鄧 浩,李春艷
(德陽電業(yè)局,四川德陽 618000)
隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,分布式發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。其中,微型燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)一般是指功率在幾百千瓦以內(nèi)的小型熱動(dòng)裝置,以可燃性氣體或液體為燃料,可同時(shí)產(chǎn)生熱能和電能,與常規(guī)發(fā)電機(jī)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(diǎn)[1],是目前實(shí)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?xì)廨啓C(jī)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(fù)荷擾動(dòng)時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。微型燃?xì)廨啓C(jī)采用單軸結(jié)構(gòu),通過壓縮機(jī)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)高速發(fā)電機(jī)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?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)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(jī)(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(fù)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
微型燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)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(hào);w是渦輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。
圖2 微型燃?xì)廨啓C(jī)模型
從圖2可以看出,微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)-渦輪系統(tǒng)等部分。在非滿載時(shí),微型燃?xì)廨啓C(jī)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(hào),以速度偏差比例值作為輸出信號(hào);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(hù)系統(tǒng)溫度不超過限定值[2,3]。為了維持正常運(yùn)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?xì)廨啓C(jī)的基荷,因此微型燃?xì)廨啓C(jī)要盡量避免運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)以提高經(jīng)濟(jì)效益。
圖3 三相電壓型PWM整流器主電路拓?fù)?/p>
三相電壓型PWM整流器(VSR)主電路拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換,直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)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(diǎn),可通過合適算法,快速調(diào)節(jié)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率,達(dá)到縮短系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的目的。
三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系下的VSR數(shù)學(xué)模型交流側(cè)變量都為時(shí)變交流量,不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(jì)[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(duì)dq軸電流的跟蹤,產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(fù)荷功率變化時(shí)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(jìn)行電流控制,實(shí)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)
圖5 三相PWM逆變器主電路拓?fù)?/p>
三相PWM逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示,負(fù)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(fù)荷的電能質(zhì)量。
微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)可運(yùn)行在并網(wǎng)與孤島兩種狀態(tài)。并網(wǎng)時(shí),微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)接入大電網(wǎng),輸出指定功率;孤島時(shí),微型燃?xì)廨啓C(jī)接本地負(fù)荷。主要分析孤島時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性。如圖5所示,開關(guān)BRK斷開,系統(tǒng)運(yùn)行在孤島狀態(tài),由微型燃?xì)廨啓C(jī)保證負(fù)荷側(cè)電壓與頻率在功率變化時(shí)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(duì)其進(jìn)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(hào),可以計(jì)算出逆變器電壓dq軸分量Vd、Vq,與dq軸電壓參考值進(jìn)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(shí)負(fù)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(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定[5]。
圖6 V/F控制框圖
根據(jù)圖1微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建立了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真圖,如圖7所示,開關(guān)BRK斷開,微型燃?xì)廨啓C(jī)處于孤島運(yùn)行狀態(tài),承擔(dān)本地負(fù)荷的波動(dòng)。微型燃?xì)廨啓C(jī)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(shí),不考慮微型燃?xì)廨啓C(jī)非線性的啟動(dòng)階段,本地負(fù)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
圖7 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真圖
圖8為微型燃?xì)廨啓C(jī)特性仿真曲線。從圖8(a)可以看出,空載時(shí),轉(zhuǎn)速w達(dá)到額定值1 p.u.,當(dāng)負(fù)荷功率增加至100%時(shí),轉(zhuǎn)速下降到0.957 p.u.,即隨著負(fù)荷功率的增加,轉(zhuǎn)速會(huì)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?xì)廨啓C(jī)空載時(shí)所需燃料流量為0.23 p.u.,滿載時(shí)為1.018 p.u.,驗(yàn)證了前面所提到的微型燃?xì)廨啓C(jī)為維持正常運(yùn)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?xì)廨啓C(jī)所需調(diào)整的燃料流量范圍約為23% ~100%,正好與0~100%的負(fù)荷功率相對(duì)應(yīng),符合實(shí)際要求;從圖8(c)可以看出,機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm并沒有嚴(yán)格按照負(fù)荷的變化成比例變化,空載時(shí)轉(zhuǎn)矩為 0 p.u.,滿載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩為 1.048 p.u.,其原因在于負(fù)荷增加時(shí)轉(zhuǎn)速下降,空載時(shí)轉(zhuǎn)速為額定值1 p.u.,滿載時(shí)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(jī)械轉(zhuǎn)矩在穩(wěn)定狀態(tài)下平衡,故實(shí)際滿載運(yùn)行時(shí),機(jī)械轉(zhuǎn)矩會(huì)略高于1 p.u.,但整個(gè)仿真過程中轉(zhuǎn)速都維持在額定轉(zhuǎn)速附近。
圖8 微型燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(fù)荷的變化,逆變側(cè)負(fù)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(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求。
根據(jù)微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理,把微型燃?xì)廨啓C(jī)及其變流部分當(dāng)作一個(gè)整體,建立了微型燃?xì)廨啓C(jī)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(fù)荷側(cè)電壓與頻率的穩(wěn)定。利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證了該模型的有效性。
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