微型燃气轮机发电系统启发一体过程的控制技术及仿真分析

王新寓

(哈尔滨广瀚燃气轮机有限公司,哈尔滨 150078)

微型燃气轮机发电技术具有响应速度快、稳定性好、电能质量高等优点。考虑到微型燃气轮机需配备独立的高速异步电机拖动启动,增加了发电系统的运行成本,由此提出一种采用高速、高频永磁电机拖动微型燃气轮机的启动技术。永磁电机可作为发电机使用,向外释放电能,从而达到启动、发电一体运行的效果。

1 启动过程的控制技术

1.1 网侧变流器控制技术

微型燃气轮机无法完成自启动,必须依靠永磁同步电机从外界吸收电能,再驱动微型燃气轮机转动,直到达到额定转速后开始发电。在整个启动过程中变流器的作用至关重要,它能够将电网提供的交流电变为直流电,在整流、稳压的基础上保证电动机运行稳定。本研究在设计网侧变流器电路时,采用了“双闭环”控制策略[1]。外环结合微型燃气轮机的运行需要,以直流母线电压作为控制目标,内环使用电流控制跟随外环的指令,保证良好的稳压效果。网侧变流器的整流稳压控制实现方式如下:根据微型燃气轮机的运行需求,确定母线电压的参考值Uref,将Uref与母线电压的实际测量值Udc做比较,将两者相减后得到的压差Udref作为PI控制器的输入信号。经过PI控制器的处理后,将电压信号转化成直轴电流的参考分量idref,令交轴电流的参考分量iqref为0,经过三相PWM整流器的坐标变换处理后,得到直、交轴电流分量id与iq。在内环对电流采取解耦控制策略,令id与iq跟随电压环的控制指令作出相应的变化。内环PI控制器的输出信号经过Park逆变换处理后,作为SVPWM调制器的输入信号,经过调制后输出一个通断信号,该信号可通过控制变流器开关管的通断,使母线电压保持恒定。

1.2 永磁同步电机驱动控制技术

在微型燃气轮机启动阶段,机侧变流器处于逆变状态,其作用是将整流得到的直流电逆变成为三相高频交流电[2]。此时,永磁同步电机相当于一台电动机,拖动微型燃气轮机不断加速,直到实时转速达到额定转速(点火脱机速度),机侧变流器的逆变控制实现方式如下:前端的速度传感器实时采集永磁同步电机的转速V,并将其与参考转速Vref做对比,两者相减后得到的速度差Vdref作为输入信号,输入到PI控制器中。经过PI控制器处理后输出iq的参考值iqref。给定d轴电流参考分量idref,依次经过内环PI控制器及Park逆变换处理后,得到两相静止坐标系下的电压分量Uαref与Uβref,将两者作为SVPWM的输入信号,产生的脉冲控制PWM逆变器开关管的通关顺序,以保证电机转速恒定。

1.3 启动过程中机侧与网侧变流器的联合仿真

使用Matlab软件,构建了网侧变流器整流稳压与机侧变流器逆变控制的联合模型,利用该模型进行了微型燃气轮机启动过程的仿真模拟。网侧变流器可将交流电转化为直流电,使母线电压恒定。机侧变流器将直流电逆变为交流电,驱动电机达到并维持在额定转速。利用直流母线将网侧与机侧变流器连接起来,仿真结果如图1所示。

图1 启动过程电机转速

在仿真实验中设置的电网电压为50 Hz、400 V的交流电,在网侧变流器的整流与稳压作用下,母线电压稳定在700 V左右,上下波动范围不超过5 V。结合图1可知,在机侧变流器的拖动下,永磁同步电机的转速能够跟随参考指令保持线性增长趋势,且在3 s内转速从0增至3000 r/min,之后保持转速恒定。这一仿真结果表明设计的微型燃气轮机发电系统的启动控制策略是有效的。

2 发电过程的控制技术

2.1 永磁同步发电机整流稳压控制技术

微型燃气轮机正常启动后,需将其切换至发电状态。在发电模式下,永磁同步电机相当于一台发电机,在三相PWM变流器的作用下,将产生的高频交流电转化成相应的直流电。为防止并网对电网电压产生明显的冲击影响,转化后的直流电要利用机侧变流器进行整流稳压控制,实现方式如下:根据电网的实际运行情况,确定微型燃气轮机发电系统中母线电压的参考值Uref,将Uref与电网运行中的实时电压值Udc做比较,两者相减后得到的电压差值Udref作为输入信号,经过PI控制器的处理后,得到交轴电流的参考分量iqref,令直轴电流的参考分量idref为0,在内环完成对电流的解耦控制,使id与iq能够跟随idref及iqref变化。对内环PI控制器的输出信号做Prak逆变换处理,处理结果作为SVPWM调制器的输入信号,经过调制后输出通断信号,该信号能改变机侧变流器开关管的通断状态,令母线电压维持恒定。

2.2 网侧变流器逆变运行控制技术

当微型燃气轮机开始发电后,因为转速可达到3000 r/min甚至更高,产生的高频交流电无法直接为电网中的电力设备供电,必须借助机侧的整流器将其转化为相对稳定的直流电,再通过网侧变流器的逆变处理,使稳定的直流电变成工频交流电,从而满足并网需求或为电力设备供电。为了达到恒压恒频控制目标,采取以下控制策略:微型燃气轮机产生的电压分别做Clark变换与Park变换,得到直轴电压Udref和交轴电压Uqref,仍然采用电流、电压的“双闭环”控制模式。电压外环的功能是调节逆变器,使其能够输出恒定的电压,电流内环的控制器参考值由外环控制器决定,以提高动态响应速度。利用PWM变流器对d轴与q轴解耦,设定频率为50 Hz,即可达到网侧变流器恒压恒频的控制效果[3]。

2.3 发电过程中机侧与网侧变流器的联合仿真

使用Matlab软件,构建了微型燃气轮机的机侧整流稳压与网侧恒频恒压联合控制模型。利用机侧变流器,将微型燃气轮机产生的高频、不稳定的交电流进行整流处理,得到相对稳定的直流电。利用网侧变流器,将稳定的直流电逆变成为工频交流电,实现稳定并网及可靠供电。用直流母线将机侧与网侧的两部变流器结合起来,仿真结果如图2所示。

图2 直流母线电压

微型燃气轮机正常发电后,在第4 s时切换一次网侧变流器的状态,使其从孤网运行调整为并网运行,观察状态切换前后并网点的电压、频率、相位等参数与电网是否相同。结合图2可知,受到电容初始电压的影响,在0 s时直流母线的电压为580 V。发电后,电压迅速升高并在1 s后达到700 V。在第4 s从孤网运行切换至并网运行后,虽然电压有小幅度的下降,但是在机侧变流器的作用下,母线电压能够快速恢复至700 V,之后在并网状态下母线电压一直保持恒定。直流母线的有功功率在并网前始终为0,从第4 s开始切换为并网状态后,有功功率迅速升高至3 W,之后维持功率稳定。从仿真实验结果来看,设计的机侧与网侧变流器联合控制策略,可使微型燃气轮机在发电过程中输出恒定幅值及恒定频率的交流电,控制效果良好。

3 启发一体运行的平滑切换控制技术

3.1 启动/发电自动切换方案的设计

设计的微型燃气轮机发电系统可在永磁同步电机的拖动下完成启动,并对外发电。为了从启动状态平滑切换到发电状态,实现微型燃气轮机发电系统启发一体运行,设计了转速反馈方案,选定微型燃气轮机的额定转速作为参考值,以前端传感器采集到的微型燃气轮机实时转速作为对照值。计算机自动对比两者的差值,并将转速差反馈给逻辑判断单元,判断此时微型燃气轮机发电系统的状态及是否需要进行状态切换[4]。逻辑判断流程如图3所示。

图3 启动/发电模式自动切换流程

设定微型燃气轮机正常运行后的额定转速为n*,传感器检测到的实际转速为n,两者的转速差为Δn。若Δn>0,此时微型燃气轮机的实际转速没有达到额定转速,需要一直提升转速,可判断微型燃气轮机的发电系统处于启动状态。若Δn≤0,此时微型燃气轮机的实际转速达到额定转速,不需要借助永磁同步电机的带动即可自动运转,可判断微型燃气轮机的发电系统处于发电状态。给定了Δn的阈值范围,在启动模式下,若Δn≥15 r/min,则进入电动机模式,若Δn<15 r/min,则保持当前模式。经过PI调节器的处理后,判断当前频率ω是否达到了设定频率ωr,如果未达到则返回程序继续调整Δn的阈值范围,直到频率相等,结束控制程序,实现启动与发电模式的平滑切换[5]。

3.2 启发一体平滑切换的建模与仿真

使用Matlab软件,构建了微型燃气轮机发电系统启动、发电一体控制模型,按照启动/发电控制策略与切换方案进行仿真验证。结果表明,微型燃气轮机发电系统经过3 s的加速后,速度从0提升至3000 r/min,之后用1 s的时间令转速稳定,并在第4 s后成功从启动状态切换为发电状态。观察微型燃气轮机启发一体的电机转矩发现,在第4 s时永磁同步电机的转矩从正值变为负值,验证了此时发电系统的状态发生了切换。在第4～6 s,网侧变流器处于孤网运行模式,第6～7 s为并网运行模。在第4 s从启动状态切换为发电状态切换,在第6 s从孤网运行变为并网运行时,直流母线电压有小幅度波动,除此之外,整个发电系统的直流母线电压一致稳定在700 V,系统运行稳定。

4 结束语

微型燃气轮机发电系统运行时需要在启动及发电两个状态下进行切换,由此提出以转速作为反馈信号,通过对比转速差值来判断并调整运行状态的启发运行切换方案。仿真实验表明,此模型可自动完成从启动到发电状态的切换,只有切换时电压有小幅度波动,但很快恢复至正常电压并保持恒压运行。