海上平台燃气发电机组模块化建模与分析
时间：2023-03-01 09:40:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
徐蕴镠，杨凯
(华中科技大学 电气与电子工程学院， 武汉 430074)
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[1]。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[4-5]提出两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。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]提出利用发电机组励磁调差系数优化整定策略来改善高耗能点负荷接入带来的不利影响。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，文中建立了基于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，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，文章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。
1.1 燃气轮机模型
图1为机组调速结构的基本结构示意图。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[10]。
图1 燃气轮机结构示意图
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[11]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[12]。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。
表1 控制器控制特性表
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。
图2 GGOV1通用型燃气轮机仿真模块示意图
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。燃气轮机输出功率与燃气消耗量之间的关系如下：
Pm=Kturb(Wf-Wfnl)
(1)
式中Pm为输出的机械功率；
Kturb为透平环节增益常数；
Wf为燃气实际消耗量；
Wfnl为空载时的燃气消耗量。
与1983年提出的传统的Rowen模型[13]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[14]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[15]。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。
表2 控制器控制特性表
图3 AC8B励磁系统模型结构
(1)计算饱和系数SE。
图4为空载特性曲线示意图。根据运行点励磁电压EFDX，得到运行点励磁电压对应气隙线和空载特性曲线下的励磁电流点，结合下式即可求出饱和系数SE：
(2)
在进行励磁系统模型计算时，需将饱和系数以数学表达式形式表示，其表达式有多种，其中之一如下：
SE=C1eC2EFD
(3)
式中C1和C2为待定系数。
饱和系数的确定应考虑到励磁机工作点的变化，通常会根据最大强励电压点EFDmax和0.75倍最大强励电压点0.75EFDmax的饱和系数求得式(3)中的待定系数并由此得到饱和系数的数学表达式。
图4 空载特性曲线
(2)计算整流器换相压降系数KC。
(4)
(5)
(6)
(7)
(3)计算电枢反应系数KD。
计算电枢反应系数KD如式(8)所示：
(8)
式中EFD为额定励磁电压；
SE0为励磁电压为额定值时的饱和系数；
VE为额定励磁电流下对应到控制特性曲线上的电压值。
(4)计算整流系数FEX。
为了方便计算，对应不同的换相状态，得到整流系数FEX的计算式如下：
(9)
(10)
表3为对励磁系统各部分参数的具体取值情况。另外，已知在标幺值为1.0的情况下对应励磁系统输出励磁电压为34 V，额定励磁电流为257.8 A。
表3 励磁系统参数取值
1.3 主发电机模型
主发电机AMS900LH的参数如表4所示。该发电机为常规励磁同步电机，并在算例中使用常规的基于“xad”的标幺化模型，仿真过程中直接使用库中已较为完备的标准标幺化同步电机模块。
表4 主发电机参数取值
至此，已完成了燃气发电机组模型的建立，并列出了海上平台投入运行机组的参数。
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0.51 p.u.)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。
图5 稳定负载下机组的运行状态
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。
图6 有功负荷增加时机组的动态响应
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。
图7 控制器输出信号对比(1)
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0.5 Mvar，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的瞬时变化曲线见图8。
图8 无功负荷增加时机组的动态响应
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9fsrr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。
图9 控制器输出信号对比(2)
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。
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