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)電技術已經(jīng)成為人們關注的熱點。其中，微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)是一種技術上最為成熟、商業(yè)應用前景最為廣闊的分布式發(fā)電技術。微型燃氣輪機一般是指功率在幾百千瓦以內的小型熱動裝置，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)結構

微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結構如圖1所示。微型燃氣輪機采用單軸結構，通過壓縮機渦輪產(chǎn)生轉矩驅動高速發(fā)電機發(fā)電，與采用齒輪變速系統(tǒng)的分軸結構相比，單軸結構系統(tǒng)效率更高、結構更緊湊、可靠性更高。一般，微型燃氣輪機轉速高達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)結構

2 微型燃氣輪機數(shù)學模型

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，取 Tref=950℃;wf1、wf2為燃料流量信號;w是渦輪機實際轉速。

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，即以轉子速度與預先設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速的變化率過大，防止轉子超出允許范圍;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)主電路拓撲結構如圖3所示。通過控制整流器橋臂上各功率器件的導通與關斷，實現(xiàn)交直流的轉換，直流側采用電容進行直流儲能，從而使VSR直流側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，快速調節(jié)微型燃氣輪機輸出功率，達到縮短系統(tǒng)動態(tài)響應時間的目的。

三相靜止對稱坐標系下的VSR數(shù)學模型交流側變量都為時變交流量，不利于控制系統(tǒng)的設計。因此，通過坐標變換將三相靜止abc坐標系轉化為與基波頻率同步旋轉的dq0坐標系，簡化控制系統(tǒng)的設計［4］。三相電壓型PWM整流器控制結構如圖4所示，采用基于前饋解耦控制策略的雙閉環(huán)控制結構，圖中Vdcref為直流側電壓參考值，直流側電壓差值經(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直流側電壓恒定;電流內環(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)控制結構

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構如圖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，濾除開關頻率及其鄰近頻帶的高次諧波，保證負荷的電能質量。

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)結構，將逆變器出口的電壓及頻率控制為給定值，電壓幅值設為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，其輸出作為電流內環(huán)的給定值;內環(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)結構，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BRK斷開，微型燃氣輪機處于孤島運行狀態(tài)，承擔本地負荷的波動。微型燃氣輪機額定功率取30 kW，額定轉速為60 000 r/min，直流側電壓參考值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，轉速w達到額定值1 p.u.，當負荷功率增加至100%時，轉速下降到0.957 p.u.，即隨著負荷功率的增加，轉速會下降，仿真過程中轉速基本維持在額定轉速附近;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燃料為設定值0.23 p.u.，從仿真過程來看，微型燃氣輪機所需調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，符合實際要求;從圖8(c)可以看出，機械轉矩Tm并沒有嚴格按照負荷的變化成比例變化，空載時轉矩為 0 p.u.，滿載運行時轉矩為 1.048 p.u.，其原因在于負荷增加時轉速下降，空載時轉速為額定值1 p.u.，滿載時轉速為0.957 p.u.，而 Pe=Tew(Pe為電磁功率，Te為電磁轉矩，w為轉速)，由于電磁轉矩和機械轉矩在穩(wěn)定狀態(tài)下平衡，故實際滿載運行時，機械轉矩會略高于1 p.u.，但整個仿真過程中轉速都維持在額定轉速附近。

圖8 微型燃氣輪機特性仿真曲線

圖9 整流側和逆變側的電壓、頻率

圖9為微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)整流側和逆變側的電壓與頻率，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量的要求。

5 結語

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)學模型。整流器采用雙閉環(huán)恒壓控制，維持了直流側電壓的恒定;逆變器采用V/F控制，保證了負荷側電壓與頻率的穩(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。

［1］楊策，劉宏偉，李曉.微型燃氣輪機技術［J］.熱能動力工程，2003，18(1):1－4.

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［3］余濤，童家鵬.微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(3):27－31，45.

［4］丁奇，嚴東超，曹啟蒙.三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設計方法的研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(23):84 －87，99.

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