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1、控制工程!#$%&#()#*%)#(+!,)#-.-/0 1 1 23&456，7460112年8月第56卷第6期文章编号：5295:9;（0112）16:109;:1收稿日期：011:55:50；收修定稿日期：011:50:61基金项目：国家“;26”重大专项“微型燃气轮机控制及电力变换系统”资助项目（0110=816101）；国家自然科学基金资助项目（21608655，210999:），男，辽宁阜新人，博士研究生，主要研究方向为混杂系统控制与智能控制等；张化光（58:），男，教授，博士生导师。微型燃机控制系统设计中的几个问题杨德东，张化光，邓玮（东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳55
2、111）摘要：详细介绍了 511?微型燃气轮机控制与电力变换系统的设计方法，针对微型燃气轮机控制系统设计中存在的几个主要问题进行了分析和综述。根据燃气轮机数学模型具有多变量、强干扰、参数时变的特点采用单神经元控制器对转速进行闭环控制，分析了回热器等辅助设备控制的耦合关系，对软启动斩波控制、电池控制和逆变、并网控制的工作原理进行了详细的介绍，并按照工况的需求提供了控制方法。讨论了控制器参数设计对系统性能的影响，对研究的结果进行了仿真和实验，并对燃气轮机控制技术的发展做了总结和展望。关键词：511?微型燃气轮机；电力变换系统；转速控制；逆变和并网控制中图分类号：AB 09文献标识码：=C#DE*B
3、%F&*EG+.)H%AI%F)#*!#$%&D/G$*E J*G)(#!#$%&:()*，+,#$,-.:*-.)*，%/#$0&1（DH,&+K#+%E-$)#DH)*#H*-#L#()#*%)#(，7%$,*-G$*%#M#)N*%G)$/，D,*#/-#(55111，!,)#-）!#$%&$：A,*L*G)(#+511?E)H%(-G$I%F)#*H#$%&-#L OP*%$%-#G+%E G/G$*E)G L*N*&O*L)#L*$-)&4 DE*O%F&*EG-%*-#-&/Q*L-#L(*#*%-&)Q*L+%E)H%(-G$I%F)#*H#$%&G/G$*E L*G)(#4=H
4、H%L)#($,*G*+*-$I%*G P)$,EI&$)N-%)-F&*，G$%#(L)G$I%F-#H*-#L$)E*:N-%)*L O-:%-E*$*%G)#(-G$I%F)#*E-$,*E-$)H-&EL*&，$,*G)#(&*#*I%#H#$%&*%)G IG*L$H#$%&N*&H)$/4 A,*HIO&)#(+-#H)&-%/L*N)H*H#$%&P)$,%*,*-$*%)G-#-&/Q*L4 A,*$,*%)*G+G+$:G$-%$IO-#L H,OO)#(H#$%&，F-$*%/H#$%&，)#N*%$)#(-#L E*%()#(H#$%&-%*)#$%LIH*L-#L$,*
5、H#$%&E*$,LG-%*O%N)L*L)#$*%EG+$,*O*%-$)#(H#L)$)#%*RI)%*E*#$G4 K$)G%*N)*P*L$,-$,*O*%+%E-#H*)G-+*H$*L F/$,*O-%-E*$*%G+$,*L*G)(#*L H#$%&*%4 A,*GIEE-%/-#L O%GO*H$+$,*%*G*-%H,%*GI&$G-%*()N*#4()*+,%-#：511?E)H%(-G$I%F)#*；OP*%$%-#G+%E G/G$*E；N*&H)$/H#$%&；)#N*%$)#(-#L E*%()#(H#$%&.引言微型燃气轮机发电机组是新一代分散式供电设备，被广泛的
6、应用于能源、电力、航空航天、舰船、车辆以及军事领域；其具有效率高、可靠性高、寿命长、低噪声、质量轻、体积小、低污染、及多台集成扩容等一系列优点，被我国“;26”高科技计划列入重点研制发展的攻关课题。本文针对微型燃气轮机控制系统设计中存在的几个主要问题进行了分析和综述。详细介绍了燃气轮机转速闭环控制，回热器等辅助设备控制，软启动斩波控制，电池控制和逆变及并网控制几个关键控制单元的构造和设计过程。/微型燃机控制系统总体设计概述根据对系统性能要求的分析，整个系统采用集散控制形式，采用现场总线为核心建立局域通讯网，完成数据交换和集散控制功能。考虑系统对于数据处理速度和精度的要求，各子系统均选用高速的处
7、理芯片作为核心控制芯片，系统按照功能可分为燃机控制部分和电力变换部分。系统总体结构图如图 5 所示。图.系统总体结构图控制系统结构图中，燃气轮机转速闭环控制、回热器等辅助设备控制属于燃气轮机控制部分；而软启动斩波控制，电池控制和逆变及并网控制则属于电力变换部分。燃气轮机控制系统结构如图!所示。图!燃机控制系统结构图设计中几个问题的研究）燃气轮机转速闭环控制燃气轮机转速控制是燃机控制的重要组成部分。功率转速调节模块使用串口接收逆变单元测量的电功率!，再与压气机转矩变化量对应的功率!求和，其结果作为!#函数发生器功率输入信号!$。功率输入信号!$进入!#函数发生器后，按照功率#转速最佳运行曲线输出
8、速度输入信号。速度传感器检测到的发电机速度信号，经处理后得到速度反馈信号与速度输入信号的差值作为燃气轮机转速调节控制器的输入信号。目前常规$%&控制器仍在工业过程控制中占有很大的比例。根据被控对象的不同，适当地调整$%&参数，在系统模型为非时变的情况下可以获得比较满意的控制效果，并且鲁棒性很强。但当一个调好参数的$%&控制器用到模型参数时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。另外，在对$%&参数进行整定的过程中，$%&参数的整定值是具有一定区域的优化值，而不是全局的最优值，因此该控制方法不能从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。燃气轮机控制系统是一个具有多变量、强干扰、参数时变的系统，其主要
9、控制量功率、转速、回热器的回热度以及进入透平的温度等存在严重的相互耦合，!。在燃机发电过程中，当发电量一定时，针对不同热焓量的燃料，需要的燃料流量也是不同的，系统各部分参数值也不尽相同，采用常规$%&控制器无法达到高性能的控制。文献 针对燃气轮机控制系统数学模型的复杂性和不确定性，采用常规的模糊控制器实现了燃气轮机的转速调节，但由于模糊控制器的设计常常需要很多实际的操作经验，并且需要辨识的参数较多，因此实现和调试工作比较复杂。由以上分析可知，选取具有在线自适应学习能力、结构简单的速度主控制器对于燃气轮机转速控制是可行的，也是很必要的。在此采用单神经元$%&控制器作为燃气轮机转速控制的主控制器，
10、通过神经网络对$%&参数进行在线动态调整，以适应系统的时变性，确保系统的稳定性、快速性和准确性。单神经元$%&控制器是一种前向线性神经元网络，控制器学习算法采用在线训练形式，根据其特点设置其准则函数，学习规则采用!学习规则或其他改进的学习算法，自动调整网络权值和阈值(，)。神经元产生的控制信号由比例控制（$）、积分控制（%）和微分控制（&）三部分组成。网络权值通过学习策略不断地进行修正，直到目标函数小于一定误差时，系统达到稳定。此时达到对控制器比例（$）、积分（%）、微分（&）参数的动态调整。!）回热器等辅助设备控制回热器等辅助设备控制也是微型燃气轮机系统的重要组成部分。其中回热器的控制是通过
11、调整主动阀和旁路阀的开度来控制尾气与清洁空气的热交换率（即回热度）来进行的，从而控制由压气机进入燃烧室气体的温度和尾气的温度，提高了能源利用率。回热器的回热度可表示为%*（$!+$,!）-（$(+$,!）式中，$!为回热器出口空气温度；$,!为回热器入口空气温度；$(为回热器入口燃料尾气温度。给定回热器回热度与从现场总线接收的温度信号（$!，$,!，$(）比较，求得的实际回热度%&的偏差作为回热器调节模块的输入量%，经过控制器，将偏差信号转变成与阀开度成比例的(.!/01电流信号，由电流信号控制回热器阀门的开度，完成系统的闭环控制。微型燃机发电时，需要向燃机供给燃料，提供的燃料分为气体燃料和液
12、体燃料。在燃料供给压力保持恒定的情况下，通过调节燃料调节阀的截面积即可改变向燃烧室提供的燃料量，从而能够调节整个系统的输出功率。在此情况下，输出燃料量只与燃料调节阀的截面积有关，燃料调节阀开得越大则系统输出功率越大；同理，燃料调节阀开得越小则系统输出功率越小。因此，燃料压力保持恒定是非常重要的。由于各种燃料的热焓量值不同，所以要求的燃料泵出口压力也各不同。系统运行时，一旦某一种燃料及其热焓量值被选定后，燃料泵出口压力也输出对应的恒压力值。当系统工作时，首先选定某一种燃料及其热焓23!第 期杨德东等：微型燃机控制系统设计中的几个问题量值，通过中央控制单元下传对应的燃料恒压力控制器的压力给定值；然
13、后，实时检测燃料泵后压力值，通过压力控制器对燃料压力进行调节，以保持燃料泵恒压力输出。当燃机系统输出功率需要增加时，应增大燃料调节阀截面积，此时，燃料泵出口压力下降，可通过压力控制器控制变频器驱动燃料泵增加转速，使燃料泵出口压力重新稳定在压力给定值。带回热器的微型燃气轮机的负荷与排气温度之间是紧密联系的，从机组的外特性来看，它有两个操作量，即燃料量!和回热度#$。一方面，当燃料量!增大时，燃机的输出功率%和燃烧室温度&!均会上升；另一方面，回热度#$的变化也会影响系统输出功率%和燃烧室排气温度&!。经过分析表明，燃机回热控制存在耦合关系，可以采用#$神经元网络对其进行解耦控制%。通过选择恰当的
14、网络拓扑结构，采用反向传播算法调整神经元的权值最终达到解耦的目的。&）软启动斩波控制(的软启动控制拟采用变压变频控制（)*+控制）,。)*+控制启动可以随意调节启动时间，满足系统启动时间的要求；启动电流小，可以减小对整流桥的冲击；可以根据(的结构特点设定相应的 加速曲线，满足(的启动特性的要求，同时可以防止失速的情况发生，这对于(是非常重要的。由零转速到达点火条件转速时，燃机为(的纯负载，不对外做功。因此在此升速范围内，)*+可以为恒定值。在零转速时加入力矩补偿。在到达点火条件转速时，燃机点火。此后，燃机开始做功，和软启动单元一同带动(升速。随着燃机转速的不断提升，到达自持运转转速后，燃机自持
15、运转，软启动结束。逆变器为了实现输出三相对称&-)、.-/0 的交流电压，要求直流电压稳定在,1-)。这个电压由同步发电机交流信号整流得到。由于发电机在不同工况下变速运行，整流电压是变化的，所以要求直流斩波器具有升降压功能，将直流母线电压稳定在,1-)。对斩波器的控制，根据超调小于稳态电压的.!、调节时间小于 2-34、稳态误差小于斩控目标电压,1-)的 5.!等性能指标的要求，采用了便于数字化调节的增量式#$控制，并通过对#$控制器的优化设计和参数整定实现了系统对上述性能指标的要求。.）电池控制电池控制的作用是提供系统启动和自身维持运行的能量，并进行能量转换。它是通过升降压斩波控制和智能控制
16、完成的，包括如下几个部分。!智能充电控制根据蓄电池的容量状态选择充电规律。充电的第一阶段，采用均流充电方式，根据电池的内阻的变化，逐渐增加充电电压，以维持稳定的充电电流，实现快速充电。第二阶段，维持给定的充电电压，进行均压充电，在充电电流逐渐降低到给定值时，电池容量基本恢复。此时留有裕量，以实现对直流母线电压突变进行缓冲。瞬间电力负载管理为减少蓄电池的充放电次数，延长其使用寿命，在不影响直流母线恒定电压的最大极限内不进行控制，而由其他控制子系统进行响应调整。蓄电池控制子系统将采用传统#$控制方法，并结合死区控制方法。通过对检测的直流母线电压值进行周期采样计数，当母线电压的波动持续超过给定范围一
17、定时间时，蓄电池控制系统才进行动作。#温度补偿检测环境温度并根据环境温度的反馈信号，由微处理器发出充电电压给定值和充电电流给定值的补偿信号。$放电保护检测蓄电池的放电电流，并根据放电电流反馈信号的大小，决定蓄电池所允许的放电末期电压值。当蓄电池组的端电压低于所允许的放电末期电压值时，由微处理器发出保护信号，切断放电电路，停止蓄电池组对负载供电。%电池活化与自测试长期闲置不用，需定期对蓄电池进行活化充放电控制，同时测试蓄电池组的实际容量。%）逆变及并网控制逆变功率电路主要由#6789 逆变桥、电力滤波器组成。对输入为,1-)（5&-)）的直流电压进行逆变、滤波，形成符合国家供电标准的三相四线制电
18、压。其主要功能为通过对直流母线电压、零线电流、:2相电流、:1相电流、:!相电流、:2相电压、:1相电压、:!相电压进行检测，形成闭环系统；通过控制算法改变;波形，控制#689 的开关，完成逆变功能；再经过电力滤波器滤波，提供满足用户要求的输出电压。设计中采用中性点可控的方式，增加一个桥臂以直接控制中性点电压，并产生中性点电流注入负载。所增加的一个自由度，使三相四线逆变单元可以产生三个独立的相电压，从而有能力在不平衡和非线性负载时维持三相输出相电压的对称。系统三相电压通过正弦脉冲宽度调制（(;）控制器形成闭环回路，进行稳态闭环控制，控制器-1控制工程第 2!卷的参数可以通过设计或试验得出。并网
19、运行工作方式是微型燃机发电机组采用的整流!逆变输出方式，决定了其并网技术不能采用常规电站（发电机直接并网）并网方式。所以在并网时，检测电网及系统参数、处理这些参数和实施对输出逆变装置的控制等环节与一般的发电机并网是不同的。一般发电机并网是通过调节发电机的转速和励磁来改变电压的幅值、频率、相位，而本系统是通过调节内部控制电路来改变系统的电压幅值、频率和相位；并且一般发电机并网后就能做到同步跟踪，不易脱网，而本系统并网后需要实时检测电网和系统输出电压。微型燃机发电机组并网前，由逆变环节控制器检测外网电参数：电压、频率、相位，以此调整微型燃气轮机发电机组输出的电参数，使之与外网完全同频同步，且电压幅
20、值相等，即实现同期并网，正常调整时间不多于#$%。并且在并网状态下还需要对系统输出进行实时控制，以保证输出与电网同频同步。!应用分析与综合在仿真和试验过程中发现，控制器的参数设计对系统性能有较大的影响。对于单神经元控制器，其离散时间!与比例系数 对于系统的性能有着较大的影响。当离散时间!过长时，系统有可能出现发散现象；单神经元的比例系数 越大则系统收敛速度越快，但超调量较大，甚至出现不稳定状态；如果 过小，则超调量减小或无超调，但系统收敛速度变慢。对于其他控制器来说，如果初始化参数取得恰当，则系统会最终稳定并且收敛的速度较快；但如果取得不好则会出现超调，最终会导致系统发生振荡。综上所述，设计并
21、应用结构简单、具有更强在线学习能力的鲁棒控制器是燃气轮机控制技术发展的关键所在。结语本文对微型燃气轮机控制系统设计中的几个问题进行了分析和概述，分析了它们的基本工作原理，并按照系统工况的需求提供了相应的控制方法。可以预见，在不久的将来，针对燃气轮机控制系统数学模型的不确定性和参数时变的特点，会有更多的智能控制方法被应用于燃机控制中。参考文献：$翁史烈&燃气轮机与蒸汽轮机&上海：上海交通大学出版社，$()&*+,-./0 1&23456373.8 49:;.49:3?8A:?B9%:A=C3/.%D&D E/B3/.=3/B 7,=F,-.=，G2E，$(HI，$J：H)JH)(&I 郭霞，刘尚
22、明，韦思亮&发电用单轴燃气轮机的模糊控制 D&清华大学学报（自然科学版），*，K（$）：IIK&K 王永骥，涂健&神经元网络控制&北京：机械工业出版社，$(&J L9?M3/2&N.A=96/.:-,=M%：9.7,A/89:3,/（%.,/8.83:3,/）&北京：清华大学出版社，*$&)舒怀林&F1O 神经元网络多变量控制系统分析 D&自动化学报，$(，*J（$）：$J$&P F.=.=9 F O Q，R699CS.=B T，F.8.=%./D U，#$%&G%./%,=6.%，%:9C6.VW7,/:=,6 4.:;,8 7,=5.=49/./:49B/.:%?/.%D&1EEE X=9
23、/%,/1/8 G55633;O，#$%&X;=.834./%3,/96%59.,6:9B.%,A=.=:.=%D&1EEE X=9/%,/F,-.=E6.:=,，*，$P（I）：!I$KI*)&（上接第*页）#结语!该系统实现了按轧制作业计划自动监控整个生产加热过程，执行合理的热工制度，解决了四 班加热操作不统一的问题，稳定了加热工艺，提高了加热质量。通过监测煤气热值变化及残氧含量变化，实现最佳空燃配比，提高了燃烧效率同时减少了烟气对环境的污染问题。#实时控制与预测控制的智能化判断和计算，杜绝了因加热造成停轧待轧。$综合考虑了轧制节奏变化、开轧温度变化，燃料热值变化、炉压变化、冷热长短坯混装
24、、待轧、停轧引起的炉温、炉况的波动，保证了轧线状况的顺行，延长了加热炉的使用寿命。%相关参数绘制历史趋势，并具有按班、批、小时统计、查询功能，完善了统计分析的功能。&实现了与管理网的远程监控和资源共享。参考文献：$吴彬，陈海耿，等&连续加热炉三元在线控制数学模型D&工业炉，$(，*$（$）：$P)$H&*李义科，等&加热炉计算机控制系统的研究与开发（1）D&包头钢铁学院学报，*，$(（K）：*(*(J&I 石纯一，黄昌宁&人工智能原理&北京：清华大学出版社，$(I&K 马科夫斯基 R G&高家锐译&加热炉控制算法&北京：冶金工业出版社，$(HJ&J 杨晔，等&宝钢热轧厂步进式加热炉计算机过程控制与优化 D&冶金能源，$(J，(（$）：K(J*&)董伟，等&加热炉加热过程动态操作数学模型 D&工程物理学报，*I，I（$）：I$*I$H&$H*第 I 期杨德东等：微型燃机控制系统设计中的几个问题