獨立運行和并網(wǎng)模式下微型燃氣輪機的建模與性能分析

1、獨立運行和并網(wǎng)模式下微型燃氣輪機的建模與性能分析Modeling and Performance Analysis of Microturbine in Independent Operation and Grid - Connection ModeABSTRACT: The microturbine generation system will be the most widely used distributed generation in the near future. According to the dynamic characteristics of the Microturbi

2、ne system, a mathematic model which treats the Microturbine and its electric system as a whole is built. Further researches on the basic control of the Microturbine system are presented. The dynamic characteristics of the Micro gas turbine system are emphasized, especially the characteristics of the

3、 load disturbance. Simulation results demonstrate the model is coordinate to the real Microturbine system. The general purpose of this project is for further researching thermodynamic engine control of the Microturbine and giving the basic resources to corresponding control of inverter control of ge

4、nerator electric side. KEY WORDS： distributed generation; microturbine; modeling; simulation; PWM摘要：微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的分布式發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)微型燃氣輪發(fā)電機系統(tǒng)的動態(tài)特性，把微型燃氣輪機及電氣部分當(dāng)作一個整體，建立了微型燃氣輪發(fā)電機系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型，并進一步研究了微型燃氣輪機和逆變器的基本控制策略，重點研究該系統(tǒng)的動態(tài)特性，特別是負荷擾動時的動態(tài)特性，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)模型能夠反映實際微型燃氣輪發(fā)電機系統(tǒng)。本論文的工作為進一步研究微型燃氣輪機的熱機控制與電氣側(cè)的逆變器控

5、制的協(xié)調(diào)控制策略奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 分布式發(fā)電；微型燃氣輪機；建模；仿真； PWM引言近年來，以風(fēng)力發(fā)電、光伏電池和微型燃氣輪機（Microturbine）等為代表的分布式發(fā)電 DG（Distributed Generation）技術(shù)的發(fā)展已成為人們關(guān)注的熱點。其中，微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)是一種技術(shù)上最為成熟、商業(yè)應(yīng)用前景最為廣闊的分布式發(fā)電技術(shù)，其相關(guān)研究問題已被列為國家“863”專項研究計劃。微型燃氣輪機一般是指功率在幾百千瓦以內(nèi)的小型熱動裝置，與常規(guī)發(fā)電機組相比，微型燃氣輪機具有壽命長、可靠性高、燃料適應(yīng)性好、環(huán)境污染小和便于靈活控制等優(yōu)點1，它是分布式發(fā)電的最佳方式，可以靠近用戶，無

6、論對中心城市還是遠郊農(nóng)村甚至邊遠地區(qū)均能適用。典型微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。該獨立電網(wǎng)系統(tǒng)由微型燃氣輪機、永磁發(fā)電機、整流器、逆變器和負荷組成，其中微型燃氣輪機透平包含壓縮器、能量回收器、燃燒室以及帶一個負荷的動力透平機。其工作原理為：從離心式壓氣機出來的高壓空氣先在回?zé)崞鲀?nèi)由渦輪排氣預(yù)熱，然后進入燃燒室與燃料混合、燃燒，高溫燃氣送入向心式渦輪做功，直接帶動高速發(fā)電機（轉(zhuǎn)速在 50 000120 000 r/min 之間）發(fā)電，高 頻 交 流 電 流 經(jīng) 過 整 流 器 和 逆 變 器 ， 即“AC-DC-AC”變換轉(zhuǎn)化為工頻交流電輸送到交流電網(wǎng)2。圖1 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)

7、構(gòu)圖Fig.1Block diagram of microturbine generation system微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模是對其實施控制的基礎(chǔ)。國內(nèi)外在這方面已進行了一定研究，但一般都把微型燃氣輪機與電氣系統(tǒng)分開建模，文獻3對微型燃氣輪機進行了模塊化建模，建立了微型燃氣輪機的六階系統(tǒng)模型；文獻4只對微型燃氣輪機進行建模與控制；文獻5把逆變器之前的環(huán)節(jié)等效為一個電壓源，而只對逆變器進行控制。而微型燃氣輪機是一個完整的系統(tǒng)，等效處理和分開建模會割裂燃機系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)之間的內(nèi)在耦合聯(lián)系，不利于實現(xiàn)燃機系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制設(shè)計6。本文從微型燃氣輪機的工作原理出發(fā)，建立了完整統(tǒng)一

8、的微型燃氣輪發(fā)電機系統(tǒng)的仿真模型，為接下來的研究工作奠定了基礎(chǔ)。微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)整體建模微型燃氣輪機及其控制模型微型燃氣輪機的控制包括轉(zhuǎn)速控制、溫度控制和燃料控制，在正常運行時，微型燃氣輪機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)使得在一定負荷時維持轉(zhuǎn)速基本不變。微型燃氣輪機不同于大型燃氣輪機，其轉(zhuǎn)速控制分為定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速兩種方式，對于大型汽輪機，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過改變蒸汽流量來保持轉(zhuǎn)速不變，而微型燃氣輪機是改變?nèi)剂狭縼砜刂妻D(zhuǎn)速的7-8。透平入口溫度過高直接影響透平的安全性及系統(tǒng)的壽命，因此透平入口溫度也是一個很重要的控制參數(shù)，在正常運行時，也是通過改變?nèi)剂狭縼砜刂仆钙饺肟跍囟炔怀^其最大設(shè)計值 。該模型的結(jié)構(gòu)框圖如

9、圖2所示。圖2 微型燃氣輪機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Microturbine system architecture微型燃氣輪機的數(shù)學(xué)模型本文所建立的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)模型主要用于研究正常運行方式下的慢動態(tài)過程特性，不考慮開機與停機的快動態(tài)過程。參照文獻9-13，本文以適用于重載燃氣輪機的Rowen模型為基礎(chǔ)建立微型燃氣輪機模型，如圖3所示,轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的95% 107%。建模時沒有考慮回?zé)崞鳎驗榛責(zé)崞饔糜谔岣甙l(fā)電機效率，并且響應(yīng)速度慢，對研究微型燃氣輪機的機電特性影響不大14。圖3模型主要包含轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、加速控制、燃料系統(tǒng)、壓縮機渦輪系統(tǒng)等部分。轉(zhuǎn)速控制、加速控制和溫度控制分別產(chǎn)生3

10、種燃料參考指令，通過低值選擇開關(guān)(min模塊)和高低限值模塊(limit模塊)作用后，產(chǎn)生最終的燃料參考指令送入燃料系統(tǒng)11。圖3 微型燃氣輪機模型Fig.3Model of microturbine implemented微型燃氣輪機與蒸汽輪機有許多不同之處，最明顯的區(qū)別就是微型燃氣輪機在沒有負荷的情況下，為了維持正常的運行需要燃料量占了額定燃料量很大的比重，本論文取23%的額定燃料量作為微型燃氣輪機的基荷，因此微型燃氣輪機要盡量避免運行在低負荷狀態(tài)以提高經(jīng)濟效益。這一點將會在仿真中得到驗證；第二個區(qū)別是轉(zhuǎn)速控制的方式，對于大型汽輪機，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過改變蒸汽流量來保持轉(zhuǎn)速不變，而微型燃氣輪

11、機是改變?nèi)剂狭縼砜刂妻D(zhuǎn)速的。透平入口溫度過高直接影響透平的安全性及系統(tǒng)的壽命，因此透平入口溫度控制也是一個很重要的控制部分，在正常運行時，也是通過改變?nèi)剂狭縼砜刂仆钙饺肟跍囟炔怀^其最大設(shè)計值。燃料系統(tǒng)中，門閥定位器與燃料制動器的傳遞函數(shù)為：(1)壓縮機渦輪系統(tǒng)中，渦輪轉(zhuǎn)矩輸出函數(shù)為：(2)式中：Wf為燃料流量信號(標幺值)；為發(fā)電機轉(zhuǎn)速(標幺值)。排氣溫度函數(shù)為： (3)式中：tR為參考溫度,單位為。轉(zhuǎn)矩方程在100%負荷的情況下基本上是精確的，在其他情況下會存在小于5%的誤差，排氣溫度方程相對來說不是那么精確，但由于溫度控制只在溫度參考值附近起作用，因此可以忽略其帶來的影響。永磁同步發(fā)電機

12、及整流器模型在本文的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機為永磁體勵磁的永磁同步發(fā)電機。由于永磁同步發(fā)電機和整流器部分都是不可控的，建模時可以適當(dāng)簡化，本文提出一種“統(tǒng)一”模塊化思想將發(fā)電機及整流器部分作為一個整體來建立模型。永磁同步發(fā)電機及整流器可以通過帶交流電源的三相全波橋式整流器進行建模，如圖4所示。圖4 永磁同步發(fā)電機及整流器等效電路Fig.4Equivalent circuit of permanent magnetsynchronous generator and rectifier圖4中，電感為發(fā)電機每相電感的等效值，同時忽略發(fā)電機的損耗。一般微型燃氣輪機采用的永磁同步發(fā)電機為2極，

13、從而有機械角速度與電角速度相等。對于理想的、無負荷的永磁同步發(fā)電機，其線電壓為15：(4)式中：為固定電壓值；為發(fā)電機電角速度?？紤]換相重疊角，全波直流橋整流器的輸出電壓為14： (5)式中：為交流側(cè)線電壓的有效值；為換相角，對于不可控整流器，= 0；L為發(fā)電機定子繞組漏感；為整流器直流側(cè)電流。由于= 0，從而有： (6)由式(4)和式(6)可知，直流電壓可由角速度和電流表示，取 (7)則 (8)式中：，單位為/rad；,單位為Vs/rad。根據(jù)電路原理有： (9)式中：C為直流平波電容；Il為整流器負荷電流。整流器輸出的電磁功率為： (10)假設(shè)忽略整流器損耗，則整流器輸出的電磁功率與永磁同

14、步發(fā)電機輸出的電磁功率相等。根據(jù)轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系，發(fā)電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩為： (11)假設(shè)忽略發(fā)電機阻尼，發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程為： (12)式中：J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。式(7)描述了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)機電的固有特性，而式(12)是永磁同步發(fā)電機及整流器部分與微型燃氣輪機部分連接的關(guān)鍵。根據(jù)上述方程可以得到永磁同步發(fā)電機及整流器的簡化模型，如圖5所示。圖5 永磁同步發(fā)電機及整流器模型Fig.5Model of permanent magnet synchronousgenerator and rectifier按照上述“統(tǒng)一”模塊化思想建立永磁同步發(fā)電機及整流器整體模型的方法較分開建模簡單，依然能夠

15、實際反映出負荷變化時微型燃氣輪機與電力電子裝置間的相互影響，這也是等效模型無法實現(xiàn)的。圖5模型的輸入、輸出全是有名值，需要將該部分轉(zhuǎn)換為標幺值后才能與微型燃氣輪機部分相連接。2部分模型相連后組成的“統(tǒng)一”模型中，輸入Il的變化是控制微型燃氣輪機燃料輸出的關(guān)鍵。Il變化,永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)變化，進而微型燃氣輪機的燃料流量也要發(fā)生相應(yīng)變化，反映了微型燃氣輪機動力系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)間的內(nèi)部耦合聯(lián)系16。逆變器及SPWM調(diào)制的數(shù)學(xué)模型逆變器接收整流側(cè)輸出直流并將其逆變?yōu)楣ゎl交流，同時根據(jù)微電網(wǎng)不同的運行方式可以對其進行相應(yīng)的控制。當(dāng)微電網(wǎng)獨立運行時，通過控制逆變器來控制負荷端的電壓及頻率，即控制

16、，以維持整個微電網(wǎng)的電壓和頻率；當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，為減少微電網(wǎng)對大電網(wǎng)的沖擊，對逆變器采用控制，即按照給定的功率輸出來控制其與電網(wǎng)間的功率交換。具體的逆變器模型如圖6所示。圖6 帶V/ f和PQ控制的SPWM逆變器Fig.6SPWM inverter with V/ f and PQ control該系統(tǒng)的逆變器采用SPWM調(diào)制方法，SPWM控制是基于采樣控制理論中的一個結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加載具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。把三相正弦波作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的三角波信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的SPWM波形。對逆變器采用了雙閉環(huán)控制，該方法的控制回路擁有兩個閉

17、環(huán)，利用電壓外環(huán)實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制，電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對輸出電流的控制，但由于軸相互耦合因而控制器的設(shè)計比較困難，并且系統(tǒng)與孤立電網(wǎng)連接，系統(tǒng)的頻率由負荷所確定，因此對逆變器的輸出電壓進行控制即能獲得較好的效果，并且采用簡單的控制即可。當(dāng)微型燃氣輪機系統(tǒng)作為一個孤立的電力網(wǎng)絡(luò)運行時，可以通過控制逆變器來控制負荷的電壓及頻率，而有功和無功輸出則根據(jù)負荷的需要自動的調(diào)整；當(dāng)該系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，由于電網(wǎng)的電壓和頻率是一定的，因此采用定功率控制可以控制其與電網(wǎng)的功率交換。本論文研究微型燃氣輪機系統(tǒng)作為一個獨立的電力網(wǎng)絡(luò)時的情況，對逆變器采用PWM調(diào)制方法，通過控制器把逆變器出口的電壓控制在380V

18、，并在逆變器的出口設(shè)置濾波電感來消除部分由逆變器產(chǎn)生的諧波。本文中，整流器模型的輸出是數(shù)字信號，而逆變器模型的輸入是電氣信號，因而將直流電壓源改成直流受控電壓源，控制信號為整流器輸出的直流電壓，就可將逆變器與整流器(包括之前的微型燃氣輪機和永磁同步發(fā)電機)部分統(tǒng)一在一起，構(gòu)成整個微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，如圖7所示。圖7 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)整體模型Fig.7Model of microturbine generation system系統(tǒng)仿真及分析本文應(yīng)用MATLAB軟件中的Simulink進行建模仿真，以獨立運行方式為例，對所建立的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)模型進行仿真，通過仿真分析微型燃氣輪機與電

19、力電子變流裝置及負荷之間的相互影響。微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)仿真本文采用MATLAB軟件中的Simulink進行可視化仿真，仿真模型如圖8所示。圖8 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)整體仿真模型Fig.8 Simulation model of microturbine generation system此仿真主要模擬微型燃氣輪發(fā)電機系統(tǒng)在負荷擾動時所表現(xiàn)的動態(tài)特性，在仿真的初始階段，微型燃氣輪機系統(tǒng)工作額定轉(zhuǎn)速且不帶負荷的情況下，在25s的時候給該系統(tǒng)加上10kW的負荷，并在50s的時候切掉10kW的負荷。仿真結(jié)果如圖914所示。從圖9、圖10、圖13和圖14中可以看出，微型燃氣輪機空載達到穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速達到

20、額定值1，機械轉(zhuǎn)矩為0，但此時燃料流量卻保持在0.23。這一點驗證了上文所提到的微型燃氣輪機為維持正常運行所需要的基礎(chǔ)燃料為設(shè)定值0.23。從整個仿真過程來看，微型燃氣輪機所能調(diào)整的燃料量范圍為23%-100%，這個范圍正好與0-100%的負荷功率相對應(yīng)。從圖10中可以看出，空載時轉(zhuǎn)子的速度為1，當(dāng)負荷上升到10kW時，轉(zhuǎn)速下降到0.98，整個仿真過程轉(zhuǎn)速都維持在額定轉(zhuǎn)速附近。從圖11、圖12、圖13可以看出 當(dāng)燃氣輪機達到穩(wěn)定狀態(tài)時，溫度和速度偏差都為穩(wěn)定值，說明所建系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖9 燃料量WF仿真曲線Fig.9Simulation curves for Fuel flow 圖10 轉(zhuǎn)速仿

21、真曲線Fig.9Simulation curves for rotor speed圖11 速度偏差dw的仿真曲線Fig.11Simulation curve of velocity deviation圖12 排氣溫度TE的仿真曲線Fig.12Simulation curve of exhaust temperature圖13 機械轉(zhuǎn)矩Mm的仿真曲線Fig.13Simulation curve of mechanical torque圖14 負荷轉(zhuǎn)矩Me的仿真曲線Fig.14 Simulation curve of load torque永磁發(fā)電機及整流器仿真圖15、圖16給出了微型燃氣輪發(fā)電機

22、系統(tǒng)的電氣側(cè)的仿真結(jié)果，當(dāng)微型燃氣輪機帶無負荷時，整流器的輸出電流為0.01，直流電壓為0.88，負荷上升到10kW時，整流器的輸出電流為0.01，直流電壓下降到0.85，同時，整個動態(tài)過程中隨著負荷的增加電壓有所下降，但基本維持在380V左右。以上數(shù)值為標幺值，本文選取的基準值為UB=400V，SB=100M.因此將以上數(shù)值換算成有名值時，當(dāng)微型燃氣輪機帶無負荷時，整流器的輸出電流為0A，直流電壓為352V，當(dāng)負荷上升到10kW時，整流器的輸出電流為25 A，直流電壓下降到340V，在整個動態(tài)過程中隨著負荷的增加電壓有所下降，但基本維持在380V左右。圖15 整流器輸出的電流Fig.15 C

23、urrent of the rectifier圖16 整流器輸出的電壓Fig.16 Voltage of the rectifier本文重點是能否正確的設(shè)置仿真參數(shù)，尤其是仿真時間的設(shè)置。如果仿真時間設(shè)置的過長，一些過渡過程很可能就看不到；如果仿真時間設(shè)置的過短，那么系統(tǒng)還未達到穩(wěn)定狀態(tài)仿真過程就結(jié)束了。經(jīng)過了多次嘗試才最終確定了最終的仿真時間。3結(jié)論本文詳細的研究了微型燃氣輪發(fā)電機系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)需要對微型燃氣輪機進行速度控制、溫度控制和燃料控制，逆變器也采用SPWM調(diào)制方法，而對永磁發(fā)電機和逆變器采用了簡化處理。通過仿真可以得出如下結(jié)論：從0到100% 負荷范圍內(nèi)，燃機的排氣溫度

24、能夠很好的控制在額定排氣溫度以下，并且燃料的供應(yīng)隨負荷的變換相應(yīng)速度快，即該模型能夠很好的跟蹤負荷的變化，發(fā)生擾動時能夠很快的穩(wěn)定下來，但轉(zhuǎn)速需要經(jīng)過較長的時間才能達到穩(wěn)態(tài)值。逆變器通過SPWM調(diào)制可以很好的對出口電壓進行控制，并且在甩負荷時能夠根據(jù)負荷的需要調(diào)節(jié)功率的輸出。與MATLAB提供逆變器器件仿真模型比較，仿真精度令人滿意。文中的控制大多采用 控制器，這種控制方法簡單易行，但要獲得更佳的綜合控制魯棒性和機電控制協(xié)調(diào)性，尚需考慮引入更高級的非線性魯棒協(xié)調(diào)控制方法。本文所建立的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，不僅可如實反映微型燃氣輪機自身的動態(tài)特性，而且將微型燃氣輪機、電力電子裝置以及負荷

25、之間的相互聯(lián)系動態(tài)地表現(xiàn)了出來，這是等效處理或者分開建模難以實現(xiàn)的。其中，控制部分采用PI控制，簡單可行。本文所建立的逆變器模型,附加合理的控制后同樣適用于其他采用逆變器作為接口的分布式電源，如太陽能光伏發(fā)電、燃料電池等，為進一步研究微電網(wǎng)中各種分布式電源之間的協(xié)調(diào)控制奠定了基礎(chǔ)。參考文獻楊策,劉宏偉,李曉.微型燃氣輪機技術(shù)J.熱能動力工程, 2003, 18(1): 1-4. YANG Ce, LIU Hongwei, LI Xiao. Micro-Turbine Technology J. Journal of Engineering for Thermal Energy and Powe

26、r, 2003, 18(1): 1-4.刁正綱. 微型燃氣輪機走向商業(yè)化J. 燃氣輪機技術(shù), 2000, 13(4):13-16.DIAO Zhenggang, Micro-Turbine Tward Commer-cializationJ. Gas Turbine Technology, 2000, 13(4): 13-16.李政, 王德慧, 薛亞麗,等. 微型燃氣輪機的建模研究(上)-動態(tài)特性分析J. 動力工程學(xué)報, 2005, 25(1):13-17.LI Zheng, WANG Dehui, XUE Yali, et al. Research on Ways of Modeling o

27、f Micro Gas Turbines (Part ): Analysis of Dynamic CharacteristicJ. Chinese Journal of Power Engineering, 2005, 25(1): 13-17.Jurado F. Modelling micro-turbines using Hammerstein modelsJ. International Journal of Energy Research, 2005, 29(9):841855.Barsali S, Ceraolo M, Pelacchi P, et al. Control tech

28、niques of Dispersed Generators to improve the continuity of electricity supplyC. Power Engineering Society Winter Meeting. IEEE, 2002,2:789-794.Asgharian P, Noroozian R. Modeling and simulation of microturbine generation system for simultaneous grid-connected/islanding operationC. Electrical Enginee

29、ring. IEEE, 2016:1528-1533.Macedo W N, Monteiro L G, Corgozinho I M, et al. Biomass based microturbine system for electricity generation for isolated communities in amazon regionJ. Renewable Energy, 2016, 91:323-333.Kalantar M, S. M M G. Dynamic behavior of a stand-alone hybrid power generation syst

30、em of wind turbine, microturbine, solar array and battery storageJ. Applied Energy, 2010, 87(10):3051-3064.Ouz Y, stn S V, ?smail Yabanova, et al. Adaptive neuro-fuzzy inference system to improve the power quality of a split shaft microturbine power generation systemJ. Journal of Power Sources, 2012, 197(197):196-209.Guda S R, Wang C, Nehrir M H. A Simulink-based microturbine model for distributed generation studiesC. Power Symposium, 2005. Proceedings of the, North American. IEEE, 2005:269-274.Al-Hinai A, Feliachi A. Dynamic model of a microturbine used as a dist