微型冷热电联供燃气轮机能量管理系统设计

安英会

（广西电力职业技术学院动力工程系，广西 南宁530007）

微型冷热电联供燃气轮机能量管理系统设计

安英会

（广西电力职业技术学院动力工程系，广西 南宁530007）

微型燃气轮机的冷热电负荷小，波动变化大，负荷运行与配置问题比较难于控制。介绍了一种微型冷热电联供燃气轮机能量管理系统，主要能实现对用户冷热电供应负荷管理、冷热储能管理、离网与并网命令发布等。通过实际运行，燃气轮机冷热电联供能量管理系统能很好地实现燃汽轮机、制冷设备、热水锅炉的优化投入，离网时能够及时切除过量用户，总线结构的通讯模式使得系统安装方便，便利。

微型冷热电联供；燃气轮机；能量管理系统

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。系统一共设计有3台30 kW的微型燃气轮发电机，带动两台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。

如图1所示，三台燃气发电机并列运行，烟气共同排放至高温烟气母管，两台余热制冷机入口设计有电动蝶阀，可以调节烟气进口量，两台烟气热水锅炉入口设计有电动蝶阀，用于调整用热量，烟气余热热水炉配置有两台并列给水泵，一用一备，变频调节，一方面用于调整热水锅炉水位，另一方面也可用于调整热水锅炉温度，烟气热水锅炉、余热制冷机排放出来的尾部烟气进入低温余热制冷机，低温余热制冷热水来自于给水母管，设计有电动调节阀调节给水流量，控制热水温度，低温换热器出口设计有两个电动蝶阀，分别用于供热调整和低温余热制冷。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。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]。

图1 微型冷热电联供系统设计

微型燃气轮机能量管理系统相对于传统的控制系统而言，不仅提供各功能设备的控制功能，还提供有冷、热、电负荷预测功能和冷热电负荷优化管理功能。冷、热、电负荷预测功能是指管理系统根据制冷、制热量的需求，优化安排燃气轮机运行台数，并通过制冷、制热温度和流量控制实现负荷优化调整。微型燃气轮机能量管理系统具有数据综合处理、供冷供热方案制定、供冷供热指令发布及与微电网并网功能，主要包括对微电网用户管理、微型燃气轮机发电控制、制冷制热储能装置管理、冷热电负荷管理、微型发电机自动并网、无功自动补偿等[2]。

1 燃气轮机冷热电联供系统用电用户管理设计

燃气轮机冷热电联供系统用户管理部分主要解决微电网孤岛运行时的限负荷运行，负荷监测与预警，电网频率监测与减载等功能。

（1）限负荷运行。当微电网接入电网断开时，冷热电联供系统将先切断常规负荷，确保重点敏感负荷用电。1台发电机设计容量可以保障微电网系统中的敏感用户负荷用电。再根据制冷制热量制定新的生产计划。一般用户根据用电大小和发电容量限定用电。

（2）自动低频减载。微电网独立运行时，如微型燃气轮机一台或两台因故跳闸，自动低频减载装置按用户用电大小迅速跳闸，实现低频减载。

（3）负荷监测。每个独立负荷均装设电压、电流互感器，实时监控负载功率和电流情况，用于微电网负荷预测和负荷预警[3]。

（4）负荷控制。每个独立负荷均装设自动跳闸和自动合闸装置，可以快速实现减载和切断故障。

2 燃气轮机冷热电联供系统能量调节设计

（1）并网工况下的能量调节

并网工况下，系统频率可以视为固定的。燃气轮机冷热电联供系统根据用户供冷供热需求定制发电量。微型燃气轮机冷热电联供系统制冷量和制热量供应根据日温度曲线和用户制冷量和制热量计划进行统计和制定的。制冷、制热量用户分为固定用户和临时用户两个部分，临时用户占总用户量比例不超过30%.正常时开启两台微型燃气轮机冷热电联供系统供应固定用户制冷制热量，通过温度和流量调节满足部分临时用户用冷和用电需求，用冷或用电需求临时用户较多时，启动第三台微型燃气轮机冷热电联供系统。

（2）冷热用户集中管理系统

冷热用户采用用户请求模式，用户在用户端发送用冷或用热请求，系统根据用户请求和当前的制冷或制热用量重新按排生产计划，并逐步恢复冷、热供应质量。冷热用户采用供应分级模式，根据其实际需求也分为基本户和调整户两种用户，基本户需要确保用冷和用热用量与质量，调整户根据系统实际容量进行调整和供应。冷热源不足时需限制调整户的冷热供应量。譬如用热用户先保障供暖用户，再提供热水使用用户等。

（3）离网工况下的能量调节

离网工况下根据冷热用户安排发电量，再根据发电量实现用电用户调整。

（4）无功功率调节

在离并网运行工况下，能量管理系统监测微网中的有功和无功变化，并通过无功补偿装置进行无功调整，维持微电网的无功平衡和电压水平。

在离网运行方式下，无功调整通过Q-V特性设定曲线阻止末端电压偏压，通过设定的功率因数调整无功。

3 能量管理系统的Modbus总线命令与消息机制设计

燃气轮机冷热电联供系统能量管理具有监控数据、生产计划、生产及调控命令发布及与微电网并网功能等，主要包括对用户冷热电供应负荷管理、冷热储能管理、离网与并网命令等。各控制器主要包括发电机、水泵变频控制器、引风变频控制、断路器控制、调节蝶阀控制等，经过总线传输各种信息状态，包括微电网参数、冷热电集中负荷参数、断路器通断状态、冷热电源储存信息参数、用户冷热负荷使用请求命令等，经过能量管理系统的综合数据处理，制定各断路器的投切、调节蝶阀的调整、变频器输出调整、工作方式切换、功率输出等调节、调整控制策略。然后把这些设定值与控制命令通过能量管理系统的Modbus总线命令与消息发送各调节装置，维持微电网的正常运行。

标准的Modbus口是使用RS-485兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆规格、信号位设定，同时用户可以设置总线的传输波特率、奇偶校验位等。控制器能直接组网或经过Modem组网，控制器通讯模式为主从模式，即控制器通过主设备初始化并查询各站点信息，亦可设置各站点信息，其它从设备或站点根据主设备设定进行信息交互与传递。如图2所示。

图2 能量管理系统命令与消息机制

4 能量管理系统的控制方案设计

（1）微型燃气轮机发电调整[4]

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。其控制原理图如图3.

图3 微型燃气轮机发电调整

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3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。

（2）供热或制冷调整

燃气轮机供热或制冷调整实质是燃气进气量调整，通常是在并网下进行的。并网情形下，发电量随着制冷或制热量进行优化调整。由于供冷和供热网均有一定的储能作用，惯性较大，因此通常取制冷或制热功率W，即流量与温度作为控制目标。制冷与制热功率由各用户端流量检测数据W0和新请求用户综合指令Wm组成给定值。制冷或制热机的输出热功率或制冷功率作为反馈，根据其偏差值△W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。

燃气轮机冷热电联供能量管理系统中由于制冷机或热水锅炉为单台、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，再梯次分配给其它制冷机或热水锅炉，目的是为了减少扰动。在热水锅炉和制冷机实际控制中，由于制冷和制热过程具有惯性，实质通过负荷指令计算出实际的Gf量后采用串级调整方案，以制冷制热的温度作为第一控制环节，逐步满足Gf分配调整需求。即在图4所示的控制回路增加制冷制热温度平衡控制外环。温度设定值为负荷偏差换算计算结果值。

图4 微型燃气轮机制冷制热量调整

5 结束语

燃气轮机冷热电联供能量管理系统目前的管理模式是以冷或热定电的运行模式为主进行设计的，是以供冷量和供热量作为控制目标。在离网运行状态下，如果用电需求较少，制冷或制热量需求较大，可以用电来增加制冷和制热量。对于整个能量管理系统最终的评价指标就是燃气供应量和发电、制冷或制热经济效益比值。因此以制冷或制热量作为控制标准，能较大程度上满足燃气轮机的经济效益。当然如何将天然气价格、气候、负荷质量等等因素综合考虑进燃气轮机能量管理，这是本文需要进一步研究的方向。通过实际运行，燃气轮机冷热电联供能量管理系统能很好地实现燃汽轮机、制冷设备、热水锅炉的优化投入，离网时能够及时切除过量用户，总线结构的通讯模式使得系统安装方便，便利。

[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]F.Katiraei，R.Iravani，N.Hatziargyriou，Microgrids management[J].IEEE Power and Energy Magazine，2008，6（03）：54-65.

[3]殷桂梁，杨丽君，王 珺.分布式发电技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]F.Katiraei，M.R.Iravani，Power Management Strategies for a Microgrid With Multiple Distributed Generation Units”Power Systems[J].IEEE Transactions on Volume 21，2006（4）：1821-1831.

Design of Micro Cooling Combined Heat and Power Supply Gas Turbine Energy Management System

AN Ying-hui
（Department of Power Engineering，Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning Guangxi 530007，China）

Micro turbine has small cold and thermal load and fluctuates greatly.It is difficult to control the load operation and configuration.This paper introduces a kind of micro CCHP gas turbine management system，it can realize the user on the hot and cold storage cooling heating and power supply load management，energy management，off grid and grid connected command issued.The practical operation of gas turbine cogeneration energy management system can well realize the optimization of gas turbine，refrigeration equipment，hot water boiler input from the network can be promptly removed excessive users，communication mode of bus structure makes the system easy to install，convenient.

micro cooling combined heat and power supply；gas turbine；energy management system

TK01.8

A

1672-545X（2017）09-0118-03

2017-06-09

广西教育厅科研项目（编号：YB2014547）资助

安英会（1980-），女，河北保定人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为控制系统设计与实现及仿真性能研究。