燃气轮机控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种燃气轮机控制方法及装置，所述方法包括：取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型；根据所述状态空间模型确定控制参数；根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制。本发明实施例通过获取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型，根据所述状态空间模型确定控制参数，根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制，从而降低系统鲁棒性要求，提高燃气轮机的可控性。
【专利说明】燃气轮机控制方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气轮机控制领域，尤其涉及一种燃气轮机控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]燃气轮机的工作环境恶劣，燃气轮机控制装置需要能够在燃气轮机部件性能衰退和一定的干扰噪声下仍然保持燃气轮机安全稳定的工作。
[0003]目前常用的燃气轮机控制装置为PID (proport1n、integrat1n、differentiat1n,比例、积分、微分)控制器，其具有结构简单、易于设计、计算量少和在燃气轮机调试和维护阶段易于整定等优点，在当前各大燃气轮机的控制系统中仍然被普遍使用。
[0004]但是，PID控制器对燃气轮机进行控制时，对控制器参数设计的鲁棒性要求较高。
【发明内容】
[0005]本发明实施例提供一种燃气轮机控制方法及装置，能够提高燃气轮机的控可控性。
[0006]本发明实施例采用如下技术方案:
[0007]一种燃气轮机控制方法，包括:
[0008]取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型；
[0009]根据所述状态空间模型确定控制参数；
[0010]根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制。
[0011]可选的，所述获取燃气轮机的状态参数包括:
[0012]获取所述燃气轮机在预设的稳态设计点的状态参数，所述状态参数包括状态量X，控制量u,控制目标y ；
[0013]相应的，所述根据所述状态参数建立状态空间模型包括:
[0014]根据所述状态量X，所述控制量U及所述控制目标I建立上述状态空间模型，所述状态空间模型为:
[0015]X=Ax + Bu
[0016]y = Cx0
[0017]可选的，所述根据所述状态空间模型确定控制参数包括:
[0018]根据下式确定所述控制参数Kc:
「1-1PAP +BNC +θ Ρ~ Λ
τ τττ >0 PA' +C1 N1 B1 +ΘΡP
[0019]IP > O
MC = CP
[0020]其中，Θ和r为预先设定值,根据Θ和r确定以-Θ为圆心，以r为半径的圆域，根据上述矩阵不等式得到正定矩阵P、矩阵M和N，Kc = MT1。
[0021]可选的，所述稳态设计点为所述燃气轮机全速空载运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机50%输出功率运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机额定功率运行状态。
[0022]可选的，所述状态量X为所述燃气轮机转速、压气机增压比、透平出口温度中的一个或多个参数组成的向量，所述控制量u为燃料量、压气机进口导叶角度、防喘放气阀中一个或多个参数组成的向量，所述控制目标I为与所述燃气轮机转子的转速和/或所述燃气轮机负荷。
[0023]一种燃气轮机控制装置，包括:
[0024]获取模块，用于获取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型；
[0025]确定模块，用于根据所述状态空间模型确定控制参数；
[0026]控制模块，用于根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制。
[0027]可选的，所述获取模块具体用于:
[0028]获取所述燃气轮机在预设的稳态设计点的状态参数，所述状态参数包括状态量X，控制量u,控制目标y ；
[0029]所述获取模块还用于:
[0030]根据所述状态量X，所述控制量U及所述控制目标y建立上述状态空间模型，所述状态空间模型为:
[0031]x=Ax + Bu
[0032]y = Cx0
[0033]可选的，所述确定模块具体用于根据下式确定所述控制参数Kc:
Ir2PAP + BNC + θρ- ^
>0
\_PAt +CtNtBt +ΘΡP
[0034]IΡ>0
MC = CP
[0035]其中，θ和r为预先设定值,根据Θ和r确定以-Θ为圆心，以r为半径的圆域，根据上述矩阵不等式得到正定矩阵P、矩阵M和N，Kc = MT1。
[0036]可选的，所述稳态设计点为所述燃气轮机全速空载运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机50%输出功率运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机额定功率运行状态。
[0037]可选的，所述状态量X为所述燃气轮机转速、压气机增压比、透平出口温度中的一个或多个参数组成的向量，所述控制量U为燃料量、压气机进口导叶角度、防喘放气阀中一个或多个参数组成的向量，所述控制目标I为与所述燃气轮机转子的转速和/或所述燃气轮机负荷。
[0038]基于上述技术方案，本发明实施例通过获取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型，根据所述状态空间模型确定控制参数，根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制，从而降低系统鲁棒性要求，提高燃气轮机的可控性。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]图1为本发明实施例的燃气轮机控制方法的流程图；
[0041]图2为本发明实施例燃气轮机控与燃气轮机控制装置的连接结构示意图；
[0042]图3为本发明实施例单变量控制测试中的转速阶跃响应示意图；
[0043]图4为本发明实施例多变量控制测试中的转速阶跃响应示意图；
[0044]图5为本发明实施例多变量控制仿真实验中的负荷阶跃响应示意图；
[0045]图6为本发明实施例的燃气轮机控制装置的结构图。
【具体实施方式】
[0046]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]实施例1
[0048]如图1所示，本发明实施例提供一种燃气轮机控制方法，包括:
[0049]11、获取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型；
[0050]12、根据所述状态空间模型确定控制参数；
[0051]13、根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制。
[0052]本发明实施例可通过多种方式根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制，例如将所述控制参数输入所述燃气轮机的控制装置，通过控制装置对所述燃气轮机进行控制，本发明实施例不做限定。
[0053]可选的，所述获取燃气轮机的状态参数包括:
[0054]获取所述燃气轮机在预设的稳态设计点的状态参数，所述状态参数包括状态量X，控制量u,控制目标y ；
[0055]相应的，所述根据所述状态参数建立状态空间模型包括:
[0056]根据所述状态量X，所述控制量u及所述控制目标y建立上述状态空间模型，所述状态空间模型为:
[0057]X=Ay + Bh
[0058]y = Cx0
[0059]可选的，所述根据所述状态空间模型确定控制参数包括:
[0060]根据下式确定所述控制参数Kc:
下 r1 PAP + BNC + ΘΡ— ^
>0
IPAt +C1 N' B1 +ΘΡP _
[0061]<P > Π
ML = LP
[0062]其中，Θ和r为预先设定值,根据Θ和r确定以-Θ为圆心，以r为半径的圆域，根据上述矩阵不等式得到正定矩阵P、矩阵M和N，Kc = MT1。对上述矩阵不等式求解可以得到正定矩阵P、矩阵M和N，而Kc = -NT1。上述线性矩阵不等式组中含有等式约束，可以采用斯坦福大学的CVX工具包对等式约束的支持来计算求解。其中的Θ和r的取值也与控制性能及能否数值求解相关，Θ决定了极点区域的位置，其值越大，极点区域离负半轴越远，控制器鲁棒稳定性越强，线性矩阵不等式组的可解性越弱。r决定了极点区域的大小和超调量，其值越大，线性矩阵不等式组的可解性越强。
[0063]本发明实施例中，如果矩阵M不可逆，则M—1表示矩阵M的广义逆，广义逆计算可以采用Matlab的pinv函数进行计算。由于目前大部分的燃气轮机控制系统采用的是单变量，因此实际过程中，Kc = -NT1求解简便。
[0064]其中，所述稳态设计点可以为预先设定的状态，所述稳态设计点可以采用传统的顺数法进行求解，也可以采用经典的系统辨识方法确定。例如所述稳态设计点为所述燃气轮机全速空载运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机50%输出功率运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机额定功率运行状态。
[0065]其中，Θ和r需要人为给定，它们决定了极点配置区域为以-Θ为圆心，以r为半径的圆域。
[0066]可选的，所述状态量X为所述燃气轮机转速、压气机增压比、透平出口温度中的一个或多个参数组成的向量，所述控制量u为燃料量、压气机进口导叶角度、防喘放气阀中一个或多个参数组成的向量，所述控制目标I为与所述燃气轮机转子的转速和/或所述燃气轮机负荷。
[0067]本发明实施例的燃气轮机为有差调节纯比例控制装置，则有差调节纯比例控制装置的比例参数为控制参数Kc ;本发明实施例的燃气轮机为无差调节比例积分控制装置，则无差调节比例积分控制装置的比例参数为控制参数Kc，积分参数在加载负荷前为力纖储励().5AcS + l
O
[0068]本发明实施例的方法可以通过燃气轮机控制装置实现，该燃气轮机控制装置可以为PID控制器等，本发明实施例不做限定。
[0069]本发明实施例的方法，通过获取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型，根据所述状态空间模型确定控制参数，根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制，从而降低系统鲁棒性要求，提高燃气轮机的可控性。
[0070]实施例2
[0071]本发明实施例以发电用重型燃气轮机为例，其架构如图2所示，通过重型燃气轮机本体安装的传感器得到重型燃气轮机的状态量，通过控制器计算输出得到具体的控制量参数，进行对应的控制调节阀，该控制器的参数设置如下:
[0072]选取转子转速(TNH)和压气机出口压力(P2)为状态量X、燃料消耗量(FSR)为控制量U、转子转速(TNH)为控制目标y。选取全速空载下状态提取归一化线性模型为设计占-
^ \\\.—Γ-2.66 0.55 I [0.57'
X =X+u
[0073]L ].76 —2.26」L0.59」
V = [I 0].r
[0074]选取Θ = 5和r = 4,在利用CVX工具箱求解下列矩阵不等式:
下 42Ρ ^P + 5iVC + 5Pl
PAt +CrNrBr +5PP>
[0075]P > O
MC = CP
[0076]选取θ = 5和r = 4,在利用CVX工具箱求解矩阵不等式组，得到矩阵M =[-0.2925 -0.2348]和矩阵 N = [0.0826 0.0004]，利用 MATLAB 的 pinv 函数得到:Kc=-NXpinv(M)^1 = 3.5549。将燃气轮机从脱扣转速82%加速到100%额定转速，得到控制性能如图3所示，从图3中可以看出该转速控制过程相当平稳，调节时间在5秒以内，几乎没有超调量，控制性能较好。
[0077]实施例3
[0078]本发明实施例以发电用重型燃气轮机的线性模型为例，其架构如图2所示，通过重型燃气轮机本体安装的传感器得到重型燃气轮机的状态量，通过计算输出得到具体的控制量参数，进行对应的控制调节阀，该控制器的参数设置如下:
[0079]选取转子转速(TNH)和压气机出口压力(P2)为状态量X、燃料消耗量(FSR)和压气机进口导叶角度(IGV)为控制量U、转子转速(TNH)和燃气轮机负荷(PW)为被控量y。
[0080]具体步骤如下:1)首先选取全速空载下状态提取线性模型为设计点设计控制器，再将用本专利的控制器应用于重型燃气轮机的转速/负荷控制；2)在选取燃气轮机运行过程7个典型的状态:脱扣转速(84% TNH)、并网运行最小转速(95% TNH)、额定转速(100%TNH)、最大转速(110% TNH)、部分负荷(30% PW)、全预混最小负荷(50% PW)、额定负荷(100% Pff)提取7个归一化线性模型为测试点，用设计点设计的控制器控制测试点的模型，做闭环阶跃响应，以验证所设计控制的转速/负荷控制的控制性能及抗干扰能力。
[0081]提取的燃气轮机运行状态下测试点和设计点的关系如图4所示，从图中可以看出，在全速空载下的设计点和测试点是重合的，该点为初始设计控制性能，其中设计点的状态空间模型参数如下:
"Γ-1.66 0.15 ? Γ0.47 0.2Γ
X =X+U
1.76 -2.26 0.49 0.17
[0082] ^ 「L
Γ1.00 O ] 「O O
7—1.84 -1.13 λ+ 0.42 0.64 U
[0083]选取θ = 5和r = 3，采用本专利所述的控制器设计方法及流程得到控制器参数如下:
'47.5073 -21.2694'
[0084]Kc =
-74.4371 51.6997
[0085]燃气轮机的转速/负荷控制，根据某发电用重型燃气轮机的运行规程，该燃气轮机首先会在不并网的情况下，启动到运行转速(TNH)大于95%，然后保持转速在95%?110%运行区间内，进行变工况运行。因此结合典型的控制系统阶跃响应测试，可以把并网前后看作两个指令阶跃响应过程:启动阶段，保持负荷PW不变，转速TNH指令阶跃变化；并网阶段，保持转速TNH不变，指令负荷PW阶跃变化，得到各个测试点的仿真结果如图4和图5所示。图中黑色虚线表示设计点的控制性能。从图4的转速变化来看，所有测试点的转速阶跃响应曲线相对集中，表明设计的控制器并没有因为燃气轮机状态的变化而发生大的性能衰竭。从转速TNH的响应速度来看，其调节时间大约为6秒，而该燃气轮机的转子惯性大，转子惯量高达1800kg*m2，通常调节时间允许高达20秒。此外，从图4中可以看到转速TNH无超调量，表明在调速过程中，转子不会出现短时的加速度超限和转子超速，也符合燃气轮机的转速控制器设计要求。同样，保持转速不变，进行负荷控制得到测试结果如图5所示，从测试结果可以看出，控制性能较好。
[0086]实施例4
[0087]如图6所示，本发明实施例提供一种燃气轮机控制装置，包括:
[0088]获取模块61，用于获取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型；
[0089]确定模块62，用于根据所述状态空间模型确定控制参数；
[0090]控制模块63，用于根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制。
[0091]可选的，所述获取模块61具体用于:
[0092]获取所述燃气轮机在预设的稳态设计点的状态参数，所述状态参数包括状态量X，控制量u,控制目标y ；
[0093]所述获取模块61还用于:
[0094]根据所述状态量X，所述控制量u及所述控制目标y建立上述状态空间模型，所述状态空间模型为:
[0095]x=Ax + Bh
[0096]y = Cx0
[0097]可选的，所述确定模块62具体用于根据下式确定所述控制参数Kc:
厂 r:PAP + BNC + ΘΡ- η
> O
[PA1 +C1 N' B' +ΘΡP
[0098]]Ρ>0
MC = CP
[0099]其中，θ和r为预先设定值,根据Θ和r确定以-Θ为圆心，以r为半径的圆域，根据上述矩阵不等式得到正定矩阵P、矩阵M和N，Kc = MT1。
[0100]可选的，所述稳态设计点为所述燃气轮机全速空载运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机50%输出功率运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机额定功率运行状态。
[0101]可选的，所述状态量X为所述燃气轮机转速、压气机增压比、透平出口温度中的一个或多个参数组成的向量，所述控制量u为燃料量、压气机进口导叶角度、防喘放气阀中一个或多个参数组成的向量，所述控制目标I为与所述燃气轮机转子的转速和/或所述燃气轮机负荷。
[0102]本发明实施例的装置可以实现上述方法实施例，该装置组成模块的功能仅为简要描述，详细实现过程请参阅上述方法实施例，此处不赘述。
[0103]本发明实施例的装置，通过获取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型，根据所述状态空间模型确定控制参数，根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制，从而降低系统鲁棒性要求，提高燃气轮机的可控性。
[0104]本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种燃气轮机控制方法，其特征在于，包括: 获取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型； 根据所述状态空间模型确定控制参数； 根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取燃气轮机的状态参数包括: 获取所述燃气轮机在预设的稳态设计点的状态参数，所述状态参数包括状态量X，控制量U，控制目标y ； 相应的，所述根据所述状态参数建立状态空间模型包括: 根据所述状态量X，所述控制量u及所述控制目标I建立上述状态空间模型，所述状态空间模型为:
X=Av + Bi/
Y = Cx0
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述状态空间模型确定控制参数包括: 根据下式确定所述控制参数Kc: _r2PAP + BNC + ΘΡ- PAt +CtNtBt +ΘΡP> <P > O
MC = CP 其中，Θ和r为预先设定值，根据Θ和r确定以-Θ为圆心，以r为半径的圆域，根据上述矩阵不等式得到正定矩阵P、矩阵M和N，Kc = NT1。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述稳态设计点为所述燃气轮机全速空载运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机50%输出功率运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机额定功率运行状态。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述状态量X为所述燃气轮机转速、压气机增压比、透平出口温度中的一个或多个参数组成的向量，所述控制量u为燃料量、压气机进口导叶角度、防喘放气阀中一个或多个参数组成的向量，所述控制目标y为与所述燃气轮机转子的转速和/或所述燃气轮机负荷。
6.一种燃气轮机控制装置，其特征在于，包括: 获取模块，用于获取燃气轮机的状态参数，并根据所述状态参数建立状态空间模型； 确定模块，用于根据所述状态空间模型确定控制参数； 控制模块，用于根据所述控制参数对所述燃气轮机进行控制。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块具体用于: 获取所述燃气轮机在预设的稳态设计点的状态参数，所述状态参数包括状态量X，控制量U，控制目标y ； 所述获取模块还用于: 根据所述状态量X，所述控制量u及所述控制目标I建立上述状态空间模型，所述状态空间模型为:
Jc=^Ax + Bu
Y = Cx0
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定模块具体用于根据下式确定所述控制参数Kc: T 1-1P ap+bnc+opI PAt + CtN' B1 +OPP> <P>()
MC = CP 其中，Θ和r为预先设定值，根据Θ和r确定以-Θ为圆心，以r为半径的圆域，根据上述矩阵不等式得到正定矩阵P、矩阵M和N，Kc = NT1。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述稳态设计点为所述燃气轮机全速空载运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机50%输出功率运行状态，或者所述稳态设计点为所述燃气轮机额定功率运行状态。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述状态量X为所述燃气轮机转速、压气机增压比、透平出口温度中的一个或多个参数组成的向量，所述控制量u为燃料量、压气机进口导叶角度、防喘放气阀中一个或多个参数组成的向量，所述控制目标y为与所述燃气轮机转子的转速和/或所述燃气轮机负荷。
【文档编号】F02C9/00GK104196639SQ201410386612
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】何皑 申请人:北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司