微型燃?xì)廨啓C(jī)的微網(wǎng)管理與控制策略

安英會

燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是指制冷、供暖、發(fā)電三者合一的燃?xì)廨啓C(jī)用戶系統(tǒng)，通常配置的裝置有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)余熱供暖系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)余熱制冷系統(tǒng)以及控制裝置。冷熱電聯(lián)產(chǎn)有助于能源的更為合理分配、使用與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。系統(tǒng)由3臺30 kW的微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)、兩臺15萬大卡的余熱煙氣溴化鋰型吸收式空調(diào)、兩臺15萬大卡熱水爐和一臺可產(chǎn)生12 m3/h流量的換熱器以及一臺15 kW的低溫吸附式制冷機(jī)組成。

余熱煙氣溴化鋰型吸收式空調(diào)用于制冷，熱水爐用于供暖和洗澡用水，具有儲存功能，換熱器可以用于供暖和洗澡，也可以通過循環(huán)泵給15 kW的低溫吸附式制冷機(jī)制冷用。通常制冷設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)以及熱水鍋爐均需要并列運(yùn)行。冬天熱負(fù)荷較高的情況下余熱系統(tǒng)用于供熱，夏天冷負(fù)荷較高的情況下主要用于制冷，低溫余熱制冷器可以調(diào)整冷熱負(fù)荷。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電通過并網(wǎng)控制器接入電網(wǎng)，并配置有無功補(bǔ)償器調(diào)整發(fā)電機(jī)無功輸出。

微型燃?xì)廨啓C(jī)的微網(wǎng)管理主要是并網(wǎng)情形下以冷熱定電[2]，離網(wǎng)情形下可以通過配置電制冷、制熱系統(tǒng)亦可以以冷熱定電，供電負(fù)荷可以在離網(wǎng)情形下進(jìn)行優(yōu)化配置[3]。本文介紹了一種微型燃?xì)廨啓C(jī)串級控制策略，能較好地在滿足冷熱電等負(fù)荷需求的情況下，實現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速及燃料的控制。仿真性能曲線表明，本文介紹的微型燃?xì)廨啓C(jī)的微網(wǎng)管理與控制策略具有響應(yīng)迅速，控制穩(wěn)定的特征。

1 燃?xì)廨啓C(jī)動態(tài)模型[2]

燃?xì)廨啓C(jī)的工作過程是，壓縮機(jī)壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃?xì)?，隨即流入燃?xì)馔钙街信蛎涀鞴?，推動透平葉輪帶著壓氣機(jī)葉輪一起旋轉(zhuǎn)并輸出機(jī)械功率，燃機(jī)帶動發(fā)電機(jī)輸出電功率。燃?xì)廨啓C(jī)包括燃料伺服系統(tǒng)、壓縮機(jī)、燃燒室、透平室、異步發(fā)電機(jī)。其動態(tài)模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)動態(tài)模擬結(jié)構(gòu)方框圖

燃料伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用慣性環(huán)節(jié)模擬，標(biāo)記為Gf（S），Gf（S）的傳遞函數(shù)為：

其中，Tf為燃料伺服機(jī)構(gòu)的慣性常數(shù)，由伺服機(jī)構(gòu)的管路特性確定。

壓氣機(jī)應(yīng)用具有增益的慣性環(huán)節(jié)模擬，標(biāo)記為Gk（S），Gk（S）的傳遞函數(shù)為：

其中，Tf為壓氣機(jī)的慣性常數(shù)，由壓氣機(jī)的容量特性確定，Kk為壓縮比，由壓氣機(jī)的壓縮比性能確定。

燃燒室由具有增益的純延遲環(huán)節(jié)模擬，標(biāo)記為GB（S），GB（S）的傳遞函數(shù)為：

其中，TB為燃燒室的延遲時間常數(shù)，由燃燒室的燃燒特性確定；KB為質(zhì)能比，由燃燒室的燃燒效率、燃料的熱值等確定。

將透平室僅僅看做能量轉(zhuǎn)換場所，不考慮轉(zhuǎn)矩計算，轉(zhuǎn)矩計算在異步電動機(jī)部分加以考慮。透平室傳遞函數(shù)可以用能效曲線，為了平滑曲線，簡化考慮各種工況下的能效近似為線性，同樣用具有增益的線性環(huán)節(jié)替代能效曲線，則透平室的傳遞函數(shù)標(biāo)記為GT（S），GT（S）的傳遞函數(shù)為：

其中，TT為透平室的延遲時間常數(shù)，由透平室的噴嘴及葉片特性確定；KT為效能比，由透平室的能效確定；T1，T2為能效曲線的近似線性參數(shù)。

異步電動機(jī)來自與透平的輸出轉(zhuǎn)矩為TT（S）。

其中，K1系數(shù)與透平轉(zhuǎn)換效率相關(guān)，K2系數(shù)為轉(zhuǎn)速相關(guān)系數(shù)。

為了簡化，不考慮異步電機(jī)的電磁函數(shù)，將異步電動機(jī)的負(fù)載看成慣性轉(zhuǎn)矩，則異步電機(jī)的傳遞函數(shù)標(biāo)記為 GM（S），GM（S）的傳遞函數(shù)為：

其中，Tr為軸系的轉(zhuǎn)動慣量[3，4]。

2 燃?xì)廨啓C(jī)的微網(wǎng)控制

并網(wǎng)情形下，為了實現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的以“冷熱定電”的控制策略，并列運(yùn)行的三臺燃?xì)廨啓C(jī)均可以采用PV控制方法，通過控制燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣量來維持燃?xì)廨啓C(jī)的有功輸出，控制燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率P和機(jī)端電壓V的恒定。機(jī)端電壓V控制需要保持勵磁電壓的恒定，并網(wǎng)情形下，燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速可以視為恒定。

離網(wǎng)情形下，亦可以通過調(diào)整燃?xì)饬靠刂迫細(xì)廨啓C(jī)的輸出功率P和燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速或頻率f.考慮到燃?xì)廨啓C(jī)輸出為直流，需要考慮到整流、濾波等因素，則微型燃?xì)廨啓C(jī)有功功率輸出P可以簡單由式（7）來計算[5]。

其中，X為整流逆變的等效電抗，Uinv為逆變器的輸出電壓，E為機(jī)端電壓，δv為二者之間的夾角。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電調(diào)整實質(zhì)是指燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整，通常是在離網(wǎng)狀況下進(jìn)行的，即當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)實際轉(zhuǎn)速n與給定轉(zhuǎn)速n0發(fā)生偏差△n后通過調(diào)整燃?xì)夤?yīng)量Gf來維持轉(zhuǎn)速平衡，燃?xì)廨啓C(jī)控制回路干擾為r.控制回路采用PID調(diào)節(jié)器，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于警告值時切除燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)或切除用電負(fù)荷。其控制原理如圖2所示。

圖2 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電調(diào)整控制原理方框圖

其中GM（S）的整體傳遞函數(shù)參看圖1以及式（1）~（7）。

燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供能量管理系統(tǒng)中由于燃?xì)廨啓C(jī)為單臺、兩臺或三臺并列運(yùn)行，調(diào)節(jié)指令Gf指優(yōu)先一臺接近滿負(fù)荷運(yùn)行，再梯次分配給其它燃?xì)廨啓C(jī)，為了減少擾動，實際采用串級調(diào)整方案。即在圖2所示的控制回路增加負(fù)荷平衡控制外環(huán)，負(fù)荷指令通過負(fù)荷監(jiān)控端或設(shè)定端作為設(shè)定值，燃?xì)廨啓C(jī)通過Gf分配調(diào)整后先滿足負(fù)荷的需求，再逐步調(diào)整Gf滿足轉(zhuǎn)速需求?？刂瓶驁D如圖3所示。

圖3 微型燃?xì)廨啓C(jī)串級控制原理方框圖

3 控制效果仿真及結(jié)論

為了驗證控制效果，仿真模型平臺為SIMULINK，用于參比的參數(shù)包括：負(fù)荷Load、燃料流量Fu以及煙氣溫度To，結(jié)果如圖4～5所示。仿真計算結(jié)果采用標(biāo)幺值形式用于比較仿真時間步長取為0.1 s.如圖4所示為燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷控制效果，時間軸的單位是秒。即設(shè)定第3 s機(jī)組從滿負(fù)荷突然甩負(fù)荷至空載運(yùn)行，仿真過程持續(xù)10 s.如圖5所示為燃?xì)廨啓C(jī)增負(fù)荷過程中的控制效果，從60%負(fù)荷增至100%負(fù)荷。本文為了實驗簡便，只選擇了一臺燃?xì)廨啓C(jī)作為仿真對象。圖4、圖5數(shù)據(jù)說明通過本文所設(shè)計的控制策略，燃?xì)廨啓C(jī)可以非?？焖俜€(wěn)定實現(xiàn)負(fù)荷輸出與調(diào)整，即實現(xiàn)以熱定電控制模式。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷控制效果

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)增負(fù)荷控制效果

[1]朱成章.從小型熱電聯(lián)產(chǎn)走向冷熱電聯(lián)產(chǎn)[J].能源技術(shù)，2000（1）：29-30.

[2]段建東，孫 力，趙 克，等，一種微型燃?xì)廨啓C(jī)抗擾控制器設(shè)計及驗證方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2012（6）：19-24.

[3]SOON K Y，HUGHES F M，MILANOVIC J V.Comparative analysis and reconciliation of gas turbine models for stability studies[J].IEEE PowerEngineering Society GeneralMeet ing，Tampa，2007.

[4]SAHA A K，CHOWDHURY S，CHOWDHURY S P，et al.Modeling and performance analysis of a microturbine as a distributed energy resource[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24（2）：529-538.

[5]Bergen A R.Power systems analysis[M].Englewood Cliffs，NJ，USA：Prentice-Hall，1986.