徐 賀 包賢哲 王連杰 李楚杉 李武華 趙夢戀

(1. 浙江大學信息與電子工程學院 杭州 310058； 2. 浙江大學伊利諾伊大學厄巴納香檳校區(qū)聯(lián)合學院 海寧 314400； 3. 浙江大學電氣工程學院 杭州 310058)

1 引言

微型燃氣輪機技術是一類新近發(fā)展的小型熱力發(fā)電系統(tǒng)技術。其燃機結構采用徑流式葉輪機械(向心式透平和離心式壓氣機)以及回熱循環(huán)，單機功率范圍為25～300 kW，熱功率輸出可以達到3～1 500 kW，發(fā)電效率在23%～40%，可采用燃料包括天然氣、氫氣、酸性氣體、汽油、煤油、取暖油等[1]。相比于傳統(tǒng)的大型工業(yè)燃氣輪機，微型燃氣輪機具有強擴容性、多燃料適配、低燃料消耗、低噪聲、低排放、低振動、低維修率、可遙控和診斷等一系列優(yōu)點，因此被廣泛應用于分布式發(fā)電[2-4]、備用電站、熱電聯(lián)產[5-11]等場景。

當前，電氣化交通產業(yè)正處于快速發(fā)展階段，電動與混合動力汽車、電氣化軌道交通等技術已實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?。然而如電池等傳統(tǒng)小型發(fā)電設備存在體積大、重量重、功率密度低等缺點，無法滿足重型卡車、大型特種車輛等大功率重型車輛的長時間能源供給，而傳統(tǒng)柴油發(fā)電機組又存在啟機時間慢、實時響應和機動性差、工作噪聲大等問題，難以在對供電質量有高要求的多類軍用民用交通領域中使用。相比于以上小型發(fā)電技術，微型燃機技術因其獨特的優(yōu)勢，在續(xù)航時間要求長、供電質量要求高的商用交通運輸車輛以及軍用載具上有著較大應用潛力，因此極具研究與商業(yè)化價值。

2 微型燃機的電氣化交通應用

通過調研現(xiàn)有電氣化交通中微型燃機的應用場景可以看到，現(xiàn)有微型燃機的應用場景包括民用與軍用兩大方面，主要集中在重載車輛和航空設備中。各個場景對續(xù)航里程、動力系統(tǒng)重量、動態(tài)響應速度有著苛刻要求，因而微型燃機體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。各場景中微型燃機系統(tǒng)的應用情況如下所述。

2.1 民用交通領域

2.1.1 重載電動汽車

當前電動汽車發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)是電池容量的限制。鋰離子電池的比能量(MJ/kg)比常規(guī)汽油燃料低兩個數(shù)量級，因而嚴重限制了電動車輛的行駛距離，并意味著更多的充電基礎設施投入。采用基于微型燃氣輪機的混合動力系統(tǒng)，則可以在電池電量即將耗盡時通過對電池充電或使用SOFC/MGT混合發(fā)電系統(tǒng)延長續(xù)航里程[12-13]，將系統(tǒng)發(fā)電效率提升11%及以上[14-15]。

2.1.2 航空領域

微型燃機不僅能夠作為汽車的引擎，也能夠成為航空飛機的動力源，2020年10月底發(fā)布的“零排放航空白皮書[16]”根據(jù)飛機大小和應用場景的不同，分門別類地對各類型電氣化技術進行了技術研制和測試。該報告指出，對中遠程機型而言，其更適合采用可以燃燒綠色氫能的新型燃氣渦輪發(fā)動機和分布式電力推進組成混合動力系統(tǒng)。這樣可以實現(xiàn)最高的運行效率、更低的排放、更低的噪聲和更高的可靠性。

2.2 軍用交通領域

2.2.1 特種車輛

微型燃機的高功率密度和使用燃料的靈活性使其在一些軍事特種車輛上得到了大量應用。例如美國的M1作為美國陸軍的主戰(zhàn)坦克，采用了美國霍尼韋爾公司的AGT1500微型燃機作為其動力來源，該微型燃機可以輸出1 120 kW的動力。因此即便M1坦克戰(zhàn)斗重量約54 t，最高時速仍能達到72 km/h，具備非常強的機動性能，從而在大規(guī)模戰(zhàn)場上具備非常強的快速推進能力[17]。

2.2.2 軍事無人機、小型飛機推進

軍事無人機和小型飛機的動力推進應用對小型化、輕型化和高效推進系統(tǒng)的需求迅速增長。同時，民用無人機市場也在快速增長，并且最終可能會從軍事項目中繼承技術。其中，來自美國的UAV Turbines公司發(fā)布了 Monarch Hybrid Range Extender(HREX)便攜式微型燃機發(fā)電系統(tǒng)，其具備輕巧安靜和無與倫比的燃油靈活性等特點[18]，又如來自美國的UAV Turbines中小型無人機開發(fā)商推出了一款新型軍用級微型渦輪發(fā)電機MTS1.0[19]，可以提供3～40 kW的電能，擁有傳統(tǒng)發(fā)電機沒有的低噪聲和低振動的特點。

3 微型燃機系統(tǒng)結構原理

3.1 微型燃機主要結構

微型燃機主要由壓縮機和渦輪機、燃燒室、軸承、換熱器、高速發(fā)電機、電力電子變換器和控制單元、外殼和輔機等多個基本單元構成。一臺典型微型燃機(安薩爾多的AEN-T100系列)[20]的原理框圖如圖1所示。壓縮機和渦輪機負責將燃料燃燒產生的熱能轉化為機械能，燃燒室則用于燃料和空氣的混合燃燒，軸承負責傳遞動力，換熱器主要用于回收部分廢熱，用以提高系統(tǒng)效率，高速發(fā)電機則負責將機械能轉化為電能輸出，電力電子變換器用于調速控制，提高發(fā)電效率，同時在逆變側實現(xiàn)高效率交流電輸出。微型燃機的主要工作模式是由高溫高壓燃氣推動渦輪機做功并帶動處于同一軸承上的發(fā)電機產生高頻交流電，再由電力電子設備進行電能變換后逆變輸出。

圖1 AEN-T100原理框圖

3.2 微型燃機的啟發(fā)一體設計

微型燃機內部永磁發(fā)電機、渦輪機和壓縮機三個主要動力部分同軸連接，具有相同的轉速。為了能夠將吸入的空氣壓縮到規(guī)定的壓力范圍，即壓縮機的正常工作狀態(tài)，要求整個轉軸按額定轉速旋轉，否則非正常工作狀態(tài)下的壓縮機會導致后續(xù)燃料燃燒和膨脹做功無法正常進行，從而影響到微型燃機的整體運行穩(wěn)定性和效率。這意味著微型燃機不具有自啟動能力。為了保證系統(tǒng)時刻處于正常工作狀態(tài)，微型燃機在啟動時需要永磁發(fā)電機工作在電動機模式并帶動渦輪機和壓縮機工作至額定轉速，待進氣壓縮機和燃燒膨脹做功正常后切換至發(fā)電機模式。因此，微型燃機的發(fā)電機需要啟發(fā)一體式設計。

3.3 微型燃機的高速化需求

微型渦輪機的心臟是壓縮機-渦輪機組件(或渦輪壓縮機)，如圖2所示。并與發(fā)電機同軸以高轉速向上旋轉，其支撐軸承為空氣軸承或常規(guī)潤滑軸承。這一單軸設計的單個運動部件可以潛在減少維護需求并增強整體可靠性。

微型燃氣輪機轉速較快，通常達到60 000 r/min。因為在尺寸較小時，諸如尖端超音速或機械極限之類的典型問題會到更高轉速才會出現(xiàn)。相比于大型燃氣輪機3 000～20 000 r/min的運行速度，微型燃氣輪機最高可以以140 000 r/min的速度運行。

微型燃機的啟發(fā)一體與高轉速設計大大提升了其功率密度，但是也對微型燃機的電能變換系統(tǒng)提出了高設計要求。

圖2 微型燃機系統(tǒng)剖面示意圖(Capstone)[21]

4 微型燃機的電能變換技術

4.1 電力電子變換器成本占比

電力電子變換器是微型燃機系統(tǒng)中的核心裝備。不管是車輛設備中的混合動力系統(tǒng)發(fā)電控制，還是航空設備中電控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)的供電，只要裝配微型燃機的動力系統(tǒng)想要獲得穩(wěn)定、可靠的電能供應，就需要依靠高效、精確的電能變換技術。微型燃機中的電控裝置不但實現(xiàn)微型燃機的轉速控制，提高電能利用效率，并且肩負將產生的電能在逆變側高效穩(wěn)定輸出的功能。表1、2分別給出了不同功率等級微型燃機各部件的成本?？梢钥吹剑潆娏﹄娮幼儞Q器及其控制單元均是系統(tǒng)成本的關鍵 部分。

表1 1～10 kW微型燃機系統(tǒng)子部件成本占比[20]

表2 100～300 kW微型燃機系統(tǒng)子部件成本占比

4.2 發(fā)電系統(tǒng)與渦輪機的連接方案

微型燃氣輪機裝置系統(tǒng)實施發(fā)電的特點之一是微型渦輪機只在高轉速范圍內高效運行。在功率范圍高達100～200 kW情況下，微型渦輪的轉速不應低于60 000～100 000 r/min。在這種情況下，燃機的發(fā)電效率可以達到35%，并且在電熱聯(lián)合發(fā)電的情況下能源燃料利用率可以提高到85%。

就微型燃氣輪機的發(fā)電機系統(tǒng)而言，針對如此高的渦輪轉速業(yè)界有兩種技術路線。一種是通過高速齒輪箱將高速接渦輪的軸承連接至發(fā)電機系統(tǒng)進行降速，如圖3所示，從而使得發(fā)電機可以采用常規(guī)的低速發(fā)電機。這種方案技術成熟度較高，但缺點也較為明顯：傳動耦合環(huán)節(jié)較多，系統(tǒng)效率和可靠性均顯著降低；因為額外增加了高速齒輪箱和采用了低速發(fā)電機，因此體積較大；高速齒輪箱需要采用額外的潤滑裝置進行潤滑和冷卻，輔機設備增加且維護較為困難。

圖3 采用高速齒輪箱的微型燃機發(fā)電系統(tǒng)架構[21]

另一種路線是直接采用同軸啟發(fā)一體的高速電機，而此時電力電子變換器則必須采用高速的整流器+AFE進行輸出，減少了傳動損失，提高了效率和可靠性，并且整機的潤滑和冷卻需求顯著下降，機組尺寸和重量相較于第一種方案降低約50%。目前，世界領先的微型燃機制造商主要有美國的Capstone Turbine Corporation公司[22]、Flex Energy公司[23]，中國的新奧動力[24]等，在它們的最新產品中均采用發(fā)電機與渦輪的同軸方案。

4.3 同軸方案功率變換器設計難點

同軸方案是微型燃機發(fā)電系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢，但因此也對在該系統(tǒng)架構下的電能變換裝備提出高要求。高速發(fā)電機需要配合高頻的功率變換器將發(fā)電機輸出的1 000～3 000 Hz高頻電力轉換為逆變側50/60 Hz工頻電能。尤其針對機側的高速整流器，其控制基波頻率較高，在器件的選型、拓撲結構、輸出諧波的控制等各個方面都有較高的要求，另外對變換器整體有較高的尺寸、重量、效率以及可靠性要求，其設計難點如下所述。

4.3.1 高頻功率變換器的高質量輸出波形控制

出于效率和功率密度的原因，用于微型燃機的高速發(fā)電機一般選用永磁電機。而高速電機繞組電流和鐵心中磁通交變頻率很高(＞600 Hz), 會在電機繞組、定子鐵心以及轉子中產生較大的高頻附加損耗。同時，對于高速永磁電機，其轉速一般在40 000 r/min以上，電機轉子與氣隙高速摩擦，在轉子上造成的摩擦損耗會遠大于常速電機，會進一步造成轉子發(fā)熱嚴重。除此之外，由于定子開槽與繞組非正弦分布引起的空間諧波以及與功率轉換器PWM產生的電流時間諧波也會在轉子中產生較大的渦流損耗。由于轉子體積小，且散熱條件差，會給轉子散熱帶來極大困難。而在轉子溫升過高的情況下，永磁體易發(fā)生不可逆的退磁。

針對高速電機的散熱問題，需要功率變換器進行輸出電壓/電流的諧波分量控制。針對此問題，一方面電機側的功率變換器需要采用更高的開關頻率或通過三電平的技術來降低輸出調制電流的THD，除此之外，一般還需要采用LC輸出Sine濾波器對諧波進行控制。LC輸出Sine濾波器的引入增加了新的諧振頻率，容易和調制的諧波一起造成系統(tǒng)諧振，從而使得控制不穩(wěn)定。因此，如何實現(xiàn)高開關頻率變換器的高質量輸出波形控制成為本領域的研究難點之一。

4.3.2 變換器的小型化設計

微型燃機發(fā)電系統(tǒng)較其余替代發(fā)電系統(tǒng)的最大優(yōu)勢之一在于其功率密度高，體積小。作為微型燃機發(fā)電系統(tǒng)的重要部件，如何將用于高速發(fā)電機驅動的高頻功率變換器進行小型化設計同樣是本領域研究重點。

4.3.3 整機發(fā)電系統(tǒng)高效化設計

效率作為整個發(fā)電系統(tǒng)最重要的指標之一，如何綜合優(yōu)化高速電機+高速整流器+AFE 并網逆變器的系統(tǒng)效率也是值得關注的重點。如何從功率變換器的拓撲選擇、功率器件設計選型、無源濾波器的設計集成、高速電機最優(yōu)控制等方面進行綜合量化評估將是實現(xiàn)微型燃機發(fā)電系統(tǒng)高效化的關鍵。

4.3.4 功率變換器的EMC設計

用于微型燃機發(fā)電系統(tǒng)應用的高頻功率變換器一般會采用更高的開關頻率以降低輸出電流諧波，從而減輕高速電機的轉子發(fā)熱問題。寬禁帶半導體的應用為功率變換器的高速開關提供了可能，但同時，由其引入的高dv/dt、高di/dt、高共模電壓也為系統(tǒng)的EMC設計提出了新的挑戰(zhàn)。

4.3.5 高速電機的控制技術

由于電機體積和轉速的限制，微型燃機系統(tǒng)采用的高速發(fā)電機一般是通過無速度傳感的方法進行控制，要求電機在高速運行時控制平穩(wěn)、轉矩脈動小，從而降低系統(tǒng)的振動和噪聲。另外，采用了空氣軸承的高速發(fā)電機對電機加速和減速的動態(tài)性能有嚴格的要求以提高軸承的壽命。除此之外，一些先進算法的集成(如無速度傳感器算法、轉子溫度在線監(jiān)測算法等)對控制器的算力也是一個考驗。因此，先進的運動控制也是本領域的重點研究方向。

5 微型燃機中功率變換器研究現(xiàn)狀

5.1 功率變換器拓撲研究

微型燃機的功率變換器輸入為高頻交流，輸出通常為工頻交流，因此為典型交交(AC-AC)變頻系統(tǒng)。針對微型燃機應用的AC-AC變換器拓撲可以分為以下三類：直流母線型變換器(DC link converter)、高頻鏈接AC-AC變換器(High frequency link converter, HFLC)和循環(huán)/矩陣變換器(Cycloconverter/matrix converter)。其中HFLC拓撲目前還僅僅處于概念狀態(tài)，因此這里不再展開描述。

5.1.1 直流母線型變換器

要實現(xiàn)高頻電能到工頻并網的雙向功率流動要求，必須采用電力電子變換裝置改變電流特性，微型電機的電控系統(tǒng)一般采用的電路拓撲結構為AC-DC-AC的方式，在起動階段，永磁發(fā)電機工作在電動機模式，此時電控裝置從直流側獲取電能將其轉化為高頻電能供給給高速永磁發(fā)電機，在系統(tǒng)達到正常工作狀態(tài)后，即永磁發(fā)電機工作在發(fā)電機模式下，此時電力電子裝置又需要將高頻電能轉化為工頻信號輸入電網，這要求電力電子裝置開關完全可控且能夠靈活調整功率流向，一般微型燃機并網轉換器的原理示意圖有兩種，如圖4和圖5所示。

圖4 微型燃機無源二極管整流電控器圖

圖5 微型燃機有源整流電控器圖

由于成本和方案成熟度等方面的原因，在市場上多數(shù)商業(yè)化的微型燃機發(fā)電系統(tǒng)采用圖4方案。但圖4方案需要額外的輔助機械啟動裝置將燃機拖動至怠速狀態(tài)再進行點火起動，增加了設備體積和復雜度。圖5提供的方案更加靈活，因為其提供了啟動動能，可以做到啟發(fā)一體，現(xiàn)階段很多學者正在進一步研究該方案。

5.1.2 循環(huán)/矩陣變換器

如圖6所示，基于微型燃機應用的矩陣變換器拓撲通過去除母線無源部件的方式減小了變換器的尺寸、重量，提高了可靠性。然而，矩陣變換器主要的缺點是其需要可雙向控制的功率開關器件，而目前這種器件大多是通過兩個IGBT器件背靠背的連接。這往往會導致變換器更高的開關和導通損耗。另外，在AC-DC-AC的拓撲中，母線電容還可以作為與儲能單元的功率接口，而針對矩陣變換器，這個特點則天然不具備。此外，在功率變換器中，如果沒有任何的能量存儲裝置，任何一邊的功率運行波動將會影響到另外一側。

圖6 矩陣變換器拓撲

5.1.3 其他新型變換器拓撲結構

陳志勇[25]提出了三電平NPC結構的變流器拓撲，該拓撲結構相對于兩電平變流器來說，雖然直流側開關數(shù)量和電容都增加了一倍，但開關單元的電壓應力也相應減小到原來的1/2，而且三電平輸出波形更接近正弦波，這意味著輸出信號的諧波更小，可以有效降低電機的諧波損耗和轉子的渦流損耗，其具體的拓撲結構如圖7所示。

圖7 三電平NPC結構的變流器拓撲

ZWYSSIG等[26]提出了四種不同的變換器拓撲如圖8所示，并從開關損耗、控制復雜度、體積等各方面通過試驗進行了測試與評價。從仿真模擬和試驗測量結果來看，具有電壓源型逆變器和模塊換向的驅動系統(tǒng)具有最高的效率和最低的控制復 雜性。

圖8 四種電力電子拓撲結構

KAMRUZZAMAN等[27]介紹了一種矩陣變換器的新架構如圖9所示，該架構采用SiC MOSFET。與傳統(tǒng)轉換器相比，該架構可降低紋波和EMI。試驗中使用矩陣轉換器控制PMSG，證明了矩陣轉換器 相對于傳統(tǒng)電力電子拓撲結構確實能夠降低CM泄漏電流和CM電壓。

圖9 矩陣轉換器

耿加民[28]基于SVPWM提出了四橋臂逆變器設計方法，基于模糊控制理論研究了直流降壓斬波器，基于電路分析與計算提出了電力濾波器設計方法，并將燃機控制與電力變換系統(tǒng)融為一體。試驗結果表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)良，具有重要的理論和工程應用價值，四橋臂逆變器如圖10所示。

圖10 四橋臂逆變器

ROGERS等[29]提出了一種新的用于串聯(lián)混合動力汽車的電力電子電路拓撲結構。與現(xiàn)有的背靠背電壓源逆變器(Voltage source inverter, VSI)HEB拓撲不同，新的背靠背Z源逆變器拓撲能夠解耦直流鏈路每一端的電壓電平。這種顯著的改進可以進一步優(yōu)化發(fā)電機逆變器的運行，減小直流鏈路電容器的尺寸，并降低發(fā)電機諧波。文章討論了現(xiàn)有拓撲的升壓特性和常見的直流母線電壓特性，以及如何使用建議的拓撲來克服這一點。通過對牽引逆變器開路和直通開關狀態(tài)的協(xié)調控制，與發(fā)電機逆變器相比，Z源網絡能夠在牽引逆變器處保持不同的直流母線電壓，仿真結果驗證了該拓撲網絡的優(yōu)越性，其電路拓撲如圖11所示。

YU等[30]提出了由耦合整流器和逆變器共用一條支路組成的五支路反向變換器饋電感應電機驅動器。相對于傳統(tǒng)的反向轉換器，當一個分支發(fā)生故障時，這種拓撲有更高的容錯性。但是這種系統(tǒng)帶來了控制更復雜的問題。此外，整流器和逆變器之間固有的直流母線電壓分布限制了系統(tǒng)的性能。較差的直流母線電壓利用率使整體的性能進一步降低，于是作者提出一種新的零序信號計算算法，實現(xiàn)整流器和逆變器的獨立控制，提高電壓利用率，通過仿真驗證方案的有效性，其五支路變換器拓撲如圖12所示。

圖11 背靠背Z源拓撲

圖12 五支路變換器拓撲

綜上所述，雖然經過不斷改良，微型燃機拓撲結構的各項技術指標都有了明顯提升，但現(xiàn)階段的兩電平類變換器仍然存在諧波大、損耗大、控制復雜、體積較大等問題。未來隨著器件成本和體積的不斷降低以及控制技術的發(fā)展，多電平變換器可能會成為微型燃機功率轉換裝置更好的選擇。而矩陣變換器由于其控制復雜、無儲能吸收等問題很難用于本領域。

5.2 器件類型選擇

控制器電路中的開關長時間工作在高頻狀態(tài)，對電路的效率、穩(wěn)定性都是非常大的考驗，傳統(tǒng)的Si半導體器件由于自身材料的限制，在高頻工作狀態(tài)下，開關損耗和導通損耗都會急劇增加，且長時間處于高頻開關狀態(tài)導致穩(wěn)定性不足也容易出現(xiàn)安全問題，無法同時兼顧高效率和高功率密度的發(fā)展需求[31]。

史方圓[32]以及李杰[33]都強調了第三代寬禁帶器件作為逆變器開關器件的優(yōu)勢。這兩種寬禁帶半導體在提升效率、減少開關損耗、提升功率密度方面都有常規(guī)Si-MOSFET不可比擬的優(yōu)勢，但是在應用方面仍然存在一些難以解決的問題，如門限電壓較低、驅動能力要求高，開通橋臂串擾明顯，工藝不成熟等問題，如果想使用寬禁帶半導體作為逆變或有源整流電路的器件，則必須重新設計與之匹配的驅動電路。

文獻[34]研究了采用SiC-MOSFET提高三相并網逆變器功率密度的可能性，比較了溝柵SiC-MOSFET、平面柵SiC-MOSFET和Si-IGBT的靜態(tài)和動態(tài)特性，估計了平面柵SiC-MOSFET逆變器、溝柵SiC-MOSFET逆變器和Si-IGBT逆變器的效率性能，并與提高開關頻率進行了比較。最后，用10 kW逆變器樣機對這些結果進行了驗證，得出與Si-IGBT逆變器相比，平面式SiC逆變器的額定功率效率優(yōu)勢從10 kHz開關頻率下的0.14%提高到30 kHz開關頻率下的0.57%，這歸因于平面柵SiC-MOSFET的開關損耗更低。溝槽式SiC逆變器相對于平面式SiC逆變器的額定功率效率優(yōu)勢僅從10 kHz開關頻率下的0.32%提高到60 kHz開關頻率下的0.41%，主要是因為溝柵SiC-MOSFET的極低導通電阻。

圖13a顯示了兩個SiC-MOSFET的漏源通態(tài)電壓Vds與漏電流Id特性，以及175 ℃結溫下Si-IGBT的輸出特性(Vce與Ic)。

圖13 兩種SiC器件和Si-IGBT的靜態(tài)特性圖

圖14a和圖14b顯示了兩個SiC-MOSFET和Si-IGBT在175 ℃結溫和600 V直流電壓下的導通損耗Eon、關斷損耗Eoff。Si-IGBT的開關損耗遠大于溝柵SiC-MOSFET或平面柵SiC-MOSFET。

圖14 SiC-MOSFET和Si-IGBT的導通與關斷損耗

TOGASHI等[35]研究了使用SiC-MOSFET逆變器的直接轉矩控制(Direct torque control, DTC)的永磁同步電機驅動系統(tǒng)的控制性能。在高速驅動器中，由于控制周期變短，死區(qū)時間效應增加。通過使用開關速度比Si-IGBT逆變器快的SiC逆變器，可以縮短死區(qū)時間，最終通過試驗證明SiC-MOSFET器件確實能夠提高控制性能，得到的電壓誤差性能指標如圖15所示。

圖15 不同器件逆變器下得到的電壓誤差

引入寬禁帶半導體作為功率變換器的開關讓系統(tǒng)以更高的開關頻率運行以減少電流諧波是微型燃機中電力電子變換器的發(fā)展趨勢，能夠在一定程度上減輕微型燃機發(fā)熱的問題，但同時也會引入更高的dv/dt、di/dt和共模電壓，這會對整個系統(tǒng)的EMC設計帶來更大的挑戰(zhàn)。而針對微型燃機或高速電機系統(tǒng)使用寬禁帶器件后EMC設計的研究較少，這將會是未來的重點突破方向。

5.3 散熱結構

崔娜等[36]針對微型燃機板翅式換熱器的結構和電機性能之間的耦合關系建立了多目標的優(yōu)化模型，分析了兩種設計方案下的換熱器對微型燃機性能的影響，最后仿真結果表明微型燃機的散熱效率主要是因為換熱器壓損而并非換熱器效能，再對翅片結構進行優(yōu)化改造之后，能夠有效地提升微型燃機的散熱效率和渦輪出功，板翅式換熱器結構如圖16所示。

圖16 板翅式換熱器結構

李巖學等[37]針對微型燃機的散熱問題提出了一種利用煙氣余熱驅動噴射制冷進行燃機進氣冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過噴射器將需要冷卻的高溫高壓工作流體與蒸發(fā)器內的低壓閃蒸氣體吸入噴射器內混合，最后進入冷凝器與環(huán)境大氣進行換熱，該結構能夠有效降低微型燃機的工作溫度，從而提高微型燃機的發(fā)電效率，其冷卻系統(tǒng)如圖17所示。

圖17 燃機余熱驅動噴射制冷進氣冷卻系統(tǒng)

現(xiàn)階段微型燃機由于其高轉速、高功率密度、體積小等特點仍然存在導致散熱空間小、散熱難度高等問題，雖然通過改變換熱器結構和換熱方式可以有效增加微型燃機的熱穩(wěn)定性，但長時間高轉速運行仍然會對其效率造成不小的影響，且很難在散熱性能、力學強度、設備成本三者之間尋求平衡，為了能夠最大程度提升發(fā)電效率并延長機器使用壽命，未來可能會引入液冷、蒸發(fā)冷卻等新的制冷技術，試驗表明蒸發(fā)冷卻技術制冷效果明顯優(yōu)于空氣冷卻和水冷，是未來高速電機冷卻技術的重要發(fā)展方向之一[38]。同時，現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)設計還未實現(xiàn)微型燃機、高速發(fā)電機、電能變換器三者的協(xié)同，因而在未來還有較大的優(yōu)化空間[39-40]。

5.4 濾波器設計

為了實現(xiàn)微型燃機系統(tǒng)的低THD輸出，一般還需要采用濾波器對諧波進行控制。LC輸出Sine濾波器的引入增加了新的諧振頻率，容易和調制的諧波一起造成系統(tǒng)諧振，從而使得控制不穩(wěn)定。所以采用何種濾波器，以及如果使用LC濾波器在高頻變換器應用中如何解決LC的諧振問題是一個值得研究的重點(有源/無源阻尼)。

朱成彪等[41]采用了巴特沃斯法近似設計LC低通濾波器如圖18所示，該方法設計的LC低通濾波器能夠使諧波畸變率下降90%左右，相對于傳統(tǒng)設計方法有著非常大的提升，但僅限于三階及以下的濾波器設計，超過三階之后其數(shù)學模型會變得極其復雜。

圖18 巴特沃斯法設計近似設計的LC低通濾波器拓撲

翟艷強[42]設計了一款基于三電平T型電路拓撲的LCL濾波器，T型三電平拓撲相較于NPC三電平電路減少了許多鉗位二極管，功耗低，可集成。運用該LCL有源濾波器不僅能夠對相線上諧波及無功電流進行補償，還對中線上電流有著良好的補償效果，且相對于L型濾波器，具有電感小、體積小、高頻諧波抑制效果好等優(yōu)點，適合用于高頻控制器場合，如圖19所示。

微型燃機功率變換器的濾波器設計的難點主要在于不斷變化的工作溫度與負載情況會使整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)處于動態(tài)變化中，諧波頻次并不固定，而傳統(tǒng)無源濾波器只能消除固定頻次的諧波，導致輸出不穩(wěn)定。如何提高濾波器的動態(tài)追蹤能力或整體濾波性能是該領域未來的重點研究方向之一。

圖19 三相三電平有源電力濾波器的拓撲結構圖

5.5 變換器控制方法

微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)控制包含微型燃氣輪機轉速控制、啟動控制、永磁發(fā)電機控制以及溫度控制等4部分，微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)整體控制框圖如圖20所示，微型燃氣啟動時需要有良好的控制算法保證啟動響應足夠快，正常工作時輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，通過控制保證整流器和逆變器“AC-DC-AC”變換為工頻交流電時的諧波盡可能小，抗干擾能力盡可能強[43]。另外微型燃機整體的溫升也需要實時控制以保證微型燃機時刻以最大效率正常工作，避免過溫引起的設備老化和受損。最終的控制目標是微型燃機在不同工作模式及突然擾動下均能維持輸出電流電壓與頻率的恒定并保證較低的諧波干擾。

圖20 微型燃機發(fā)電系統(tǒng)整體控制框圖

5.5.1 啟動控制

針對微型燃機啟動響應慢的問題，占文濤等[44]建立了以電壓型雙向脈寬調制(Pulse width modulation, PWM)變換器為功率變換裝置的起動/發(fā)電控制模型。微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)起動時采用矢量控制；發(fā)電運行時采用電壓外環(huán)-電流內環(huán)的雙環(huán)PWM整流控制。通過試驗仿結果得出，起動時高速永磁同步電機(Permanent magnet synchronous generator, PMSG)采用矢量控制比速度開環(huán)控制性能更優(yōu)，減少了起動時間并滿足快速起動的要求；發(fā)電運行時與二極管整流相比PWM整流能使交流側電流跟蹤發(fā)電機的感應電動勢功率因數(shù)約為1，降低了發(fā)電機側的電流諧波。李艷明等[45]同樣也采用了雙環(huán)PWM整流啟動控制方式，除此之外其團隊通過實現(xiàn)轉速和排氣溫度的分別控制提升了微型燃機系統(tǒng)整體工作效率。

5.5.2 永磁同步電機控制

微型燃機是靠其內部的永磁同步機系統(tǒng)進行軟啟動的，而在永磁同步機控制系統(tǒng)中，空間電壓矢量調制(Space vector pulse width modulation, SVPWM)是其主要的控制方法之一，不過該方法存在著計算工作量大、損耗大、響應慢等缺點。

閆士杰等[46]針對目前SVPWM算法存在計算工作量大的缺點，提出了一種新型的快速SVPWM控制算法。該算法無需進行復雜運算，只需要進行簡單的比較和普通運算，就可完成扇區(qū)判斷和矢量作用時間的計算，解決了常規(guī)SVPWM算法中由于三角函數(shù)計算量大而帶來的系統(tǒng)性能下降問題。將該算法在100 kW微型燃機軟啟動系統(tǒng)中進行了試驗，并與常規(guī)SVPWM算法的通用變頻器比較，其結果表明，在啟動快速性等性能方面，均優(yōu)于常規(guī)的SVPWM算法。

微型燃機輸出功率響應較慢，容易造成微電網沖擊性負載問題，為了解決微型燃機輸出瞬時功率不足的問題，王帥等[47]提出了沖擊補償?shù)乃矔r功率快速控制方法，通過微型燃機發(fā)電機組自身功率響應預測進行瞬時補償功率控制，基于超級電容儲能單元的高功率動態(tài)響應彌補微型燃機輸出功率動態(tài)響應低的不足，使系統(tǒng)實時處于瞬時功率平衡狀態(tài)，保證直流母線電壓的平穩(wěn)，增強微型燃機發(fā)電系統(tǒng)對沖擊性負載的適應能力，快速補償系統(tǒng)框圖如圖21所示。

ZHAN等[48]建立了微型燃氣輪機的簡化模型以及永磁同步電機(PMSG)和電網側變流器的數(shù)學模型。網側變流器采用基于電網電壓定向的矢量控制策略，PMSG側變流器采用基于轉子磁通定向的矢量控制策略，實現(xiàn)了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)啟動控制策略的建模與仿真。仿真和試驗結果驗證了控制策略的有效性。

圖21 瞬時功率快速補償控制系統(tǒng)框圖

閆士杰等[49]在空間電壓矢量脈寬調制(Space voltage vector pulse width modulation, SVPWM)線性調制的基礎上，提出了一種過調制控制策略。該控制策略將整個控制區(qū)域按照調制系數(shù)的大小分成三種工作模式：線性調制模式、過調制模式Ⅰ和過調制模式Ⅱ。試驗結果表明，SVPWM過調制控制策略的直流側電壓利用率比常規(guī)SVPWM提高了10%，系統(tǒng)的加速時間縮短了25%。

YU等[30]建立了基于單軸微型燃氣輪機變速控制模式的瞬態(tài)模型，在微電網中通過PSCAD/EMTDC仿真研究了微型燃氣輪機的性能，特別是不同負載下的負載跟蹤能力和調速過程。仿真結果驗證了微型燃氣輪機良好的負載跟蹤能力，并證明了微型燃氣輪機在變速控制模式下工作的良好性能。LI[50]通過結合PID和dq控制法也實現(xiàn)了控制永磁同步電機的速度和直流電壓。仿真結果表明，該控制方法在微型燃氣輪機上取得非常好的控制效果，整個系統(tǒng)能夠滿足負載功率需求。

5.5.3 轉速控制

目前使用的微型燃氣輪機暫態(tài)模型遵循定速轉子控制，與真實的微型燃氣輪機不匹配，實際微型燃機可能以以下兩種速度控制模式運行：恒速控制模式和變速控制模式。與恒速控制模式相比，變速控制提供了更高的燃油效率。

鄧瑋等[51]以及曲娜[52]都提出了基于模糊控制的轉速控制系統(tǒng)，加入了模糊控制的微型燃機系統(tǒng)在遇見擾動時其響應速度和控制效果均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制算法，能夠有效提升系統(tǒng)的抗干擾能力以及動態(tài)響應能力，另外閆大朋等[53]設計了一種新的神經網絡PID控制器作為主控制器，通過神經網絡所具有的任意非線性表達能力，可以通過對系統(tǒng)性能的學習來實現(xiàn)具有最佳組合的PID控制，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性，大量的仿真證明，該算法具有良好的控制效果；張春有等[54]則引入了BP神經網絡算法來進行解耦控制，結合傳統(tǒng)的PID控制，提出了一種新的置解耦網絡于調節(jié)器之前的BP神經網絡解耦控制算法，仿真及試驗結果表明該控制算法具有良好的控制效果。

馬草原等[55]基于系統(tǒng)辨識理論，提出根據(jù)現(xiàn)場所采集的輸入(燃料流量)-輸出(控制轉速)數(shù)據(jù)，利用變遺忘因子最小二乘算法(Variable forgetting factor least squares algorithm, FFLS)，對微型燃氣輪機轉速控制系統(tǒng)進行了離線辨識，并基于辨識模型，設計了自適應廣義預測器，如圖22所示。當系統(tǒng)負荷發(fā)生突變時，燃料流量響應迅速，轉速控制超調量小，擁有很好的魯棒性和追蹤效果。

圖22 基于PSO的自適應廣義預測控制圖

針對微型燃氣輪機這種多變量、非線性的復雜系統(tǒng)，采用常規(guī)的控制方法僅能在其穩(wěn)定運行時有較好的控制效果，而在負荷變化或特定工作點運行時，由于多種耦合限制的存在，往往難以取得令人滿意的控制效果。文獻[56]基于微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)特性，在仿真平臺上建立了含微型燃氣輪機及發(fā)電系統(tǒng)完整的數(shù)學模型，并在模型中加入了可變論域自適應模糊PID(比例、積分、微分控制)控制環(huán)節(jié)，在燃氣輪機孤網帶載運行狀態(tài)下，研究了燃氣輪機的轉速、燃料量、排氣溫度和機械轉矩等動態(tài)特性。試驗仿真結果表明，當負荷突變時，轉速能夠快速達到穩(wěn)定且超調量不超過1.9%，燃料量在滿載時能維持在1 p.u.附近，滿足燃氣輪機運行要求，具有穩(wěn)態(tài)性能好、動態(tài)響應快和魯棒性強的優(yōu)點，模糊PID控制與仿真試驗框圖如圖23所示。

CAMERETTI等[57]從電力負荷變化引起的瞬態(tài)發(fā)展的角度，對一臺運行在回熱循環(huán)中的30 kW熱電聯(lián)產微型燃氣輪機進行了研究。結果由燃油供應規(guī)律以及旋轉和靜止部件的響應延遲確定。該文提出了一種通過改變負荷來降低油耗的優(yōu)化方法。所采用的控制策略能夠通過一個簡單的PI控制器確定轉速的最佳值以及進氣和燃油質量流量比，功率調節(jié)控制如圖24所示。

圖23 模糊控制方式框圖

圖24 轉速及油耗控制框圖

王靜等[58]通過聯(lián)合控制方式建立轉速控制系統(tǒng)和透平入口溫度限制系統(tǒng)的聯(lián)系，保障微型燃機的安全性和系統(tǒng)使用壽命，其啟動控制方式也采用了透平入口溫度和轉速的雙目標參數(shù)控制，通過試驗仿真證明該方法有著良好的控制效果，能夠優(yōu)化機組的動態(tài)性能。

段建東等[59]對實際系統(tǒng)中負載擾動引起的轉速波動大、控制器動態(tài)調節(jié)時間長的問題，提出負載前饋控制。仿真和試驗結果證明了所提微燃機控制器設計和驗證方法的正確性和有效性，負載前饋控制明顯提高了轉速控制器抗負載擾動的性能。

鄧瑋等[60]給出一種基于燃機轉子轉速的模糊控制方案，針對發(fā)電用微型燃機，提出一種直接型模糊自適應H∞控制策略，對于給定的干擾，該方法的抑制水平、燃機轉速均達到了理想的控制性能。仿真結果表明，直接模糊H∞控制對燃機轉速控制系統(tǒng)達到全局穩(wěn)定，具有很好的控制效果。

微型燃機系統(tǒng)控制現(xiàn)階段的難點在于控制對象多且關系復雜、動態(tài)響應差、控制穩(wěn)定性不高，針對這些問題，多數(shù)的控制策略都引入了模糊控制算法或多目標優(yōu)化算法，智能優(yōu)化算法的引入可以實現(xiàn)更好的動態(tài)響應性能和實時跟蹤能力，但不可避免地增加了系統(tǒng)的控制復雜度。未來隨著算法所需硬件成本的低廉化和簡單化，引入學習和調整能力更強的深度學習和機器學習算法將會進一步提升微型燃機的控制性能，甚至能夠提前預測并做出 調整。

6 微型燃機高頻功率變換器市場調研

表3列舉了被應用于微型燃機發(fā)電的變流器主要廠商。其中中國臺灣的Delta和丹麥Danfoss作為世界知名的通用變頻器廠商，其旗下的通用變頻器產品經常被改裝應用于微型燃機發(fā)電的場合(基波頻率提高+額外設計LC濾波器)，但作為其公司的非主營業(yè)務，他們對于這種定制化的應用重視程度往往不夠，因此改裝服務一般由本地的技術團隊完成，服務響應慢，且整機匹配運行效果較差(體積大，效率低)。其優(yōu)勢是品牌較好，產品成熟度很高。

加拿大的Ballard、英國的Bowman和美國的Capstone作為傳統(tǒng)的微型燃機系統(tǒng)集成商，也會自研用于微型燃機發(fā)電的功率變換器系統(tǒng)。但作為系統(tǒng)集成商，其對變流器系統(tǒng)的更新?lián)Q代速度取決于他們整機系統(tǒng)的技術迭代速度。因此這些公司開發(fā)的變換器系統(tǒng)還采用較為落后的電路拓撲、較傳統(tǒng)的功率器件和控制方式，在變換器產品上對先進技術的開發(fā)投入不足。

表3 國內外高頻功率變換器主要廠商

德國的KEB公司和美國的Oztek公司屬于定位高速變頻驅動應用的中小型科技公司，技術開發(fā)實力較強，其產品在業(yè)界具備一定的聲譽。作為成立幾十年的中小型公司，其產品更新?lián)Q代速度較以上傳統(tǒng)企業(yè)快，但針對新型功率變換技術如寬禁帶半導體和新型拓撲方面的技術投入還略顯不足。

瑞士的Celeroton和中國的Zinsight公司均屬于初創(chuàng)型公司，其產品定位面向高速電機控制領域，產品更新迭代速度均比較快，如表4所示。其中Celeroton公司作為瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工(Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich, ETH)電力電子研究所孵化的企業(yè)，主打高速和超高速的電機驅動，產品主要覆蓋20～50 kV·A的低功率應用范圍。其產品多采用兩電平、三電平和PAM拓撲，其中一些也采用了SiC MOSFET新型器件，技術先進性高，產品性能較好。

表4 針對某型號燃機系統(tǒng)國內外廠商方案對比

7 總結與展望

微型燃機因其尺寸緊湊、重量輕、排放低、電力成本低、運行可靠等優(yōu)點未來將會在更多的領域得到應用，特別是在某些交通設備中，微型燃機有著其不可替代的作用和優(yōu)勢。

微型燃機系統(tǒng)中最核心的結構之一就是功率變換器，功率變換器性能的好壞將直接影響微型燃機的整體工作效率，隨著功率器件和控制技術的發(fā)展，微型燃機的功率變換器性能也得到了進一步的 提升。

在功率變換器拓撲結構方面，基于傳統(tǒng)的背靠背AC-DC-AC變換器演變出了許多各方面性能更加優(yōu)秀的拓撲結構，這些結構基本都能夠滿足現(xiàn)階段微型燃機的電能變換和功率輸出需求，但仍然存在著經濟性差、可靠性不足等問題，未來隨著器件成本和控制技術的發(fā)展，多電平變換器可能會成為微型燃機功率轉換裝置更好的選擇。

在功率變換器器件方面，隨著寬禁帶半導體器件的成熟使用，極大地提升了微型燃機功率變換器的開關頻率、可靠性與穩(wěn)定性，但同時也會引入更高的di/dt，這會對整個系統(tǒng)的EMC設計帶來更大的挑戰(zhàn)。而針對微型燃機或高速電機系統(tǒng)使用寬禁帶器件后EMC設計的研究較少，這將會是未來的重點突破方向。

在功率變換器控制方面，微型燃機系統(tǒng)控制現(xiàn)階段的難點在于控制對象多且關系復雜、動態(tài)響應差、控制穩(wěn)定性不高，針對這些問題，多數(shù)的控制策略都引入了模糊控制算法或多目標優(yōu)化算法，智能優(yōu)化算法的引入可以實現(xiàn)更好的動態(tài)響應性能和實時跟蹤能力，但不可避免地增加了系統(tǒng)的控制復雜度和計算量，未來動態(tài)控制性能更優(yōu)秀的機器學習和深度學習算法的引入將會給微型燃機的控制策略帶來更多可能。

除此之外，微型燃機在散熱結構、濾波器設計等方面也有了更加多樣化的選擇，可以針對特定的使用環(huán)境和需求選擇不同的方案，最大程度地提升微型燃機的性能。

但現(xiàn)階段微型燃機仍然面臨著效率較低、散熱能力差、控制不靈活、壽命短等各種問題，這些問題在一定程度上制約了微型燃機的應用范圍和性能，隨著越來越多先進控制手段和結構、材料優(yōu)化的應用，為微型燃機性能的進一步提升創(chuàng)造了可能，在新能源時代下?lián)碛兄凰椎陌l(fā)展?jié)摿Α?/p>