離網(wǎng)型斯特林異步發(fā)電技術(shù)研究

范偉成 ，彭小方 ，莊圣倫 ，金永星 ，黃文新

(1.上海熱氣機工程技術(shù)研究中心 上海 201203；2.南京航空航天大學(xué) 江蘇 南京 210016)

斯特林發(fā)動機是一種外燃式封閉循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動機。與內(nèi)燃機相比，斯特林發(fā)動機具有燃料適應(yīng)范圍廣、噪音低、維護保養(yǎng)費用低、輸出功率穩(wěn)定等特點[1]。異步發(fā)電機具有堅固耐用，高可靠性，制造成本低，控制裝置簡易等優(yōu)點。異步發(fā)電機在離網(wǎng)獨立發(fā)電時需要吸收感性無功用以勵磁，一種方法是在異步發(fā)電機的輸出端并聯(lián)電容以提供無功勵磁[2]，但存在動態(tài)響應(yīng)差，容易引起電壓瞬變和電流沖擊等特點而缺乏實用意義；另外一種常用方法是采用靜態(tài)無功發(fā)生器為異步發(fā)電機提供勵磁[3]，雖然能大大改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，但會使系統(tǒng)的體積與重量增加或者注入諧波等。近年來，采用電力電子技術(shù)控制異步發(fā)電機獲得了成功的工程應(yīng)用[4-5]，得到了高品質(zhì)的電能，但主要應(yīng)用領(lǐng)域為風(fēng)力發(fā)電與水力發(fā)電。斯特林發(fā)動機在起動時一般都需要外力驅(qū)動才能形成工作循環(huán)，采用電力電子技術(shù)控制異步發(fā)電機，既可以解決斯特林的起動問題，又可以為異步發(fā)電機提供無功勵磁發(fā)電，實現(xiàn)起動/發(fā)電雙功能，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，成本也較低。

因此，本離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)以斯特林發(fā)動機為原動機，籠型異步電機為發(fā)電機，通過三相PWM全橋變換器實現(xiàn)系統(tǒng)的起動與發(fā)電控制。在起動時采用端電壓補償?shù)腣/f控制技術(shù)，由DC-DC模塊控制蓄電池充放電，并通過發(fā)動機和發(fā)電系統(tǒng)之間的通訊實現(xiàn)系統(tǒng)的能量管理，使系統(tǒng)安全可靠運行。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于電力電子技術(shù)對異步發(fā)電機的控制方式一般有兩種[6]：串聯(lián)結(jié)構(gòu)模式和并聯(lián)結(jié)構(gòu)模式。并聯(lián)結(jié)構(gòu)模式是通過調(diào)節(jié)無功來穩(wěn)定發(fā)電機的端電壓，能夠直接輸出有功到負載上，系統(tǒng)容量較小；串聯(lián)結(jié)構(gòu)模式適用于風(fēng)力發(fā)電等轉(zhuǎn)速變化較大的場合，系統(tǒng)容量較大，對于起動/發(fā)電雙功能系統(tǒng)更適合。斯特林發(fā)動機發(fā)電時速度變化范圍雖然較小，但要求起動/發(fā)電雙功能，因此選用串聯(lián)結(jié)構(gòu)模式，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三相PWM變換器與異步發(fā)電機輸出端相連接，主功率電路為三相逆變橋。起動狀態(tài)時，三相PWM變換器逆變運行，驅(qū)動異步發(fā)電機處于電動運行狀態(tài)，拖動斯特林發(fā)動機平穩(wěn)起動；發(fā)電狀態(tài)時，三相PWM變換器為PWM整流工作狀態(tài)，為異步發(fā)電機提供無功勵磁，輸出有功功率至直流母線，實現(xiàn)功率雙向流動。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

蓄電池組采用26節(jié)12 V、100 AH蓄電池串聯(lián)，通過DCDC模塊連接到母線上。在穩(wěn)態(tài)過程中，DC-DC模塊控制蓄電池充放電以保持母線電壓恒定，而在動態(tài)過程中，即突加突卸負載時刻，為了防止蓄電池的過放，母線電壓可以有一定程度的波動。

系統(tǒng)控制器以DSP為控制核心，完成斯特林發(fā)動機、異步發(fā)電機、蓄電池和負載的狀態(tài)檢測和控制，并通過通訊功能調(diào)節(jié)斯特林發(fā)動機的功率輸出以滿足電氣系統(tǒng)及負載的功率需求。系統(tǒng)將對電能輸出、蓄電池充放電、負載用電進行有效的監(jiān)控，實現(xiàn)能量的最佳利用。

2 系統(tǒng)控制策略

2.1 系統(tǒng)起動控制策略

系統(tǒng)起動過程采用端電壓補償V/f控制策略。斯特林發(fā)動機起動時必須充入一定壓力的工質(zhì)氣體實現(xiàn)正常運轉(zhuǎn)，加壓之后轉(zhuǎn)動慣量很大，啟動不易，且點火后隨著缸內(nèi)溫度的上升，在高轉(zhuǎn)速電動運行時異步發(fā)電機會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。嚴重的電機震蕩將會導(dǎo)致電機相電流過流，因此必須加以抑制，其控制如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)起動控制V/f曲線圖Fig.2 System start-up control V/f curve

異步發(fā)電機拖動斯特林的電動目的在于實現(xiàn)斯特林循環(huán)。在起動過程中，開環(huán)給定初始電壓V0和定子頻率f以確保足夠大的起動力矩。當轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)子頻率達到f1時，發(fā)動機開始產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，振蕩原因是由于發(fā)動機缸內(nèi)加熱后，出現(xiàn)了周期性的機械負載變化，而開環(huán)調(diào)節(jié)過程無法讓電磁轉(zhuǎn)矩有效跟隨轉(zhuǎn)速波動，這種現(xiàn)象在低轉(zhuǎn)速時體現(xiàn)不明顯，而隨著轉(zhuǎn)速的上升呈遞增趨勢。因此控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子頻率達到f1后進入轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)過程。通過合理的PI調(diào)節(jié)器設(shè)計，抑制轉(zhuǎn)速波動，此后發(fā)動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升。當電機轉(zhuǎn)速升高至額定轉(zhuǎn)速且缸內(nèi)溫度達到發(fā)電要求后，發(fā)動機閉合短路閥門，電機進入閉環(huán)控制狀態(tài)。

2.2 蓄電池管理策略

本系統(tǒng)變換器的直流母線電壓設(shè)計為600 V以提高網(wǎng)側(cè)逆變器的效率，而蓄電池充放電電壓為346 V～462 V之間。控制蓄電池充電或放電的大小本質(zhì)上是控制加在蓄電池兩端端電壓的大小，因此對蓄電池的管理采用降壓變換器，即Buck變換器，如圖3所示。

圖3 Buck拓撲Fig.3 Buck topology

橋臂上下管互補導(dǎo)通，U1為母線，U2為蓄電池端，電路工作在連續(xù)電流模式。當上管導(dǎo)通，下管關(guān)閉時，母線通過電感向蓄電池充電，電感儲備能量。而當下管導(dǎo)通，上管關(guān)閉時，電感中電流需通過下管反向并聯(lián)二極管續(xù)流，電感兩端承受反向蓄電池電壓并釋放能量。通過調(diào)整開關(guān)管占空比，可以改變蓄電池的充電電壓。在系統(tǒng)起動過程中，蓄電池對外放出能量，此時DC-DC橋臂對蓄電池采用母線電壓閉環(huán)控制。而當系統(tǒng)進入發(fā)電狀態(tài)的時候，蓄電池組大部分時間均工作在充電狀態(tài)，充電能量的多少則通過調(diào)節(jié)發(fā)動機發(fā)出的功率實現(xiàn)。在動態(tài)過程中，即突加突卸負載的瞬間，由于發(fā)動機功率不能突變，主要由蓄電池充放平衡系統(tǒng)瞬態(tài)功率。此時需要對蓄電池做必要的保護措施，防止過充過放。

2.3 功率控制策略

功率控制是發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。要兼顧發(fā)電機輸出功率大小，蓄電池狀態(tài)以及負載三者之間的關(guān)系，以便對發(fā)電系統(tǒng)的功率流動做統(tǒng)一管理。

系統(tǒng)控制基于功率平衡原則。由于斯特林發(fā)動機能量調(diào)節(jié)緩慢（功率增大和減小需要數(shù)分鐘調(diào)節(jié)時間），無法適應(yīng)負載突變的過程，因此蓄電池組在發(fā)電過程中除了進行儲能之外，在負載突變的過程中需要吸收或放出能量，對發(fā)動機功率調(diào)節(jié)起到緩沖作用。穩(wěn)態(tài)運行時，控制異步發(fā)電機輸出功率跟隨轉(zhuǎn)斯特林發(fā)動機速功率曲線，DC-DC橋臂控制維持蓄電池荷電量控制在90%左右。動態(tài)過程中，當負載突加時，DC-DC橋臂控制蓄電池對外放電，維持母線電壓保持不變，發(fā)電系統(tǒng)控制器通訊要求發(fā)動機控制器增大輸出功率直至系統(tǒng)達到新的平衡，DC-DC橋臂再次開始對蓄電池充電。負載突卸時與突然加載情況類似，但由于蓄電池短時間內(nèi)充電電流不能過大，所以應(yīng)限制蓄電池瞬時充電功率，當突卸負載時應(yīng)迅速關(guān)閉斯特林發(fā)動機的燃料供應(yīng)，并采用電機升頻保護措施。盡管斯特林發(fā)動機余熱仍然會對外持續(xù)做功，但是在上述措施之下，其對外輸出的能量減少迅速，系統(tǒng)依然能維持母線電壓恒定。系統(tǒng)運行模式真值表如表1所示。

表1 系統(tǒng)運行模式真值表Tab.1 System operation mode truth value

表中“1”對斯特林發(fā)動機表示是原動機狀態(tài)，對異步發(fā)電機表示發(fā)電狀態(tài)，對蓄電池處于放電狀態(tài)；“0”表示均處于停止工作狀態(tài)；“-1”對斯特林發(fā)動機表示是異步發(fā)電機的負載狀態(tài)，對異步發(fā)電機表示是電動狀態(tài)，對蓄電池表示充電狀態(tài)。

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 異步發(fā)電機仿真模型

在兩相靜止坐標系下的異步電機狀態(tài)方程[7]為：

其中，id1、iq1、id2、iq2為兩相靜止坐標系下的定轉(zhuǎn)子相電流，RS、Rr為定轉(zhuǎn)子每相等效電阻，Ud、1Uq1為定子電壓， LS、lr為定轉(zhuǎn)子每相等效電感，ω為轉(zhuǎn)子電角速度Lm為互感。可以采用狀態(tài)空間模塊來建立異步發(fā)電機的模型，狀態(tài)空間模塊公式為:

其中A、B為式（1）中的兩個矩陣，C為單位陣，D為零陣。

3.2 仿真結(jié)果

實際使用的異步發(fā)電機具體參數(shù)如表2所示。

在異步發(fā)電機仿真模塊中輸入異步發(fā)電機各參數(shù)，得到相電壓為互差120°的正弦波，如圖4所示，其中圖(a)為相電壓建立波形，圖(b)為穩(wěn)定時相電壓波形。仿真結(jié)果表明，采用三相PWM變換器能夠完成異步發(fā)電機勵磁工作且電能質(zhì)量較好。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

本文所設(shè)計的離網(wǎng)型斯特林異步發(fā)電系統(tǒng)在國家海洋局的科研示范項目上獲得了應(yīng)用。所用的斯特林發(fā)動機的型號為4R90GZ，系統(tǒng)負載為海水淡化裝置。

發(fā)電系統(tǒng)在應(yīng)用現(xiàn)場運行時，蓄電池組始終掛在三相PWM變換器直流母線上，因此母線在建壓過程中保持在穩(wěn)定的數(shù)值。系統(tǒng)起動時母線開始建壓，蓄電池組開始放電，系統(tǒng)控制器給定異步發(fā)電機定子頻率，發(fā)電機的磁通隨電機端電壓幅值的抬升逐漸增大，直至平穩(wěn)建壓，如圖5所示。與圖4（a）的仿真波形基本一致，說明系統(tǒng)設(shè)計正確，異步發(fā)電機工作正常。

表2 異步發(fā)電機參數(shù)Tab.2 Asynchronous generator parameters

在現(xiàn)場應(yīng)用中，系統(tǒng)發(fā)出的電能主要用于海水淡化，淡水需求的變化帶來負載突增突卸的變化。圖6、圖7分別表示突加突卸負載時系統(tǒng)狀態(tài)。負載突增時，由于斯特林功率變化較慢，導(dǎo)致母線電壓下降，此時蓄電池組放電，維持母線電壓穩(wěn)定。如果海水淡化負載突然卸載，導(dǎo)致母線電壓上升，控制蓄電池充電，降低母線電壓，同時降低斯特林發(fā)動機的輸出功率。維持系統(tǒng)功率平衡，其過程如圖7所示。由圖分析可知：在負載突變時，系統(tǒng)母線電壓波動幅值在1%左右，基本不變，且持續(xù)時間很短：約700 ms，說明系統(tǒng)負載功率跟隨性能良好，系統(tǒng)響應(yīng)迅速。

圖4 異步發(fā)電機電壓仿真波形Fig.4 Asynchronous simulation waveform generator voltage

圖5 系統(tǒng)相電壓建壓波形Fig.5 Build pressure waveform phase voltage system

圖6 負載突加電壓電流波形Fig.6 Sudden load voltage and current waveforms

圖7 負載突卸電壓電流波形Fig.7 Unload the load voltage and current waveforms

5 結(jié)論

1）采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)的異步發(fā)電技術(shù)實現(xiàn)了斯特林的離網(wǎng)發(fā)電的起動/發(fā)電雙功能，實現(xiàn)了其離網(wǎng)獨立發(fā)電功能，擴大了斯特林發(fā)動機的應(yīng)用范圍。

2）系統(tǒng)起動時采用帶端電壓補償?shù)腣/f控制技術(shù)實現(xiàn)了平穩(wěn)起動，簡單可靠，采用DC-DC模塊完成蓄電池管理控制，依據(jù)功率平衡原則實現(xiàn)系統(tǒng)的能量流動管理，當負載突變時系統(tǒng)功率跟隨性能良好，響應(yīng)迅速，安全可靠。

3）建立了異步發(fā)電機的仿真模型，仿真結(jié)果與實際示范應(yīng)用一致，證明本方案的正確性和可行性，具有一定的設(shè)計參考價值。

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