燃气发动机热电联产机组控制系统研究

论文摘要

小型燃气发动机热电联产将能源就地转换，有效地提供电能和热能，总能源利用率达85％以上，将会是21世纪能源技术的主流之一。在我国能源日益紧张的情况下，研究燃气发动机热电联产机组及其控制系统对于提高能源利用率具有重要意义。 燃气发动机热电联产机组控制系统包括了气体流动、燃烧与膨胀，往复式机械运动，电磁转换等众多复杂的瞬变动态过程，具有时变、非线性和多不确定性干扰等特性。在分析机组运行特性的基础上，运用非线性控制理论和智能控制理论，详细研究了机组供电质量相关的频率控制、励磁控制、励磁与频率调节相互影响的机理及其解耦控制以及机组余热回收及其控制等问题，并通过试验和仿真对提出的控制策略和方法进行了验证。 1、建立燃气发动机热电联产试验机组，研究了机组结构、燃气发动机改装技术以及控制系统的硬件组成。根据燃气发动机和同步发电机的运行特性建立了机组的机理数学模型，然后利用神经网络对有限试验结果进行拟合得到机组输入输出参数间的关系曲线，用拟合关系曲线对机理数学模型参数进行修正。由此得到了符合机组实际运行特性的机组数学模型。 2、研究直接以频率值为反馈，负荷电流为前馈，采取前馈与反馈协调控制策略，通过步进电机调节节气门开度进行频率控制的方法。前馈补偿采用模糊神经网络算法（FNN），以负载电流i及电流变化量ic作为输入，以步进电机转动的角度θ为输出，以反馈控制器的输出误差平方和最小为控制训练目标。反馈控制采用PID神经网络算法（PID-NN），设计了PID-NN各层神经元个数、连接方式、连接权值，同时研究了以系统频率给定值r和机组实际频率输出值y为输入，输出误差平方和为最小的学习算法。FNN前馈快速反应机组负荷的变化并做出相应的调节，PID-NN通过自学习，自适应前馈对系统的调节作用并对系统误差进一步调节，减少系统偏差和增加系统的稳定性和鲁棒性。试验结果表明FNN前馈补偿与PID-NN反馈协调进行频率控制其效果明显优于PID和模糊控制，能适应机组非线性特性和参数的变化，减少负荷突变时的频率稳定时间和稳态误差。

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 燃气发电概况
• 1.1.2 热电联产概况及发展趋势
• 1.1.3 燃气发动机热电联产机组开发概况
• 1.2 燃气发动机热电联产机组控制系统相关技术现状及趋势
• 1.2.1 频率控制
• 1.2.2 励磁控制
• 1.2.3 余热利用及其控制
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 燃气发动机热电联产机组试验平台及机组数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 燃气发动机热电联产机组试验平台及其控制系统
• 2.2.1 试验机组
• 2.2.2 机组控制系统
• 2.3 机组模型建立方法分析
• 2.4 燃气发动机热电联产机组数学模型
• 2.4.1 基于转速控制的天然气发动机模型
• 2.4.2 基于频率和励磁控制的同步发电机模型
• 2.4.3 燃气发动机热电联产机组动力学模型
• 2.5 基于神经网络的机组模型参数修正
• 2.5.1 神经网络拟合
• 2.5.2 燃气发动机热电联产机组模型的神经网络模拟
• 2.6 小结
• 第3章 机组频率FNN前馈补偿PID-NN反馈协调控制
• 3.1 概述
• 3.2 频率PID控制
• 3.2.1 频率PID控制算法
• 3.2.2 PID控制试验结果分析
• 3.3 频率模糊控制
• 3.3.1 频率模糊控制算法
• 3.3.2 模糊控制试验结果分析
• 3.4 频率FNN前馈补偿PID-NN反馈协调控制
• 3.4.1 机组特性及频率控制特性分析
• 3.4.2 前馈及模糊神经网络（FNN）控制基础
• 3.4.3 机组频率模糊神经网络（FNN）前馈补偿器设计
• 3.4.4 机组频率PID神经网络反馈控制器设计
• 3.4.5 频率FNN前馈补偿PID-NN反馈协调控制试验结果
• 3.5 小结
• 第4章 机组非线性FF／FB最优励磁控制
• 4.1 概述
• 4.1.1 励磁系统的主要功能
• 4.1.2 励磁调节
• 4.2 相关的微分几何基础
• 4.2.1 非线性坐标变换与微分同坯
• 4.2.2 非线性控制系统的坐标变换
• 4.2.3 李导数、李括号及控制系统的关系度
• 4.3 非线性系统前馈／反馈（FF／FB）线性化最优控制
• 4.4 单机无穷大系统非线性FF／FB最优控制律设计
• 4.5 非线性FF／FB最优励磁控制仿真结果
• 4.5.1 机组启动
• 4.5.2 机械功率扰动
• 4.5.3 线路故障干扰
• 4.5.4 励磁控制仿真结论
• 4.6 小结
• 第5章 机组励磁与频率调节相互影响机理及其解耦控制
• 5.1 概述
• 5.2 励磁调节对速度（频率）调节过程的影响
• 5.3 速度（频率）调节对电磁暂态稳定的影响
• 5.4 机组励磁和频率的神经网络解耦控制
• 5.4.1 解耦控制的发展
• 5.4.2 励磁与频率神经网络解耦控制器结构分析
• 5.4.3 对角递归神经网络（DRNN）结构及算法改进
• 5.4.4 励磁与频率DRNN-PID解耦控制设计
• 5.4.5 基于DRNN-PID解耦控制稳定性分析
• 5.4.6 励磁与频率DRNN-PID解耦控制可行性及单向解耦试验结果分析
• 5.5 小结
• 第6章 燃气发动机热电联产机组余热回收及其控制系统
• 6.1 引言
• 6.2 发动机余热量的分配及余热回收控制的必要性
• 6.2.1 发动机热平衡及余热分配
• 6.2.2 尾气余热
• 6.3 余热回收装置及其控制方式
• 6.3.1 尾气热回收装置
• 6.4 余热回收控制系统分析
• 6.5 试验结果分析
• 6.5.1 余热回收量与负荷量的关系
• 6.5.2 热平衡与负荷的关系
• 6.6 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 进一步工作方向
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文