论文总字数：30656字

摘 要

分布式能源系统是当前能源发展的新模式，它不仅可以提高能源综合利用效率和能源系统的安全性，还可以降低能源经济成本和保护环境。同时它也是减缓能源危机，维持能源可持续发展的新战略。微型燃气轮机是分布式能源系统重要的发电设备，对其进行建模与控制研究，对分布式能源系统的安全高效运行以及工程实际运用具有重要的意义。本文对微燃机进行机理建模，基于Simulink仿真平台搭建微燃机仿真模型，且利用最小二乘辨识算法将数学模型转化为传递函数模型，从而对其转速和排烟温度进行控制，本文主要做了以下三个工作内容：

（1）采用模块建模法建立微燃机的数学模型，基于Simulink平台搭建微燃机仿真模型，并且在某种典型工况下进行仿真，获得该工况下的运行曲线。

（2）以前面建立的微燃机模型为研究对象，分别改变燃料量和空气量，获得转速与排烟温度的动态响应模型。利用递推最小二乘辨识算法获得排烟温度以及转速的传递函数模型，构成排烟温度-转速双输入双输出系统。

（3）采取常规PID控制策略和模糊PID控制策略，对微型燃气轮机的转速-排烟温度双输入双输出系统进行控制仿真研究。而且将两种控制效果进行比较，模糊控制具有超调小、自适应性好以及响应快的优点。

关键词：微型燃气轮机，最小二乘法，常规控制，模糊控制

Abstract

The distributed energy system is a new mode of energy development. It can not only improve the comprehensive utilization efficiency of energy and the safety of energy systems, but also protect the air environment and reduce the economic cost of energy .And it is a new strategy to ease the energy crisis and maintain sustainable energy development. Micro-turbine is an important power generation device for distributed energy systems. Research on modeling and controlling of micro-turbines is of great significance for the safe and efficient operation of distributed energy systems. In this paper, the micro-turbine is modeled and simulated using Matlab /Simulink , and then the simulation and research on the control of the rotation speed and the exhaust gas temperature of the micro-turbine is performed. The work content mainly includes the following aspects:

(1) Taking the micro-turbine as the research object, the mathematical model of each part of the micro-turbine was established using the module modeling method, and the Simulink was used to simulate the micro-turbine under a typical working condition.

(2) Take the micro-turbine model as the research object, change the fuel volume and the air volume separately, and obtain the dynamic model of the rotational speed and the exhaust temperature. The recursive least squares identification algorithm was used to obtain the transfer function model of exhaust gas temperature and rotation speed, and a dual-input dual-output system with exhaust gas temperature-speed was obtained.

(3) Using conventional PID control strategy and fuzzy PID control strategy, the control simulation of micro-turbine rotation speed and exhaust temperature was studied. The two control effects are compared to demonstrate that the fuzzy control has the advantages of small overshoot, good adaptability, and fast response.

KEY WORDS: micro-turbine, least squares, conventional control, fuzzy control

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 分布式能源系统的简介 1

1.3 燃气轮机的建模仿真 1

1.3.1 燃气轮机的建模方法研究 1

1.3.2 仿真平台Matlab/Simulink的介绍 2

1.4 燃气轮机控制的研究现状 2

1.5 本文的主要研究内容 3

第二章 分布式能源系统中微型燃气轮机发电系统的建模与仿真 4

2.1 微型燃气轮机的运行原理 4

2.2 微型燃气轮机系统的数学建模 4

2.2.1 压气机的数学模型 4

2.2.2 燃烧室的数学模型 6

2.2.3 透平的数学模型 6

2.2.4 转子和发电机的数学模型 7

2.3 微燃机的仿真模型 7

2.4 运行结果 10

第三章 基于最小二乘算法的系统辨识 12

3.1 最小二乘法 12

3.1.1 递推最小二乘算法 13

3.2 基于最小二乘法的系统辨识 14

3.2.1 燃料量发生变化时排烟温度传递函数模型 14

3.2.2 空气量发生变化时排烟温度传递函数模型 15

3.2.3 燃料量发生变化时转速传递函数模型 16

3.2.4 空气量发生变化时转速传递函数模型 18

3.3 对象特性 20

第四章 常规PID控制和模糊控制介绍 23

4.1 常规PID控制 23

4.1.1 比例调节作用（P作用） 23

4.1.2 积分调节作用（I作用） 24

4.1.3 微分调节作用（D作用） 24

4.1.4 比例加积分作用调节器（PI作用） 24

4.1.5 比例加微分作用调节器（PD作用） 25

4.1.6 PID调节器 25

4.2 模糊控制 25

4.2.1 模糊控制器的结构 25

4.2.2 模糊控制器的设计步骤 26

第五章 转速-排温控制系统的设计 29

5.1 排烟温度—转速系统常规PID控制 29

5.1.1 常规PID排烟温度-转速控制系统设计 29

5.1.2 转速给定值扰动的控制仿真结果与分析 30

5.1.3 空气量扰动的控制仿真结果与分析 31

5.1.4 转速扰动的控制仿真结果与分析 33

5.1.5 排烟温度给定值扰动的控制仿真结果与分析 34

5.2 排烟温度—转速系统模糊PID控制 36

5.2.1 模糊PID排烟温度-转速控制系统设计 36

5.2.2 转速给定值扰动的控制仿真结果与分析 40

5.2.3 空气量扰动的仿真结果与分析 42

5.2.4 转速扰动的仿真结果与分析 43

5.2.5 排烟温度给定值扰动仿真结果与分析 44

5.3 比较与小结 46

5.4 变工况调节效果比较 46

5.4.1 变工况常规PID控制 49

5.4.2 变工况模糊PID控制 50

5.4.3 变工况常规PID控制与模糊PID控制结果对比 51

第六章 总结与展望 53

6.1 工作总结 53

6.2 展望 53

致谢 54

参考文献 55

绪论

引言

随着社会的快速发展，越来越多的场合不适合采用大电网这类的能源使用结构，例如：对能源需求多样化的用户，边缘地区或者四散分布的用户，对供电稳定性要求极高的用户等等，这些促使全球各国追求更高效更多样化的能源利用方式。

当前，全球各国正在推动第二代能源系统的建设^[1]。第二代能源体系有如下6个首要发展趋势：(1)燃料向多元化发展；(2)向网络化发展；(3) 向智能化控制和信息化管理发展；(4) 能源利用结构向冷热电联产化（CCHP）发展；(5)设备向微型化发展；(6)向环保化发展。此中，后三个发展趋势代表了以CCHP为重要形式之一的分布式能源供电技术的突起。

分布式能源系统的简介

分布式能源系统与集中式能源系统是相对的。前者以较小规模（数千瓦到数千千瓦）分散布置在用户周边，而后者大多采取大容量的设备进行生产。后者生产出的能量将经由专门的大电网或者大热网输送给大范围的用户，而前者将直接面向用户，有利于凭据用户不同的生活生产需求就地生产供给特定能量。分布式能源系统不仅能够单独或者同时输出热能、电能、冷能三种二次能源，而且它可以实现能源多重转换利用的目标。分布式能源基于能源梯级利用，将高品质热能转化为电能的同时，也能利用低品质热能制冷以及供热，实现对能源的合理利用。

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