電力系統裝備中燃氣輪機發電機組控制的研究與應用

李利生，張路，黃蕾

（中國航發控制系統研究所，江蘇 無錫 214000）

隨著電力系統的快速發展和能源結構的調整，燃氣輪機發電機組作為一種靈活高效的發電裝備，具有高效、快速響應和靈活調節等特點，被廣泛應用于電力系統中，研究燃氣輪機發電機組的控制技術，對提高電力系統的可靠性、穩定性和經濟性具有重要意義。

1 燃氣輪機發電機組的基本原理

1.1 燃氣輪機發電機組的組成和基本原理

燃氣輪機發電機組是一種重要的電力裝備，它由燃氣輪機和發電機2 部分組成。燃氣輪機作為動力設備，負責將燃氣能源轉化為機械能，驅動發電機產生電能。

燃氣輪機發電機組是基于熱力學和電磁感應原理，將燃氣能源轉化為機械能，再將機械能轉化為電能，其工作原理如下：燃氣輪機采用燃氣燃燒產生高溫高壓的氣體流，氣體流通過一個渦輪，將其動能轉化為機械能，推動渦輪機轉動。渦輪機與發電機相連，帶動發電機轉動，產生電能，發電機通過電子控制柜的控制，可以調節發電機的輸出功率。在燃氣輪機發電過程中，利用高溫廢氣自發的煙氣能量，再利用余熱鍋爐或熱回收裝置將其余熱轉化為蒸汽或熱水，進一步驅動蒸汽渦輪機發電，提高能源利用效率。

1.2 燃氣輪機控制系統原理架構

燃氣輪機控制系統采集來自燃氣輪機及輔助系統傳感器的模擬量信號、開關量信號、頻率量信號，接受來自就地控制盤、遠程控制盤、CCR 間工程師站相關指令、信號，按照控制規律計算并輸出模擬量、開關量信號，通過泵、電磁閥、調節閥等執行機構，調節燃機燃料供給、控制輔助系統，從而實現對燃氣輪機的控制?？刂葡到y同時接收來自PMS 系統指令信號，實現機組負荷分配控制?？刂葡到y對機組運行過程中的參數進行監視、限制、告警對嚴重的故障執行設定的故障處理措施，從而實現對燃機機組運行的安全保護?？刂葡到y同時將燃機運行參數和安全保護數據通訊到HMI 人機交互界面，監控軟件對這些信息進行分類顯示，呈報給操作人員。

2 燃氣輪機發電機組控制的關鍵技術

2.1 故障檢測與診斷技術

燃氣輪機發電機組是一種常見的發電設備，其穩定運行和可靠性對于電力系統的正常運行至關重要。故障檢測與診斷技術可以幫助實時監測設備的運行狀態，及時發現并診斷故障，從而采取相應的措施進行修復或維護。故障檢測與診斷技術的主要目標是通過對監測數據進行分析和處理，識別和定位燃氣輪機發電機組的故障，這些技術通常依賴于傳感器和監測設備，在運行過程中收集各種參數數據，如振動、溫度、壓力、流量等，識別出異常的模式或特征，并通過與預設的故障數據庫進行比對，確定可能的故障類型。

圖1 控制系統網絡結構圖

故障檢測與診斷技術的關鍵步驟包括數據采集、數據預處理、特征提取和故障診斷。機組需要通過合理的傳感器布置和數據采集系統，實時采集并記錄燃氣輪機的運行數據，對數據進行預處理，包括數據清洗、濾波和歸一化等，以減少噪聲和提高數據質量?？刂葡到y使用信號處理和模式識別技術，提取數據中的關鍵特征，并建立合適的模型進行故障分類和診斷，通過與預設的故障數據庫進行匹配，確定故障的類型和位置，從而指導后續的維修和保養工作。

2.2 發電機組與電力系統的協調運行技術

發電機組與電力系統的協調運行技術旨在確保發電機組與電力系統的穩定運行，實現電力供應的可靠性、安全性和經濟性。

發電機組與電力系統的協調運行技術主要包括頻率控制、電壓控制和無功功率調節等方面。通過頻率控制，發電機組能夠根據電力系統的負荷需求變化，調整自身的功率輸出，保持電力系統的頻率穩定；通過電壓控制，發電機組能夠根據電力系統的電壓變化，調整輸出電壓，保持電力系統的電壓穩定；通過無功功率調節，發電機組能夠根據電力系統的無功功率需求，調整無功功率輸出，維持電力系統的功率平衡。

2.3 全權限數字電子控制技術（FADEC）

全權限數字電子控制技術（FADEC）采用數字化的控制系統，實現對燃氣輪機的全面控制和管理，提高系統的可靠性、穩定性和效率。FADEC 的核心是一個集成了傳感器、執行器和計算機控制單元的數字電子控制系統，它通過精確測量和分析各種參數，如發動機速度、壓力、溫度等，實時監測燃氣輪機的運行狀態?；谶@些數據，FADEC 可自動調整燃料供給、點火時機和碳化防護等參數，以優化燃氣輪機的性能。

圖2 燃機機組控制系統組成示意圖

FADEC 的優勢在于其精確的控制能力和快速的響應速度。傳統的機械或液壓控制系統存在一定的時滯，而數字電子控制系統可實現毫秒級的響應，提供更精確的控制，FADEC 還具有自適應控制的能力，即根據發電機組的工作負荷和環境條件，自動調整控制策略，以實現最佳性能。另外，FADEC 還具有自診斷和自修復能力，能夠實時監測系統的健康狀態，識別故障并采取相應的措施。當發現故障時，FADEC 自動切換到備用系統，確保發電機組的可靠運行，提高了系統的可靠性，減少了維修和停機時間。

3 燃氣輪機發電機組的控制策略

3.1 常規控制策略

3.1.1 負荷調節控制

負荷調節控制是燃氣輪機發電機組常規控制策略中的重要部分，旨在確保發電機組能夠根據電網負荷的變化來實現負荷平衡，并生成穩定的電能供應。發電機組的負荷調節控制主要涉及到燃料供給系統和電力輸出部分，其關鍵目標是實現負荷變化時的快速響應和穩定控制。其主要工作如下：第一，負荷檢測和采集：負荷調節控制需要實時監測電網負荷的變化情況，并采集相應的負荷信號，使用負荷傳感器或測量裝置來實時監測負荷需求，并將負荷信號傳輸給控制系統。第二，預測和計劃：基于實時負荷數據以及歷史負荷曲線等信息，負荷調節控制進行負荷預測和計劃，對負荷趨勢進行分析和預測，系統可提前計劃并做出相應的負荷調整措施，以滿足未來的負荷需求。第三，燃料供給控制：負荷增加時，負荷調節控制會增加燃氣輪機發電機組的燃料供給量，以增加發電機組的輸出功率，控制燃油閥門的開啟度或調整燃氣流量，實現燃料供給的控制，負荷減少時，則相應減少燃料供給。第四，輸出功率控制：負荷調節控制需要根據負荷的變化來控制發電機組的輸出功率，控制發電機的勵磁系統和轉子速度，實現對輸出功率的調節，還可以考慮機組的并網逆變控制，以確保發電機組能夠按需輸出所需的電能。

3.1.2 頻率調節控制

發電機組的輸出頻率直接影響到電力系統的穩定性和正常運行。頻率調節控制的主要目標是使發電機組的輸出頻率維持在標準值（通常為50Hz 或60Hz），并及時對負荷變化做出相應的調節，以保持系統頻率的穩定。在負荷增加時，控制系統會增加發電機組的輸出功率以滿足需求；在負荷減小時，控制系統會相應地減少輸出功率。頻率調節的精度和響應速度非常重要，以確保系統對負荷變化能夠快速而準確地做出反應。

頻率調節控制一般涉及到燃料供給系統和機械運行部分，主要包括以下幾個方面。一是燃料供給控制：頻率調節需要根據負荷變化來控制燃料供給量，負荷的增加會導致燃氣輪機增加燃料的供給以增加功率，而負荷的減小會相應地降低燃料供給，燃料供給控制應根據負荷的變化速率來調整，以確保頻率穩定。二是換能器的調節：發電機組的換能器（如蒸汽渦輪發電機組）也需要根據負荷變化做出相應調整，負荷增加時，換能器可能需要提供額外的蒸汽以增加功率輸出；負荷減小時，換能器則需要相應減少蒸汽供給，頻率調節控制需要與換能器的調節策略進行協調和同步。三是機械慣性的補償：頻率調節控制還需要考慮機械部件的慣性特性，在負荷突然變化時，機械部件慣性會導致頻率的瞬時波動，控制系統需要及時感知負荷變化并通過相應的補償措施來減小頻率的波動。

3.1.3 電壓調節控制

電壓調節控制是燃氣輪機發電機組常規控制策略中的重要組成部分，其主要目的是確保發電機組輸出的電壓穩定在預定的水平，以滿足電力系統的要求。電壓調節控制主要涉及到勵磁系統和電力輸出部分，其關鍵任務是監測和調整發電機的輸出電壓，使其保持在標準范圍內。一是電壓檢測和采集：電壓調節控制需要實時監測發電機的輸出電壓，并采集相應的電壓信號，使用電壓傳感器或測量裝置來監測輸出電壓，并將信號傳輸給控制系統。二是電壓穩定性控制：電壓調節控制需要實時監測輸出電壓的穩定性，并根據需求進行相應的調整，在電網負荷變化或短路等故障情況下，控制系統會根據反饋信號對勵磁電流進行調節，以保持輸出電壓穩定。三是勵磁系統調節：勵磁系統是控制發電機輸出電壓的關鍵部分，通過調節勵磁電流或磁場強度，實現對輸出電壓的調節。在低電壓情況下，調節系統會增加勵磁電流或提高磁場強度，從而提高輸出電壓；在高電壓情況下，則相反地減少勵磁電流或降低磁場強度。四是電壓補償控制：電壓調節控制還可以考慮電壓補償措施，以調整輸出電壓的波動或壓降。例如，通過采用無功功率補償裝置或自動電壓調節器（AVR）等設備，對輸出電壓進行動態補償和調節，使其維持在預定的范圍內。

3.2 先進控制策略

3.2.1 模型預測控制

模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）是燃氣輪機發電機組先進控制策略中的一種重要方法，它利用數學模型來預測系統的未來行為，并根據這些預測結果來制定最優的控制策略。模型預測控制的主要思想是建立一個數學模型來描述發電機組的動態行為，并根據該模型進行預測，以確定未來一段時間內最合適的控制策略，它可以考慮多個控制變量和約束條件，并通過數學優化方法求解最優控制策略。

在燃氣輪機發電機組中應用模型預測控制有以下幾個關鍵步驟。步驟一，建立數學模型：需要建立一個準確的數學模型來描述燃氣輪機發電機組的動態行為，該模型應包括燃氣輪機的熱力學特性、燃料供給系統、機械運行部分以及與電力系統的交互等方面。步驟二，預測控制：使用建立的數學模型對未來一段時間內的系統行為進行預測，預測考慮負荷需求、燃料供給變化以及其他外部影響因素，通過預測得到未來時間內發電機組的狀態、輸出功率、頻率和電壓等信息。步驟三，優化問題求解：根據預測結果，通過數學優化方法求解最優的控制策略，優化問題設置為多目標或單目標問題，例如，最小化能耗、最大化效率或最小化頻率、電壓偏差等，需要考慮系統的約束條件，如燃料供給限制、機械運行極限、電力系統需求等。步驟四，控制執行：根據優化求解得到的最優控制策略，通過控制器實施相應的調節，根據預測的狀態和輸入變量進行實時調整，以實現發電機組的穩定運行和性能優化。

3.2.2 自適應控制

自適應控制能根據系統的實時反饋信息自主地調整控制參數和策略，以適應不同的工作條件和負荷需求。自適應控制的主要思想是通過不斷地監測系統的輸出和狀態信息，以及與系統動態行為相關的測量量，自適應地調整控制器的參數和輸入來實現控制目標。

自適應控制在燃氣輪機發電機組中的應用步驟如下。步驟一，參數辨識：需要對燃氣輪機發電機組的動態行為進行建模，并對模型中的未知參數進行估計和辨識，參數辨識通過采用標識試驗或其他系統辨識方法進行，從而得到系統的數學模型和參數。步驟二，自適應控制器設計：根據估計得到的系統模型和參數，設計自適應控制器。自適應控制器通常由2 部分組成：自適應參數估計器和調節器，自適應參數估計器用于在線估計系統的未知參數，而調節器根據估計的參數來調整控制策略和參數。步驟三，系統監測和反饋：自適應控制需要實時監測系統的輸出和狀態信息，以及與系統動態行為相關的測量量，這些信息用于更新自適應參數估計器，并作為反饋信號給調節器進行調整。步驟四，自適應參數更新：根據系統的實時反饋信息，自適應控制器通過自適應參數估計器來更新系統的未知參數，更新算法根據系統的性能指標和誤差準則進行選擇，以實現最優的參數調整。步驟五，控制策略調整：根據更新后的參數，調節器可自主地調整控制策略和參數，以實現對燃氣輪機發電機組的最優控制，調節器可根據預定義的控制目標和性能指標來調整控制器的輸出，如輸出功率、頻率、電壓等。

3.2.3智能控制

智能控制是燃氣輪機發電機組先進控制策略中的一種創新方法，它基于人工智能和機器學習技術，通過對系統數據進行分析和學習，實現對發電機組的智能化控制。智能控制的主要思想是利用先進的計算和優化方法，通過對大量的實時監測數據進行分析和學習，從中提取系統的狀態模式和性能特征，以實現對發電機組的優化控制。

智能控制在燃氣輪機發電機組中的應用步驟如下。一是數據采集與處理：首先，需要收集和處理燃氣輪機發電機組的實時數據，這些數據可以包括發電機組的工作狀態、輸出功率、溫度、壓力等多個方面的信息，對于大規模數據，還可以考慮使用數據預處理和降維技術來提取有效的特征。二是智能建模與訓練：基于采集到的數據，可以利用機器學習和智能建模技術構建發電機組的模型。常見的方法包括神經網絡、支持向量機、決策樹等，利用歷史數據進行訓練和優化，得到智能控制模型。三是實時預測與優化：利用訓練好的智能控制模型，對發電機組的行為進行實時預測和優化，通過對當前狀態的預測，可以提前做出相應的調整，使發電機組達到更優化的性能狀態。四是智能調節與控制：根據智能控制模型的預測結果，調節發電機組的控制參數和輸入，以實現對發電機組的智能控制，這包括對燃料供給、負荷分配、冷卻系統等的調節和優化。

4 結語

本文研究了燃氣輪機發電機組控制的關鍵技術和控制策略。通過對燃氣輪機發電機組的故障檢測與診斷技術、優化調度技術、協調運行技術和全權限數字電子控制技術等關鍵技術的探討，介紹了常規控制策略和先進控制策略，利于提高燃氣輪機發電機組的運行效率和響應速度，確保電力系統的穩定供電。未來，應進一步研究燃氣輪機發電機組的智能化控制技術，結合人工智能和大數據分析等方法，實現更精確、高效的控制策略，進一步提高電力系統的運行效率和安全性。