微型燃氣輪機發電系統孤島及并網運行的建模與控制策略

楊 秀 郭 賢 臧海洋 郭 賀

(1.上海電力學院電力與自動化工程學院 上海 2000902.上海交通大學電子信息與電氣工程學院 上海 2002403.上海發電設備成套設計研究院 上海 200240)

1 引言

隨著經濟社會的不斷發展，分布式發電技術以其高效、節能、環保的顯著優勢，越來越受到人們的廣泛關注。其中，微型燃氣輪機（Micro-Turbine，MT）作為分布式發電能源的典型代表，不僅可以輸出恒定的功率，具有其他新能源所難以比擬的獨特優勢，且發展時間早、技術上更為成熟，因而有著更為廣闊的商業應用前景[1]。

微型燃氣輪機（MT）一般是指功率在幾十kW到幾百kW的燃氣輪機。按照動力渦輪和發電機是否同軸，可以分為單軸和分軸兩種形式，為了簡化分析，本文以單軸微型燃氣輪機為研究對象，其主要由燃氣輪機、壓氣機、燃燒室、回熱器、發電機組成[2]。微型燃氣輪機發出的中壓中頻的交流電必須經過大功率電力電子器件變換后，輸出額定電壓為 380V的工頻交流電，可直接供給負荷使用，這樣就形成了典型的微型燃氣輪機發電系統（MTGS），其結構框圖參見文獻[3]。

為了研究MTGS的相關問題，國內外相關學者進行了一系列建模的探究[3-6]。Rowen[4]建立了典型的機電一體化仿真模型，實現了系統間的協調控制設計。文獻[5]基于MTGS各個主要組成部分的工作原理，建立了系統的數學仿真模型，并進行了仿真實驗。但數學模塊建立的模型較為繁瑣，且難以實現與微網等其他系統的靈活連接，不便于孤島及并網運行策略的研究，所以本文中對于發電機和電能變換部分均采用了Matlab/Simulink中的現成模塊，以建立MTGS的仿真模型，進一步實現孤島及并網控制策略。

2 微型燃氣輪機發電系統的模型

2.1 微型燃氣輪機

本文中的微型燃氣輪機是基于W.I.Rowen提出的單軸單循環的重型燃氣輪機，控制系統主要包括轉速控制、溫度控制和加速度控制三個方面。其中，轉速控制使得微型燃氣輪機在一定負荷時維持轉速基本不變，而溫度控制保證了透平的入口溫度不至于過高，影響到透平的安全性和系統的壽命，加速度控制則主要是用于機組的啟動過程。其整體仿真模型如圖1所示，參數的具體選取均來自于文獻[4]。

圖1 微型燃氣輪機本體的仿真模型Fig.1 Simulation model of microturbine

2.2 發電機及電能變換部分

為了簡化分析，便于孤島及并網運行控制策略的實現，本文對于發電機及電能變換部分的建模采用SimPowerSystems中的現成模塊。其中，由于永磁同步發電機模塊只能選取特定容量、轉速和輸出電磁功率的模塊，使仿真條件受到了限制，大多數條件下不能滿足對于設定特殊參數觀察響應特性的要求，所以本文采用了勵磁電壓一定的普通交流同步發電機來代替永磁交流同步發電機，較好地解決了這一問題。整流器則是采用普通的三相不可控整流器模塊，逆變器是 PWM觸發電壓型模塊，可以控制其輸出電壓和輸出功率。

3 微型燃氣輪發電系統的控制策略

為了使MTGS具有良好的運行性能，需要依據系統運行方式的不同加入相應的控制模塊。在微型燃氣輪機發電系統孤島運行時，控制其輸出的電壓和頻率滿足負荷的要求，而并網運行時，控制其輸出的功率滿足系統的要求。本文在孤島運行時采用常規的V-f控制策略，并網時使用PQ解耦的雙閉環控制，使系統可以滿足相應的要求。

3.1 孤島運行的MTGS的控制策略

逆變器出口的電壓頻率即為50Hz，輸出頻率不需要加裝相應的控制。而電壓調節器的控制原理如圖2所示，即將輸出電壓從三相靜止坐標系abc轉換到dq0坐標系后，再進行簡單的PI調節，輸出與參考值相同的 PWM波形，從而控制逆變器出口電壓維持在220V左右[7]。

圖2 輸出電壓控制原理框圖Fig.2 Block diagram of voltage control model

3.2 并網運行的MTGS的控制策略

3.2.1 PQ解耦的雙閉環控制

為了實現 PQ的解耦，逆變器采用電流型逆變電路，且控制模塊的參數選取基于dq0旋轉坐標系。其控制原理如圖3所示。鎖相環PLL用來獲取所需要的相位值，電壓環主要用來穩定直流電壓，電流環則提高了逆變器網側電流的動、靜態性能[8]。

圖3 并網逆變器及控制系統原理圖Fig.3 Grid-connected inverter and its control system model

由基本的電路原理，可得

對式（1）進行Park變換，將其轉化到dq0坐標系下，得

式中，ωn表示系統額定角速度。

在與電網電壓保持同步的條件下，可以認為V2q(t)=0，這樣一來，則有

從而通過 PQ的參考值和測得的電網電壓，就可以得到dq坐標系下電流的參考值。

定義

則受控系統可以表示為

并考慮到空間矢量的表達式為

所以可得逆變器電流控制原理框圖如圖4所示。

圖4 逆變器的電流控制原理圖Fig.4 Current control of inverter block diagram

為了滿足系統穩定性的要求，并盡可能地減小穩態誤差，本文使用了兩階PI控制器，通過調節各個參數，使系統獲得最佳響應，即實現了電流內環的控制。

逆變器側直軸和交軸電壓的參考值表示為

根據式（9）可以得到dq坐標系下電壓的輸出，將其轉化到abc坐標系后，作為逆變器PMW控制脈沖波的輸入，即可以控制逆變器的輸出功率。具體框圖如圖5所示。

3.2.2 一種新型的并網控制策略

PQ解耦的雙閉環控制采用瞬時功率控制，有良好的響應性能，但其調節結果仍存在不可避免的較大誤差，且對于常見的不平衡負載系統，控制調節效果不理想。由此，本文提出一種新型控制策略。

圖5 PQ雙閉環控制的基本原理框圖Fig.5 Block diagram for P-Q control of inverter

由于并網逆變器負荷側電壓始終維持額定運行水平不變，輸出功率的變化間接反映為輸出電流的變化，基于此，本文將電流控制和并網逆變器的電壓控制相結合，從而實現微型燃氣輪機并網運行時對其輸入電網功率的控制。其控制框圖如圖6所示。輸出電壓采用與 3.1節相類似的控制原理，只是將輸出電壓轉化到αβ兩相靜止坐標系，對于不平衡負載的小擾動也具有良好的響應特性。

圖6 滯環控制與αβ控制相結合的并網控制框圖Fig.6 Combined hysteresis-band current and voltage based on αβ control architecture

電流采用了滯環控制，廣泛用于控制并網逆變器的輸出電流。其基本原理是:與電網同頻率的電流參考值，經滯環比較器對并網電流反饋信號與參考電流比較后，得到電流偏差控制信號，從而使逆變器的電流輸出可以與電網要求的電流保持一致。本文中采用的是三相電流的兩態電流滯環控制。其控制框圖參見文獻[9]。

4 仿真結果

基于Matlab/Simulink軟件，本文建立了微型燃氣輪機發電系統的相應仿真模型，并進行了MTGS孤島運行時小擾動響應性能的研究，且分別采用PQ解耦的雙閉環控制及新型控制策略，研究了并網系統功率輸出的響應。

4.1 孤島運行的微型燃氣輪機發電系統的動態響應

采用SimPowerSystems中現成的模塊，搭建如圖7所示的微型燃氣輪機發電系統的模塊仿真圖。進行動態響應特性的實驗，即在 0.4s時，通過斷路器的切換，將負荷從120kW變為60kW，系統仿真時間為 1s，觀察逆變器出口電流 Ia、Ib、Ic、負載電壓Uab、整流輸出直流電壓Udc的波形如圖8所示。

圖7 微型燃氣輪機發電系統的仿真模型Fig.7 Simulation model for MTGS

圖8 微型燃氣輪機發電系統動態仿真波形Fig.8 Dynamic simulation results for MTGS

4.2 PQ解耦的雙閉環控制策略下MTGS并網仿真

基于3.2.1節所述的雙閉環控制的基本原理，在圖7孤島運行的微型燃氣輪機發電系統的整體仿真模型中，將電壓控制模塊替換為 PQ解耦的雙閉環控制模塊，建立的仿真模型如圖9所示。其中，交流發電機采用額定功率為120kW、頻率為500Hz、線電壓為 600V的交流發電機模型，大電網仍是用三相交流電壓源來表示。

圖9 MTGS并網仿真模型（雙閉環控制）Fig.9 Simulation model for grid-connected MTGS with P-Q control

P-Q loop_control子系統基于圖5中PQ控制框圖搭建而成，參數選取文獻[3]中的典型參數。

設置系統基準容量為 60kW，為了使觀察結果更為明顯，P、Q的參考值在不同時刻分別發生變化，即逆變器輸出有功功率 P的參考值，在 1.35s時從 0.7（pu）（42kW）階躍為0.5（pu）（30kW），無功功率參考值 Q在 1.5s時從 0變為 0.1（pu）（6kvar），在系統仿真1.7s后，a相的相應參數U、I、P和Q的響應如圖10所示。

由仿真結果可以看出，在整個變化過程中，相電壓Ua均維持在額定參考值220V左右，相電流Ia在 1.35s時發生了波動，幅值變小，這是由于輸出有功功率的減少造成的。而三相有功功率在 1.35s時從42.45kW變為30.45kW，即從0.7075（pu）變為 0.5075（pu）；三相無功功率從 1.5kvar變為7.5kvar，即從 0.025（pu）變為 0.125（pu），誤差約為2.5%。在誤差允許的范圍內，可以認為這與參考值的變化相同，且PQ是分開控制的，實現了PQ的解耦，說明了 PQ雙閉環控制可以很好地調節輸出功率使其發生相應的變化。

4.3 新型MTGS并網控制策略的仿真

采用3.2.2節所示的新型控制策略，來調節微型燃氣輪機發電系統在并網運行時輸入電網的功率。其仿真模型如圖11所示。其中，電網用三相交流電壓源來代替。

圖10 MTGS并網仿真波形（雙閉環控制）Fig.10 Simulation results for grid-connected MTGS with P-Q control

圖11 MTGS的并網仿真模型（新型控制策略）Fig.11 Simulation model for grid-connected MTGS with the new control strategy

負載阻抗角為30°時，經過計算，為使微型燃氣輪機發電系統的輸出功率P/Q為60kW/34.64kvar、30kW/17.32kvar，應使電流滯環控制中每相電流的參考幅值相應設為 149A、74.5A（其內部附帶了計算電流幅值的模塊，只需輸入功率參考值變化的階躍），且在 1.35s時輸出功率發生變化。1.7s的仿真后，得到負荷電壓 Ua、Ub、Uc，逆變器出口電流 Ia以及逆變器輸出單相功率Pa、Qa的波形如圖12所示。

圖12 MTGS系統并網運行的穩態響應波形Fig.12 Simulation results for MTGS with the new control strategy

由圖可以看出，在新的控制策略下，逆變器輸出電流確實是與參考值相同，且初始狀態時向電網輸出60kW/35kvar的功率，在負荷波動后，經過0.02s的短暫過渡過程，即達到了新的穩定，輸出功率為30kW/17.3kvar，誤差幾乎為 0，在這一過程中，負荷側電壓很好地維持在幅值為 311V的額定運行電壓，達到了并網MTGS系統進行功率控制的目的，說明了該種并網控制策略的可行性。

5 結論

（1）在詳細闡述 MT模塊化控制模型的基礎上，建立了包括微型燃氣輪機、永磁發電機、整流器、逆變器在內的MTGS機電一體化仿真模型。

（2）將建立的MTGS的各個模型基于Matlab/Simulink，加入輸出電壓控制策略，進行了孤島運行的MTGS負荷波動的仿真分析，仿真結果表明其可以快速跟蹤負荷變化。且整個仿真過程很好地體現了微型燃氣輪機發電系統作為一個整體的特點，表現出了整個系統電氣變換部分的動態特性及相互間的影響與制約作用。

（3）在研究了并網MTGS的PQ解耦控制的基礎上，提出將電流滯環控制與αβ坐標系下電壓控制相結合進行并網控制，并通過實際的仿真，驗證了該策略的可行性，誤差分析說明了該策略的調節性能更佳，且對不平衡負載有著更好的響應效果。

下一步將結合微網系統，并考慮微型燃氣輪機的熱電聯供等功能進行控制策略研究。

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