基于MATLAB的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真

獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)模式下微型燃?xì)廨啓C(jī)的建模與性能分析ModelingandPerformanceAnalysisofMicroturbineinIndependentOperationandGrid-ConnectionModeABSTRACT:Themicroturbinegenerationsystemwillbethemostwidelyuseddistributedgenerationinthenearfuture.AccordingtothedynamiccharacteristicsoftheMicroturbinesystem,amathematicmodelwhichtreatstheMicroturbineanditselectricsystemasawholeisbuilt.FurtherresearchesonthebasiccontroloftheMicroturbinesystemarepresented.ThedynamiccharacteristicsoftheMicrogasturbinesystemareemphasized,especiallythecharacteristicsoftheloaddisturbance.SimulationresultsdemonstratethemodeliscoordinatetotherealMicroturbinesystem.ThegeneralpurposeofthisprojectisforfurtherresearchingthermodynamicenginecontroloftheMicroturbineandgivingthebasicresourcestocorrespondingcontrolofinvertercontrolofgeneratorelectricside.KEYWORDS：distributedgeneration;microturbine;modeling;simulation;PWM摘要：微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的分布式發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，把微型燃?xì)廨啓C(jī)及電氣部分當(dāng)作一個(gè)整體，建立了微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步研究了微型燃?xì)廨啓C(jī)和逆變器的基本控制策略，重點(diǎn)研究該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，特別是負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)模型能夠反映實(shí)際微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)。本論文的工作為進(jìn)一步研究微型燃?xì)廨啓C(jī)的熱機(jī)控制與電氣側(cè)的逆變器控制的協(xié)調(diào)控制策略奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電；微型燃?xì)廨啓C(jī)；建模；仿真；PWM引言近年來，以風(fēng)力發(fā)電、光伏電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)（Microturbine）等為代表的分布式發(fā)電DG（DistributedGeneration）技術(shù)的發(fā)展已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。其中，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)是一種技術(shù)上最為成熟、商業(yè)應(yīng)用前景最為廣闊的分布式發(fā)電技術(shù)，其相關(guān)研究問題已被列為國家“863”專項(xiàng)研究計(jì)劃。微型燃?xì)廨啓C(jī)一般是指功率在幾百千瓦以內(nèi)的小型熱動(dòng)裝置，與常規(guī)發(fā)電機(jī)組相比，微型燃?xì)廨啓C(jī)具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、燃料適應(yīng)性好、環(huán)境污染小和便于靈活控制等優(yōu)點(diǎn)[1]，它是分布式發(fā)電的最佳方式，可以靠近用戶，無論對(duì)中心城市還是遠(yuǎn)郊農(nóng)村甚至邊遠(yuǎn)地區(qū)均能適用。典型微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)由微型燃?xì)廨啓C(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器和負(fù)荷組成，其中微型燃?xì)廨啓C(jī)透平包含壓縮器、能量回收器、燃燒室以及帶一個(gè)負(fù)荷的動(dòng)力透平機(jī)。其工作原理為：從離心式壓氣機(jī)出來的高壓空氣先在回?zé)崞鲀?nèi)由渦輪排氣預(yù)熱，然后進(jìn)入燃燒室與燃料混合、燃燒，高溫燃?xì)馑腿胂蛐氖綔u輪做功，直接帶動(dòng)高速發(fā)電機(jī)（轉(zhuǎn)速在50000～120000r/min之間）發(fā)電，高頻交流電流經(jīng)過整流器和逆變器，即“AC-DC-AC”變換轉(zhuǎn)化為工頻交流電輸送到交流電網(wǎng)[2]。圖1 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Blockdiagramofmicroturbinegenerationsystem微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模是對(duì)其實(shí)施控制的基礎(chǔ)。國內(nèi)外在這方面已進(jìn)行了一定研究，但一般都把微型燃?xì)廨啓C(jī)與電氣系統(tǒng)分開建模，文獻(xiàn)[3]對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了模塊化建模，建立了微型燃?xì)廨啓C(jī)的六階系統(tǒng)模型；文獻(xiàn)[4]只對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行建模與控制；文獻(xiàn)[5]把逆變器之前的環(huán)節(jié)等效為一個(gè)電壓源，而只對(duì)逆變器進(jìn)行控制。而微型燃?xì)廨啓C(jī)是一個(gè)完整的系統(tǒng)，等效處理和分開建模會(huì)割裂燃機(jī)系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)之間的內(nèi)在耦合聯(lián)系，不利于實(shí)現(xiàn)燃機(jī)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)[6]。本文從微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理出發(fā)，建立了完整統(tǒng)一的微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)的仿真模型，為接下來的研究工作奠定了基礎(chǔ)。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)整體建模微型燃?xì)廨啓C(jī)及其控制模型微型燃?xì)廨啓C(jī)的控制包括轉(zhuǎn)速控制、溫度控制和燃料控制，在正常運(yùn)行時(shí)，微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)使得在一定負(fù)荷時(shí)維持轉(zhuǎn)速基本不變。微型燃?xì)廨啓C(jī)不同于大型燃?xì)廨啓C(jī)，其轉(zhuǎn)速控制分為定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速兩種方式，對(duì)于大型汽輪機(jī)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過改變蒸汽流量來保持轉(zhuǎn)速不變，而微型燃?xì)廨啓C(jī)是改變?nèi)剂狭縼砜刂妻D(zhuǎn)速的[7-8]。透平入口溫度過高直接影響透平的安全性及系統(tǒng)的壽命，因此透平入口溫度也是一個(gè)很重要的控制參數(shù)，在正常運(yùn)行時(shí)，也是通過改變?nèi)剂狭縼砜刂仆钙饺肟跍囟炔怀^其最大設(shè)計(jì)值。該模型的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2 微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2Microturbinesystemarchitecture微型燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)學(xué)模型本文所建立的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)模型主要用于研究正常運(yùn)行方式下的慢動(dòng)態(tài)過程特性，不考慮開機(jī)與停機(jī)的快動(dòng)態(tài)過程。參照文獻(xiàn)[9-13]，本文以適用于重載燃?xì)廨啓C(jī)的Rowen模型為基礎(chǔ)建立微型燃?xì)廨啓C(jī)模型，如圖3所示,轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的95%～107%。建模時(shí)沒有考慮回?zé)崞?，因?yàn)榛責(zé)崞饔糜谔岣甙l(fā)電機(jī)效率，并且響應(yīng)速度慢，對(duì)研究微型燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)—電特性影響不大[14]。圖3模型主要包含轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、加速控制、燃料系統(tǒng)、壓縮機(jī)—渦輪系統(tǒng)等部分。轉(zhuǎn)速控制、加速控制和溫度控制分別產(chǎn)生3種燃料參考指令，通過低值選擇開關(guān)(min模塊)和高低限值模塊(limit模塊)作用后，產(chǎn)生最終的燃料參考指令送入燃料系統(tǒng)[11]。圖3微型燃?xì)廨啓C(jī)模型Fig.3Modelofmicroturbineimplemented微型燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)有許多不同之處，最明顯的區(qū)別就是微型燃?xì)廨啓C(jī)在沒有負(fù)荷的情況下，為了維持正常的運(yùn)行需要燃料量占了額定燃料量很大的比重，本論文取23%的額定燃料量作為微型燃?xì)廨啓C(jī)的基荷，因此微型燃?xì)廨啓C(jī)要盡量避免運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)以提高經(jīng)濟(jì)效益。這一點(diǎn)將會(huì)在仿真中得到驗(yàn)證；第二個(gè)區(qū)別是轉(zhuǎn)速控制的方式，對(duì)于大型汽輪機(jī)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過改變蒸汽流量來保持轉(zhuǎn)速不變，而微型燃?xì)廨啓C(jī)是改變?nèi)剂狭縼砜刂妻D(zhuǎn)速的。透平入口溫度過高直接影響透平的安全性及系統(tǒng)的壽命，因此透平入口溫度控制也是一個(gè)很重要的控制部分，在正常運(yùn)行時(shí)，也是通過改變?nèi)剂狭縼砜刂仆钙饺肟跍囟炔怀^其最大設(shè)計(jì)值。燃料系統(tǒng)中，門閥定位器與燃料制動(dòng)器的傳遞函數(shù)為： (1)壓縮機(jī)—渦輪系統(tǒng)中，渦輪轉(zhuǎn)矩輸出函數(shù)為： (2)式中：Wf為燃料流量信號(hào)(標(biāo)幺值)；ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺值)。排氣溫度函數(shù)為：(3)式中：tR為參考溫度,單位為℃。轉(zhuǎn)矩方程在100%負(fù)荷的情況下基本上是精確的，在其他情況下會(huì)存在小于5%的誤差，排永磁發(fā)電機(jī)及整流器仿真圖15、圖16給出了微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)的電氣側(cè)的仿真結(jié)果，當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)帶無負(fù)荷時(shí)，整流器的輸出電流為0.01，直流電壓為0.88，負(fù)荷上升到10kW時(shí)，整流器的輸出電流為0.01，直流電壓下降到0.85，同時(shí)，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中隨著負(fù)荷的增加電壓有所下降，但基本維持在380V左右。以上數(shù)值為標(biāo)幺值，本文選取的基準(zhǔn)值為UB=400V，SB=100M.因此將以上數(shù)值換算成有名值時(shí)，當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)帶無負(fù)荷時(shí)，整流器的輸出電流為0A，直流電壓為352V，當(dāng)負(fù)荷上升到10kW時(shí)，整流器的輸出電流為25A，直流電壓下降到340V，在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中隨著負(fù)荷的增加電壓有所下降，但基本維持在380V左右。圖15整流器輸出的電流Fig.15Currentoftherectifier圖16整流器輸出的電壓Fig.16Voltageoftherectifier本文重點(diǎn)是能否正確的設(shè)置仿真參數(shù)，尤其是仿真時(shí)間的設(shè)置。如果仿真時(shí)間設(shè)置的過長(zhǎng)，一些過渡過程很可能就看不到；如果仿真時(shí)間設(shè)置的過短，那么系統(tǒng)還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)仿真過程就結(jié)束了。經(jīng)過了多次嘗試才最終確定了最終的仿真時(shí)間。3 結(jié)論本文詳細(xì)的研究了微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)需要對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行速度控制、溫度控制和燃料控制，逆變器也采用SPWM調(diào)制方法，而對(duì)永磁發(fā)電機(jī)和逆變器采用了簡(jiǎn)化處理。通過仿真可以得出如下結(jié)論：從0到100%負(fù)荷范圍內(nèi)，燃機(jī)的排氣溫度能夠很好的控制在額定排氣溫度以下，并且燃料的供應(yīng)隨負(fù)荷的變換相應(yīng)速度快，即該模型能夠很好的跟蹤負(fù)荷的變化，發(fā)生擾動(dòng)時(shí)能夠很快的穩(wěn)定下來，但轉(zhuǎn)速需要經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。逆變器通過SPWM調(diào)制可以很好的對(duì)出口電壓進(jìn)行控制，并且在甩負(fù)荷時(shí)能夠根據(jù)負(fù)荷的需要調(diào)節(jié)功率的輸出。與MATLAB提供逆變器器件仿真模型比較，仿真精度令人滿意。文中的控制大多采用控制器，這種控制方法簡(jiǎn)單易行，但要獲得更佳的綜合控制魯棒性和機(jī)電控制協(xié)調(diào)性，尚需考慮引入更高級(jí)的非線性魯棒協(xié)調(diào)控制方法。本文所建立的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，不僅可如實(shí)反映微型燃?xì)廨啓C(jī)自身的動(dòng)態(tài)特性，而且將微型燃?xì)廨啓C(jī)、電力電子裝置以及負(fù)荷之間的相互聯(lián)系動(dòng)態(tài)地表現(xiàn)了出來，這是等效處理或者分開建模難以實(shí)現(xiàn)的。其中，控制部分采用PI控制，簡(jiǎn)單可行。本文所建立的逆變器模型,附加合理的控制后同樣適用于其他采用逆變器作為接口的分布式電源，如太陽能光伏發(fā)電、燃料電池等，為進(jìn)一步研究微電網(wǎng)中各種分布式電源之間的協(xié)調(diào)控制奠定了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)楊策,劉宏偉,李曉.微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)[J].熱能動(dòng)力工程,2003,18(1):1-4.YANGCe,LIUHongwei,LIXiao.Micro-TurbineTechnology[J].JournalofEngineeringforThermalEnergyandPower,2003,18(1):1-4.刁正綱.微型燃?xì)廨啓C(jī)走向商業(yè)化[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2000,13(4):13-16.DIAOZhenggang,Micro-TurbineTwardCommer-cialization[J].GasTurbineTechnology,2000,13(4):13-16.李政,王德慧,薛亞麗,等.微型燃?xì)廨啓C(jī)的建模研究(上)--動(dòng)態(tài)特性分析[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2005,25(1):13-17.LIZheng,WANGDehui,XUEYali,etal.ResearchonWaysofModelingofMicroGasTurbines(Part):AnalysisofDynamicCharacteristic[J].ChineseJournalofPowerEngineering,2005,25(1):13-17.JuradoF.Modellingmicro-turbinesusingHammersteinmodels[J].InternationalJournalofEnergyResearch,2005,29(9):841–855.BarsaliS,CeraoloM,PelacchiP,etal.ControltechniquesofDispersedGeneratorstoimprovethecontinuityofelectricitysupply[C].PowerEngineeringSocietyWinterMeeting.IEEE,2002,2:789-794.AsgharianP,NoroozianR.Modelingandsimulationofmicroturbinegenerationsystemforsimultaneousgrid-connected/islandingoperation[C].ElectricalEngineering.IEEE,2016:1528-1533.MacedoWN,MonteiroLG,CorgozinhoIM,etal.Biomassbasedmicroturbinesystemforelectricitygenerationforisolatedcommunitiesinamazonregion[J].RenewableEnergy,2016,91:323-333.KalantarM,S.MMG.Dynamicbehaviorofastand-alonehybridpowergenerationsystemofwindturbine,microturbine,solararrayandbatterystorage[J].AppliedEnergy,2010,87(10):3051-3064.O?uzY,üstünSV,?smailYabanova,etal.Adaptiveneuro-fuzzyinferencesystemtoimprovethepowerqualityofasplitshaftmicroturbinepowergenerationsystem[J].JournalofPowerSources,2012,197(197):196-209.GudaSR,WangC,NehrirMH.ASimulink-basedmicroturbinemodelfordistributedgenerationstudies[C].PowerSymposium,2005.Proceedingsofthe,NorthAmerican.IEEE,2005:269-274.Al-HinaiA,FeliachiA.Dynamicmodelofamicroturbineusedasadistributedgenerator[C]SystemTheory,2002.ProceedingsoftheThirty-FourthSoutheasternSymposiumon.IEEE,2002:209-213.GaonkarDN,PatelRN.Modelingandsimulationofmicroturbinebaseddistributedgenerationsystem[C]PowerIndiaConference.IEEE,2006:5.IsmailMS,MoghavvemiM,MahliaTMI.C