微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)仿真模型研究

黃偉，凡廣寬，牛銘

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京102206；2.昌平供電公司，北京 102206）

隨著高效清潔發(fā)電技術的迅猛發(fā)展，作為大電網的有益補充與微型發(fā)電裝置的有效利用形式，微電網技術已經引起各國科學家的廣泛關注。微電網是指將一定區(qū)域內（例如某一街區(qū)、某幾個大型建筑物）或某些企事業(yè)單位擁有的分散的發(fā)電資源（例如自行供電的發(fā)電設備或備用發(fā)電機組、太陽能發(fā)電裝置、風力發(fā)電設備等可再生能源發(fā)電裝置）聯(lián)結起來共同向各單位供電，并通過配電網與主干大型電力網并聯(lián)運行，形成一個大型電網與小型發(fā)電設備聯(lián)合運行的系統(tǒng)[1]。理論上它可從主網吸收電能，也可在自身電能富裕時向主網輸送電能。

與常規(guī)發(fā)電相比，微電網中的新型發(fā)電技術成為人們關注的熱點。其中，微型燃氣輪機（以下簡稱微燃機）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微型發(fā)電設備[2]。由微燃機組成的高轉速發(fā)電系統(tǒng)，具有啟動速度快、機動性能好、運行效率高和能量體積比大的特點[3]。同時，微燃機發(fā)電系統(tǒng)在應用過程中，既可以單機運行，提供緊急情況下的本地負荷支持，又可并網運行，為主網提供熱備用，為用戶減緩電網擁擠，增加電網機動性，降低送電損失和成本，改善電能質量，中心城市和遠郊農村甚至邊遠山區(qū)均能適用，是微電網電源的最佳選擇。

微燃機分為單軸型和分軸型2種。微燃機廠商Capstone公司生產的即是單軸型，其設計的獨特之處在于它的壓縮機和發(fā)電機安裝在一根轉動軸上，轉動軸由空氣軸承支撐，在一層很薄的空氣膜上以96 000 r/min轉速旋轉。微燃機透平帶動永磁發(fā)電機產生的高頻交流電，通過變流器與電網相連接[2-4]。

目前已有不少學者對逆變電源構成的微電網模型進行了大量研究[5-7]，而對微燃機發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型的研究則有待深入。文獻[8]以某發(fā)電用單軸燃氣輪機控制系統(tǒng)為原型,在Matlab/Simulink中建立了其仿真模型，并對其有效性進行了驗證。文獻[9]對微型燃氣輪發(fā)電系統(tǒng)的啟動過程進行了建模，在空間電壓矢量脈寬調制 (SVPWM)線性調制的基礎上,提出了一種過調制控制策略，提高了直流側電壓利用率，縮短了系統(tǒng)加速時間。文獻[10]在分析微燃機、永磁發(fā)電機和換流裝置數(shù)學模型的基礎上，建立了采用雙PWM結構的整流器模型，提高了承受負荷變化的能力，但沒有考慮負荷突變對原動機部分的影響。

目前對微燃機發(fā)電系統(tǒng)的研究，或者集中于已有微燃機模型的動態(tài)特性分析，或者針對其換流器部分的控制來展開。本文將在分析微燃機發(fā)電系統(tǒng)工作原理及數(shù)學模型的基礎上，使用PSCAD/EMTDC對微燃機原動機系統(tǒng)進行建模和仿真，分析微燃機系統(tǒng)孤網帶負荷時的動態(tài)特性。

1 微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型

微燃機發(fā)電系統(tǒng)包括微燃機、高速永磁同步發(fā)電機、電力電子設備以及濾波器等，其中微燃機包含有壓縮器、燃燒室、動力透平機以及能量回收器。本文基于條件在PSCAD/EMTDC中對各部分進行建模，模型如圖1所示，模型參數(shù)主要參考Rowen的單軸單循環(huán)重負荷微燃機模型[11]：

1）該模型用于暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)運行分析時，需忽略微燃機快速的動態(tài)變化，比如啟動、停機或內部故障等過程。

2）因微燃機的機電特性是本文的主要研究內容，故忽略能量回收器對模型動態(tài)響應時間的細微影響，不對其進行建模。

3）除溫度控制采用有名值外，微燃機的模型及其他控制模塊均采用標幺值。

1.1 轉速與加速度控制環(huán)節(jié)

微燃機的轉速控制系統(tǒng)分為有差控制和無差控制2種方式。在微電網并網運行時，由主網提供電壓和頻率支撐，無需令微燃機進行調節(jié)，而在微電網孤網運行的情況下，對并入微電網的微燃機應采用有差調節(jié)方式，以便分擔微電網內的功率差額，并滿足孤網運行時跟蹤負荷變化的要求，保證微電網電壓和頻率的穩(wěn)定性。

圖1 微型燃氣輪機動態(tài)仿真模型

有差調節(jié)系統(tǒng)是一個比例調節(jié)器，在帶部分負荷的情況下，微燃機主要控制方式為斜率控制即有差調節(jié)，將轉子實際轉速與參考轉速間的差值作為速度控制器的輸入信號，從而產生轉速校正需求信號。在實際的設備中，由于存在一些時間常數(shù)，因此調節(jié)器實際是一個比例-慣性環(huán)節(jié)，如圖2所示。

在實際的并網運行中，轉速控制系統(tǒng)是調節(jié)微燃機輸出功率最基本的環(huán)節(jié)，通過調整轉速基準從而改變輸出燃料基準值，進而達到調整微燃機出力的目的。另外，在某些特殊情況下（如啟動環(huán)節(jié)或突然甩負荷時），加速度控制系統(tǒng)可限制微燃機轉子的加速度,使其不超過其給定值，以減少部件的熱沖擊，保證機組的安全。

圖2 速度控制模型

1.2 溫度控制環(huán)節(jié)

透平入口溫度過高直接影響透平的安全性及系統(tǒng)壽命，因此透平入口溫度也是一個很重要的控制參數(shù)。溫度控制系統(tǒng)通過限制透平進口溫度，減少對透平進口葉片產生的損害，但實際中進口溫度過高，測量難度大，故通過測量和控制排氣溫度，間接實現(xiàn)對透平進口溫度的控制。如圖3所示，溫度調節(jié)系統(tǒng)是一個比例積分（PI）調節(jié)器，同轉速控制環(huán)節(jié)類似，實際溫度與參考溫度的差值送入PI控制器，產生溫度校正需求信號，從而調節(jié)透平排氣溫度。

圖3 溫度控制模型

1.3 燃燒供給環(huán)節(jié)

轉速控制環(huán)節(jié)、溫度控制環(huán)節(jié)和加速度控制環(huán)節(jié)產生各自的燃料需求信號，這3個信號經過小值選擇器后得到燃料最低需求信號，此信號進入燃料供給環(huán)節(jié)。由于燃料泵的轉速、燃料壓力均與轉子轉速成正比關系，所以限幅后的值乘以實際轉子轉速，就得到實際燃料量信號。與汽輪機不同，微燃機需要較大比例的燃料流量來維持空載工況下的正常運行，這里取K6=0.23。另外，微燃機是通過改變燃料量來控制轉速的，通過速比閥、燃料控制閥的串聯(lián)控制，達到準確控制燃料流量的目的[12-14]。對于燃料量來說，燃燒室只是一個延遲環(huán)節(jié)，如圖4所示。

圖4 燃料供給系統(tǒng)和燃燒室

1.4 壓縮機和透平環(huán)節(jié)

壓縮機和透平機是微燃機的重要組成部分，其本質是非線性系統(tǒng)（轉子時間常數(shù)除外）。單軸燃氣輪機的轉矩和排氣溫度與燃料流量、透平機的轉速線性相關，其關系表達式分別為：

式中，M為透平轉矩；KHHV為與熱力值相關的系數(shù)，取1.3；T為排氣溫度；TR為排氣溫度基準，取950 ℃；ω為微燃機轉速；Wf為燃料量信號。

需要明確的是，轉矩方程在滿負荷的情況下基本上是精確的，在其他情況下會存在小于5%的誤差，排氣溫度方程是經驗公式，由于微燃機正常運行狀態(tài)下溫度控制環(huán)節(jié)一般不參與調節(jié)，因此可忽略其影響，此環(huán)節(jié)的等效模型如圖5所示。

圖5 壓縮機-透平機系統(tǒng)

2 仿真結果與分析

本節(jié)中主要模擬微燃機發(fā)電系統(tǒng)中長期穩(wěn)態(tài)運行過程中負荷變化時的動態(tài)特性，在仿真初始階段微燃機滿負荷運行啟動，在30 s左右達到額定轉速。在60 s時負荷首先從60 kW降至54 kW，在90 s時負荷又降至30 kW，120 s時負荷恢復到54 kW，最后在150 s時升至滿負荷運行。實際轉速、燃料需求、排氣溫度和負荷轉矩的仿真曲線如圖6所示。

如圖6（a）所示，由于微燃機采用有差調節(jié)控制，當負荷下降到30 kW時，轉速隨即上升到1.01 pu，當t=150 s時，微燃機再次滿負荷運行，轉速又恢復到額定轉速。圖6（b）、圖6（c）燃料需求量和排氣溫度變化趨勢與機械轉矩曲線一致，當負荷降低時，燃料進氣量和排氣溫度均相應降低。由圖6（c）可見，排氣溫度穩(wěn)定時間較長，這是由于溫度測量環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)時間常數(shù)較大造成的。由圖6（d）可以看出，在不同負荷情況下，微燃機的機械轉矩可快速跟隨負荷轉矩變化，其超調量和穩(wěn)定時間也在允許范圍內。

3 結語

本文詳細介紹了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，以Rowen模型為基礎搭建了微燃機的仿真模型，并對其動態(tài)特性進行了仿真分析。結果表明，本模型可模擬微燃機發(fā)電系統(tǒng)的孤網帶負荷特性，整個微燃機系統(tǒng)具有較強的承受負荷沖擊的能力，微燃機的恒速控制環(huán)節(jié)從原動機運行的角度體現(xiàn)了微電網孤網運行的特殊要求。可在此基礎上對微燃機換流器模型進行進一步研究，將來的工作將圍繞機電模型、電磁模型的聯(lián)合仿真以及微電網模型的搭建展開。

圖6 微燃機的動態(tài)特性曲線

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