室、異步發電機。其動態模擬結構如圖1所示。

圖1 燃氣輪機動態模擬結構方框圖

燃料伺服機構應用慣性環節模擬，標記為Gf（S），Gf（S）的傳遞函數為：

其中，Tf為燃料伺服機構的慣性常數，由伺服機構的管路特性確定。

壓氣機應用具有增益的慣性環節模擬，標記為Gk（S），Gk（S）的傳遞函數為：

其中，Tf為壓氣機的慣性常數，由壓氣機的容量特性確定，Kk為壓縮比，由壓氣機的壓縮比性能確定。

燃燒室由具有增益的純延遲環節模擬，標記為GB（S），GB（S）的傳遞函數為：

其中，TB為燃燒室的延遲時間常數，由燃燒室的燃燒特性確定；KB為質能比，由燃燒室的燃燒效率、燃料的熱值等確定。

將透平室僅僅看做能量轉換場所，不考慮轉矩計算，轉矩計算在異步電動機部分加以考慮。透平室傳遞函數可以用能效曲線，為了平滑曲線，簡化考慮各種工況下的能效近似為線性，同樣用具有增益的線性環節替代能效曲線，則透平室的傳遞函數標記為GT（S），GT（S）的傳遞函數為：

其中，TT為透平室的延遲時間常數，由透平室的噴嘴及葉片特性確定；KT為效能比，由透平室的能效確定；T1，T2為能效曲線的近似線性參數。

異步電動機來自與透平的輸出轉矩為TT（S）。

其中，K1系數與透平轉換效率相關，K2系數為轉速相關系數。

為了簡化，不考慮異步電機的電磁函數，將異步電動機的負載看成慣性轉矩，則異步電機的傳遞函數標記為 GM（S），GM（S）的傳遞函數為：

其中，Tr為軸系的轉動慣量[3，4]。

2 燃氣輪機的微網控制

并網情形下，為了實現燃氣輪機的以“冷熱定電”的控制策略，并列運行的三臺燃氣輪機均可以采用PV控制方法，通過控制燃氣輪機的進氣量來維持燃氣輪機的有功輸出，控制燃氣輪機的輸出功率P和機端電壓V的恒定。機端電壓V控制需要保持勵磁電壓的恒定，并網情形下，燃氣輪機的轉速可以視為恒定。

離網情形下，亦可以通過調整燃氣量控制燃氣輪機的輸出功率P和燃氣輪機的轉速或頻率f.考慮到燃氣輪機輸出為直流，需要考慮到整流、濾波等因素，則微型燃氣輪機有功功率輸出P可以簡單由式（7）來計算[5]。

其中，X為整流逆變的等效電抗，Uinv為逆變器的輸出電壓，E為機端電壓，δv為二者之間的夾角。

燃氣輪機發電調整實質是指燃氣輪機轉速調整，通常是在離網狀況下進行的，即當燃氣輪機實際轉速n與給定轉速n0發生偏差△n后通過調整燃氣供應量Gf來維持轉速平衡，燃氣輪機控制回路干擾為r.控制回路采用PID調節器，當發電機轉速高于警告值時切除燃氣輪發電機或切除用電負荷。其控制原理如圖2所示。

圖2 微型燃氣輪機發電調整控制原理方框圖

其中GM（S）的整體傳遞函數參看圖1以及式（1）~（7）。

燃氣輪機冷熱電聯供能量管理系統中由于燃氣輪機為單臺、兩臺或三臺并列運行，調節指令Gf指優先一臺接近滿負荷運行，再梯次分配給其它燃氣輪機，為了減少擾動，實際采用串級調整方案。即在圖2所示的控制回路增加負荷平衡控制外環，負荷指令通過負荷監控端或設定端作為設定值，燃氣輪機通過Gf分配調整后先滿足負荷的需求，再逐步調整Gf滿足轉速需求。控制框圖如圖3所示。

圖3 微型燃氣輪機串級控制原理方框圖

3 控制效果仿真及結論

為了驗證控制效果，仿真模型平臺為SIMULINK，用于參比的參數包括：負荷Load、燃料流量Fu以及煙氣溫度To，結果如圖4～5所示。仿真計算結果采用標幺值形式用于比較仿真時間步長取為0.1 s.如圖4所示為燃氣輪機甩負荷控制效果，時間軸的單位是秒。即設定第3 s機組從滿負荷突然甩負荷至空載運行，仿真過程持續10 s.如圖5所示為燃氣輪機增負荷過程中的控制效果，從60%負荷增至100%負荷。本文為了實驗簡便，只選擇了一臺燃氣輪機作為仿真對象。圖4、圖5數據說明通過本文所設計的控制策略，燃氣輪機可以非常快速穩定實現負荷輸出與調整，即實現以熱定電控制模式。

圖4 燃氣輪機甩負荷控制效果

圖5 燃氣輪機增負荷控制效果

[1]朱成章.從小型熱電聯產走向冷熱電聯產[J].能源技術，2000（1）：29-30.

[2]段建東，孫 力，趙 克，等，一種微型燃氣輪機抗擾控制器設計及驗證方法[J].電機與控制學報，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.