本發(fā)明涉及混合能源電力系統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的功率控制和可靠控制的方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前霧霾現(xiàn)象嚴(yán)峻，環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，加快新能源(包括太陽(yáng)能、風(fēng)能等)發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)并提高能量轉(zhuǎn)換效率，調(diào)整化石燃料占電力系統(tǒng)比重至關(guān)重要。然而新能源系統(tǒng)中的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電利用的太陽(yáng)能和風(fēng)能，二者均具有間歇性特性。在無(wú)光照或風(fēng)力不足的條件下，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的能量不足以滿足負(fù)載側(cè)的用電需求。以天然氣或液體燃料作為燃料的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組就顯出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它可以作為補(bǔ)充能源用在電網(wǎng)中。有許多文獻(xiàn)針對(duì)天然氣與風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和蓄電池發(fā)電系統(tǒng)的融合控制策略展開(kāi)研究。而且，隨著天然氣和液體燃料在一次能源中比例的上升，以及燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的成熟，燃?xì)廨啓C(jī)在我國(guó)發(fā)電設(shè)備中的比例逐漸增大，以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的總能系統(tǒng)將成為我國(guó)火電動(dòng)力的發(fā)展趨勢(shì)。因而，融合天然氣等清潔能源的混合能源電力系統(tǒng)成為解決化石燃料環(huán)境污染的有效方式之一。

隨著人們對(duì)實(shí)際問(wèn)題的研究和解決與控制理論的成熟，燃?xì)廨啓C(jī)的控制理論逐漸發(fā)展起來(lái)并突破了經(jīng)典PID算法，先進(jìn)控制算法主要包括模糊控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測(cè)控制、魯棒控制、內(nèi)?？刂?、反饋線性化控制等也被引入其中。然而在燃?xì)廨啓C(jī)最重要的轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)，都采取的是PID控制器或者超前滯后傳遞函數(shù)來(lái)處理。然而針對(duì)非線性多變量的復(fù)雜燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載側(cè)的負(fù)荷需求發(fā)生改變時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)受到擾，這二者的控制方法常常不能獲得預(yù)期的控制效果。并且忽略執(zhí)行器故障給燃?xì)廨啓C(jī)帶來(lái)的影響，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)不能可靠地工作，將會(huì)對(duì)整個(gè)混合系統(tǒng)或者電網(wǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種混合能源電力系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中燃?xì)廨啓C(jī)控制忽略了執(zhí)行器故障，導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)不能可靠工作的問(wèn)題，以及解決燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)多采用傳統(tǒng)的PID算法，對(duì)于復(fù)雜的非線性多變量燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)控制效果不夠好的問(wèn)題。

本發(fā)明混混合能源電力系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制方法，包括以下步驟：

一、建立孤島模式下燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：

其中，x₁代表為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速，x₂為進(jìn)入渦輪氣體流量W_f2，x₃為燃燒室燃料流量W_f，x₄為經(jīng)過(guò)閥門(mén)調(diào)整后進(jìn)入的燃料量，其中u為轉(zhuǎn)速控制信號(hào)；T_e為永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；T_CD為渦輪環(huán)節(jié)時(shí)間參數(shù)，其中a,b,c為閥門(mén)位置常數(shù)，K_a,T_a為燃料傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，k_f為最小負(fù)荷常數(shù)，其中k_f的取值范圍為k_l～(1-k_l)；

考慮執(zhí)行器故障情況，上式可以改寫(xiě)為：

其中，為狀態(tài)矩陣，u,y分別為控制器輸入和輸出，g_i為控制器增益，θ_i代表參數(shù)矩陣，為擾動(dòng)項(xiàng)；其中u_a為實(shí)際控制器輸入，u為設(shè)計(jì)控制器輸入，ρ(t)代表執(zhí)行器的健康因子，因而實(shí)際控制器為u_a＝ρ(t)u，其中ρ(t)＝0表示執(zhí)行器完全失效，ρ(t)＝1表示執(zhí)行器正常工作；因考慮執(zhí)行器故障情況，故取0＜ρ(t)＜1；

二、設(shè)計(jì)控制器并利用控制器控制燃?xì)廨啓C(jī)；

1、動(dòng)態(tài)面設(shè)計(jì)

由坐標(biāo)變換

z₁＝x₁-y_d

z_i＝x_i-α_if

其中，y_d為設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速參考值，其中α_if為濾波器；

定義誤差面：

y_i＝α_if-α_i-1

其中，α_i為虛擬控制器，滿足

其中ξ_i為濾波參數(shù)，ξ_i＞0，且α_if(0)＝α_i-1(0)；

2、利用反步法設(shè)計(jì)魯棒自適應(yīng)控制器：

其中c_i為參數(shù)，且c_i＞0，為θ_i的估計(jì)值；

3、設(shè)計(jì)可靠性控制器：

u＝N(ζ)η

其中u為設(shè)計(jì)控制器輸入，因而實(shí)際控制器為u_a＝ρ(t)u，其中ρ(t)代表執(zhí)行器的健康因子；ρ(t)＝0表示執(zhí)行器完全失效，ρ(t)＝1表示執(zhí)行器正常工作；因考慮執(zhí)行器故障情況，故取0＜ρ(t)＜1；N(ζ)為Nussbaum函數(shù)，取N(ζ)＝exp(ζ²)cos((pi/2)ζ),ζ∈R，k₄,ι為正常數(shù)。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明混合能源電力系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制方法，通過(guò)設(shè)計(jì)的魯棒自適應(yīng)控制器對(duì)復(fù)雜的非線性燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，夠獲得較好的控制效果。

2、本發(fā)明混合能源電力系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制方法，通過(guò)設(shè)計(jì)的可靠性控制器控制燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)時(shí)或執(zhí)行器故障時(shí)，能夠保障系統(tǒng)可靠工作。

附圖說(shuō)明

圖1為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組基本組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為燃?xì)廨啓C(jī)燃料系統(tǒng)模塊圖。

圖3為燃?xì)廨啓C(jī)主要控制系統(tǒng)示意圖。

圖4為孤島模式下燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖。

圖5為轉(zhuǎn)速跟蹤曲線圖。

圖6為實(shí)際控制器u_a隨采樣時(shí)間變化曲線圖。

圖7為參數(shù)估計(jì)值隨采樣時(shí)間變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖1所示，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組主要由燃?xì)廨啓C(jī)、永磁同步電機(jī)PMSM、整流逆變等電力電子變換裝置、濾波器和負(fù)載等構(gòu)成。其中，燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓縮機(jī)、燃燒室和渦輪三部分組成?？諝膺M(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮成高壓氣體和噴入燃燒室的燃料混合并充分燃燒，排出的高溫高壓氣體推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)推動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電，這一過(guò)程將蘊(yùn)含在燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能供應(yīng)負(fù)載。

燃?xì)廨啓C(jī)的燃料系統(tǒng)包括閥門(mén)位置系統(tǒng)和燃料傳動(dòng)系統(tǒng)，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?？刂菩盘?hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)共同作用產(chǎn)生燃料信號(hào)U_f，燃料信號(hào)作用于閥門(mén)，控制進(jìn)入燃燒室的燃料量W_f。其中，為了避免燃?xì)廨啓C(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)下工作，保證燃燒室內(nèi)燃料不低于穩(wěn)定燃燒所需的燃料量，因此，最小負(fù)荷常數(shù)k_f來(lái)保證燃燒室內(nèi)穩(wěn)定燃燒，其中k_f的取值范圍為k_l～(1-k_l)。

燃?xì)廨啓C(jī)中燃料和高壓空氣在燃燒室混合并充分燃燒后，排出高溫高壓的氣體。氣體隨著管道進(jìn)入渦輪中，推動(dòng)渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能。機(jī)械能帶動(dòng)永磁同步電機(jī)產(chǎn)生電能。渦輪轉(zhuǎn)矩T_m由渦輪轉(zhuǎn)速ω和進(jìn)入渦輪的燃?xì)饬縒_f2共同作用產(chǎn)生，其輸出函數(shù)表達(dá)式f₁如下所示：

f₁＝1.3(W_f-0.23)+0.5(1-ω)。

燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)主要包括溫度控制環(huán)節(jié)、速度控制環(huán)節(jié)和加速度控制環(huán)節(jié)組成。溫度控制環(huán)節(jié)主要控制燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室不超溫、不超壓，保證燃?xì)廨啓C(jī)在適宜的溫度條件下工作，保證系統(tǒng)各個(gè)部件的正常穩(wěn)定工作。加速度控制環(huán)節(jié)主要工作在兩種情況下：一是在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程，在啟動(dòng)環(huán)節(jié)限制轉(zhuǎn)速在快到達(dá)工作轉(zhuǎn)速時(shí)過(guò)快增長(zhǎng)；二是甩負(fù)載過(guò)程，加速度控制環(huán)節(jié)用來(lái)防止機(jī)器動(dòng)態(tài)超速。這三個(gè)控制環(huán)節(jié)分別給出三個(gè)燃料沖程信號(hào)：Fuel Stroke Reference，簡(jiǎn)寫(xiě)為FSR，分別是溫度控制器產(chǎn)生的燃料沖程信號(hào)FSRT、轉(zhuǎn)速控制器產(chǎn)生的燃料沖程信號(hào)FSRN和加速度控制器產(chǎn)生的燃料沖程信號(hào)FSRA。最小值系統(tǒng)MIN選取這三個(gè)控制信號(hào)中的最小值作為燃料系統(tǒng)的燃料沖程信號(hào)FSR，如圖3所示。

為了更好地研究燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制對(duì)系統(tǒng)的影響，通常省略溫度控制環(huán)節(jié)和加速度控制環(huán)節(jié)?；谝陨戏治觯紤]孤島模式下燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1，并根據(jù)William I.Rowen提出的簡(jiǎn)化模型得到如圖4所示的系統(tǒng)。

本實(shí)施例混混合能源電力系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制方法，包括以下步驟：

一、建立孤島模式下燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：

其中，x₁代表為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速，x₂為進(jìn)入渦輪氣體流量W_f2，x₃為燃燒室燃料流量W_f，x₄為經(jīng)過(guò)閥門(mén)調(diào)整后進(jìn)入的燃料量，其中u為轉(zhuǎn)速控制信號(hào)；T_e為永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；T_CD為渦輪環(huán)節(jié)時(shí)間參數(shù)，其中a,b,c為閥門(mén)位置常數(shù)，K_a,T_a為燃料傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，k_f為最小負(fù)荷常數(shù)，其中k_f的取值范圍為k_l～(1-k_l)；

考慮執(zhí)行器故障情況，上式可以改寫(xiě)為：

其中，為狀態(tài)矩陣，u,y分別為控制器輸入和輸出，g_i為控制器增益，θ_i代表參數(shù)矩陣，為擾動(dòng)項(xiàng)；其中u_a為實(shí)際控制器輸入，u為設(shè)計(jì)控制器輸入，ρ(t)代表執(zhí)行器的健康因子，因而實(shí)際控制器為u_a＝ρ(t)u，其中ρ(t)＝0表示執(zhí)行器完全失效，ρ(t)＝1表示執(zhí)行器正常工作；因考慮執(zhí)行器故障情況，故取0＜ρ(t)＜1；

二、設(shè)計(jì)控制器并利用控制器控制燃?xì)廨啓C(jī)；

1、動(dòng)態(tài)面設(shè)計(jì)

由坐標(biāo)變換

z₁＝x₁-y_d

z_i＝x_i-α_if

其中，y_d為設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速參考值，其中α_if為濾波器；

定義誤差面：

y_i＝α_if-α_i-1

其中，α_i為虛擬控制器，滿足

其中，ξ_i為濾波參數(shù)，ξ_i＞0，且α_if(0)＝α_i-1(0)；

2、利用反步法設(shè)計(jì)魯棒自適應(yīng)虛擬控制器：

其中c_i為參數(shù)，且c_i＞0，為θ_i的估計(jì)值；

3、設(shè)計(jì)可靠性控制器：

u＝N(ζ)η

其中u為設(shè)計(jì)控制器輸入，因而實(shí)際控制器為u_a＝ρ(t)u，其中ρ(t)代表執(zhí)行器的健康因子；ρ(t)＝0表示執(zhí)行器完全失效，ρ(t)＝1表示執(zhí)行器正常工作；因考慮執(zhí)行器故障情況，故取0＜ρ(t)＜1；N(ζ)為Nussbaum函數(shù)，取N(ζ)＝exp(ζ²)cos((pi/2)ζ),ζ∈R，k₄,ι為正常數(shù)。

下面對(duì)本實(shí)施例混混合能源電力系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

取執(zhí)行器健康因子為ρ＝0.8+0.2cos((pi/4)t)，Nussbaum函數(shù)為N(ζ)＝exp(ζ²)cos((pi/2)ζ)，仿真參數(shù)取值ζ＝1,ι＝0.0001。仿真結(jié)果如下圖5、圖6和圖7所示。

由圖5-7可知，在執(zhí)行器故障發(fā)生時(shí)，實(shí)際控制器和設(shè)計(jì)控制器存在偏差。而本實(shí)施例中設(shè)計(jì)的可靠控制器，使得轉(zhuǎn)速能夠快速跟蹤給定值，控制器也快速調(diào)整，包容執(zhí)行器發(fā)生的故障，實(shí)現(xiàn)可靠工作。由圖7參數(shù)估計(jì)值快速穩(wěn)定，表明系統(tǒng)快速穩(wěn)定下來(lái)。經(jīng)仿真驗(yàn)證控制器能夠可靠工作且轉(zhuǎn)速也能夠快速達(dá)到預(yù)設(shè)值。

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。