30 kW微型燃气轮机发电系统抗负荷波动仿真研究

崔屹，周建萍,2，薛亚林，张纬舟，王涛

(1.上海电力学院 自动化工程学院，上海 200090；2.上海发电过程智能管控工程技术研究中心，上海 200090)



30kW微型燃气轮机发电系统抗负荷波动仿真研究

崔屹1，周建萍1,2，薛亚林1，张纬舟1，王涛1

(1.上海电力学院 自动化工程学院，上海 200090；2.上海发电过程智能管控工程技术研究中心，上海 200090)

针对30kW微型燃气轮机发电系统存在运行不够稳定、功率分配不精确、抗负荷波动能力差的问题，在PSCAD中搭建了30kW的微型燃气轮机发电系统的仿真模型，研究了恒功率控制和恒压恒频控制的特点。再结合恒功率控制和恒压恒频控制协调控制发电系统的运行，在并网和离网模式下解决了微型燃气轮机发电系统运行不够稳定的问题，并使负荷可以精确分配，提高了系统的抗负荷波动能力。

分布式电源；微电网；协调控制；并网运行；孤岛运行

微电网是由分布式能源、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型电力系统[1-6]，它既可与大电网相连并网运行，也可以离网运行。由于分布式电源自身的特性，含多个分布式能源的微电网的运行有别于传统的电力系统。无论是并网运行还是孤岛运行，都需要对微电网中的分布式电源进行很好地控制。

微电网发电系统在并网运行时，由于有大电网的支撑，一般采用恒功率控制(以下简称“PQ控制”)来控制多个分布式电源的运行，由微电网中心发布调度指令，分布式电源发出指定的功率。当系统孤岛运行时，失去了大电网的支撑，加之各微电源的随机性、波动性强，发电系统的稳定性成为当前研究的热点和难点。微型燃气轮机作为一种重要的分布式能源，具有容量大，响应速度较快的优点，在微电网中应用广泛[7-9]。目前针对微型燃气轮机系统的稳定性研究取得了一定进展，但30kW微型燃气轮机系统还存在很多问题。文献[10]提出了微型燃气轮机系统2种并网方案并进行了比较，在并网模式下系统稳定性良好，但在离网模式下的稳定性仍存在问题。文献[11]研究了微型燃气轮机在离网运行下的启动能力，蓄电池等其他微电源协同微型燃气轮机系统的运行取得了良好的稳定效果，但对系统运行中的突然负荷波动考虑不足。文献[12]在微型燃气轮机转速环节加入了新型的比例积分微分(proportionintegralderivative，PID)控制策略，研究了离网状态下微型燃气轮机面对负荷波动的动态特性，提高了微型燃气轮机面对负荷波动的稳定性，但效果还不够理想。

本文针对微型燃气轮机发电系统的运行不稳定、功率分配不精确、抗负荷波动能力差的问题，结合PQ控制与恒压恒频控制(以下简称“VF控制”)，研究了微型燃气轮机系统在并网与离网状态下的稳定性问题；最后，在PSCAD中建立了仿真模型，分别对并网运行和离网运行进行仿真，验证了该微电网系统的可靠性和稳定性。

1　系统的结构及微电源的控制

图1为本文所研究的发电系统的结构，包含微型燃气轮机、光伏发电、蓄电池及负荷，各分布式电源经过逆变器分别接在0.38kV额定电压的交流母线上。光伏发电单元和蓄电池单元的逆变器均采用PQ控制方法，其中光伏单元逆变之前首先要实现最大功率跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)，微型燃气轮机的控制方法采用PQ控制和VF控制结合的方法。

图1　系统拓扑结构

1.1光伏发电的仿真结构

光伏系统的仿真结构如图2所示，采用PSCAD自带的光伏模块，每个阵列分别串并联10个光伏单元，参考光照强度和温度设定为1 000W/m2和25 ℃。MPPT采用电导增量法，可以快速跟踪最大功率。

图2光伏发电的仿真结构

1.2蓄电池的仿真结构

蓄电池系统的仿真结构如图3所示，采用PQ控制，先经DC/DC变换器，然后经过逆变器输出功率。蓄电池的响应速度快，但容量较小，通常作为备用能源。

图3　蓄电池的仿真结构

1.3微型燃气轮机的仿真结构

微型燃气轮机系统有2种控制模式，如图4所示。并网时微型燃气轮机作为普通分布式能源，采用PQ控制发出系统指定功率；离网时微型燃气轮机作为主电源，改为VF控制维持系统的电压和频率。

图4　微型燃气轮机的仿真结构

2　各分布式能源的协调控制策略

2.1PQ控制策略

对于各分布式电源的控制，除了主电源外，其余运行的微电源的控制均为PQ控制，控制框图如图5所示。PQ控制的目的，是当逆变器输出的功率与参考功率不相等时采用比例积分(proportionintegral，PI)调节器进行功率控制，直至控制器达到稳态。PQ控制的原理，是将有功功率和无功功率解耦后对电流进行控制，再采用PID控制使稳态误差为零。

Uu、Uv、Uw、Iu、Iv、Iw分别为系统U、V、W三相的逆变器前电压、电流值，ud、uq为电压环的输入值，id、iq分别为系统电流在d、q轴的分量， id,ref、iq,ref分别为滤波前的电流参考值在d、q轴的分量，Pref、Qref分别为有功、无功功率的参考值，SPWM为正弦波脉宽调制，sinusoidal pulse width modulation的缩写。图5　PQ控制的结构框图

对于逆变器及滤波器后馈线电压Uf,k(k表示U、V、W三相)和电流if,k，将其坐标系从abc变换到dq，得到滤波后电压和电流的d、q轴的分量，分别为Uf,d、Uf,q、if,d、if,q，则输入到系统的功率转换为d、q坐标轴后就变成：

(1)

式中P、Q分别为系统实时输出的有功、无功功率。

在dq坐标中，选参考轴Uf,q=0，则：

(2)

由于Uf,q不变，只需通过控制if,d、if,q就可实现对输出功率的控制。但采用电压源逆变器时，由于其输入的调制信号控制逆变器输出的端口电压，需要将电流控制信号转换为电压控制信号。馈线电压可表示为

(3)

式中：Ui,k为逆变器后、滤波器前电压值，Lf为滤波器的电感值，t为时间。

转换为dq坐标后，上式为：

(4)

式中：Ui,d、Ui,q分别为逆变器后、滤波器前的电压在d、q轴分量，ω为馈线电压电流频率。由式(4)可看出其数学模型为强耦合项，为了消除耦合项，引入电流状态的反馈，方程变为：

(5)

式中：Kp、Ki为PI控制器的参数，if,d,ref、if,q,ref为滤波后馈线电流参考值在d、q轴上的分量。

再将式(5)代入式(4)中，得

(6)

由式(6)可知，进入电流反馈后，电流环实现解耦。

由图5可见，用电网的电压、电流计算得到功率，经外环功率控制和内环电流控制，将参考电流与输出电流差值经转换送入SPWM，控制逆变单元得到输出电压。

2.2VF控制策略

VF控制与传统电力系统的二次调频相似，针对系统的电压和频率变化调节系统，保证系统电压和频率的稳定。VF控制主要用于微电源的离网运行，为独立微电网提供电压和频率的支撑。VF控制要实时检测系统的电压U和频率f，并与设定好的参考电压Uref和频率fref进行比较，生成PI控制器的输入值Uin、fin，即

(7)

Uin、fin为经过PI控制器后生成有功功率和无功功率的参考值，与系统实时的有功、无功功率进行比较，生成电压外环的输入值Pin、Qin，即

(8)

经过PI控制器后，电流环的解耦和推导过程同2.1节。同样由式(6)可知，进入电流反馈后，电流环实现解耦，VF控制电流环与PQ控制电流环原理相同。VF的控制框图如图6所示。

图6　VF控制结构

电压外环输入经PI控制器后与输出电流的d、q轴分量进行比较，再经过dq/abc变换，最后输入到SPWM单元完成调节。

3　算例仿真与分析

本文采用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了仿真模型。光伏发电微电源的参数为：额定功率10kW，温度为25 ℃，光照强度为1 000W/m2。并网运行时微型燃气轮机、光伏和蓄电池的参考功率分别为30kW、10kW、10kW；离网运行时微型燃气轮机作为主电源，初始功率设为15kW。下面对该系统的并网运行与离网运行分别进行仿真。

3.1并网运行

并网运行时，各微电源均采用PQ控制，总负荷为50kW，图7为系统各微电源的功率输出情况，由图7可以看出各微电源可以快速跟踪参考功率，在0.1s左右功率输出达到稳定状态。可以得出该系统并网运行响应速度快，可以跟踪负荷功率，稳定性良好。

(a) 光伏发电　　　　　　　　　　(b) 蓄电池图7　并网运行时微电源输出功率

3.2离网运行

离网运行时，微型燃气轮机作为主电源，采用VF控制保证系统的电压频率稳定；其他分布式能源仍采用PQ控制，发出指定功率。离网运行时功率变化和参数波动如图8和图9所示。初始运行状态良好，各微电源正常工作。在1s时用户增加了10kW的净负荷，从图8和图9可以看出，此时微型燃气轮机作为主电源，增加发电量，满足系统功率需求；系统出现了非常明显的电压波动，电压由0.38kV减小为0.35kV，但随后很快恢复到0.38kV；频率小幅波动后也很快恢复到50Hz。这表明微型燃气轮机作为主电源跟踪负荷波动，调节发电量，抗负荷波动能力良好，保证了系统电压频率的稳定。

图8　离网运行时微型燃气轮机输出功率变化

(a) 电压　　　　　　　　　　(b) 频率图9　离网运行时系统参数波动

4　结束语

针对微型燃气轮机发电系统的稳定性问题，本文采用PSCAD建立了系统模型，并分别对并网运行和离网运行情况进行了仿真，并网模式下发电系统可以快速跟踪参考，各微电源发出指定功率；离网运行时，微型燃气轮机作为主电源保证系统电压频率的稳定，验证了该系统具有良好的抗负荷波动能力。

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(编辑霍鹏)

Simulation Research on Anti-load Fluctuation of GenerationSystemof30kWMicroGasTurbine

CUI Yi1, ZHOU Jianping1,2, XUE Yalin1, ZHANG Weizhou1, WANG Tao1

(1.SchoolofAutomationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.ShanghaiEngineeringResearchCenterofIntelligentManagementandControlforPowerProcess,Shanghai200090,China)

Inallusiontoproblemssuchasunstableoperation,inaccuratepowerdistribution,poorabilityofanti-loadfluctuation,andsoonofthegenerationsystemof30kWmicrogasturbine,asimulationmodelforthegenerationsystemof30kWmicrogasturbineisconstructedinPSCADandcharacteristicsofactivepowerreactivepower(PQ)controlandvoltagefrequency(VF)controlarestudied.PQcontrolandVFcontroliscombinedforcoordinatedcontrolonoperationofthegenerationsystem,whichcansolvetheproblemofunstableoperationofthegenerationsystemundergrid-connectionmodeandoff-gridmodeaswellasaccuratelydistributeloadandimproveanti-loadfluctuationabilityofthesystem.

distributedpowersource;micro-grid;coordinatedcontrol;grid-connectedoperation;islandoperation

2016-04-25

上海市重点科技攻关计划(14110500700)；国家自然基金项目(61275038)；上海市科学技术委员会工程技术研究中心项目资助(14DZ2251100)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.005

TM762；TM743

A

1007-290X(2016)08-0022-05

崔屹(1990)，男，山西长治人。在读硕士研究生，主要研究方向为微电网能量管理和新能源发电控制。

周建萍(1978)，女，江西萍乡人。副教授，工学博士，主要研究方向为分布式发电与微电网技术。

薛亚林(1991)，男，河北石家庄人。在读硕士研究生，主要研究方向为新能源发电控制。