单轴燃气轮机的多模型预测控制

　　近年来,随着我国实施西气东输工程和开拓可持续发展能源利用新技术,燃气轮机以其起动快、优越的调峰性能在全国快速普及,同时燃机联合循环电厂还具有循环效率高,环境污染小等优点,越来越多的地区兴建了燃气-蒸汽联合循环电厂。为使电厂稳定运行,保持燃机转速稳定在额定值非常重要,研究设计先进的燃气轮机转速控制算法具有重要的意义。燃机是一个复杂的非线性系统,尤其是承担电网调峰任务的机组,其工况经常大范围变化,非线性特性更加凸显,常规PID控制系统的品质会明显变差,在起动、加/减速和并网过程时,转速控制的稳定性和快速反应要求这对矛盾更加明显。本文提出一种基于多模型广义预测控制器,在Matlab/Simulink环境下通过对MS7001E燃气轮机速度控制的仿真,证明了利用这种控制方法设计的控制器,能有效地避免采用单一数学模型不能适应系统工况较大范围内变化,具有较好的调节效果。

　　1　燃气轮机控制模型

　　以MS7001E为研究对象,其简单模型的框图如图1所示,作为控制对象的燃气轮机是一个多变量、具有强非线性的刚性系统,由文献[1]可以看出,系统可划分4个功能模块:燃料供给执行机构和燃烧室模块、转子模块、排气温度测量模块以及压气机进口导叶调整的执行机构模块。这4个模块的状态空间方程分别表示如下:燃料供给执行机构和燃烧室模块可表示为：

　　式中,η1代表温度场的输出信号,Tx代表透平的实际温度,Tm代表透平温度的测量信号,透平及排气系统传输迟延时间常数εtd为0·04s。燃气轮机透平排气温度模块的输入信号为燃料流量信号wf、转速信号n和压气机进口导叶角度αIGV,输出信号为Tm。式(11)代表温度场的数学模型,式(12)代表热电偶的数学模型,额定排气温度设定值Tr=538℃,Tra为实际排气温度设定值。

　　图1表明燃气轮机的控制系统主要包括转速控制系统、加速度控制系统、温度控制系统和压气机进口导叶控制系统。燃气轮机有2个调节量:燃料流量wf和压气机进口导叶开度αIGV)。燃料流量是由转速控制系统、温度控制系统和加速度控制系统通过低选器完成的。文献[2]根据上述燃气轮机控制系统的结构模型,运用Matlab/Simulink工具建立了燃气轮机控制系统的模型,并对其动态过程进行仿真实验。模拟结果与实际过程吻合,表明所选的参数和模型是符合燃气轮机实际情况的。

　　2　多模型广义预测控制器

　　2·1问题的提出

　　在燃气轮机主控系统中,正常的运行情况下转速控制系统的燃料输出值是最小的,即转速控制系统在稳态运行时占主导地位,起调节工况的作用。只有在特殊情况下,温度控制系统和加速度控制系统才投入,保护机组的安全,因此本文仅研究基于燃气轮机转速控制系统的先进控制算法的仿真实验,在实际应用时可以将温度控制和加速度控制处理为对转速控制器输出的限制条件,即当排气温度和加速度超限时限制燃料量的进一步变化,同样达到控制温度和加速度的目的。