1、1独立运行和并网模式下微型燃气轮机的建模与性能分析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 Microturb
2、ine 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 th
3、e 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 g
4、enerator electric side. KEY WORDS： distributed generation; microturbine; modeling; simulation; PWM摘要：微型燃气轮机发电系统是一种具有广泛应用前景的分布式发电系统。根据微型燃气轮发电机系统的动态特性，把微型燃气轮机及电气部分当作一个整体，建立了微型燃气轮发电机系统完整的数学模型，并进一步研究了微型燃气轮机和逆变器的基本控制策略，重点研究该系统的动态特性，特别是负荷扰动时的动态特性，仿真结果表明该系统模型能够反映实际微型燃气轮发电机系统。本论文的工作为进一步研究微型燃气轮机的热机控制与电气侧的逆变器
5、控制的协调控制策略奠定了基础。 关键词： 分布式发电；微型燃气轮机；建模；仿真； PWM0 引言近年来，以风力发电、光伏电池和微型燃气轮机（Microturbine）等为代表的分布式发电 DG（Distributed Generation）技术的发展已成为人们关注的热点。其中，微型燃气轮机发电系统是一种技术上最为成熟、商业应用前景最为广阔的分布式发电技术，其相关研究问题已被列为国家“863”专项研究计划。微型燃气轮机一般是指功率在几百千瓦以内的小型热动装置，与常规发电机组相比，微型燃气轮机具有寿命长、可靠性高、燃料适应性好、环境污染小和便于灵活控制等优点 1，它是分布式发电的最佳方式，可以靠近
6、用户，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。典型微型燃气轮机发电系统结构图如图 1 所示。该独立电网系统由微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器和负荷组成，其中微型燃气轮机透平包含压缩器、能量回收器、燃烧室以及带一个负荷的动力透平机。其工作原理为：从离心式压气机出来的高压空气先在回热器内由涡轮排气预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧，高温燃气送入向心式涡轮做功，直接带动高速发电机（转速在 50 000120 000 r/min 之间）发电，高 频 交 流 电 流 经 过 整 流 器 和 逆 变 器 ， 即“AC-DC-AC”变换转化为工频交流电输送到交流电网 2。微型燃气轮机A C
7、 / D C整流器D C / A C逆变器L C 逆波器负荷电网永磁同步发电机图 1 微型燃气轮机发电系统结构图Fig.1 Block diagram of microturbine generation system微型燃气轮机发电系统的数学建模是对其实施控制的基础。国内外在这方面已进行了一定研究，但一般都把微型燃气轮机与电气系统分开建模，文献 3对微型燃气轮机进行了模块化建模，建立了微型燃气轮机的六阶系统模型；文献 4只对微型燃气轮机进行建模与控制；文献 5把逆变器之前的环节等效为一个电压源，而只对逆变器进行控2制。而微型燃气轮机是一个完整的系统，等效处理和分开建模会割裂燃机系统和发电系统
8、之间的内在耦合联系，不利于实现燃机系统和电气系统之间的协调控制设计 6。本文从微型燃气轮机的工作原理出发，建立了完整统一的微型燃气轮发电机系统的仿真模型，为接下来的研究工作奠定了基础。1 微型燃气轮机发电系统整体建模1.1 微型燃气轮机及其控制模型微型燃气轮机的控制包括转速控制、温度控制和燃料控制，在正常运行时，微型燃气轮机的转速控制系统使得在一定负荷时维持转速基本不变。微型燃气轮机不同于大型燃气轮机，其转速控制分为定转速和变转速两种方式，对于大型汽轮机，转速控制系统通过改变蒸汽流量来保持转速不变，而微型燃气轮机是改变燃料量来控制转速的 7-8。透平入口温度过高直接影响透平的安全性及系统的寿命
9、，因此透平入口温度也是一个很重要的控制参数，在正常运行时，也是通过改变燃料量来控制透平入口温度不超过其最大设计值 。该模型的结构框图如图 2 所示。速度控制燃料控制温度控制燃气轮机refDFfWmTErefT图 2 微型燃气轮机结构图Fig.2 Microturbine system architecture1.2 微型燃气轮机的数学模型本文所建立的微型燃气轮机发电系统模型主要用于研究正常运行方式下的慢动态过程特性，不考虑开机与停机的快动态过程。参照文献 9-13，本文以适用于重载燃气轮机的Rowen 模型为基础建立微型燃气轮机模型，如图3 所示,转速为额定转速的 95% 107%。建模时没有
10、考虑回热器，因为回热器用于提高发电机效率，并且响应速度慢，对研究微型燃气轮机的机电特性影响不大 14。图 3 模型主要包含转速控制、温度控制、加速控制、燃料系统、压缩机涡轮系统等部分。转速控制、加速控制和温度控制分别产生 3 种燃料参考指令，通过低值选择开关(min 模块) 和高低限值模块(limit 模块)作用后，产生最终的燃料参考指令送入燃料系统 11。图 3 微型燃气轮机模型Fig.3 Model of microturbine implemented微型燃气轮机与蒸汽轮机有许多不同之处，最明显的区别就是微型燃气轮机在没有负荷的情况下，为了维持正常的运行需要燃料量占了额定燃料量很大的比重
11、，本论文取 23%的额定燃料量作为微型燃气轮机的基荷，因此微型燃气轮机要尽量避免运行在低负荷状态以提高经济效益。这一点将会在仿真中得到验证；第二个区别是转速控制的方式，对于大型汽轮机，转速控制系统通过改变蒸汽流量来保持转速不变，而微型燃气轮机是改变燃料量来控制转速的。透平入口温度过高直接影响透平的安全性及系统的寿命，因此透平入口温度控制也是一个很重要的控制部分，在正常运行时，也是通过改变燃料量来控制透平入口温度不超过其最大设计值。燃料系统中，门阀定位器与燃料制动器的传递函数 为：1f(1)10.4s.5f1压缩机涡轮系统中，涡轮转矩输出函数为：2f(2)(.23.W.f2 f式中：W f 为燃
12、料流量信号(标幺值)； 为发电机转速(标幺值) 。排气温度函数 为：3f(3)1(50)1(70tfR式中：t R 为参考温度,单位为。转矩方程在 100%负荷的情况下基本上是精确的，在其他情况下会存在小于 5%的误差，排气温3度方程相对来说不是那么精确，但由于温度控制只在温度参考值附近起作用，因此可以忽略其带来的影响。1.3 永磁同步发电机及整流器模型在本文的微型燃气轮机发电系统中，同步发电机为永磁体励磁的永磁同步发电机。由于永磁同步发电机和整流器部分都是不可控的，建模时可以适当简化，本文提出一种“统一”模块化思想将发电机及整流器部分作为一个整体来建立模型。永磁同步发电机及整流器可以通过带交
13、流电源的三相全波桥式整流器进行建模，如图 4 所示。图 4 永磁同步发电机及整流器等效电路Fig.4 Equivalent circuit of permanent magnetsynchronous generator and rectifier图 4 中，电感为发电机每相电感的等效值，同时忽略发电机的损耗。一般微型燃气轮机采用的永磁同步发电机为 2 极，从而有机械角速度与电角速度相等。对于理想的、无负荷的永磁同步发电机，其线电压 为 15：lineV(4)tsinKVline式中： 为固定电压值； 为发电机电角速度。考虑换相重叠角，全波直流桥整流器的输出电压为 14：d(5)dacd IL
14、3os23式中： 为交流侧线电压的有效值； 为换相角，acV对于不可控整流器， = 0； L 为发电机定子绕组漏感； 为整流器直流侧电流。dI由于 = 0，从而有：(6)dlinedI3由式(4)和式(6)可知，直流电压可由角速度和电流表示，取(7)dxdgIKVE则(8)egKE式中： ，单位为 /rad； ,单L3KxsveK3位为 Vs/rad。根据电路原理有：(9)dtVdCI1式中：C 为直流平波电容；I l 为整流器负荷电流。整流器输出的电磁功率为：(10)2IKIPdxdede-假设忽略整流器损耗，则整流器输出的电磁功率与永磁同步发电机输出的电磁功率相等。根据转矩与功率的关系，发
15、电机输出的电磁转矩为：eM(11)2IPdxee-假设忽略发电机阻尼，发电机转子运动方程为：(12)M(1emJdt式中：J 为转子的转动惯量。式(7)描述了微型燃气轮机发电系统机电的固有特性，而式(12)是永磁同步发电机及整流器部分与微型燃气轮机部分连接的关键。根据上述方程可以得到永磁同步发电机及整流器的简化模型，如图 5 所示。图 5 永磁同步发电机及整流器模型Fig.5 Model of permanent magnet synchronousgenerator and rectifier按照上述“统一”模块化思想建立永磁同步发电机及整流器整体模型的方法较分开建模简单，依然能够实际反映出
16、负荷变化时微型燃气轮机与电力电子装置间的相互影响，这也是等效模型无法实现的。图 5 模型的输入、输出全是有名值，需要将该部分转换为标幺值后才能与微型燃气轮机部分相连接。2 部分模型相连后组成的“统一”模型中，输入 Il 的变化是控制微型燃气轮机燃料输4出的关键。I l 变化,永磁同步发电机的转速发生相应变化，进而微型燃气轮机的燃料流量也要发生相应变化，反映了微型燃气轮机动力系统与电气系统间的内部耦合联系 16。1.4 逆变器及 SPWM 调制的数学模型逆变器接收整流侧输出直流并将其逆变为工频交流，同时根据微电网不同的运行方式可以对其进行相应的控制。当微电网独立运行时，通过控制逆变器来控制负荷端
17、的电压及频率，即控制，以维持整个微电网的电压和频率；当fV/微电网并网运行时，为减少微电网对大电网的冲击，对逆变器采用 控制，即按照给定的功率输PQ出来控制其与电网间的功率交换。具体的逆变器模型如图 6 所示。图 6 带 V/ f 和 PQ 控制的 SPWM 逆变器Fig.6 SPWM inverter with V/ f and PQ control该系统的逆变器采用 SPWM 调制方法，SPWM 控制是基于采样控制理论中的一个结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加载具有惯性的环节上时，其效果基本相同。把三相正弦波作为调制信号，把接受调制的三角波信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的 SPW
18、M 波形。对逆变器采用了双闭环控制，该方法的控制回路拥有两个闭环，利用电压外环实现对输出电压的稳定控制，电流内环实现对输出电流的控制，但由于 轴相互耦合因而控制器的设计比较困难，dq并且系统与孤立电网连接，系统的频率由负荷所确定，因此对逆变器的输出电压进行控制即能获得较好的效果，并且采用简单的 控制即可。当PI微型燃气轮机系统作为一个孤立的电力网络运行时，可以通过控制逆变器来控制负荷的电压及频率，而有功和无功输出则根据负荷的需要自动的调整；当该系统与电网并联运行时，由于电网的电压和频率是一定的，因此采用定功率控制可以控制其与电网的功率交换。本论文研究微型燃气轮机系统作为一个独立的电力网络时的情
19、况，对逆变器采用 PWM 调制方法，通过 控制器把逆PI变器出口的电压控制在 380V，并在逆变器的出口设置滤波电感来消除部分由逆变器产生的谐波。本文中，整流器模型的输出是数字信号，而逆变器模型的输入是电气信号，因而将直流电压源改成直流受控电压源，控制信号为整流器输出的直流电压，就可将逆变器与整流器(包括之前的微型燃气轮机和永磁同步发电机)部分统一在一起，构成整个微型燃气轮机发电系统，如图 7 所示。图 7 微型燃气轮机发电系统整体模型Fig.7 Model of microturbine generation system2 系统仿真及分析本文应用 MATLAB 软件中的 Simulink
20、进行建模仿真，以独立运行方式为例，对所建立的微型燃气轮机发电系统模型进行仿真，通过仿真分析微型燃气轮机与电力电子变流装置及负荷之间的相互影响。2.1 微型燃气轮机发电系统仿真本文采用 MATLAB 软件中的 Simulink 进行可视化仿真，仿真模型如图 8 所示。图 8 微型燃气轮机发电系统整体仿真模型Fig.8 Simulation model of microturbine generation system此仿真主要模拟微型燃气轮发电机系统在负荷扰动时所表现的动态特性，在仿真的初始阶段，微型燃气轮机系统工作额定转速且不带负荷的情5况下，在 25s 的时候给该系统加上 10kW 的负荷，
21、并在 50s 的时候切掉 10kW 的负荷。仿真结果如图 914 所示。从图 9、图 10、图 13 和图 14 中可以看出，微型燃气轮机空载达到稳态时，转速达到额定值1，机械转矩为 0，但此时燃料流量却保持在0.23。这一点验证了上文所提到的微型燃气轮机为维持正常运行所需要的基础燃料为设定值 0.23。从整个仿真过程来看，微型燃气轮机所能调整的燃料量范围为 23%-100%，这个范围正好与 0-100%的负荷功率相对应。从图 10 中可以看出，空载时转子的速度为1，当负荷上升到 10kW 时，转速下降到 0.98，整个仿真过程转速都维持在额定转速附近。从图11、图 12、图 13 可以看出
22、当燃气轮机达到稳定状态时，温度和速度偏差都为稳定值，说明所建系统是稳定的。0 10 20 30 40 50 60 700.2970.2980.2980.290.290.230.230.23010.23010.2302仿 真 时 间 （ s）幅值燃 料 量 WFWF图 9 燃料量 WF 仿真曲线Fig.9 Simulation curves for Fuel flow 0 10 20 30 40 50 60 700.40.50.60.70.80.911.1仿 真 时 间 （ s）幅值转 速 图 10 转速 仿真曲线Fig.9 Simulation curves for rotor speed0
23、10 20 30 40 50 60 70-0.100.10.20.30.40.50.60.7仿 真 时 间 （ s）幅值速 度 偏 差 dwdw图 11 速度偏差 dw 的仿真曲线Fig.11 Simulation curve of velocity deviation0 10 20 30 40 50 60 70202024026028030320340360380仿 真 时 间 （ s）幅值排 气 温 度 TETE图 12 排气温度 TE的仿真曲线Fig.12 Simulation curve of exhaust temperature0 10 20 30 40 50 60 70-0.05
24、00.050.10.150.20.250.3仿 真 时 间 （ s）幅值机 械 转 矩 MmMm图 13 机械转矩 Mm的仿真曲线Fig.13 Simulation curve of mechanical torque0 10 20 30 40 50 60 7000.010.020.030.040.050.060.07仿 真 时 间 （ s）幅值负 荷 转 矩 MeMe图 14 负荷转矩 Me的仿真曲线Fig.14 Simulation curve of load torque62.2 永磁发电机及整流器仿真图 15、图 16 给出了微型燃气轮发电机系统的电气侧的仿真结果，当微型燃气轮机带无负
25、荷时，整流器的输出电流为 0.01，直流电压为 0.88，负荷上升到 10kW 时，整流器的输出电流为 0.01，直流电压下降到 0.85，同时，整个动态过程中随着负荷的增加电压有所下降，但基本维持在 380V左右。以上数值为标幺值，本文选取的基准值为UB=400V，S B=100M.因此将以上数值换算成有名值时，当微型燃气轮机带无负荷时，整流器的输出电流为 0A，直流电压为 352V，当负荷上升到10kW 时，整流器的输出电流为 25 A，直流电压下降到 340V，在整个动态过程中随着负荷的增加电压有所下降，但基本维持在 380V 左右。0 10 20 30 40 50 60 7000.01
26、0.020.030.040.050.060.070.080.090.01仿 真 时 间 （ s）幅值整 流 器 输 出 电 流 IdId图 15 整流器输出的电流Fig.15 Current of the rectifier0 10 20 30 40 50 60 700.20.30.40.50.60.70.80.91仿 真 时 间 （ s）幅值整 流 器 输 出 电 压 VdVd图 16 整流器输出的电压Fig.16 Voltage of the rectifier本文重点是能否正确的设置仿真参数，尤其是仿真时间的设置。如果仿真时间设置的过长，一些过渡过程很可能就看不到；如果仿真时间设置的过短
27、，那么系统还未达到稳定状态仿真过程就结束了。经过了多次尝试才最终确定了最终的仿真时间。3 结论本文详细的研究了微型燃气轮发电机系统的动态数学模型，并根据需要对微型燃气轮机进行速度控制、温度控制和燃料控制，逆变器也采用SPWM 调制方法，而对永磁发电机和逆变器采用了简化处理。通过仿真可以得出如下结论：1) 从 0 到 100% 负荷范围内，燃机的排气温度能够很好的控制在额定排气温度以下，并且燃料的供应随负荷的变换相应速度快，即该模型能够很好的跟踪负荷的变化，发生扰动时能够很快的稳定下来，但转速需要经过较长的时间才能达到稳态值。2) 逆变器通过 SPWM 调制可以很好的对出口电压进行控制，并且在甩
28、负荷时能够根据负荷的需要调节功率的输出。与 MATLAB 提供逆变器器件仿真模型比较，仿真精度令人满意。3) 文中的控制大多采用 控制器，这种控制方法简单易行，但要获得更佳的综合控制鲁棒性和机电控制协调性，尚需考虑引入更高级的非线性鲁棒协调控制方法。本文所建立的微型燃气轮机发电系统仿真模型，不仅可如实反映微型燃气轮机自身的动态特性，而且将微型燃气轮机、电力电子装置以及负荷之间的相互联系动态地表现了出来，这是等效处理或者分开建模难以实现的。其中，控制部分采用PI 控制，简单可行。本文所建立的逆变器模型,附加合理的控制后同样适用于其他采用逆变器作为接口的分布式电源，如太阳能光伏发电、燃料电池等，为
29、进一步研究微电网中各种分布式电源之间的协调控制奠定了基础。参考文献1 杨策,刘宏伟,李晓.微型燃气轮机技术J.热能动力工程, 2003, 18(1): 1-4. YANG Ce, LIU Hongwei, LI Xiao. Micro-Turbine Technology J. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2003, 18(1): 1-4.2 刁正纲. 微型燃气轮机走向商业化J. 燃气轮机技术, 72000, 13(4):13-16.DIAO Zhenggang, Micro-Turbine Tward Commer
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