海上平台燃气发电机组模块化建模与分析

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-12-30 09:18 热度：

　　摘要：为掌握在电力系统中投入使用的燃气发电机组的运行情况，利用 Matlab/Simulink 仿真软件建立基于 GGOV1(General Governor)燃气调速结构和 AC8B 励磁模型的燃气发电机组的通用动态模型，并以锦州 25-1 南 CEPF 海上石油生产平台上现有已投入运行机组的参数作为算例，对燃气轮机(即原动机)、励磁机、主发电机(为励磁同步电机)进行模块化精细模型的建立。通过仿真该机组模型的动态运行情况，机组转速、端电压、励磁电压、原动机输出机械功率、燃气消耗量的变化情况可以被有效监控。仿真结果表明，模型能够较为直观地反映负荷发生动态变化时，机组各物理量之间的联动变化关系，验证了模型的普适性。

　　关键词：燃气发电机组;GGOV1 结构;AC8B 励磁模型;电力系统;动态过程

　　0 引 言

　　近年来，电力工业对能源清洁和高效的要求逐渐增加，燃气发电机组以其功率密度大、启动速度快、噪声低频分量低、寿命周期较长等优点被广泛应用于电力调峰、船舶动力、石油生产平台供电等场合。

　　随着燃气发电机组这类分布式资源越来越广泛地渗透到分布式网络中，需要提前研究其暂态行为及其对网络稳定性的影响。然而，机组由许多复杂的子系统组成，安装维护费用高，对系统进行性能评估将耗费大量资金和人力物力。因此，建立能够进行瞬态性能分析的精细化仿真模型至关重要。

　　在传统的电力系统分析中，研究人员利用仿真软件中的现成模块或者简化传递函数充当发电机的原动机和励磁系统从而进行控制算法的研究，而不关心模型的适用性和机组内部的变化过程，包括对输出燃气量的调节过程、对温度和负荷的限制过程、对机组转速的调节过程、对励磁电压的调节过程、测量信号的反馈过程等。近年来，越来越多的研究人员开始关注机组的精细化建模。

　　在原动机模型相关研究中，文献[1]对燃气轮机调速器系统的各项任务进行分类说明，文献[2]中解释了燃气轮机调速器各控制器的作用并将该分布式机组置于某电力系统环境进行仿真分析，但二者均仅对机组结构和仿真结果进行描述。文献[3]提出一种新的原动机及调速器模型，并进行参数辨识，利用系统发生大扰动时的数据进行校核。文献[4]分别对汽轮机调速器、汽轮机汽室、汽轮机轴系进行建模。文献[5]中建立了包含调速器、水轮机等元件的频率分析模型。在发电机组相关研究方面，文献[6] 对不同励磁系统建模方法进行了总结;文献[7]着重研究发电机励磁系统建模和辨识中的发电机饱和问题, 并给出详细的论述和解决方法;文献[8]通过建立电磁暂态模型提出了一种自并励静止励磁系统精细模型来替代电力系统分析过程中常用的传递函数形式;文献[9]采用串联PID形式对励磁系统进行仿真。目前的研究中，尚未有对在瞬态负荷阶跃变化下，燃气轮机部分及发电机组部分包括燃气消耗量、温度、端电压、励磁电压、频率等在内的物理量之间的联动关系进行深入分析。

　　基于目前研究内容的不足，后文建立了基于 GGOV1燃气调速结构和AC8B励磁模型的燃气发电机组的通用型动态模型，并以锦州25-1南CEPF海上石油生产平台现有已投入运行的燃气发电机组参数为算例，建立了详细的原动机和励磁系统模型，并将二者输出作为主发电机的输入控制机组的运行。通过模型的建立，可以帮助监视机组各部分的运行情况。为了验证模型，本文选取了发电机端电压、机组转速、燃气轮机燃气消耗量、燃气轮机输出机械功率、励磁电压等作为分析对象。其中，本文以已投入运行的某公司的Titan130单轴轴流式燃气轮机和某公司的AMS900LH三级无刷电励磁同步发电机作为研究对象。

　　1 燃气发电机组通用模型的建立

　　1.1 燃气轮机模型

　　图 1 为机组调速结构的基本结构示意图。下文分析中作为算例的 Titan130 单轴轴流式燃气轮机由 14 级轴向压缩机、环管式燃烧室、三级透平、齿轮减速箱等部分构成。

　　机组调速机构在运行中需要考虑到频率的调节，并兼顾燃气出口温度的限制和启停加速度的限制，根据目标值与实际值的差异调节燃气消耗量。美国电气与电子工程师学会(IEEE) 动态分析专业委员会在其报告[10]中总结了几种燃气轮机的传统模型和近年来开始被广泛应用的改进模型。对于燃气轮机建模，采取 GGOV1 调速结构较为合适。该结构由 WECC 提出，结构中同样包括转速控制部分、加速度限制控制部分、温度限制控制部分以及燃气控制部分。相比起传统的 GAST 调速结构和 GAST2A 调速结构，其优势在于控制部分的灵活性，包括 P 控制、PI 控制、PID 控制等控制方式的使用和转速、发电机输出功率、燃气量等反馈信号的选择。表 1 总结了各部分控制器控制特性。

　　以机组的燃气消耗量、转速和发电机输出功率的反馈信号作为温度限制环节、启停加速度限制环节和转速控制器的输入，以机械功率作为输出，搭建通用燃气调速系统仿真模块如图 2 所示。

　　在各控制部分输出信号中，fsrt 为温度限制环节输出，fsra 为加速度限制环节输出，fsrn 为转速控制器输出。由于只有保证燃气轮机无论在什么运行状态都采用最低的燃料量，才能保证机组安全运行，因此需在阀门开度调节控制器环节前加入低值选择器。fsrr 为经过低值选择器后，用于调节阀门开度的控制信号。稳定运行情况下，转速调节器的输出 fsrn 通过低值选择器并作为燃气阀的控制信号控制燃气阀的开度从而控制燃气的使用排放量，进而控制透平部分输出的机械功率。

　　与1983年提出的传统的Rowen模型[11]不同的是， GGOV1 结构利用燃气消耗量的计算和限制代替传统的温度限制，从而省去了燃气消耗量与温度之间的转换过程。需要注意的是，温度限制环节仅在温度达到限值时发挥作用，加速度限制环节仅在限制启停转速突变时发挥作用，二者均可通过设置合适的 Ldref和 aset 参数值禁用。此外，通过选取 Rselect 的参数值可选择控制器调差作用的反馈源(包括无反馈源、燃气消耗量、发电机输出功率和燃气阀门开度控制信号);Flag 参数的选取反映了实际中的燃气类型是纯燃气还是气液混合燃料。通过前述两个选择环节，拓宽了模型的应用范围。

　　GGOV1 通用燃气轮机仿真模块中各部分参数的含义见表 2，并以 Titan130 燃气轮机为例为仿真模块各部分参数选取合适的值。另外，已知在标幺值为 1.0 的情况下对应额定运行工况为输出功率 13.6 MW，初温 1 149 ℃，排气温度 487 ℃，也可据此结合仿真情况计算出实际运行数据。

　　1.2 励磁系统模型

　　根据 IEEE 能源发展和发电委员会在其报告[12] 中制定的参考标准，选取 AC8B 励磁系统模型作为三级无刷电励磁同步发电机励磁系统的建模依据，此标准模型表示有不可控整流器的控制磁场型交流电机励磁系统，可看作一种旋转励磁系统。此类励磁系统主要由带非终止极限电子放大器、交流励磁机、整流器和阻尼滤波器等环节组成，输入量为发电机端电压信号，输出量为发电机中励磁电路的励磁电压。图 3 为基于 AC8B 励磁系统模型的结构示意图，主励磁机的输入为自动电压调节装置(AVR)的输出电压 VR(这里为副励磁机输出经过晶闸管调节后的输出)和发电机的励磁电流 IFD，其输出为施加给主发电机的励磁电压 EFD，总体上通过 PID 控制器调节励磁电压。

　　励磁系统模型参数中，TE 为电气时间常数，参数 SE 等效了不同励磁电压情况下磁场饱和的影响，参数 KD 反映了电枢去磁的影响，参数 KC 模拟了整流器导致的换相压降的影响，参数 KE反映了变阻器分压的影响(方便起见通常取 1)，FEX 为整流系数。有关参数的计算方法如下[6]。

　　(1)计算饱和系数 SE

　　通过图 4 空载特性曲线示意图。

　　2 基于模型的仿真

　　2.1 稳定负载下机组的运行状态

　　根据实际运行情况，通过 Rselect 选择运行方式为同步运行即恒转速模式，通过 Flag 选择燃气为纯气体，其排放量与转速无关。首先得到机组在 8 MW 有功负荷(约 0.51pu)负载下启动后稳定运行时机组转速 n、发电机端电压 Vt、励磁电压 Vf、燃气轮机输出功率 Pm、燃气消耗量 Fout 的变化曲线如图 5 所示。

　　2.2 有功负荷阶跃变化时机组的响应

　　假设 10 s 时有功负荷阶跃增加 0.5 MW，机组转速 n、发电机端电压 Vt、励磁电压 Vf、燃气轮机输出功率 Pm、燃气消耗量 Fout 的瞬时变化曲线如图 6 所示。

　　有功负荷阶跃增加时，机组转速降低约 0.3%，端电压降低 5%，励磁电压增加约 15%，但均在 1 s 内恢复到正常情况，在稳定时励磁电压增加约 1%;燃气机输出机械功率和燃气排放量平缓增加，经 1 s 左右升高到新的稳定值，二者变化趋势基本一致。

　　另外，为反映正常运行时燃气轮机的控制过程，图 7 给出了 fsrr 与 fsrt、fsra、fsrn 的对比图。机组启动阶段，由加速度控制器发挥作用，而稳定运行情况下 fsrn 通过低值选择器作为燃气阀的控制信号控制燃气阀的开度从而控制燃气的使用排放量。

　　2.3 无功负荷阶跃变化时机组的响应

　　假设无功负荷在 10 s 时阶跃增加 0.5MVar，机组转速 n、发电机端电压 Vt、励磁电压 Vf、燃气轮机输出功率 Pm、燃气消耗量 Fout 的瞬时变化曲线如图 8 所示。

　　机组转速、端电压瞬间轻微波动，励磁电压增加约 25%，但在 1 s 内就能恢复到正常运行的情况;与有功负荷增加的动态过程不同的是，达到稳态时，励磁电压增加约 3.8%，用以增加机组无功功率的输出，而燃气轮机输出功率只用于调节发电机有功功率，因此恢复到负荷突变前的稳定值。

　　2.4 过载时机组的响应

　　假设机组的有功负荷在 10 s 时阶跃增加至过载，得到图 9 示 fsrr 与 fsrt、fsra、fsrn 的对比图，由此可以看出，过载情况下，由温度控制器发挥作用，此时 fsrr 跟随 fsrt 的变化，保证温度在限值以下。

　　3 结束语

　　通过前述研究内容，得到以下成果：

　　(1)以锦州 25-1 南 CEPF 海上石油生产平台投入运行的燃气发电机组参数为算例，搭建较精细的通用模块化燃气发电机组模型。其中，燃气轮机基于 GGOV1 调速结构，励磁系统基于 AC8B 结构;

　　(2)通过对模型中 Rselect 和 Flag 取值的选择，可以使模型机组据实际情况运行在不同模式下;

　　(3)通过对有功功率、无功功率突变的动态过程以及过载状态进行仿真，得到机组转速、发电机电压、励磁电压、燃气轮机输出机械功率、燃气消耗量的变化情况，以及燃气轮机不同控制部分输出的控制信号的对比。仿真结果说明模型能够较为直观地反映负荷发生动态变化时，机组各物理量之间的联动变化关系，验证了模型的普适性。——论文作者：徐蕴镠，杨凯

　　参 考 文 献

　　[1] Hossein Balaghi Enalou, Eshagh Abbasi Soreshjani. A Detailed Governor-Turbine Model for Heavy-Duty Gas Turbines With a Careful Scrutiny of Governor Features[J]. IEEE Transactions on Power System, 2015, 30(3): 1435-1441.

　　[2] Stefano Massucco, Andrea Pitto, Federico Silvestro. A Gas Turbine Model for Studies on Distributed Generation Penetration Into Distribution Networks[J]. IEEE Transactions on Power System, 2011, 26(3): 992-999.

　　[3] Teimour Hosseinalizadeh, Seyed Mahmoud Salamati, Seyed Ali Salamati. Improvement of Identification Procedure Using Hybrid Cuckoo Search Algorithm for Turbine-Governor and Excitation System[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2019, 34(2): 585-593.

　　[4] 赵茜, 瞿文慧, 姜建国. 在混联电网环境下大型汽轮发电机组机网耦合次同步振荡特性仿真研究[J]. 电测与仪表, 2016, 53(22): 6-11.Zhao Qian, Zhai Wenhui, Jiang Jianguo. Simulation study on subsynchronous oscillation character of large steam turbine generators in the hybrid transmission network environment[J]. New Energy, 2016, 53(2): 6-11.

　　[5] 李四勤, 王峰, 赵晓东, 等. 换相失败后水轮发电机的频率响应特性分析[J]. 电测与仪表, 2017, 54(24): 17-23. Li Siqin, Wang Feng, Zhao Xiaodong, et al. Frequency response characteristic analysis of hydraulic turbine after commutation failure[J]. New Energy, 2017, 54(24): 17-23.

文章名称：海上平台燃气发电机组模块化建模与分析

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