基于PSCAD/EMTDC微型燃氣輪機發電系統的仿真模型

趙春柳（安徽財貿職業學院，合肥230601）

基于PSCAD/EMTDC微型燃氣輪機發電系統的仿真模型

趙春柳
（安徽財貿職業學院，合肥230601）

結合單軸結構微型燃氣輪機的動態特性建立PSCAD/EMTDC模型，同時給出了電力電子裝置的拓撲結構及逆變器的PQ控制策略。仿真結果表明，整個微型燃氣輪機發電系統與實際相符，單軸結構微型燃氣輪機具有較好的動態特性，輔以電力電子裝置后能夠實現電能的并網輸出，且有功功率與無功功率獨立可控。

DER；MT；PQ控制；模型

0　前言

當前化石能源資源的日益枯竭，以太陽能、風能等可再生能源的開發、利用也越來越迫切。隨著對配電網絡的供電可靠性、安全性要求的提高及兼容各種類型的分布式能源（Distributed Energy Re?source，DER），微電網及主動配電網被相繼提出[1，2]。由于太陽能及風能具有間歇性特點，其他如微型燃氣輪機、燃料電池等功率輸出連續的分布式電源在微電網及主動配電網中應用越來越廣泛。

通常分布式電源的容量都在100kW以下，主動配電網可以對分布式能源主動管理，在分布式能源高滲透率人能穩定、可靠運行，因此相關分布式能源的容量規模可以根據需要增大。

微型燃氣輪機（Microturbine，MT）是一種以超小型燃氣輪機為原動機驅動發電機發電的設備，其容量一般在幾十千瓦到500kW之間。微型燃氣輪機發電機具有體積小、重量輕、排放少、效率高、可提供熱負荷等特點[3]。

本文建立了基于PSCAD/EMTDC微型燃氣輪機的模型，并實現了PQ模式的并網發電控制。

1　微型燃氣輪機的模型

本文以Rowen提出的單軸單循環重負荷的燃氣輪機為基本模型，主要由溫度控制、速度控制、加速度控制、燃料供給控制和燃氣輪機環節等系統組成[4]。以Capstone公司的C360型微型燃氣輪機為對象建立PSCAD/EMTDC仿真模型，主要參數為：額定功率PN=60kW，額定電壓UN=480V，額定轉速nN=96000r/min，進（排氣）溫度T=840°F。

單軸結構微型燃氣輪機發電系統結構如圖1所示。

除溫度控制采用有名值，微型燃氣輪機的模型及其他控制模塊均采用標幺值，其整體數學模型如圖2所示。

1）速度控制環節

微型燃氣輪機速度控制環節的作用是負荷在一定范圍內變化時維持轉速恒定，主要采用改變燃料流量的方式實現。該環節的傳遞函數如圖2所示。

2）溫度控制環節

溫度控制環節的主要作用是限制、保持透平進口溫度，在正常運行時，微型燃氣輪機通過改變燃料流量的方式控制透平入口溫度。該環節的傳遞函數如圖2所示。

3）燃料供給及燃燒室環節

從轉速控制環節、溫度控制環節及加速度控制環節產生一個最小燃料基準，從而得到實際燃料信號量。其相關環節及傳遞函數如圖2所示。

4）燃氣輪機環節

該環節主要由燃燒室、壓氣機和燃氣渦輪構成，是微型燃氣輪機的核心部分。燃料燃燒產生的熱能為燃氣渦輪提供機械轉矩及提高了排氣口的溫度，其轉矩和排氣口溫度由不同的函數計算得到，如圖2所示。

2　微型燃氣輪機的電力電子裝置部分

微型燃氣輪機驅動永磁同步發電機發電，經過變壓器隔離與電力電子裝置相接。在仿真分析時采用標幺值方式，相關基準值選擇為：容量100kVA，有功功率100kW，無功功率100kVar，轉速96000r/min。

2.1整流環節結構及控制策略

將變壓器輸出的三相交流電整流為直流，之后經過BOOST變換升壓為逆變器提供直流電源。圖3為三相不可控整流及BOOST升壓環節結構，仿真參數如圖3中所示。

本環節中，其控制策略如圖4所示，維持Udc1和Udc2的電壓分別為400 V和800V相對穩定的狀態。

2.2逆變環節結構及控制策略

該環節由三相橋式逆變器及LC低通濾波器構成及相關參數如圖5所示，實現三相電源的并網控制。

逆變器采用dq同步旋轉坐標系模型，經過dq變換實現PQ并網控制運行模式。其控制器PQ解耦控制策略如圖6所示[5]。U

3　仿真分析

3.1輸出有功功率及無功功率

為分析微型燃氣輪機發電系統的動態特性，在1.5s時輸出有功功率由0.3p.u.上升到0.50p.u.，在3.0s時輸出無功功率由0.2p.u.上升到0.30p.u.，在4.5s時輸出有功功率由0.5p.u.下降到0.40p.u.。

在上述變化過程中逆變器的輸出功率與三相永磁同步發電機輸出功率如圖7所示。從圖中可以看出，三相逆變器可以快速跟蹤功率的指令值，同時三相永磁同步發電機的輸出功率也進行了相應調整，響應速度較快。

3.2同步發電機的主軸轉速及輸出電磁轉矩

由圖8（a）可以看出，隨著有功輸出的增加，永磁同步發電機的電磁轉矩能夠快速跟隨功率的變化。由圖8（b）可知主軸轉速相對穩定，基本維持在額定轉速下。

3.3微型燃氣輪機排氣口溫度

圖9為微型燃氣輪機的排氣口溫度，可以看出隨著燃氣輪機出力的增加其排氣口溫度也增加，反之則溫度降低。

3.4整流環節直流電壓

整流環節直流電壓如圖10所示，Udc2外基本維持在800 V，Udc1在400V波動，幅值相對較大。從整體上看，但有功功率輸出增大或減小時，直流電壓均有小幅值的降低或增大而后趨于穩定。

3.5逆變器并網電流

逆變器并網電流如圖11所示，當有功增加時，電流幅值增加且相對于電網電壓相位差減小，功率因數提高；相應的當無功增加時，電流幅值增加且相對于電網電壓相位差增大，功率因數減小。

4　結語

本文建立的微型燃氣輪機模型，具有較好的動態性能；并給出電力電子裝置的拓撲結構及控制策略，通過仿真結果分析是滿足對微型燃氣輪機并網發電的仿真分析的要求的。

[1]張建華，黃偉.微電網運行控制與保護技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]徐青山.分布式發電與微電網技術[M].北京：人民郵電出版社，2011．

[3]袁春，陳彬兵，陳兆海.微型燃氣輪機發電技術[M].北京：機械工業出版社，2012．

[4]De Brabandere.K,Vanthournout.K.Control of Microgrids. Power Engineering Society General Meeting,IEEE,2007:1-7.

[5]BRABANDERE D.K,vanthournout[Z].2007:1-7.

[6]張興，曹仁賢.太陽能光伏并網發電及其逆變控制[M].北京：機械工業出版社，2011．

(責任編輯：趙建周）

Simulation Model of Microturbine Generator Based on PSCAD/EMTDC

ZHAO Chun-liu
(Anhui Finance&Trade Vocational College,Hefei 230601,China)

combined with the dynamic characteristics of single shaft structure of microturbine,The model of mi?croturbine is established based on PSCAD/EMTDC in this paper.The thetopological structure of power electron?ic device and the PQ control strategy of inverter are given.Simulation results show that microturbine generation system consistent with the actual,and single shaft microturbine has better dynamic characteristics.The power electronic devices can provide power on grid,and the active power and reactive power are independently control?lable.

DER;MT;PQ control;model

TM611；TP391.9

A

1673-2928（2015）02-0001-04

2014-11-17

趙春柳（1979-），男，在讀博士研究生，主要研究方向：可再生能源及分布式發電。