基于PSCAD/EMTDC微型燃气轮机发电系统的仿真模型

赵春柳（安徽财贸职业学院，合肥230601）

基于PSCAD/EMTDC微型燃气轮机发电系统的仿真模型

赵春柳
（安徽财贸职业学院，合肥230601）

结合单轴结构微型燃气轮机的动态特性建立PSCAD/EMTDC模型，同时给出了电力电子装置的拓扑结构及逆变器的PQ控制策略。仿真结果表明，整个微型燃气轮机发电系统与实际相符，单轴结构微型燃气轮机具有较好的动态特性，辅以电力电子装置后能够实现电能的并网输出，且有功功率与无功功率独立可控。

DER；MT；PQ控制；模型

0　前言

当前化石能源资源的日益枯竭，以太阳能、风能等可再生能源的开发、利用也越来越迫切。随着对配电网络的供电可靠性、安全性要求的提高及兼容各种类型的分布式能源（Distributed Energy Re⁃source，DER），微电网及主动配电网被相继提出[1，2]。由于太阳能及风能具有间歇性特点，其他如微型燃气轮机、燃料电池等功率输出连续的分布式电源在微电网及主动配电网中应用越来越广泛。

通常分布式电源的容量都在100kW以下，主动配电网可以对分布式能源主动管理，在分布式能源高渗透率人能稳定、可靠运行，因此相关分布式能源的容量规模可以根据需要增大。

微型燃气轮机（Microturbine，MT）是一种以超小型燃气轮机为原动机驱动发电机发电的设备，其容量一般在几十千瓦到500kW之间。微型燃气轮机发电机具有体积小、重量轻、排放少、效率高、可提供热负荷等特点[3]。

本文建立了基于PSCAD/EMTDC微型燃气轮机的模型，并实现了PQ模式的并网发电控制。

1　微型燃气轮机的模型

本文以Rowen提出的单轴单循环重负荷的燃气轮机为基本模型，主要由温度控制、速度控制、加速度控制、燃料供给控制和燃气轮机环节等系统组成[4]。以Capstone公司的C360型微型燃气轮机为对象建立PSCAD/EMTDC仿真模型，主要参数为：额定功率PN=60kW，额定电压UN=480V，额定转速nN=96000r/min，进（排气）温度T=840°F。

单轴结构微型燃气轮机发电系统结构如图1所示。

除温度控制采用有名值，微型燃气轮机的模型及其他控制模块均采用标幺值，其整体数学模型如图2所示。

1）速度控制环节

微型燃气轮机速度控制环节的作用是负荷在一定范围内变化时维持转速恒定，主要采用改变燃料流量的方式实现。该环节的传递函数如图2所示。

2）温度控制环节

温度控制环节的主要作用是限制、保持透平进口温度，在正常运行时，微型燃气轮机通过改变燃料流量的方式控制透平入口温度。该环节的传递函数如图2所示。

3）燃料供给及燃烧室环节

从转速控制环节、温度控制环节及加速度控制环节产生一个最小燃料基准，从而得到实际燃料信号量。其相关环节及传递函数如图2所示。

4）燃气轮机环节

该环节主要由燃烧室、压气机和燃气涡轮构成，是微型燃气轮机的核心部分。燃料燃烧产生的热能为燃气涡轮提供机械转矩及提高了排气口的温度，其转矩和排气口温度由不同的函数计算得到，如图2所示。

2　微型燃气轮机的电力电子装置部分

微型燃气轮机驱动永磁同步发电机发电，经过变压器隔离与电力电子装置相接。在仿真分析时采用标幺值方式，相关基准值选择为：容量100kVA，有功功率100kW，无功功率100kVar，转速96000r/min。

2.1整流环节结构及控制策略

将变压器输出的三相交流电整流为直流，之后经过BOOST变换升压为逆变器提供直流电源。图3为三相不可控整流及BOOST升压环节结构，仿真参数如图3中所示。

本环节中，其控制策略如图4所示，维持Udc1和Udc2的电压分别为400 V和800V相对稳定的状态。

2.2逆变环节结构及控制策略

该环节由三相桥式逆变器及LC低通滤波器构成及相关参数如图5所示，实现三相电源的并网控制。

逆变器采用dq同步旋转坐标系模型，经过dq变换实现PQ并网控制运行模式。其控制器PQ解耦控制策略如图6所示[5]。U

3　仿真分析

3.1输出有功功率及无功功率

为分析微型燃气轮机发电系统的动态特性，在1.5s时输出有功功率由0.3p.u.上升到0.50p.u.，在3.0s时输出无功功率由0.2p.u.上升到0.30p.u.，在4.5s时输出有功功率由0.5p.u.下降到0.40p.u.。

在上述变化过程中逆变器的输出功率与三相永磁同步发电机输出功率如图7所示。从图中可以看出，三相逆变器可以快速跟踪功率的指令值，同时三相永磁同步发电机的输出功率也进行了相应调整，响应速度较快。

3.2同步发电机的主轴转速及输出电磁转矩

由图8（a）可以看出，随着有功输出的增加，永磁同步发电机的电磁转矩能够快速跟随功率的变化。由图8（b）可知主轴转速相对稳定，基本维持在额定转速下。

3.3微型燃气轮机排气口温度

图9为微型燃气轮机的排气口温度，可以看出随着燃气轮机出力的增加其排气口温度也增加，反之则温度降低。

3.4整流环节直流电压

整流环节直流电压如图10所示，Udc2外基本维持在800 V，Udc1在400V波动，幅值相对较大。从整体上看，但有功功率输出增大或减小时，直流电压均有小幅值的降低或增大而后趋于稳定。

3.5逆变器并网电流

逆变器并网电流如图11所示，当有功增加时，电流幅值增加且相对于电网电压相位差减小，功率因数提高；相应的当无功增加时，电流幅值增加且相对于电网电压相位差增大，功率因数减小。

4　结语

本文建立的微型燃气轮机模型，具有较好的动态性能；并给出电力电子装置的拓扑结构及控制策略，通过仿真结果分析是满足对微型燃气轮机并网发电的仿真分析的要求的。

[1]张建华，黄伟.微电网运行控制与保护技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]徐青山.分布式发电与微电网技术[M].北京：人民邮电出版社，2011．

[3]袁春，陈彬兵，陈兆海.微型燃气轮机发电技术[M].北京：机械工业出版社，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]张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2011．

(责任编辑：赵建周）

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

赵春柳（1979-），男，在读博士研究生，主要研究方向：可再生能源及分布式发电。