一种基于模糊PID的燃机-超临界CO2热力循环快速变负荷控制方法

本发明涉及发电技术协调控制，尤其涉及一种基于模糊pid的燃机-超临界co2热力循环快速变负荷控制方法。

背景技术：

1、以大型风光电基地为基础、以其周边清洁高效先进节能的电源为支撑的新能源供给消纳体系建设是实现碳达峰、碳中和目标的重要发展方向。目前可再生能源电量的消纳已呈现高比例特点，这要求区域电网中的燃煤机组频繁进行深度调峰甚至启停调峰。但可再生能源的间歇性与波动性对大规模发电并网带来了严峻的挑战。然而传统调峰措施受能源资源、环保要求、运行效率等原因限制，无法满足目前日益增长的变负荷要求，因此需要开发具有优越电力负荷调节能力，兼具灵活性与快速性的调峰技术。

2、燃气轮机是能源领域和国防建设的战略性装备，具有清洁高效、启停灵活、变负荷迅速的优点，其负荷调节速率可达额定功率的4％/min，利用燃气轮机发电可以很好的匹配可再生能源间歇性功率波动。燃气轮机排气中携带有中、高温的燃气余热，常通过燃机-蒸汽联合循环的方式实现天然气发电的高效供给。然而，蒸汽动力底循环快速变负荷能力有限，将限制天然气发电快速消纳间歇性可再生能源电量的能力。超临界co2余热利用系统具有清洁环保、结构紧凑、高效、经济性好等优点，可以快速响应燃气轮机余热的参数波动，匹配间歇波动的负荷调节需求，使用其作为燃气轮机余热回收底循环可以在提升系统能源利用效率同时提升系统快速性和灵活性。

3、但以燃气-超临界co2热力循环大规模消纳可再生能源电量过程中，燃气轮机作为发电机组负荷频繁波动所引起的燃机排气参数波动会引起超临界co2余热利用系统内部参数变化，在快速变负荷协调运行中，存在因中间介质间接换热过程与跨临界底循环相变过程所表现的大时延特性，使其快速变负荷过程难以协调运行。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供了一种基于模糊pid的燃机-超临界co2热力循环快速变负荷控制方法，实现了超临界co2透平的功率快速补偿，提升循环变负荷能力，解决了快速变负荷过程中循环因相变过程及多回路换热过程表现的大时延特性，引起的快速变负荷过程协调运行难的问题。

2、技术方案：本发明所述的一种基于模糊pid的燃机-超临界co2热力循环快速变负荷控制方法，包括以下步骤：

3、(1)构建基于模拟数据的瞬态过程各循环功率变化工况库；

4、(2)将负荷波动情况输入瞬态工况库中，得到超临界co2热力循环中sco2循环及tco2循环最终目标功率及热力循环总目标功率，根据工况库输出值设置阶段切换规则及各阶段各循环目标功率设定值；

5、(3)根据不同阶段超临界co2循环与跨临界co2循环功率目标值，通过模糊pid调节pid控制器内参数，使超临界co2循环与跨临界co2循环运行功率调节过程中在保持稳定运行的前提下实现快速变负荷的目标.

6、进一步的，步骤(1)具体如下；构建燃机-超临界co2热力循环动态仿真模型包括热力循环由燃气轮机与超临界co2余热利用系统；其中，超临界co2余热利用系统由燃气轮机(1g-3g)、导热油回路1(1o-3o)、导热油回路2(4o-6o)，超临界co2循环(1s-5s)、跨临界co2循环(1t-5t)五个部分组成；然后在matlab或者simulink中基于质量守恒方程、能量守恒方程和热力学方程对系统内各部件进行动态建模，将各部件按照接口规则连接获得热力循环动态仿真模型。

7、进一步的，步骤(2)包括以下步骤：

8、(21)在仿真实验分析不确定、瞬间突变的间歇电网负荷波动传递给燃气轮机时、记录超临界co2余热利用系统作为燃气轮机底循环，记录透平、压缩机模块瞬态过程中功率变化趋势，构建基于模拟数据的瞬态过程各循环功率变化工况库；

9、(22)将超临界co2循环与跨临界co2循环功率目标值为工况库中输出该电网负荷波动下各循环目标功率值作为第一阶段，超临界co2循环实际功率与目标功率值差值小于1％时切换为第二阶段；

10、(23)将超临界co2循环功率目标值更改为余热利用系统总目标功率与跨临界co2输出功率实时值的插值，跨临界co2循环目标功率不变作为第二阶段；当余热利用系统总功率实时值与总功率目标值插值小于1％时切换为第三阶段；

11、(24)将超临界co2循环功率目标值不变，将跨临界co2循环功率目标值更改为余热利用系统总目标功率与超临界co2输出功率实时值的差值直至系统稳定作为第3阶段。

12、进一步的，步骤(3)具体如下：

13、(31)根据当前阶段超临界co2循环与跨临界co2循环目标功率值分别减去当前超临界co2循环与跨临界co2循环输出功率实时值，得到输入的功率偏差e；

14、(32)将输入数据求导得到功率偏差变化ec，将各循环功率偏差e和功率偏差变化ec模糊化，将输入数据对应到标准化数值区间，并根据量化结果和模糊化子集得到该输入对子集的隶属度，获得输入属于某一个模糊自己的隶属度函数；通过量化过程，将各输入转化为模糊集合上的模糊值。

15、(33)建立kp、ki、kd三个参数模糊规则库，根据负荷偏差e和负荷偏差变化ec模糊化结果，使用模糊逻辑运算模糊推理出△kp、△ki、△kd对应的模糊子集；然后对于求得的目标对象，采用重心法将模糊推理结果转化为输出量的量化值，再根据经验系数将量化值转化为实际值。

16、(34)将模糊控制器输出值应用于传统pid调节中，对控制量sco2透平阀门开度和tco2透平阀门开度进行反馈控制，以此调节sco2循环和tco2循环输出功率。

17、本发明所述的一种基于模糊pid的燃机-超临界co2热力循环快速变负荷控制系统，包括：

18、功率变化工况库模块：用于构建基于模拟数据的瞬态过程各循环功率变化工况库；

19、目标功率模块：用于将负荷波动情况输入瞬态工况库中，得到超临界co2热力循环中sco2循环及tco2循环最终目标功率及热力循环总目标功率，根据工况库输出值设置阶段切换规则及各阶段各循环目标功率设定值；

20、调节模块：用于根据不同阶段超临界co2循环与跨临界co2循环功率目标值，通过模糊pid调节pid控制器内参数，使超临界co2循环与跨临界co2循环运行功率调节过程中在保持稳定运行的前提下实现快速变负荷的目标。

21、进一步的，功率变化工况库模块中，具体如下；构建燃机-超临界co2热力循环动态仿真模型包括热力循环由燃气轮机与超临界co2余热利用系统；其中，超临界co2余热利用系统由燃气轮机(1g-3g)、导热油回路1(1o-3o)、导热油回路2(4o-6o)，超临界co2循环(1s-5s)、跨临界co2循环(1t-5t)五个部分组成；然后在matlab或者simulink中基于质量守恒方程、能量守恒方程和热力学方程对系统内各部件进行动态建模，将各部件按照接口规则连接获得热力循环动态仿真模型。

22、进一步的，目标功率模块中，包括以下步骤：

23、(21)在仿真实验分析不确定、瞬间突变的间歇电网负荷波动传递给燃气轮机时、记录超临界co2余热利用系统作为燃气轮机底循环，记录透平、压缩机模块瞬态过程中功率变化趋势，构建基于模拟数据的瞬态过程各循环功率变化工况库；

24、(22)将超临界co2循环与跨临界co2循环功率目标值为工况库中输出该电网负荷波动下各循环目标功率值作为第一阶段，超临界co2循环实际功率与目标功率值差值小于1％时切换为第二阶段；

25、(23)将超临界co2循环功率目标值更改为余热利用系统总目标功率与跨临界co2输出功率实时值的插值，跨临界co2循环目标功率不变作为第二阶段；当余热利用系统总功率实时值与总功率目标值插值小于1％时切换为第三阶段；

26、(24)将超临界co2循环功率目标值不变，将跨临界co2循环功率目标值更改为余热利用系统总目标功率与超临界co2输出功率实时值的差值直至系统稳定作为第3阶段。

27、进一步的，调节模块中，具体如下：

28、(31)根据当前阶段超临界co2循环与跨临界co2循环目标功率值分别减去当前超临界co2循环与跨临界co2循环输出功率实时值，得到输入的功率偏差e；

29、(32)将输入数据求导得到功率偏差变化ec，将各循环功率偏差e和功率偏差变化ec模糊化，将输入数据对应到标准化数值区间，并根据量化结果和模糊化子集得到该输入对子集的隶属度，获得输入属于某一个模糊自己的隶属度函数；通过量化过程，将各输入转化为模糊集合上的模糊值。

30、(33)建立kp、ki、kd三个参数模糊规则库，根据负荷偏差e和负荷偏差变化ec模糊化结果，使用模糊逻辑运算模糊推理出△kp、△ki、△kd对应的模糊子集；然后对于求得的目标对象，采用重心法将模糊推理结果转化为输出量的量化值，再根据经验系数将量化值转化为实际值。

31、(34)将模糊控制器输出值应用于传统pid调节中，对控制量sco2透平阀门开度和tco2透平阀门开度进行反馈控制，以此调节sco2循环和tco2循环输出功率。

32、本发明所述的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现任一项所述的一种基于模糊pid的燃机-超临界co2热力循环快速变负荷控制方法。

33、本发明所述的一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一项所述的一种基于模糊pid的燃机-超临界co2热力循环快速变负荷控制方法。

34、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明模拟不同电网负荷波动下，记录余热利用系统作为燃气轮机底循环时内部参数变化趋势，构建基于模拟数据的瞬态过程各循环功率变化工况库,以此为基础在面对电网负荷频繁波动时可以直接通过工况库输出各循环目标功率值，直接进行功率调整，缩短了余热利用系统响应燃气轮机排气参数波动与系统热惯性的总时间；利用超临界co2余热利用系统中超临界co2循环调节速度快的特点，在变负荷过程中使超临界co2透平节流阀快速调节，以弥补跨临界co2循环在动态变负荷过程中因相变过程及系统热惯性所造成的功率变化缓慢的特征，提高热力循环变负荷速率本发明采用模糊pid作为循环功率的控制算法，利用其适应性好、鲁棒性高、控制精度高等特点。