燃气轮机发电系统灰色预测控制研究

摘要

在环保压力日益加大和自然资源日益紧张的当下，减少传统化石能源的开发使用，加快推进清洁能源、可再生能源的利用步伐已成为当务之急。天然气是一种绿色环保、安全可靠的清洁能源，使用天然气发电是实现能源转型的一个方向。随着天然气发电规模的日益增大，燃气机组在电力系统中扮演的角色越来越重要，寻求有效的控制方法来提高燃气轮机发电系统（Gas Turbine Power Generation System）的稳定性具有重要意义。本文实现了灰色预测控制对于燃气轮机发电系统的稳定控制，主要内容如下： （1）利用MATLAB Function模块编写了灰色预测算法程序，在Simulink环境下建立了等维新息GM（1，1）模型。为了对灰色预测的控制效果作初步验证，将灰色预测PID控制器（GP-PID）应用于一个简单的三阶系统并进行动态仿真。结果表明，与单纯的PID控制器相比，GP-PID控制器的性能更优越。作为燃机发电系统稳定分析与控制的基础，详细介绍了燃气轮机的结构及其控制系统的数学模型，其中包括：压气机、燃烧室和透平三大部件的功能；转速、加速度、排气温度和燃料四个控制器各自的作用及配合关系。基于此，在Simulink平台建立了易用于电力系统仿真分析的简单循环单轴燃气轮机及其控制系统的整合模型——Rowen模型。 （2）设计了 GP-PID 转速控制器，在给定的扰动信号下对其在单机燃气发电系统中发挥的控制效果进行了仿真研究。由燃机转速、燃料量、输出机械功率和透平排温的响应曲线得出，与常规PID转速控制器相比，GP-PID转速控制器可有效降低响应曲线的超调量和减少响应曲线调节时间，使系统快速地进入稳定状态。建立了二机五节点燃气发电系统模型，对燃气机组G1和G2均配置GP-PID、G1配置GP-PID，G2配置PID、G1和G2均配置PID三种转速控制器配置方式下的系统的大小扰动过程进行仿真对比研究。结果表明，为二机五节点系统中燃气机组均配置GP-PID转速控制器可以提高系统在大、小扰动下的频率稳定性和功角稳定性。

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