燃氣輪機組調速系統建模與仿真研究

周 淼，徐萬兵，李陽海，李 剛，王 楠

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

燃氣-蒸汽聯合循環機組具有效率高、投資少、啟停速度快、污染排放低、機組占地面積少、調峰能力好等優點，近年來在我國有了長足的發展［1-4］。調速系統作為發電機組進行控制的主要系統之一，其調節品質及動態特性不僅影響到機組自身的經濟性和安全性，也對電網安全穩定運行、保證電網頻率質量起著至關重要的作用［5-8］。獲取準確可靠的原動機及調速系統模型參數，進行相關仿真計算，了解其動態特性及對負荷變動的適應能力，探討其動態特性對電網的影響是非常必要的［9-20］。本文主要以9E 燃氣輪機為例，介紹燃氣輪機組的原動機及其調速系統實測建模與仿真研究。

1 燃氣輪機組及其調速系統工作原理

1.1 燃氣蒸汽聯合循環機組工作原理及流程

燃氣-蒸汽聯合循環機組工藝流程為：天然氣經由截止閥、速比閥后進入燃燒室，空氣經過濾器進入空壓機升壓后進入燃燒室內與天然氣混合燃燒，帶動燃氣輪機旋轉，并直接驅動一臺發電機發電，將做功后排出的高溫煙氣送入余熱鍋爐，利用其熱量產生高溫高壓的水蒸汽，再去驅動汽輪發電機組進行發電，形成高效利用率的燃氣-蒸汽聯合循環［21-26］。

燃氣-蒸汽聯合循環發電機組正常運行時，汽輪機發電機組一般采用滑壓運行模式，控制進汽流量的調門全開，處于跟隨狀態，不參與電網一次調頻。燃氣-蒸汽聯合循環發電機組一次調頻功能主要由燃氣輪機發電機組承擔［27-28］。

1.2 燃氣輪機調速系統工作原理

燃氣輪機及其調速系統通過燃氣輪機實際轉速與設定值的偏差，計算出對應的燃料給定指令，燃料給定指令控制主燃料噴嘴的開度，通過改變進入燃氣輪機燃燒室的燃料量，來改變燃氣輪機的功率負荷和轉速［29］。

接入電網的大型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，其燃氣輪機調速系統原理如圖1 所示，與軸轉速設定值或參考值進行比較后得到的轉速誤差測量回路。燃氣輪機調速系統，包括放大誤差信號的功率放大器、驅動燃料閥執行機構的功率放大器、燃料伺服機構以及渦輪機動態特性［30］。

圖1 燃氣輪機調速系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas turbine speed governor system

2 燃氣輪機及調速系統模型建立

根據對燃氣輪機調速系統的理論研究及GE 公司9E系列燃機調速系統的結構分析，燃氣輪機的理論模型可以由執行機構、調節控制系統、原動機3個功能模塊組成。

其中調速器又稱為控制器，負責從燃氣輪機中接受功率指令和轉速信號，根據內部控制邏輯計算出燃料指令；執行機構是接受來自調速器的燃料指令并付諸實施的伺服機構，負責調節燃料閥門的開度從而達到控制燃料流量的目的；原動機是指包括燃燒室及透平的燃燒做功機構。

2.1 執行機構

燃氣輪機調節系統的執行機構包括燃料速比閥（SRV）、燃氣控制閥（GCV）、空氣進口可轉導葉（IGV）等，均可采用較類似一階慣性環節的模型來描述。其模型建立如圖2所示。

圖2 執行機構模型結構圖Fig.2 Structural of actuator model

2.2 調節控制系統

9E燃氣輪機組由GE公司技術生產，通常采用GE提供的MARKⅥe控制系統。

燃氣輪機控制系統包括轉速/負荷閉環控制、溫度閉環控制、加速度閉環控制等方式，運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組啟動和停機時起作用，因此在調速系統建模中可以忽略。正常運行時，并網后的控制方式一般為負荷閉環控制，并在該控制方式下實現一次調頻功能。

根據負荷閉環控制策略，建立其控制系統模型如圖3所示。

2.3 原動機

在燃氣輪機原動機方面，主要考慮主燃料噴嘴開度引起的有功功率變化的動態特性，為一階慣性環節，其穩定計算模型建立如圖4所示。

圖3 燃機調節系統模型Fig.3 Gas turbine control system model

圖4 燃機原動機模型Fig.4 Gas turbine prime mover model

3 模型的參數實測與辨識

3.1 執行機構參數實測與辨識

分別對燃氣控制閥（GCV）進行閥位指令大階躍試驗、閥位指令小階躍試驗，測試執行機構大、小階躍特性。試驗曲線見圖5、圖6所示。

圖5 閥位大階躍擾動實測曲線Fig.5 Measuring curve of big step disturbance on valve position

圖6 閥位小階躍擾動實測曲線Fig.6 Measuring curve of little step disturbance on valve position

計算可得執行機構模型中正常開啟和關閉時間常數分別為：TO=0.175 s，TC=0.438 s。通過遺傳算法［31］得出執行機構PID 參數為：KP=10，KI=1.0，KD=0。執行機構上、下階躍仿真與實測結果對比如圖7所示。

同樣依次進行燃氣速比閥（SRV）和空氣進口可轉導葉（IGV）的開啟和關閉時間常數實測與辨識，得到燃氣速比閥特性測試及辨識結果為TO=0.420 s，TC=0.378 s，空氣進口可轉導葉（IGV）特性測試及辨識結果為TO=7.09 s，TC=6.27 s。

圖7 執行機構仿真結果與實測對比Fig.7 Comparison between test data with simulation result of actuator model

3.2 原動機及控制系統的參數實測與辨識

在功率負荷調整模式下，通過一次調頻功能施加頻率擾動試驗，根據機組功率反饋特性實現原動機和控制系統模型的參數辨識，圖8 為對該燃氣輪機組進行頻率擾動試驗的錄波圖。

圖8 燃機一次調頻試驗實測曲線Fig.8 Primary frequency test curve of gas turbine

根據燃氣輪機一次調頻模式下試驗測得的燃氣控制閥開度和發電機組電功率，基于MATLAB_SIMULINK 仿真軟件，采用遺傳算法，對圖3 和圖4 燃氣輪機模型中的參數進行辨識計算，辨識得到燃氣輪機時間常數TGAS=0.5 s，控制系統PID比例環節系數KP=0.9，積分環節系數KI=0.85，微分環節系數KD=0。

4 模型與參數的仿真校核

將上述參數辨識結果帶入電力系統仿真軟件PSASP 中，通過負荷控制回路投入情況下一次調頻試驗進行模型和參數的仿真校核，仿真結果與實測結果對比見圖9。

圖9 PSASP中仿真結果與試驗實測對比Fig.9 Comparison of test data with simulation results in PSASP

由圖9 可見，在功率閉環運行方式下仿真結果與試驗實測曲線具有良好的吻合度，誤差滿足相關標準［9］，模型與參數可以用于電力系統穩定計算。

5 結語

根據燃氣輪機組的工作特性，建立了機組原動機及其調速系統并網狀態下的數學模型，并通過現場試驗進行了參數實測辨識與仿真校核。仿真結果表明所建模型能準確地模擬機組在并網狀態下對頻率變化的動態響應特征，驗證了機組調速系統模型與參數的有效性，可為電力系統穩定分析計算提供依據。

［參考文獻］（References）

［1］ 焦樹建.燃氣-蒸汽聯合循環［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［2］ 翁一武，聞雪友，翁史烈.燃氣輪機技術及發展［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.重型燃氣輪機發展現狀及展望［J］.電站系統工程，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.重型燃氣輪機現狀與發展趨勢［J］.中國電機工程學報，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.湖北電網穩定特性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，楊濤，等.基于電網穩定性分析的汽輪機調速系統建模試驗研究［J］.汽輪機技術，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.湖北主網運行特性概況［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的電力系統智能辨識法［J］. 高電壓技術，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.同步發電機原動機及其調節系統參數實測與建模導則：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.汽輪機調速系統中影響電力系統低頻振蕩的關鍵因素［J］.中國電力，2017，50（01）：105-110.ZHANG Bao，FAN 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，王官宏，等.考慮燃燒室壓力動態的燃氣輪機調速系統建模［J］.電網技術，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.燃氣輪發電機勵磁及調速系統參數辨識的研究［D］.北京：華北電力大學，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.應用于電力系統仿真計算的燃氣輪機調速系統模型［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.上海電網燃氣輪機調速系統建模與仿真研究［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.粒子群優化算法及其在發電機組調速系統參數辨識中的應用［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.原動機與調速器建模和參數辨識的新進展［J］.電網技術，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.汽輪機調速系統試驗與模型參數辨識研究［D］.武漢：華中科技大學，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 的單軸重型燃氣輪機建模與仿真研究［J］.燃氣輪機技術，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.燃氣輪機系統的建模與仿真研究［D］.重慶：重慶大學，2008.TANG Lili.Modeling and simulation study on gas turbine［D］.Chongqing：Chongqing University，2008.

［23］ 張俊宜，余岳峰，胡松.單軸燃氣輪機及其控制系統整體建模與仿真［J］.熱力發電，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.一種燃氣輪機聯合循環系統模型的分析與改進［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的單軸燃氣輪機動態仿真［J］.燃氣輪機技術，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］ 嚴志遠，向文國，張士杰，等.基于Matlab/Simulink的微型燃氣輪機動態仿真研究［J］.燃氣輪機技術，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］ 張應田，劉衛平，王偉臣，等.燃氣-蒸汽聯合循環發電機組一次調頻控制系統［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.燃氣-蒸汽聯合循環機組一次調頻性能優化［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］ 衛星云，李淑英.兩種調速系統下的燃氣輪機動態仿真［J］.應用科技，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.燃氣輪機調速系統建模與模型參數測試方法研究［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.遺傳算法在汽輪機調速系統參數辨識中的應用［J］.華中科技大學學報（自然科學版），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.