燃气轮机组调速系统建模与仿真研究

周 淼，徐万兵，李阳海，李 刚，王 楠

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077；2.国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉430077）

0 引言

燃气-蒸汽联合循环机组具有效率高、投资少、启停速度快、污染排放低、机组占地面积少、调峰能力好等优点，近年来在我国有了长足的发展［1-4］。调速系统作为发电机组进行控制的主要系统之一，其调节品质及动态特性不仅影响到机组自身的经济性和安全性，也对电网安全稳定运行、保证电网频率质量起着至关重要的作用［5-8］。获取准确可靠的原动机及调速系统模型参数，进行相关仿真计算，了解其动态特性及对负荷变动的适应能力，探讨其动态特性对电网的影响是非常必要的［9-20］。本文主要以9E 燃气轮机为例，介绍燃气轮机组的原动机及其调速系统实测建模与仿真研究。

1 燃气轮机组及其调速系统工作原理

1.1 燃气蒸汽联合循环机组工作原理及流程

燃气-蒸汽联合循环机组工艺流程为：天然气经由截止阀、速比阀后进入燃烧室，空气经过滤器进入空压机升压后进入燃烧室内与天然气混合燃烧，带动燃气轮机旋转，并直接驱动一台发电机发电，将做功后排出的高温烟气送入余热锅炉，利用其热量产生高温高压的水蒸汽，再去驱动汽轮发电机组进行发电，形成高效利用率的燃气-蒸汽联合循环［21-26］。

燃气-蒸汽联合循环发电机组正常运行时，汽轮机发电机组一般采用滑压运行模式，控制进汽流量的调门全开，处于跟随状态，不参与电网一次调频。燃气-蒸汽联合循环发电机组一次调频功能主要由燃气轮机发电机组承担［27-28］。

1.2 燃气轮机调速系统工作原理

燃气轮机及其调速系统通过燃气轮机实际转速与设定值的偏差，计算出对应的燃料给定指令，燃料给定指令控制主燃料喷嘴的开度，通过改变进入燃气轮机燃烧室的燃料量，来改变燃气轮机的功率负荷和转速［29］。

接入电网的大型燃气-蒸汽联合循环发电机组，其燃气轮机调速系统原理如图1 所示，与轴转速设定值或参考值进行比较后得到的转速误差测量回路。燃气轮机调速系统，包括放大误差信号的功率放大器、驱动燃料阀执行机构的功率放大器、燃料伺服机构以及涡轮机动态特性［30］。

图1 燃气轮机调速系统原理图Fig.1 Schematic diagram of gas turbine speed governor system

2 燃气轮机及调速系统模型建立

根据对燃气轮机调速系统的理论研究及GE 公司9E系列燃机调速系统的结构分析，燃气轮机的理论模型可以由执行机构、调节控制系统、原动机3个功能模块组成。

其中调速器又称为控制器，负责从燃气轮机中接受功率指令和转速信号，根据内部控制逻辑计算出燃料指令；执行机构是接受来自调速器的燃料指令并付诸实施的伺服机构，负责调节燃料阀门的开度从而达到控制燃料流量的目的；原动机是指包括燃烧室及透平的燃烧做功机构。

2.1 执行机构

燃气轮机调节系统的执行机构包括燃料速比阀（SRV）、燃气控制阀（GCV）、空气进口可转导叶（IGV）等，均可采用较类似一阶惯性环节的模型来描述。其模型建立如图2所示。

图2 执行机构模型结构图Fig.2 Structural of actuator model

2.2 调节控制系统

9E燃气轮机组由GE公司技术生产，通常采用GE提供的MARKⅥe控制系统。

燃气轮机控制系统包括转速/负荷闭环控制、温度闭环控制、加速度闭环控制等方式，运行时总是选择各个控制输出中的最小值。加速度控制逻辑仅在机组启动和停机时起作用，因此在调速系统建模中可以忽略。正常运行时，并网后的控制方式一般为负荷闭环控制，并在该控制方式下实现一次调频功能。

根据负荷闭环控制策略，建立其控制系统模型如图3所示。

2.3 原动机

在燃气轮机原动机方面，主要考虑主燃料喷嘴开度引起的有功功率变化的动态特性，为一阶惯性环节，其稳定计算模型建立如图4所示。

图3 燃机调节系统模型Fig.3 Gas turbine control system model

图4 燃机原动机模型Fig.4 Gas turbine prime mover model

3 模型的参数实测与辨识

3.1 执行机构参数实测与辨识

分别对燃气控制阀（GCV）进行阀位指令大阶跃试验、阀位指令小阶跃试验，测试执行机构大、小阶跃特性。试验曲线见图5、图6所示。

图5 阀位大阶跃扰动实测曲线Fig.5 Measuring curve of big step disturbance on valve position

图6 阀位小阶跃扰动实测曲线Fig.6 Measuring curve of little step disturbance on valve position

计算可得执行机构模型中正常开启和关闭时间常数分别为：TO=0.175 s，TC=0.438 s。通过遗传算法［31］得出执行机构PID 参数为：KP=10，KI=1.0，KD=0。执行机构上、下阶跃仿真与实测结果对比如图7所示。

同样依次进行燃气速比阀（SRV）和空气进口可转导叶（IGV）的开启和关闭时间常数实测与辨识，得到燃气速比阀特性测试及辨识结果为TO=0.420 s，TC=0.378 s，空气进口可转导叶（IGV）特性测试及辨识结果为TO=7.09 s，TC=6.27 s。

图7 执行机构仿真结果与实测对比Fig.7 Comparison between test data with simulation result of actuator model

3.2 原动机及控制系统的参数实测与辨识

在功率负荷调整模式下，通过一次调频功能施加频率扰动试验，根据机组功率反馈特性实现原动机和控制系统模型的参数辨识，图8 为对该燃气轮机组进行频率扰动试验的录波图。

图8 燃机一次调频试验实测曲线Fig.8 Primary frequency test curve of gas turbine

根据燃气轮机一次调频模式下试验测得的燃气控制阀开度和发电机组电功率，基于MATLAB_SIMULINK 仿真软件，采用遗传算法，对图3 和图4 燃气轮机模型中的参数进行辨识计算，辨识得到燃气轮机时间常数TGAS=0.5 s，控制系统PID比例环节系数KP=0.9，积分环节系数KI=0.85，微分环节系数KD=0。

4 模型与参数的仿真校核

将上述参数辨识结果带入电力系统仿真软件PSASP 中，通过负荷控制回路投入情况下一次调频试验进行模型和参数的仿真校核，仿真结果与实测结果对比见图9。

图9 PSASP中仿真结果与试验实测对比Fig.9 Comparison of test data with simulation results in PSASP

由图9 可见，在功率闭环运行方式下仿真结果与试验实测曲线具有良好的吻合度，误差满足相关标准［9］，模型与参数可以用于电力系统稳定计算。

5 结语

根据燃气轮机组的工作特性，建立了机组原动机及其调速系统并网状态下的数学模型，并通过现场试验进行了参数实测辨识与仿真校核。仿真结果表明所建模型能准确地模拟机组在并网状态下对频率变化的动态响应特征，验证了机组调速系统模型与参数的有效性，可为电力系统稳定分析计算提供依据。

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