微型燃气轮机容错控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微型燃气轮机容错控制系统及其控制方法，所述的控制系统中，微型燃气轮机带动永磁发电机发电，经过整流器和逆变器后输出工频交流电供用户使用，然后微型燃气轮机将其转速的负反馈与指令转速相加得到转速误差传递给ICA算法优化模块，ICA算法优化模块接受故障模块处理的信息、转速误差以及负载信息对模糊控制器进行优化，模糊控制器的输出量及保护限制模块的输出量一同输出给小值选择器取最小值，燃油执行模块按照小值选择器的输出控制量为微型燃气轮机发电系统提供燃油。本发明专利技术的容错控制系统对微型燃气轮机实行转速闭环控制，根据微型燃气轮机转速及负载工况的变化情况实时调整燃料的供给量。

Fault Tolerant Control System of Micro Gas Turbine and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
微型燃气轮机容错控制系统及其控制方法
本专利技术属于燃气轮机控制技术，具体涉及一种微型燃气轮机容错控制系统及其控制方法。
技术介绍
微型燃气轮机(MicroGasturbine,简称微燃机)是分布式能源系统的重要发展方向之一，将其作为发电设备并产热冷负荷使用可以获得很高的能源利用效率、微燃机的功率一般在几十到几百千瓦之间，由于一系列新技术的应用使它相对于传统内燃机具有了一些新的特点，具备与内燃机竞争的优势。其余热回收装置可以用来供热或者供冷，即冷热电三联供系统，具有很高的应用前景。微型燃气轮机发电系统主要由涡轮机、压气机、高速永磁发电机、燃烧室、回热器与电力变换器组成。采用空气轴承支撑高速永磁发电机，消除了润滑油泄漏的可能。其中压气机、涡轮机、高速永磁发电机三者安装在一根旋转轴上同速旋转。其发电工作原理如下：微型燃气轮机在运行过程中，高速永磁发电机、压气机和涡轮机同轴旋转，压气机将吸入的空气进行压缩，压缩后的高压空气经过涡轮机排气在回热器预热后进入入燃烧室，高温压缩空气与高压燃气在燃烧室中燃烧产生高温高压气体，高温高压气体进入涡轮机中做功推动叶片高速旋转，进而带动高速永磁发电机转动发电，如此不断循环，其发出的三相交流电经整流、斩波逆变后输出符合国家相关标准的三相工频交流电。为满足微型燃气轮机的稳定运行，系统实时监测供电负荷，根据用电负荷的需求和微型燃气轮机转速的变化情况，实时调整燃料的供给量，进而对微型燃气轮机转速实现闭环控制，使微型燃气轮机稳定运行在稳定发电状态中。其中的关键控制量为微型燃气轮机转速，涡轮排气温度，燃料喷嘴开度即燃料控制量执行机构。专利技术内容专利技术目的：为了更好实现对上述微型燃气轮机的稳定运行的控制和优化，本专利技术的第一目的是提供一种微型燃气轮机容错控制系统，第二目的是提供一种微型燃气轮机容错控制系统的控制方法。技术方案：本专利技术的微型燃气轮机容错控制系统包括微型燃气轮机发电系统、燃油执行模块、小值选择器、以及容错控制器；其中，微型燃气轮机发电系统包括微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器及用电负载端；微型燃气轮机带动永磁发电机发电，经过整流器和逆变器输出工频交流电供用户使用；所述的容错控制器包括故障模块、ICA算法优化模块、模糊控制器、加速度及温度保护限制模块；微型燃气轮机将其转速的负反馈与指令转速相加得到转速误差传递给ICA算法优化模块，同时将其转速和微型燃气轮机的涡轮温度传递给加速度及温度保护限制模块，微型燃气轮机还将其负载信息和故障信号分别传递给ICA算法优化模块和故障模块，ICA算法优化模块接受故障模块处理的信息、所述的转速误差以及负载信息对模糊控制器进行优化，模糊控制器根据ICA算法优化模块的优化结果输出给小值选择器，燃油执行模块按照小值选择器的输出燃油输出量给微型燃气轮机系统提供燃油。进一步，所述的加速度及温度保护限制模块限制微型燃气轮机的转速增量和涡轮前温度不超过设定的上限值。本专利技术还给出了一种微型燃气轮机容错控制系统的控制方法，包括如下控制步骤：(1)建立微型燃气轮机的进气道、压气机、燃烧室、涡轮以及回热器共同工作方程，其方程表达式为：式中，πc为压气机压比，πT为涡轮压比，W1为压气机流量，W3为涡轮流量，n为微型燃气轮机的轴的转速，PT为涡轮功，PC为压气机功，P1为进气道出口压力，P2为压气机的出口压力，P3为涡轮进口气压，P4为涡轮出口压力。(2)建立燃油执行模块的增益的变化以及燃油执行模块的偏差失效的关系表达式：其中，燃油执行模块增益变化表达式为：u1i(t)＝ρi(t)νi(t)燃油执行模块偏差失效表达式为：u2i(t)＝νi(t)+Δi(t)式中，νi(t)表示燃油执行模块的输入，ui(t)表示执行器的输出，ρi(t)为增益变化的比例系数，Δi(t)为偏差量。(3)将微型燃气轮机的转速偏差及其变化率作为模糊量通过模糊规则库和模糊推理得到模糊控制量；(4)用基于殖民地改革和帝国合并的改进帝国竞争算法算法对模糊控制器的模糊论域区间和比例因子以及模糊控制器的比例积分，比例微分和增益大小的增量进行优化，当优化迭代次数满足终止条件时，将优化后的参数输出给模糊控制器对模糊控制器当前参数进行更新；(5)重复步骤(3)和(4)直到微型燃气轮机系统停止工作。进一步，在步骤(3)中，所述的模糊量和模糊控制量均采用三角形隶属度函数。进一步，在步骤(3)中，采用加权平均法对模糊控制量进行清晰化输出，其输出的表达式为：式中，y为模糊控制量，μAi(x)、μBi(y)为隶属度函数，zi为比例因子。进一步，在步骤(3)中，对燃气轮机转速和转速偏差两个参数的模糊论域区间和比例因子以及模糊控制器的比例积分，比例微分和增益大小的增量、超调量、调节时间进行优化，其多目标优化性能指标函数表达式为：其中en为转速偏差，σ为超调量，tr为调节时间，λ1、λ2、λ3为给定的常数。进一步，所述的微型燃气轮机为单转子结构，将涡轮产生的功率传递给压气机和负载，其转子动力学方程的表达式为：式中，dn为转速的微分，dt为时间的微分，PT为涡轮功，PC为压气机功，PL为负载，J为转子转动惯量。有益效果：本专利技术的容错控制系统对微型燃气轮机转速实现闭环控制，根据微型燃气轮机转速的变化情况，实时调整燃料的供给量。本专利技术考虑可能面临的执行机构故障，设计了负载信息和转速为反馈的模糊控制器。接下来通过改进帝国竞争算法对控制器参数进行优化，使控制系统可以根据故障模式自适应调整参数从而具有容错控制的能力。附图说明图1为本专利技术的微型燃气轮机容错控制系统框图；图2为本专利技术的微型燃气轮机发电系统框图；图3为本专利技术实施例的改进殖民竞争算法流程图；图4为本专利技术实施例中改进殖民竞争算法与传统算法的测试函数响应对比图；图5(a)为本专利技术实施例中迭代算法代价和跌代次数的关系图；图5(b)为本专利技术实施例中微型燃气轮机转速指令的响应与时间的关系图；图5(c)为本专利技术实施例中微型燃气轮机转速仿真响应图；图5(d)为本专利技术实施例中微型燃气轮机的燃油量变化曲线图；图6(a)为本专利技术实施例的微燃机变负载端转速指令的响应与时间的关系图；图6(b)为本专利技术实施例的微燃机变负载仿真变化响应图；图6(c)为本专利技术实施例的微燃机变负载燃油量变化曲线图；图6(d)为本专利技术实施例的微燃机变负载转数响应的仿真图；图7为本专利技术实施例的逆变器直流侧与逆变侧电压波形图。具体实施方式为了详细的说明本专利技术所公开的技术方案，下面结合附图和实施例对本专利技术进一步阐述。如图1所示，本专利技术的微型燃气轮机容错控制系统包括微型燃气轮机系统、燃油执行模块、小值选择器、以及容错控制器；其中，所述的微型燃气轮机系统包括微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器、滤波器和用电负荷的负载，如图2所示，由微型燃气轮机带动永磁发电机发电，经过整流器和逆变器“AC-DC-AC”变换为工频交流电。其中微型燃气轮机由进气道，压气机，燃烧室，燃气涡轮，回热器组成。空气经过进气道和压气机后形成高压气体，在燃烧室燃烧，得到的高温高压燃气送至涡轮中膨胀做功，推动涡轮高速旋转。同时涡轮带动压气机旋转，从而使微型燃气轮机工作在极高的转速下。涡轮出口燃气在回热器中预热压气机进口气流，从而提高能量利用效率。所述的容错控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型燃气轮机容错控制系统，其特征在于：该控制系统包括微型燃气轮机发电系统、燃油执行模块、小值选择器以及容错控制器；所述微型燃气轮机发电系统包括微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器及用电负载端；所述微型燃气轮机带动永磁发电机发电，经过整流器和逆变器后输出工频交流电供用户使用；所述的容错控制器包括故障模块、ICA算法优化模块、模糊控制器、加速度及温度保护限制模块；微型燃气轮机将其转速的负反馈与指令转速相加得到转速误差传递给ICA算法优化模块，同时将其转速和微型燃气轮机的涡轮温度传递给加速度及温度保护限制模块，微型燃气轮机还将其负载信息和故障信号分别传递给ICA算法优化模块和故障模块，ICA算法优化模块接受故障模块处理的信息、所述的转速误差以及负载信息对模糊控制器进行优化，模糊控制器根据ICA算法优化模块的优化结果输出给小值选择器并与保护模块输出取最小值，燃油执行模块按照小值选择器的输出结果为微型燃气轮机系统提供燃油。

【技术特征摘要】
1.一种微型燃气轮机容错控制系统，其特征在于：该控制系统包括微型燃气轮机发电系统、燃油执行模块、小值选择器以及容错控制器；所述微型燃气轮机发电系统包括微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器及用电负载端；所述微型燃气轮机带动永磁发电机发电，经过整流器和逆变器后输出工频交流电供用户使用；所述的容错控制器包括故障模块、ICA算法优化模块、模糊控制器、加速度及温度保护限制模块；微型燃气轮机将其转速的负反馈与指令转速相加得到转速误差传递给ICA算法优化模块，同时将其转速和微型燃气轮机的涡轮温度传递给加速度及温度保护限制模块，微型燃气轮机还将其负载信息和故障信号分别传递给ICA算法优化模块和故障模块，ICA算法优化模块接受故障模块处理的信息、所述的转速误差以及负载信息对模糊控制器进行优化，模糊控制器根据ICA算法优化模块的优化结果输出给小值选择器并与保护模块输出取最小值，燃油执行模块按照小值选择器的输出结果为微型燃气轮机系统提供燃油。2.根据权利要求1所述的微型燃气轮机容错控制系统，其特征在于：所述的加速度及温度保护限制模块限制微型燃气轮机的转速增量和涡轮前温度不超过设定的上限值。3.一种微型燃气轮机容错控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下控制步骤：(1)建立微型燃气轮机的进气道、压气机、燃烧室、涡轮以及回热器共同工作方程，其方程表达式为：式中，πc为压气机压比，πT为涡轮压比，W1为压气机流量，W3为涡轮流量，n为微型燃气轮机的轴的转速，PT为涡轮功，PC为压气机功，P1为进气道出口压力，P2为压气机的出口压力，P3为涡轮进口气压，P4为涡轮出口压力；(2)建立燃油执行模块的增益的变化以及燃油执行模块的偏差失效的关系表达式：其中，燃油执行模块增益变化表达式为：u1i(t)＝ρi(t)νi(t)燃油执行模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖玲斐，孟中祥，徐敏，阮祝鑫，马磊明，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32