微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)建模與特性分析

鄧 浩，李春艷

(德陽電業(yè)局，四川德陽 618000)

0 引言

隨著能源危機和環(huán)境污染的日益嚴重，分布式發(fā)電技術(shù)已經(jīng)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)。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，以可燃性氣體或液體為燃料，可同時產(chǎn)生熱能和電能，與常規(guī)發(fā)電機組相比，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］，是目前實現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)的主要設(shè)備。利用PSCAD/EMTDC軟件建立了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型，研究了雙PWM變流器的控制策略，分析了在負荷擾動時微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)特性。

1 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。微型燃氣輪機采用單軸結(jié)構(gòu)，通過壓縮機渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動高速發(fā)電機發(fā)電，與采用齒輪變速系統(tǒng)的分軸結(jié)構(gòu)相比，單軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)效率更高、結(jié)構(gòu)更緊湊、可靠性更高。一般，微型燃氣輪機轉(zhuǎn)速高達50 000～120 000 r/min，通常采用高能永磁材料(如釹鐵硼材料或釤鈷材料)的永磁同步發(fā)電機(PMSG)，其產(chǎn)生的高頻交流經(jīng)過整流逆變轉(zhuǎn)化為工頻交流，通過LC濾波器濾除高頻諧波，輸送至負荷或大電網(wǎng)［2］。這里采用PWM控制的電壓源整流器和逆變器。

圖1 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 微型燃氣輪機數(shù)學(xué)模型

微型燃氣輪機模型如圖2所示，其中，排氣溫度函數(shù)f1、渦輪轉(zhuǎn)矩輸出函數(shù)f2、燃料供給系統(tǒng)中閥門定位器和燃料制動器的傳遞函數(shù)f3分別為

式中，Tref為排氣溫度基準(zhǔn)，取 Tref=950℃;wf1、wf2為燃料流量信號;w是渦輪機實際轉(zhuǎn)速。

圖2 微型燃氣輪機模型

從圖2可以看出，微型燃氣輪機模型包括轉(zhuǎn)速與加速度控制、溫度控制、燃料供給和燃燒室以及壓縮機－渦輪系統(tǒng)等部分。在非滿載時，微型燃氣輪機主要速度控制方式為斜率控制，即以轉(zhuǎn)子速度與預(yù)先設(shè)定參考值間的差值作為輸入信號，以速度偏差比例值作為輸出信號;加速度控制目的是限制轉(zhuǎn)速的變化率過大，防止轉(zhuǎn)子超出允許范圍;溫度控制通過限制燃料輸入量來保護系統(tǒng)溫度不超過限定值［2，3］。為了維持正常運行需要燃料量占了額定燃料量很大的比重，取0.23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。

3 雙PWM變換器控制策略

3.1 整流器控制策略

圖3 三相電壓型PWM整流器主電路拓撲

三相電壓型PWM整流器(VSR)主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過控制整流器橋臂上各功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換，直流側(cè)采用電容進行直流儲能，從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。由于PWM VSR具有諧波小、控制靈活的特點，可通過合適算法，快速調(diào)節(jié)微型燃氣輪機輸出功率，達到縮短系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間的目的。

三相靜止對稱坐標(biāo)系下的VSR數(shù)學(xué)模型交流側(cè)變量都為時變交流量，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計。因此，通過坐標(biāo)變換將三相靜止abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為與基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)系，簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計［4］。三相電壓型PWM整流器控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用基于前饋解耦控制策略的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，圖中Vdcref為直流側(cè)電壓參考值，直流側(cè)電壓差值經(jīng)PI控制后產(chǎn)生有功電流參考值iqref;由于無功功率取為0，則無功電流參考值idref取為0，再通過內(nèi)環(huán)對dq軸電流的跟蹤，產(chǎn)生PWM脈沖信號控制絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的通斷，維持直流側(cè)電壓的恒定，實現(xiàn)了對有功功率和無功功率的解耦控制。電壓外環(huán)的主要作用是在負荷功率變化時維持VSR直流側(cè)電壓恒定;電流內(nèi)環(huán)作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，實現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦電流控制。整流器輸出為直流，通過逆變器轉(zhuǎn)化為工頻交流供給

圖4 三相電壓型PWM整流器雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)

3.2 逆變器控制策略

圖5 三相PWM逆變器主電路拓撲

三相PWM逆變器主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示，負荷，通常逆變器輸出的工頻電流含有諧波，所以要在逆變器輸出端加裝LC濾波器，濾除開關(guān)頻率及其鄰近頻帶的高次諧波，保證負荷的電能質(zhì)量。

微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)可運行在并網(wǎng)與孤島兩種狀態(tài)。并網(wǎng)時，微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)接入大電網(wǎng)，輸出指定功率;孤島時，微型燃氣輪機接本地負荷。主要分析孤島時微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的運行特性。如圖5所示，開關(guān)BRK斷開，系統(tǒng)運行在孤島狀態(tài)，由微型燃氣輪機保證負荷側(cè)電壓與頻率在功率變化時維持恒定值。逆變器采用V/F控制，控制框圖如圖6所示，采用電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，將逆變器出口的電壓及頻率控制為給定值，電壓幅值設(shè)為310 V，頻率為 50 Hz，可得到電壓參考值 Varef、Vbref、Vcref，對其進行派克變換，得到dq軸上電壓參考值Vdref、Vqref。通過采集濾波器輸出端口電壓信號，可以計算出逆變器電壓dq軸分量Vd、Vq，與dq軸電壓參考值進行比較后通過PI控制使得輸出波形跟蹤給定值，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定值;內(nèi)環(huán)是瞬時負荷電流值的反饋，采用PI控制，該環(huán)節(jié)增加了逆變器的阻尼系數(shù)，使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定［5］。

圖6 V/F控制框圖

4 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)特性分析

根據(jù)圖1微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)仿真圖，如圖7所示，開關(guān)BRK斷開，微型燃氣輪機處于孤島運行狀態(tài)，承擔(dān)本地負荷的波動。微型燃氣輪機額定功率取30 kW，額定轉(zhuǎn)速為60 000 r/min，直流側(cè)電壓參考值Vdcref取800 V，同時，不考慮微型燃氣輪機非線性的啟動階段，本地負荷按每20 s變化50%從空載到滿載再到空載變化，觀察微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)特性。

圖7 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)仿真圖

圖8為微型燃氣輪機特性仿真曲線。從圖8(a)可以看出，空載時，轉(zhuǎn)速w達到額定值1 p.u.，當(dāng)負荷功率增加至100%時，轉(zhuǎn)速下降到0.957 p.u.，即隨著負荷功率的增加，轉(zhuǎn)速會下降，仿真過程中轉(zhuǎn)速基本維持在額定轉(zhuǎn)速附近;從圖8(b)可以看出，微型燃氣輪機空載時所需燃料流量為0.23 p.u.，滿載時為1.018 p.u.，驗證了前面所提到的微型燃氣輪機為維持正常運行所需的基礎(chǔ)燃料為設(shè)定值0.23 p.u.，從仿真過程來看，微型燃氣輪機所需調(diào)整的燃料流量范圍約為23% ～100%，正好與0～100%的負荷功率相對應(yīng)，符合實際要求;從圖8(c)可以看出，機械轉(zhuǎn)矩Tm并沒有嚴格按照負荷的變化成比例變化，空載時轉(zhuǎn)矩為 0 p.u.，滿載運行時轉(zhuǎn)矩為 1.048 p.u.，其原因在于負荷增加時轉(zhuǎn)速下降，空載時轉(zhuǎn)速為額定值1 p.u.，滿載時轉(zhuǎn)速為0.957 p.u.，而 Pe=Tew(Pe為電磁功率，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，w為轉(zhuǎn)速)，由于電磁轉(zhuǎn)矩和機械轉(zhuǎn)矩在穩(wěn)定狀態(tài)下平衡，故實際滿載運行時，機械轉(zhuǎn)矩會略高于1 p.u.，但整個仿真過程中轉(zhuǎn)速都維持在額定轉(zhuǎn)速附近。

圖8 微型燃氣輪機特性仿真曲線

圖9 整流側(cè)和逆變側(cè)的電壓、頻率

圖9為微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)的電壓與頻率，由于整流器采用雙閉環(huán)恒壓控制，其輸出直流側(cè)電壓Vdc能保持在參考值0.8 kV附近;隨著負荷的變化，逆變側(cè)負荷電壓Vloadrms能基本維持在1 p.u.左右;頻率f最高不超過50.1 Hz，最 低 為 49.84 Hz，最后穩(wěn)定在50 Hz，變化范圍為±0.2 Hz，從而保證了負荷對電能質(zhì)量的要求。

5 結(jié)語

根據(jù)微型燃氣輪機的工作原理，把微型燃氣輪機及其變流部分當(dāng)作一個整體，建立了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的完整數(shù)學(xué)模型。整流器采用雙閉環(huán)恒壓控制，維持了直流側(cè)電壓的恒定;逆變器采用V/F控制，保證了負荷側(cè)電壓與頻率的穩(wěn)定。利用PSCAD/EMTDC軟件對微型燃氣輪機動態(tài)特性進行仿真分析，驗證了該模型的有效性。

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