李艷明,郭宏,謝清明,,袁鵬
(1.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京100191;2.北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京100074)
目前,先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)多采用微型燃?xì)廨啓C(jī)與高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)直接連接的單軸結(jié)構(gòu)[1-2]。 在啟動(dòng)和冷卻停機(jī)階段,高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài);發(fā)電運(yùn)行階段,起動(dòng)發(fā)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。 因此,微燃機(jī)用高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制需要同時(shí)考慮電動(dòng)和發(fā)電的運(yùn)行狀態(tài),且必須與微型燃?xì)廨啓C(jī)的控制相結(jié)合。
關(guān)于微燃機(jī)用高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)、發(fā)電和停機(jī)控制研究的文獻(xiàn)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法在微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)過程中的應(yīng)用均有學(xué)者進(jìn)行過研究。 文獻(xiàn)[6]介紹了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)雙向PWM 變換器的設(shè)計(jì)和控制方法。 文獻(xiàn)[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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)控制方法。 但是,這些文獻(xiàn)都只側(cè)重于啟動(dòng)或發(fā)電控制的某一面。 文獻(xiàn)[8-9] 采用雙向電壓型PWM 變換器作為功率變換裝置,電動(dòng)運(yùn)行時(shí),電機(jī)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(yùn)行時(shí),發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由燃料控制,電機(jī)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(dòng)發(fā)電機(jī)控制策略與傳統(tǒng)的微型燃?xì)廨啓C(jī)控制方法相配合,在目前的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中使用最多。 但是,該方法需要根據(jù)起動(dòng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行PWM 變流器控制方式的切換,控制算法相對(duì)復(fù)雜。
針對(duì)單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn),本文在建立微燃機(jī)用高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,與微型燃?xì)廨啓C(jī)控制方法相結(jié)合,提出了一種適用于微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)、發(fā)電和停機(jī)全運(yùn)行階段的高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法,該方法無論在電動(dòng)運(yùn)行還是發(fā)電運(yùn)行時(shí),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(jiǎn)單,而且可以更快地實(shí)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)本文采用的高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
典型的單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)發(fā)電機(jī)、壓氣機(jī)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?xì)廨啓C(jī)不能自啟動(dòng),且高速電機(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)過程的變頻調(diào)速和發(fā)電運(yùn)行時(shí)的電能變換。
圖1 微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure of the microturbine generation system
當(dāng)Ld=Lq時(shí),高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為
式中:ud,uq,id,iq分別為dq 坐標(biāo)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(jī)轉(zhuǎn)速;Tem為高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,其方向在電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)取正,發(fā)電運(yùn)行時(shí)取負(fù);TT,TC,Tf分別為透平的輸出轉(zhuǎn)矩、壓氣機(jī)壓縮空氣所需的轉(zhuǎn)矩和軸系摩擦轉(zhuǎn)矩。
微燃機(jī)用高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制必須與微型燃?xì)廨啓C(jī)的控制相結(jié)合。 傳統(tǒng)的單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時(shí),其轉(zhuǎn)速和排氣溫度均是通過燃料流量進(jìn)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(duì)于具有額定特性的微燃機(jī)來說是合適的。 但是,隨著工作時(shí)間的增加,微燃機(jī)的各部件性能會(huì)發(fā)生蛻化,導(dǎo)致其控制參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值,從而引起微型燃?xì)廨啓C(jī)控制性能的下降。
圖2 傳統(tǒng)的微型燃?xì)廨啓C(jī)控制方法Fig.2 The traditional control method of the microturbine
由式(3)可知,由于壓氣機(jī),透平和高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸,因此,通過控制高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就可以改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。 與此同時(shí),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(jī)組的出力和熱效率。 這種控制方法實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和排氣溫度的分別控制,當(dāng)二者有效配合運(yùn)行時(shí),既可以有效提高微燃機(jī)的效率,又可以防止因微燃機(jī)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 其控制方法如圖3所示。
圖3 新型微型燃?xì)廨啓C(jī)控制方法Fig.3 A novel control method of the microturbine
根據(jù)前述的微型燃?xì)廨啓C(jī)控制方法,由排氣溫度控制微型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料流量,由轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速。 啟動(dòng)、發(fā)電和停機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程中,高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(shì)的開環(huán)估計(jì)方法進(jìn)行估算[11],其控制原理框圖如圖4所示。
系統(tǒng)接收到啟動(dòng)指令時(shí),微燃機(jī)尚未點(diǎn)火,透平輸出轉(zhuǎn)矩為零。 高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài),拖動(dòng)同軸的微型燃?xì)廨啓C(jī)從靜止開始升速。此時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩Tem為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩,在式(3)中取正號(hào)。 微燃機(jī)點(diǎn)火后,透平出功迅速增大。在透平和電機(jī)的共同作用下,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升,直到進(jìn)入待發(fā)電狀態(tài)。電磁轉(zhuǎn)矩Tem也逐漸從拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩變?yōu)樽柁D(zhuǎn)矩,即由取正號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槿∝?fù)號(hào),表明電機(jī)從電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。
圖4 高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)的矢量控制Fig.4 The vector control block diagram of the high-speed permanent magnet synchronous starter generator
電機(jī)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(dòng)。 根據(jù)獨(dú)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(fù)載的變化和啟動(dòng)過程的要求預(yù)設(shè)的。
進(jìn)入發(fā)電階段后,微型燃?xì)廨啓C(jī)作為原動(dòng)機(jī),拖動(dòng)高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),輸出高頻交流電。 式(3)中的電磁轉(zhuǎn)矩Tem取負(fù)號(hào)。 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),通過燃料和轉(zhuǎn)速的配合控制,使微型燃?xì)廨啓C(jī)按照功率—轉(zhuǎn)速最佳運(yùn)行曲線工作。
突加負(fù)載時(shí),排氣溫度由于熱慣性尚沒有發(fā)生變化,微燃機(jī)無法立刻響應(yīng)能量需求的變化,從而不會(huì)增加燃料供給。 系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載的功率需求得到微燃機(jī)轉(zhuǎn)速指令,采用矢量控制使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小,將微燃機(jī)轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)到指令轉(zhuǎn)速,直到電機(jī)的輸出功率達(dá)到負(fù)載要求。 轉(zhuǎn)子加速功率即為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率與電機(jī)的發(fā)電功率之差,電機(jī)提供負(fù)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(fù)載突卸時(shí),增大電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,使微燃機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降到指令轉(zhuǎn)速。 微燃機(jī)輸出功率大于負(fù)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(fù)載的需求,縮短系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。
輸出的高頻交流電經(jīng)過電機(jī)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(fù)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(fù)荷的變化按照微型燃?xì)廨啓C(jī)功率—轉(zhuǎn)速最佳運(yùn)行曲線獲得。
當(dāng)系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí),排氣溫度由于熱慣性尚沒有發(fā)生變化,微燃機(jī)無法立刻響應(yīng)能量需求的變化,從而不會(huì)增加燃料供給。 系統(tǒng)根據(jù)所需的輸出功率得到微燃機(jī)轉(zhuǎn)速指令,通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制使起動(dòng)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小,在微燃機(jī)輸出功率不變的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加速,避免了突加負(fù)載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)富油熄火的現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)子加速功率即為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率與電機(jī)的發(fā)電功率之差,電機(jī)提供負(fù)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(dāng)突卸負(fù)載時(shí),通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制使高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增大,使微燃機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指令轉(zhuǎn)速。 微燃機(jī)輸出功率大于負(fù)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(dòng)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)負(fù)荷的變化,從而快速調(diào)節(jié)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率,縮短系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。
停機(jī)過程的控制與啟動(dòng)過程基本相同,當(dāng)轉(zhuǎn)速降落到冷卻轉(zhuǎn)速并且冷卻完成時(shí),微燃機(jī)熄火,電機(jī)轉(zhuǎn)速通過矢量控制繼續(xù)下降直到停機(jī)。 通過對(duì)高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制,保證系統(tǒng)安全可靠的正常停機(jī)和特殊情況下的緊急停機(jī)。
為了驗(yàn)證本文提出的微燃機(jī)用高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法,建立了30 kW 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)。 試驗(yàn)平臺(tái)由微型燃?xì)廨啓C(jī)、高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)、中央控制系統(tǒng)、電機(jī)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 The experiment platform of the MTG system
圖5中,電機(jī)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(dòng)單元,直流母線電壓為760 V。通過CAN 通訊,將試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸給中央控制系統(tǒng),來監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行性能。 電機(jī)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(jī)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(dòng)發(fā)電機(jī)在微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)、發(fā)電和停機(jī)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(yàn)波形。 由圖7~圖10可知,啟動(dòng)時(shí),q 軸電流iq為正值,電機(jī)輸出功率P 為負(fù)值,表明電機(jī)從母線吸收功率,用于拖動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)加速。 q 軸電流iq和電機(jī)輸出功率P 在30 s 附近符號(hào)發(fā)生改變,此時(shí)電機(jī)由從母線吸收功率變?yōu)橄蚰妇€輸出功率,起動(dòng)發(fā)電機(jī)由電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。 這是因?yàn)辄c(diǎn)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?xì)廨啓C(jī)提供。 轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升,到45 000 r/min,進(jìn)入待發(fā)電運(yùn)行階段。 電機(jī)輸出功率為3 kW,用于滿足自身系統(tǒng)供電。 加載時(shí),電機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速同步上升,連續(xù)進(jìn)行兩次加載,每次加載功率為2 kW。 可見,加載時(shí),發(fā)電機(jī)輸出功率先減小,再增大。 減小的功率即用于微型燃?xì)廨啓C(jī)加速。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著電機(jī)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(yùn)行。運(yùn)行到234 s 時(shí),負(fù)載突卸并隨之停機(jī)。 電機(jī)輸出功率先增大再減小。 增大的功率部分用于消耗微型燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪功,降低微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速。到242 s 時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)槲展β?,電流方向也變?yōu)檎?這是因?yàn)橄ɑ鸷?,冷卻所需的能量需要由起動(dòng)發(fā)電機(jī)來提供。 整個(gè)運(yùn)行過程中,直流母線保持平穩(wěn)。
圖7 微燃機(jī)用高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形Fig.7 The waveform of the velocity of the PMSSG
圖8 微燃機(jī)用高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.8 The waveform of the output power of the PMSSG
圖9 微燃機(jī)用高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)q 軸電流波形Fig.9 The waveform of the q-axis current of the PMSSG
圖10 微型燃?xì)廨啓C(jī)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
在微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)、發(fā)電和停機(jī)過程中,高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制均采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速。 該方法控制算法簡(jiǎn)單,能夠快速響應(yīng)負(fù)載的變化,防止因微燃機(jī)性能退化而引起的超溫喘振現(xiàn)象。 理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明:高速永磁同步起動(dòng)發(fā)電機(jī)在電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行過程中,轉(zhuǎn)速控制平穩(wěn),響應(yīng)快速,保證了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)的靈活性,可以滿足微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的需求。
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