微型燃气轮机发电系统仿真模型研究

黄伟，凡广宽，牛铭

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京102206；2.昌平供电公司，北京 102206）

随着高效清洁发电技术的迅猛发展，作为大电网的有益补充与微型发电装置的有效利用形式，微电网技术已经引起各国科学家的广泛关注。微电网是指将一定区域内（例如某一街区、某几个大型建筑物）或某些企事业单位拥有的分散的发电资源（例如自行供电的发电设备或备用发电机组、太阳能发电装置、风力发电设备等可再生能源发电装置）联结起来共同向各单位供电，并通过配电网与主干大型电力网并联运行，形成一个大型电网与小型发电设备联合运行的系统[1]。理论上它可从主网吸收电能，也可在自身电能富裕时向主网输送电能。

与常规发电相比，微电网中的新型发电技术成为人们关注的热点。其中，微型燃气轮机（以下简称微燃机）发电系统是一种技术上最为成熟、商业应用前景最为广阔的微型发电设备[2]。由微燃机组成的高转速发电系统，具有启动速度快、机动性能好、运行效率高和能量体积比大的特点[3]。同时，微燃机发电系统在应用过程中，既可以单机运行，提供紧急情况下的本地负荷支持，又可并网运行，为主网提供热备用，为用户减缓电网拥挤，增加电网机动性，降低送电损失和成本，改善电能质量，中心城市和远郊农村甚至边远山区均能适用，是微电网电源的最佳选择。

微燃机分为单轴型和分轴型2种。微燃机厂商Capstone公司生产的即是单轴型，其设计的独特之处在于它的压缩机和发电机安装在一根转动轴上，转动轴由空气轴承支撑，在一层很薄的空气膜上以96 000 r/min转速旋转。微燃机透平带动永磁发电机产生的高频交流电，通过变流器与电网相连接[2-4]。

目前已有不少学者对逆变电源构成的微电网模型进行了大量研究[5-7]，而对微燃机发电系统数学模型的研究则有待深入。文献[8]以某发电用单轴燃气轮机控制系统为原型,在Matlab/Simulink中建立了其仿真模型，并对其有效性进行了验证。文献[9]对微型燃气轮发电系统的启动过程进行了建模，在空间电压矢量脉宽调制 (SVPWM)线性调制的基础上,提出了一种过调制控制策略，提高了直流侧电压利用率，缩短了系统加速时间。文献[10]在分析微燃机、永磁发电机和换流装置数学模型的基础上，建立了采用双PWM结构的整流器模型，提高了承受负荷变化的能力，但没有考虑负荷突变对原动机部分的影响。

目前对微燃机发电系统的研究，或者集中于已有微燃机模型的动态特性分析，或者针对其换流器部分的控制来展开。本文将在分析微燃机发电系统工作原理及数学模型的基础上，使用PSCAD/EMTDC对微燃机原动机系统进行建模和仿真，分析微燃机系统孤网带负荷时的动态特性。

1 微型燃气轮机发电系统数学模型

微燃机发电系统包括微燃机、高速永磁同步发电机、电力电子设备以及滤波器等，其中微燃机包含有压缩器、燃烧室、动力透平机以及能量回收器。本文基于条件在PSCAD/EMTDC中对各部分进行建模，模型如图1所示，模型参数主要参考Rowen的单轴单循环重负荷微燃机模型[11]：

1）该模型用于暂态、稳态运行分析时，需忽略微燃机快速的动态变化，比如启动、停机或内部故障等过程。

2）因微燃机的机电特性是本文的主要研究内容，故忽略能量回收器对模型动态响应时间的细微影响，不对其进行建模。

3）除温度控制采用有名值外，微燃机的模型及其他控制模块均采用标幺值。

1.1 转速与加速度控制环节

微燃机的转速控制系统分为有差控制和无差控制2种方式。在微电网并网运行时，由主网提供电压和频率支撑，无需令微燃机进行调节，而在微电网孤网运行的情况下，对并入微电网的微燃机应采用有差调节方式，以便分担微电网内的功率差额，并满足孤网运行时跟踪负荷变化的要求，保证微电网电压和频率的稳定性。

图1 微型燃气轮机动态仿真模型

有差调节系统是一个比例调节器，在带部分负荷的情况下，微燃机主要控制方式为斜率控制即有差调节，将转子实际转速与参考转速间的差值作为速度控制器的输入信号，从而产生转速校正需求信号。在实际的设备中，由于存在一些时间常数，因此调节器实际是一个比例-惯性环节，如图2所示。

在实际的并网运行中，转速控制系统是调节微燃机输出功率最基本的环节，通过调整转速基准从而改变输出燃料基准值，进而达到调整微燃机出力的目的。另外，在某些特殊情况下（如启动环节或突然甩负荷时），加速度控制系统可限制微燃机转子的加速度,使其不超过其给定值，以减少部件的热冲击，保证机组的安全。

图2 速度控制模型

1.2 温度控制环节

透平入口温度过高直接影响透平的安全性及系统寿命，因此透平入口温度也是一个很重要的控制参数。温度控制系统通过限制透平进口温度，减少对透平进口叶片产生的损害，但实际中进口温度过高，测量难度大，故通过测量和控制排气温度，间接实现对透平进口温度的控制。如图3所示，温度调节系统是一个比例积分（PI）调节器，同转速控制环节类似，实际温度与参考温度的差值送入PI控制器，产生温度校正需求信号，从而调节透平排气温度。

图3 温度控制模型

1.3 燃烧供给环节

转速控制环节、温度控制环节和加速度控制环节产生各自的燃料需求信号，这3个信号经过小值选择器后得到燃料最低需求信号，此信号进入燃料供给环节。由于燃料泵的转速、燃料压力均与转子转速成正比关系，所以限幅后的值乘以实际转子转速，就得到实际燃料量信号。与汽轮机不同，微燃机需要较大比例的燃料流量来维持空载工况下的正常运行，这里取K6=0.23。另外，微燃机是通过改变燃料量来控制转速的，通过速比阀、燃料控制阀的串联控制，达到准确控制燃料流量的目的[12-14]。对于燃料量来说，燃烧室只是一个延迟环节，如图4所示。

图4 燃料供给系统和燃烧室

1.4 压缩机和透平环节

压缩机和透平机是微燃机的重要组成部分，其本质是非线性系统（转子时间常数除外）。单轴燃气轮机的转矩和排气温度与燃料流量、透平机的转速线性相关，其关系表达式分别为：

式中，M为透平转矩；KHHV为与热力值相关的系数，取1.3；T为排气温度；TR为排气温度基准，取950 ℃；ω为微燃机转速；Wf为燃料量信号。

需要明确的是，转矩方程在满负荷的情况下基本上是精确的，在其他情况下会存在小于5%的误差，排气温度方程是经验公式，由于微燃机正常运行状态下温度控制环节一般不参与调节，因此可忽略其影响，此环节的等效模型如图5所示。

图5 压缩机-透平机系统

2 仿真结果与分析

本节中主要模拟微燃机发电系统中长期稳态运行过程中负荷变化时的动态特性，在仿真初始阶段微燃机满负荷运行启动，在30 s左右达到额定转速。在60 s时负荷首先从60 kW降至54 kW，在90 s时负荷又降至30 kW，120 s时负荷恢复到54 kW，最后在150 s时升至满负荷运行。实际转速、燃料需求、排气温度和负荷转矩的仿真曲线如图6所示。

如图6（a）所示，由于微燃机采用有差调节控制，当负荷下降到30 kW时，转速随即上升到1.01 pu，当t=150 s时，微燃机再次满负荷运行，转速又恢复到额定转速。图6（b）、图6（c）燃料需求量和排气温度变化趋势与机械转矩曲线一致，当负荷降低时，燃料进气量和排气温度均相应降低。由图6（c）可见，排气温度稳定时间较长，这是由于温度测量环节和控制环节时间常数较大造成的。由图6（d）可以看出，在不同负荷情况下，微燃机的机械转矩可快速跟随负荷转矩变化，其超调量和稳定时间也在允许范围内。

3 结语

本文详细介绍了微型燃气轮机发电系统的工作原理，以Rowen模型为基础搭建了微燃机的仿真模型，并对其动态特性进行了仿真分析。结果表明，本模型可模拟微燃机发电系统的孤网带负荷特性，整个微燃机系统具有较强的承受负荷冲击的能力，微燃机的恒速控制环节从原动机运行的角度体现了微电网孤网运行的特殊要求。可在此基础上对微燃机换流器模型进行进一步研究，将来的工作将围绕机电模型、电磁模型的联合仿真以及微电网模型的搭建展开。

图6 微燃机的动态特性曲线

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