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摘 要：针对联合循环机组负荷控制系统难以适应新制定的AGC考核标准要求，分析研究现有负荷控制系统，重新建立联合循环机组负荷被控对象模型。同时，调整燃气轮机燃料指令计算回路，进行仿真试验和现场试验。试验结果表明，改进后控制方案对联合循环机组的负荷控制取得良好的控制效果，具有较高的实际应用价值。
关键词：燃气轮机；负荷控制；分析；改进
当今社会，人类面临越来越严重的环境问题，传统的火力发电机组倍受争议。国家正积极加快众多清洁能源电站的建设，燃气—蒸汽联合循环发电机组以其整体循环效率高、环境污染小、单位投资低、调峰性能好、占地少和建设周期短这六大优势，逐步受到国家的重视。以江苏省为例，截止2013年6月，江苏已建成投产的燃气轮机总容量达到3180MW，约占全省装机总容量的5%，因此，保证联合循环机组实发功率跟踪电网AGC指令具有重要的意义。江苏电网新制定的AGC考核标准有以下四点要求：
（1）联合循环发电机组满足AGC升、降负荷速率的绝对值大于5%Pe/min；
（2）机组响应一次调频的时间不超过3s；
（3）机组达到75%扰动幅度的响应时间小于15s；
（4）机组响应一次调频45s内平均调节负荷能力大于2%Pe，其最终负荷稳定时间小于1min。
针对上述的考核标准，以9E型燃气轮机为例，原有的Mark VI负荷控制系统难以适应新制定的考核标准。通过对Mark VI负荷控制系统进行分析研究，本文对燃气轮机负荷被控对象重新建模，并改进燃气轮机燃料指令计算回路。在Matlab/Simulink仿真环境下以及实际现场应用中，对新设计的联合循环机组负荷控制系统进行仿真，结果表明，新设计的机组负荷控制系统能够较好地达到考核标准要求。
1.机组负荷控制系统模型
以某电厂180MW联合循环机组为例，其9E型燃气轮机简单的控制回路分为温度控制回路、转子转速控制回路和转子加速度控制回路三部分[1][2]。在正常运行工况下，对燃气轮机负荷调节性能具有重要影响的控制回路是燃气轮机转子转速控制回路。而且，目前普遍采用的都是机理模型，机理建模较为复杂，计算量大，在现场实际应用时存在较大的偏差。因此，针对上述情况，并结合现场经验，本文提出将传统的控制系统中的重要参数，如燃气轮机排气温度、转子转速等僅作为安全参数。建立以燃气轮机燃料阀开度（U1）和汽轮机入口调节阀开度（U2）为输入，燃气轮机实发功率（N1）、汽轮机实发功率（N2）为输出的机组负荷控制系统模型。
由于机组在不同负荷点时，其模型参数有所差异，因此，本文在110MW低负荷点和165MW高负荷点进行建模，通过相应的开环阶跃响应试验，得到了相应的输出变化数据。由于现场采集过程中，存在各种信号噪声的干扰，采用广义最小二乘法来对试验数据进行系统辨识。辨识后的模型列表如表1所示。
在Matlab/Simulink仿真环境下，对上述模型进行验证，利用广义最小二乘法拟合出的机组负荷被控对象模型精度较高，符合实际控制应用中的模型精度要求。
2.燃气轮机燃料指令计算回路
2.1原有燃料指令计算回路
在燃气—蒸汽联合循环机组负荷控制系统中，燃气轮机的实发功率占主导地位。因此，燃气轮机的燃料指令计算回路在整个机组负荷控制系统中显得尤为关键。
目前，Mark VI控制系统中，其燃料指令计算回路原理示意图如图1所示[3][4]。由于其计算回路中含有PID调节器，称之为带有PID控制器的燃料指令计算回路。
电网侧的AGC指令通过相应的限幅和限速操作后，将信号作为联合循环机组的负荷指令，也即PID调节器的设定值，汽轮机和燃气轮机的实发功率之和作为PID调节器的反馈量，经过PID计算后，其输出加上联合循环机组负荷指令的前馈量，再叠加上一次调频负荷后，作为燃气轮机的负荷设定值通过硬接线送至燃气轮机侧进行负荷控制。这即是带有PID控制器的燃气轮机燃料指令计算回路。
但是，现有的燃料指令计算回路存在以下缺陷：
（1） 汽轮机实发功率稳定时间较长，从而使得机组实发功率难以在较短时间内稳定。
（2） 燃料指令计算回路结构复杂，需要整定的控制器参数较多，如AGC负荷指令前馈增益K、PID控制器参数等。
上述传统的燃料指令计算回路的不足造成燃气—蒸汽联合循环机组负荷难以达到新制定的AGC考核标准要求。对部分联合循环机组进行升、降负荷性能试验。结果表明，现有的负荷控制系统难以达标[5]。
2.2燃料指令计算回路的改进
针对现有的燃料指令计算回路存在的问题，本文设计提出一种改进的燃料指令计算回路，其原理示意图如图2所示。由于其计算回路中取消PID控制器，因此，称之为无PID控制器的燃料指令计算回路。
由图2的控制策略不难发现，其主体思想借鉴传统的火力发电机组机炉协调的方法，联合循环机组中，汽轮机调节负荷能力较差，因此，汽轮机的入口调节阀确保汽轮机的主蒸汽压力波动较小。根据燃气轮机调节负荷速率快，响应时间短的特点，联合循环机组的负荷调节主要依靠燃气轮机的负荷控制回路，即可在很短的时间内保证机组负荷达到AGC指令要求。
无PID控制器的燃料指令计算回路，其自身结构简单，并省略AGC负荷指令前馈增益K、PID控制器参数的整定，极大地简化了燃料指令计算回路。
2.3燃气轮机负荷控制回路参数改进
燃气轮机燃料阀开度的控制器采用的是带有死区的指令累加控制器，具有明显的不足，这在仿真试验中无法体现。因此，本文设计提出改进燃料阀开度的控制器，采用快速积分控制器进行替代。快速积分器的引入，无需设置负荷偏差死区，提高调节精度；此外，当积分器入口的燃气轮机负荷偏差减小时，指令调节速率会相应减缓。依据负荷偏差的大小来调整控制器指令的快慢，能有效地防止燃气轮机负荷的超调。 3.试验比较
为比较上述改进后的机组负荷控制系统与现有的负荷控制系统的控制效果，在Matlab/Simulink仿真环境下，拟做以下仿真试验。机组负荷稳定在110MW和165MW时，分别进行负荷升、降试验，变化速率为9MW/min。同时，负荷指令中叠加特定的一次调频指令信号，
由仿真试验结果比较可知，改进后的联合循环机组负荷控制系统的控制性能在升、降负荷速率时有了明显的提升，能够较好地跟踪AGC指令。同时，在一次调频指令扰动的情况下，改进后的机组实发功率仍能较好地跟踪负荷指令，且没有超调。
将上述的改进措施应用于实际生产过程中，其运行的试验曲线如图3所示。
实际运行数据表明，改进后的机组负荷控制系统明显改善机组的负荷性能，能够较好地达到新制定的考核标准要求。
4.结论
本文分析传统联合循环机组负荷控制系统的缺陷，重新设计机组负荷被控对象模型，对燃气轮机的燃料指令计算回路进行调整，并对实际控制器进行调整，设计出切实可行的负荷控制系统改进方案。分别在Matlab/Simulink仿真环境下以及实际应用中进行验证，机组的控制效果均得以明显改善，能够较好地跟踪负荷指令，达到考核标准要求。该改进措施易于工程实现，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]Rowen I W.Simplified mathematical representations of single shaft gas turbines in mechanical drive service[J].Turbo machinery Int，1992（8）：26-32.
[2]Rowen I W.Simplified mathematical representations of heavy-duty gas turbines[J].Journal Engineering of Power，1983（105）：865-869.
[3]楊惠新.燃气轮机控制系统MARK VI介绍[J].华东电力，2004（8）：58-60.
[4] 李勇辉.GE燃气轮机MARK VI控制系统研究及调试[D].浙江大学，2007.
[5] 江苏方天电力技术有限公司.燃气轮机AGC和一次调频的技术方案[R]，2013.
关键词：燃气轮机；负荷控制；分析；改进
当今社会，人类面临越来越严重的环境问题，传统的火力发电机组倍受争议。国家正积极加快众多清洁能源电站的建设，燃气—蒸汽联合循环发电机组以其整体循环效率高、环境污染小、单位投资低、调峰性能好、占地少和建设周期短这六大优势，逐步受到国家的重视。以江苏省为例，截止2013年6月，江苏已建成投产的燃气轮机总容量达到3180MW，约占全省装机总容量的5%，因此，保证联合循环机组实发功率跟踪电网AGC指令具有重要的意义。江苏电网新制定的AGC考核标准有以下四点要求：
（1）联合循环发电机组满足AGC升、降负荷速率的绝对值大于5%Pe/min；
（2）机组响应一次调频的时间不超过3s；
（3）机组达到75%扰动幅度的响应时间小于15s；
（4）机组响应一次调频45s内平均调节负荷能力大于2%Pe，其最终负荷稳定时间小于1min。
针对上述的考核标准，以9E型燃气轮机为例，原有的Mark VI负荷控制系统难以适应新制定的考核标准。通过对Mark VI负荷控制系统进行分析研究，本文对燃气轮机负荷被控对象重新建模，并改进燃气轮机燃料指令计算回路。在Matlab/Simulink仿真环境下以及实际现场应用中，对新设计的联合循环机组负荷控制系统进行仿真，结果表明，新设计的机组负荷控制系统能够较好地达到考核标准要求。
1.机组负荷控制系统模型
以某电厂180MW联合循环机组为例，其9E型燃气轮机简单的控制回路分为温度控制回路、转子转速控制回路和转子加速度控制回路三部分[1][2]。在正常运行工况下，对燃气轮机负荷调节性能具有重要影响的控制回路是燃气轮机转子转速控制回路。而且，目前普遍采用的都是机理模型，机理建模较为复杂，计算量大，在现场实际应用时存在较大的偏差。因此，针对上述情况，并结合现场经验，本文提出将传统的控制系统中的重要参数，如燃气轮机排气温度、转子转速等僅作为安全参数。建立以燃气轮机燃料阀开度（U1）和汽轮机入口调节阀开度（U2）为输入，燃气轮机实发功率（N1）、汽轮机实发功率（N2）为输出的机组负荷控制系统模型。
由于机组在不同负荷点时，其模型参数有所差异，因此，本文在110MW低负荷点和165MW高负荷点进行建模，通过相应的开环阶跃响应试验，得到了相应的输出变化数据。由于现场采集过程中，存在各种信号噪声的干扰，采用广义最小二乘法来对试验数据进行系统辨识。辨识后的模型列表如表1所示。
在Matlab/Simulink仿真环境下，对上述模型进行验证，利用广义最小二乘法拟合出的机组负荷被控对象模型精度较高，符合实际控制应用中的模型精度要求。
2.燃气轮机燃料指令计算回路
2.1原有燃料指令计算回路
在燃气—蒸汽联合循环机组负荷控制系统中，燃气轮机的实发功率占主导地位。因此，燃气轮机的燃料指令计算回路在整个机组负荷控制系统中显得尤为关键。
目前，Mark VI控制系统中，其燃料指令计算回路原理示意图如图1所示[3][4]。由于其计算回路中含有PID调节器，称之为带有PID控制器的燃料指令计算回路。
电网侧的AGC指令通过相应的限幅和限速操作后，将信号作为联合循环机组的负荷指令，也即PID调节器的设定值，汽轮机和燃气轮机的实发功率之和作为PID调节器的反馈量，经过PID计算后，其输出加上联合循环机组负荷指令的前馈量，再叠加上一次调频负荷后，作为燃气轮机的负荷设定值通过硬接线送至燃气轮机侧进行负荷控制。这即是带有PID控制器的燃气轮机燃料指令计算回路。
但是，现有的燃料指令计算回路存在以下缺陷：
（1） 汽轮机实发功率稳定时间较长，从而使得机组实发功率难以在较短时间内稳定。
（2） 燃料指令计算回路结构复杂，需要整定的控制器参数较多，如AGC负荷指令前馈增益K、PID控制器参数等。
上述传统的燃料指令计算回路的不足造成燃气—蒸汽联合循环机组负荷难以达到新制定的AGC考核标准要求。对部分联合循环机组进行升、降负荷性能试验。结果表明，现有的负荷控制系统难以达标[5]。
2.2燃料指令计算回路的改进
针对现有的燃料指令计算回路存在的问题，本文设计提出一种改进的燃料指令计算回路，其原理示意图如图2所示。由于其计算回路中取消PID控制器，因此，称之为无PID控制器的燃料指令计算回路。
由图2的控制策略不难发现，其主体思想借鉴传统的火力发电机组机炉协调的方法，联合循环机组中，汽轮机调节负荷能力较差，因此，汽轮机的入口调节阀确保汽轮机的主蒸汽压力波动较小。根据燃气轮机调节负荷速率快，响应时间短的特点，联合循环机组的负荷调节主要依靠燃气轮机的负荷控制回路，即可在很短的时间内保证机组负荷达到AGC指令要求。
无PID控制器的燃料指令计算回路，其自身结构简单，并省略AGC负荷指令前馈增益K、PID控制器参数的整定，极大地简化了燃料指令计算回路。
2.3燃气轮机负荷控制回路参数改进
燃气轮机燃料阀开度的控制器采用的是带有死区的指令累加控制器，具有明显的不足，这在仿真试验中无法体现。因此，本文设计提出改进燃料阀开度的控制器，采用快速积分控制器进行替代。快速积分器的引入，无需设置负荷偏差死区，提高调节精度；此外，当积分器入口的燃气轮机负荷偏差减小时，指令调节速率会相应减缓。依据负荷偏差的大小来调整控制器指令的快慢，能有效地防止燃气轮机负荷的超调。 3.试验比较
为比较上述改进后的机组负荷控制系统与现有的负荷控制系统的控制效果，在Matlab/Simulink仿真环境下，拟做以下仿真试验。机组负荷稳定在110MW和165MW时，分别进行负荷升、降试验，变化速率为9MW/min。同时，负荷指令中叠加特定的一次调频指令信号，
由仿真试验结果比较可知，改进后的联合循环机组负荷控制系统的控制性能在升、降负荷速率时有了明显的提升，能够较好地跟踪AGC指令。同时，在一次调频指令扰动的情况下，改进后的机组实发功率仍能较好地跟踪负荷指令，且没有超调。
将上述的改进措施应用于实际生产过程中，其运行的试验曲线如图3所示。
实际运行数据表明，改进后的机组负荷控制系统明显改善机组的负荷性能，能够较好地达到新制定的考核标准要求。
4.结论
本文分析传统联合循环机组负荷控制系统的缺陷，重新设计机组负荷被控对象模型，对燃气轮机的燃料指令计算回路进行调整，并对实际控制器进行调整，设计出切实可行的负荷控制系统改进方案。分别在Matlab/Simulink仿真环境下以及实际应用中进行验证，机组的控制效果均得以明显改善，能够较好地跟踪负荷指令，达到考核标准要求。该改进措施易于工程实现，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]Rowen I W.Simplified mathematical representations of single shaft gas turbines in mechanical drive service[J].Turbo machinery Int，1992（8）：26-32.
[2]Rowen I W.Simplified mathematical representations of heavy-duty gas turbines[J].Journal Engineering of Power，1983（105）：865-869.
[3]楊惠新.燃气轮机控制系统MARK VI介绍[J].华东电力，2004（8）：58-60.
[4] 李勇辉.GE燃气轮机MARK VI控制系统研究及调试[D].浙江大学，2007.
[5] 江苏方天电力技术有限公司.燃气轮机AGC和一次调频的技术方案[R]，2013.