【摘 要】
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天然气发动机驱动的分布式发电机具有启停速度快、负载响应迅速等优势,在电力供应和智能电网建设方面扮演了重要角色。天然气发动机的稳定运行对降低排放污染、提高电力不间断质量、满足发电功率需求具有重要意义。本文针对天然气发动机传统控制方法建模不准确、系统耦合难以处理等问题,采用了模型预测控制方法,旨在提高发动机的目标跟随性能和抗负载扰动性能。研究内容如下:针对传统单输入预混合空燃比模型未考虑进气量影响,导
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天然气发动机驱动的分布式发电机具有启停速度快、负载响应迅速等优势,在电力供应和智能电网建设方面扮演了重要角色。天然气发动机的稳定运行对降低排放污染、提高电力不间断质量、满足发电功率需求具有重要意义。本文针对天然气发动机传统控制方法建模不准确、系统耦合难以处理等问题,采用了模型预测控制方法,旨在提高发动机的目标跟随性能和抗负载扰动性能。研究内容如下:针对传统单输入预混合空燃比模型未考虑进气量影响,导致模型精确度不足的问题,提出了空燃比双输入模型。该模型在考虑燃料节气门开度基础上,重新推导了不同进气量下的空燃比表达式,并提出一个与进气量相关的空燃比修正参数进行整合,构成双输入形式。利用台架实验对包含了新空燃比模型的完整发动机模型进行验证,结果表明新模型的准确度较传统模型有明显提升。针对非线性模型预测控制中,最优问题在线求解迭代次数多、运算负荷大的问题,提出了基于暖启动的切换机制策略。该策略在最优解未触发约束条件时使用简易单循环算法求解,仅在触发约束条件时使用序列二次规划算法,并利用暖启动策略获得一个更接近最优解的迭代初始值,加速迭代过程。仿真结果表明基于暖启动的切换机制策略能够有效加快求解算法的迭代速度,降低了迭代次数。针对非线性模型预测控制中预测区间过短的问题,将模型在平衡点处线性化,构建线性模型预测控制。同时,针对线性模型预测控制中,因负载扭矩无法识别导致加减载过程控制性能不足的问题,提出了基于自适应卡尔曼滤波器的增益分配策略。该策略自动调节卡尔曼滤波器的协方差系数,快速获得平滑的负载扭矩估计值和平衡点信息,以此计算增益分配系数矩阵,修正控制器输出来提高瞬态响应性能。仿真结果表明该方法在固定转速点上性能优于非线性模型预测控制。针对线性模型预测控制在转速工况点大幅切换情况下,目标跟随性能不足的问题,提出了混合模型预测控制策略。该策略针对切换转速工况点的情况,单独设计了非线性模型预测控制器,对空燃比全程固定工况点的情况,将其从原双输出模型中分离并简化成线性单输出模型,设计线性模型预测控制器。经过模型的拆分简化和计算资源重新分配,两个控制器的预测区间均得以延长。仿真结果表明混合模型预测控制拥有比单纯线性或非线性策略更好的综合控制性能。最后基于实验台架对上述控制策略逐一验证,结果表明发动机具有良好的目标跟随性能和抗负载扰动性能,混合模型预测控制的综合控制效果最优。
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