燃氣發(fā)動機熱電聯(lián)產機組控制系統(tǒng)研究.pdf

1、小型燃氣發(fā)動機熱電聯(lián)產將能源就地轉換，有效地提供電能和熱能，總能源利用率達85％以上，將會是21世紀能源技術的主流之一。在我國能源日益緊張的情況下，研究燃氣發(fā)動機熱電聯(lián)產機組及其控制系統(tǒng)對于提高能源利用率具有重要意義。 燃氣發(fā)動機熱電聯(lián)產機組控制系統(tǒng)包括了氣體流動、燃燒與膨脹，往復式機械運動，電磁轉換等眾多復雜的瞬變動態(tài)過程，具有時變、非線性和多不確定性干擾等特性。在分析機組運行特性的基礎上，運用非線性控制理論和智能控制理論，詳

2、細研究了機組供電質量相關的頻率控制、勵磁控制、勵磁與頻率調節(jié)相互影響的機理及其解耦控制以及機組余熱回收及其控制等問題，并通過試驗和仿真對提出的控制策略和方法進行了驗證。 1、建立燃氣發(fā)動機熱電聯(lián)產試驗機組，研究了機組結構、燃氣發(fā)動機改裝技術以及控制系統(tǒng)的硬件組成。根據(jù)燃氣發(fā)動機和同步發(fā)電機的運行特性建立了機組的機理數(shù)學模型，然后利用神經網絡對有限試驗結果進行擬合得到機組輸入輸出參數(shù)間的關系曲線，用擬合關系曲線對機理數(shù)學模型參數(shù)進

3、行修正。由此得到了符合機組實際運行特性的機組數(shù)學模型。 2、研究直接以頻率值為反饋，負荷電流為前饋，采取前饋與反饋協(xié)調控制策略，通過步進電機調節(jié)節(jié)氣門開度進行頻率控制的方法。前饋補償采用模糊神經網絡算法(FNN)，以負載電流i及電流變化量ic作為輸入，以步進電機轉動的角度θ為輸出，以反饋控制器的輸出誤差平方和最小為控制訓練目標。反饋控制采用PID神經網絡算法(PID-NN)，設計了PID-NN各層神經元個數(shù)、連接方式、連接權值，

4、同時研究了以系統(tǒng)頻率給定值γ和機組實際頻率輸出值y為輸入，輸出誤差平方和為最小的學習算法。FNN前饋快速反應機組負荷的變化并做出相應的調節(jié)，PID-NN通過自學習，自適應前饋對系統(tǒng)的調節(jié)作用并對系統(tǒng)誤差進一步調節(jié)，減少系統(tǒng)偏差和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。試驗結果表明FNN前饋補償與PID-NN反饋協(xié)調進行頻率控制其效果明顯優(yōu)于PID和模糊控制，能適應機組非線性特性和參數(shù)的變化，減少負荷突變時的頻率穩(wěn)定時間和穩(wěn)態(tài)誤差。 3、研究基

5、于前饋／反饋最優(yōu)控制律的非線性勵磁控制器。研究了非線性系統(tǒng)前饋／反饋(FF／FB)最優(yōu)控制律，是在精確線性化所采用的狀態(tài)變換基礎上，引入非線性前饋環(huán)節(jié)，在輸出y對控制輸入u和對干擾輸入p的關系度相等的情況下，采用非線性前饋／狀態(tài)反饋變換方法來補償可測干擾對系統(tǒng)輸出的影響，將非線性系統(tǒng)變換為基本等價的線性系統(tǒng)，然后通過線性系統(tǒng)最優(yōu)控制理論設計控制器。在非線性勵磁控制器設計中，將發(fā)電機輸入機械功率p<,m>作為勵磁系統(tǒng)的可測干擾進行處理，選

6、擇能很好地控制發(fā)電機端電壓穩(wěn)定和協(xié)調電磁及機械物理量的動、靜態(tài)性能的指標h(X)=△U<,f>+△ω為輸出函數(shù)，證明了這一輸出函數(shù)不能和干擾P塒進行解耦，進而設計了基于FF／FB最優(yōu)控制律的非線性勵磁控制算法。仿真結果表明基于FF／FB最優(yōu)控制律的非線性勵磁控制可以很好地防止由于機械功率的變化而引起的電壓偏差，具有較強的魯棒性，動態(tài)控制性能優(yōu)于非線性解耦勵磁控制及常規(guī)的勵磁控制。 4、研究勵磁與頻率調節(jié)相互影響的機理，提出兩者存

7、在耦合關系，并設計了基于DRNN網絡的勵磁與頻率解耦控制器。研究表明勵磁系統(tǒng)的調節(jié)作用和電磁過渡過程對發(fā)動機調速系統(tǒng)的負荷調節(jié)特性是不利的，而調速系統(tǒng)對勵磁調節(jié)和電磁暫態(tài)穩(wěn)定是有益的。勵磁與頻率解耦控制系統(tǒng)由神經網絡辨識器、控制器和機組組成，辨識器采用結構簡單而有效的DRNN網絡實現(xiàn)，控制器采用PID算法，PID的參數(shù)由DRNN網絡進行調整。機理分析表明基于DRNN-PID的解耦控制能消除機組勵磁與頻率調節(jié)過程中的相互影響，單向解耦試驗

8、結果證明了DRNN-PID解耦控制的可行性和有效性。 5、研究了燃氣發(fā)動機熱電聯(lián)產機組余熱回收換熱器的結構、布置和連接形式，冷卻系余熱采用板式熱交換器，煙氣余熱采用排氣套管換熱器和二級管殼式換熱器。研究了熱交換器數(shù)學模型和余熱回收控制方式，其控制目標是余熱回收不影響發(fā)動機零部件壽命和機組運行特性。試驗結果表明研究的燃氣發(fā)動機余熱回收系統(tǒng)經濟可行，在中等負荷區(qū)域余熱回收效率和機組總效率高，達到86％以上。 本文取得的創(chuàng)新點

9、如下。 1、開發(fā)了小型燃氣發(fā)動機熱電聯(lián)產機組及其控制系統(tǒng)。試驗結果表明該機組總效率達86％以上，可廣泛應用于樓宇、學校、醫(yī)院、工廠、鉆井平臺等。 2、提出的建模思想為復雜系統(tǒng)模型的建立提供了新的途徑。即通過系統(tǒng)運行特性建立系統(tǒng)簡化的數(shù)學模型，然后利用神經網絡對有限試驗數(shù)據(jù)進行擬合得到主要輸入輸出參數(shù)間的關系，最后利用擬合關系修正數(shù)學模型參數(shù)。 3、提出了燃氣發(fā)動機熱電聯(lián)產機組頻率前饋與反饋協(xié)調控制方法。前饋補償采

10、用FNN算法，反饋控制采用PID-NN算法。該控制方法對其它類型的發(fā)電機組頻率控制具有通用性，研究的前饋與反饋協(xié)調控制策略也可用于其它干擾可測的復雜系統(tǒng)的控制中。 4、設計了非線性前饋/狀態(tài)反饋最優(yōu)控制律，并設計了基于此算法的非線性勵磁控制器。非線性FF/FB最優(yōu)控制律可廣泛應用于輸出對控制輸入與對干擾輸入的關系度相等的非線性控制系統(tǒng)。 5、研究了勵磁與頻率調節(jié)相互影響的機理，并提出了基于DRNN-PID的勵磁與頻率解耦