微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機驅(qū)動控制策略研究

李艷明，郭宏，謝清明，，袁鵬

（1.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京100191；2.北京動力機械研究所，北京100074）

1 引言

目前，先進微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)多采用微型燃氣輪機與高速永磁同步起動發(fā)電機直接連接的單軸結(jié)構(gòu)[1－2]。 在啟動和冷卻停機階段，高速永磁同步起動發(fā)電機工作在電動機狀態(tài)；發(fā)電運行階段，起動發(fā)電機工作在發(fā)電機狀態(tài)。 因此，微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機的驅(qū)動控制需要同時考慮電動和發(fā)電的運行狀態(tài)，且必須與微型燃氣輪機的控制相結(jié)合。

關(guān)于微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機啟動、發(fā)電和停機控制研究的文獻還比較少。 他控式恒壓頻比控制[3]，直接轉(zhuǎn)矩控制[4]和矢量控制[5]等常見的永磁同步電動機驅(qū)動控制方法在微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)啟動過程中的應(yīng)用均有學者進行過研究。 文獻[6]介紹了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)雙向PWM 變換器的設(shè)計和控制方法。 文獻[7]提出了一種基于電流和轉(zhuǎn)速指令優(yōu)化的高效率微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)控制方法。 但是，這些文獻都只側(cè)重于啟動或發(fā)電控制的某一面。 文獻[8－9] 采用雙向電壓型PWM 變換器作為功率變換裝置，電動運行時，電機側(cè)PWM 變流器作為逆變器工作，采用速度外環(huán)—電流內(nèi)環(huán)的矢量控制；發(fā)電運行時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由燃料控制，電機側(cè)PWM 變流器作為整流器工作，采用電壓外環(huán)—電流內(nèi)環(huán)來控制直流母線。 這種起動發(fā)電機控制策略與傳統(tǒng)的微型燃氣輪機控制方法相配合，在目前的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)中使用最多。 但是，該方法需要根據(jù)起動發(fā)電機的運行狀態(tài)進行PWM 變流器控制方式的切換，控制算法相對復(fù)雜。

針對單軸微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的特點，本文在建立微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，與微型燃氣輪機控制方法相結(jié)合，提出了一種適用于微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)啟動、發(fā)電和停機全運行階段的高速永磁同步起動發(fā)電機驅(qū)動控制方法，該方法無論在電動運行還是發(fā)電運行時，均采用速度外環(huán)—電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制，算法統(tǒng)一、簡單，而且可以更快地實現(xiàn)功率跟蹤和傳輸。 在控制原理闡述的基礎(chǔ)上，建立了30 kW 單軸微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的試驗平臺，對本文采用的高速永磁同步起動發(fā)電機的驅(qū)動控制方法進行了試驗驗證。

2 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的單軸微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，高速永磁同步起動發(fā)電機、壓氣機和透平的轉(zhuǎn)子同軸，連接為一整體，共同構(gòu)成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子部分。 由于微型燃氣輪機不能自啟動，且高速電機發(fā)出的高頻交流電不能被用戶直接利用。因此，采用背靠背的兩組雙向PWM 變流器作為功率變換裝置，由1 套AC-DC-AC 功率變換裝置可同時實現(xiàn)高速永磁同步起動發(fā)電機啟動、停機過程的變頻調(diào)速和發(fā)電運行時的電能變換。

圖1 微型燃氣輪機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure of the microturbine generation system

當Ld=Lq時，高速永磁同步起動發(fā)電機在dq旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學模型為

式中：ud，uq，id，iq分別為dq 坐標系中的電壓、電流；Ψf為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈；ωr為電機轉(zhuǎn)速；Tem為高速永磁同步起動發(fā)電機的輸出轉(zhuǎn)矩，其方向在電機電動運行時取正，發(fā)電運行時取負；TT，TC，Tf分別為透平的輸出轉(zhuǎn)矩、壓氣機壓縮空氣所需的轉(zhuǎn)矩和軸系摩擦轉(zhuǎn)矩。

3 微型燃氣輪機的控制方法

微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機的驅(qū)動控制必須與微型燃氣輪機的控制相結(jié)合。 傳統(tǒng)的單軸微型燃氣輪機變工況運行時，其轉(zhuǎn)速和排氣溫度均是通過燃料流量進行控制的[10]。 如圖2所示，通常轉(zhuǎn)速作為閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，排氣溫度作為監(jiān)控回路。 來自轉(zhuǎn)速控制和溫度控制的燃料參考指令通過低值選擇開關(guān)和高低限值模塊的作用后，產(chǎn)生燃料系統(tǒng)的燃料指令。 這種控制方法對于具有額定特性的微燃機來說是合適的。 但是，隨著工作時間的增加，微燃機的各部件性能會發(fā)生蛻化，導(dǎo)致其控制參數(shù)偏離設(shè)計值，從而引起微型燃氣輪機控制性能的下降。

圖2 傳統(tǒng)的微型燃氣輪機控制方法Fig.2 The traditional control method of the microturbine

由式（3）可知，由于壓氣機，透平和高速永磁同步起動發(fā)電機轉(zhuǎn)子同軸，因此，通過控制高速永磁同步起動發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩就可以改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。 與此同時，燃料流量用來控制透平的排氣溫度。 通過排氣溫度的控制，可以保證機組的出力和熱效率。 這種控制方法實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和排氣溫度的分別控制，當二者有效配合運行時，既可以有效提高微燃機的效率，又可以防止因微燃機性能退化而引起的超溫喘振現(xiàn)象。 從而，保證系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)的靈活性乃至整個系統(tǒng)運行的可靠性。 其控制方法如圖3所示。

圖3 新型微型燃氣輪機控制方法Fig.3 A novel control method of the microturbine

4 微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機矢量控制

根據(jù)前述的微型燃氣輪機控制方法，由排氣溫度控制微型燃氣輪機的燃料流量，由轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制微型燃氣輪機的轉(zhuǎn)速。 啟動、發(fā)電和停機整個運行過程中，高速永磁同步起動發(fā)電機的驅(qū)動控制均采用id=0 的矢量控制，轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速通過基于反電勢的開環(huán)估計方法進行估算[11]，其控制原理框圖如圖4所示。

4.1 啟動過程

系統(tǒng)接收到啟動指令時，微燃機尚未點火，透平輸出轉(zhuǎn)矩為零。 高速永磁同步起動發(fā)電機工作在電動機狀態(tài)，拖動同軸的微型燃氣輪機從靜止開始升速。此時，電磁轉(zhuǎn)矩Tem為拖動轉(zhuǎn)矩，在式（3）中取正號。 微燃機點火后，透平出功迅速增大。在透平和電機的共同作用下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，直到進入待發(fā)電狀態(tài)。電磁轉(zhuǎn)矩Tem也逐漸從拖動轉(zhuǎn)矩變?yōu)樽柁D(zhuǎn)矩，即由取正號轉(zhuǎn)變?yōu)槿∝撎?，表明電機從電動運行狀態(tài)進入發(fā)電運行狀態(tài)。

圖4 高速永磁同步起動發(fā)電機的矢量控制Fig.4 The vector control block diagram of the high-speed permanent magnet synchronous starter generator

電機側(cè)PWM 變流器采用速度外環(huán)—電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，可以保證系統(tǒng)平穩(wěn)、可靠地啟動。 根據(jù)獨立或者并網(wǎng)模式，直流母線由蓄電池經(jīng)過DC-DC 雙向斬波器或者電網(wǎng)經(jīng)過網(wǎng)側(cè)PWM 變流器整流來建立。 轉(zhuǎn)速指令是根據(jù)負載的變化和啟動過程的要求預(yù)設(shè)的。

4.2 發(fā)電運行

進入發(fā)電階段后，微型燃氣輪機作為原動機，拖動高速永磁同步起動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，輸出高頻交流電。 式（3）中的電磁轉(zhuǎn)矩Tem取負號。 穩(wěn)態(tài)運行時，通過燃料和轉(zhuǎn)速的配合控制，使微型燃氣輪機按照功率—轉(zhuǎn)速最佳運行曲線工作。

突加負載時，排氣溫度由于熱慣性尚沒有發(fā)生變化，微燃機無法立刻響應(yīng)能量需求的變化，從而不會增加燃料供給。 系統(tǒng)根據(jù)負載的功率需求得到微燃機轉(zhuǎn)速指令，采用矢量控制使電機的電磁轉(zhuǎn)矩減小，將微燃機轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)到指令轉(zhuǎn)速，直到電機的輸出功率達到負載要求。 轉(zhuǎn)子加速功率即為發(fā)動機的輸出功率與電機的發(fā)電功率之差，電機提供負載所需功率的不足部分，將通過蓄電池快速放電來得以保證。 負載突卸時，增大電機的電磁轉(zhuǎn)矩，使微燃機轉(zhuǎn)速快速下降到指令轉(zhuǎn)速。 微燃機輸出功率大于負載的那部分功率，將通過控制加入的剎車電阻來吸收。 可見，該方法可以穩(wěn)定、快速地滿足負載的需求，縮短系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間。

輸出的高頻交流電經(jīng)過電機側(cè)PWM 變流器和網(wǎng)側(cè)PWM 變流器轉(zhuǎn)化為工頻電壓提供給負載或者并網(wǎng)。 直流母線由網(wǎng)側(cè)PWM 變流器或者蓄電池控制器控制。 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速指令是根據(jù)負荷的變化按照微型燃氣輪機功率—轉(zhuǎn)速最佳運行曲線獲得。

當系統(tǒng)突加負載時，排氣溫度由于熱慣性尚沒有發(fā)生變化，微燃機無法立刻響應(yīng)能量需求的變化，從而不會增加燃料供給。 系統(tǒng)根據(jù)所需的輸出功率得到微燃機轉(zhuǎn)速指令，通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制使起動發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩減小，在微燃機輸出功率不變的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)加速，避免了突加負載時發(fā)動機出現(xiàn)富油熄火的現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)子加速功率即為發(fā)動機的輸出功率與電機的發(fā)電功率之差，電機提供負載所需功率的不足部分，將通過蓄電池快速放電來得以保證。

當突卸負載時，通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制使高速永磁同步起動發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩增大，使微燃機轉(zhuǎn)速下降到指令轉(zhuǎn)速。 微燃機輸出功率大于負載的那部分功率，將通過控制加入的剎車電阻來吸收，可有效避免發(fā)動機出現(xiàn)超轉(zhuǎn)和貧油熄火的現(xiàn)象。

可見，采用該種控制策略可以使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)負荷的變化，從而快速調(diào)節(jié)微型燃氣輪機輸出功率，縮短系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間。

4.3 停機過程

停機過程的控制與啟動過程基本相同，當轉(zhuǎn)速降落到冷卻轉(zhuǎn)速并且冷卻完成時，微燃機熄火，電機轉(zhuǎn)速通過矢量控制繼續(xù)下降直到停機。 通過對高速永磁同步起動發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的控制，保證系統(tǒng)安全可靠的正常停機和特殊情況下的緊急停機。

5 試驗驗證

為了驗證本文提出的微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機驅(qū)動控制方法，建立了30 kW 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的試驗平臺。 試驗平臺由微型燃氣輪機、高速永磁同步起動發(fā)電機、中央控制系統(tǒng)、電機側(cè)PWM 變流器控制系統(tǒng)、網(wǎng)側(cè)PWM變流器控制系統(tǒng)、蓄電池控制系統(tǒng)和油氣路控制系統(tǒng)組成，如圖5所示。

圖5 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)試驗平臺Fig.5 The experiment platform of the MTG system

圖5中，電機側(cè)PWM 變流器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，采用TMS320F2812 作為主控芯片，采用三菱公司的IPM 模塊作為功率驅(qū)動單元，直流母線電壓為760 V。通過CAN 通訊，將試驗數(shù)據(jù)傳輸給中央控制系統(tǒng)，來監(jiān)測電機的運行性能。 電機側(cè)PWM 變流器還包括并聯(lián)在母線上的剎車電阻及其控制電路。

圖6 電機側(cè)PWM 變流器控制系統(tǒng)框圖Fig.6 The block diagram of the machine side PWM converter control system

圖7～圖10分別給出了高速永磁同步起動發(fā)電機在微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)啟動、發(fā)電和停機過程中的轉(zhuǎn)速n，功率P，q 軸電流iq以及直流母線電壓Vdc的試驗波形。 由圖7～圖10可知，啟動時，q 軸電流iq為正值，電機輸出功率P 為負值，表明電機從母線吸收功率，用于拖動微型燃氣輪機加速。 q 軸電流iq和電機輸出功率P 在30 s 附近符號發(fā)生改變，此時電機由從母線吸收功率變?yōu)橄蚰妇€輸出功率，起動發(fā)電機由電動運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到發(fā)電運行狀態(tài)。 這是因為點火后透平出功增加，升速所需的功率可以部分甚至全部由微型燃氣輪機提供。 轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，到45 000 r/min，進入待發(fā)電運行階段。 電機輸出功率為3 kW，用于滿足自身系統(tǒng)供電。 加載時，電機輸出功率和轉(zhuǎn)速同步上升，連續(xù)進行兩次加載，每次加載功率為2 kW。 可見，加載時，發(fā)電機輸出功率先減小，再增大。 減小的功率即用于微型燃氣輪機加速。 電機的轉(zhuǎn)速隨著電機輸出功率的增加逐步上升，q 軸電流也隨著輸出功率的增加而增加，保證了系統(tǒng)的高效率運行。運行到234 s 時，負載突卸并隨之停機。 電機輸出功率先增大再減小。 增大的功率部分用于消耗微型燃氣輪機的渦輪功，降低微型燃氣輪機的轉(zhuǎn)速。到242 s 時，電機轉(zhuǎn)變?yōu)槲展β?，電流方向也變?yōu)檎?這是因為熄火后，冷卻所需的能量需要由起動發(fā)電機來提供。 整個運行過程中，直流母線保持平穩(wěn)。

圖7 微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機轉(zhuǎn)速波形Fig.7 The waveform of the velocity of the PMSSG

圖8 微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機輸出功率波形Fig.8 The waveform of the output power of the PMSSG

圖9 微燃機用高速永磁同步起動發(fā)電機q 軸電流波形Fig.9 The waveform of the q-axis current of the PMSSG

圖10 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓波形Fig.10 The waveform of the DC bus voltage of the MTG

6 結(jié)論

在微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)啟動、發(fā)電和停機過程中，高速永磁同步起動發(fā)電機的驅(qū)動控制均采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制。 在發(fā)電過程中，由排氣溫度閉環(huán)控制燃料流量，由轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制微型燃氣輪機的轉(zhuǎn)速。 該方法控制算法簡單，能夠快速響應(yīng)負載的變化，防止因微燃機性能退化而引起的超溫喘振現(xiàn)象。 理論分析和試驗結(jié)果表明：高速永磁同步起動發(fā)電機在電動和發(fā)電運行過程中，轉(zhuǎn)速控制平穩(wěn)，響應(yīng)快速，保證了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)的靈活性，可以滿足微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的需求。

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