微型燃氣輪機發電系統LVRT特性分析研究

何雄峰李先允談益琿吳曉亮

（1. 湖北省電力建設第一工程公司，武漢 430061；2. 南京工程學院，南京 211167）

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微型燃氣輪機發電系統LVRT特性分析研究

何雄峰1李先允1談益琿1吳曉亮1

（1. 湖北省電力建設第一工程公司，武漢 430061；2. 南京工程學院，南京 211167）

為了研究微型燃氣輪機發電系統的低電壓穿越能力，建立了包括微型燃氣輪機、永磁同步電機、傳動鏈軸系和全功率換流器在內的微型燃氣輪機發電系統詳細的動態模型，對配電網深度電壓跌落情況下的微型燃氣輪機發電系統的運行特性在PSCAD/EMTDC中進行了仿真分析，仿真結果驗證了模型及控制方式的正確性和有效性，表明微型燃氣輪機發電系統在配電網電壓跌落期間具備很好的低電壓運行能力。

分布式電源；微型燃氣輪機；永磁同步電機；低電壓穿越；電壓跌落

長期以來，能源結構不合理性以及能源利用效率持續偏低帶來了許多環境和社會問題。隨著我國電網由第二代向第三代轉型過渡，以及電力持續推進的改革和政策放開，分布式電源作為一種新興的發電模式逐步被廣泛關注[1]。分布式電源接入配電網有利于提高電網的可靠性，但也會給電網帶來一定的影響[2]。妥善解決好并網影響將有利于分布式電源的更大發展，不僅能充分發揮分布式電源的優點，而且能有效克服傳統集中式大電網供電的許多弱點，作為傳統供電模式的一個重要補充，還將在能源綜合利用上占有十分重要的地位，成為電能供應不可缺少的補充[3]。

與太陽能、風能的隨機性和波動性相比，微型燃氣輪機發電技術具有能源利用效率高、經濟效益可觀、能源供應可靠性高等優點，微型燃氣輪機發電機組已逐漸成為分散式供電的主力。國內外針對微型燃氣輪機發電系統的研究集中在微型燃氣輪機發電系統建模與控制、系統接入配電網的穩態特性分析以及負荷擾動對其影響等方面進行了一定的研究[4]。文獻[5]通過對幾種典型燃氣輪機控制模型進行了對比分析，進而修正了導葉空氣流量方程中的系數；文獻[6]對單軸和分軸兩種結構的微型燃氣輪機運行特性進行對比分析，結果表明單軸結構應用于微網動態調節有助于微網安全、可靠、經濟地運行；文獻[7]將配網與微型燃氣輪機系統看作一個整體，對傳統的單軸模型和分軸模型進行了改進；文獻[8]采用新型矩陣變換器應用于微型燃氣輪機系統提高換流器的輸入電壓頻率和輸出電壓幅值，同時減少輸出波形畸變；文獻[9]對微型燃氣輪機模型特性進行仿真分析；文獻[10]對配電網負荷變化和孤網運行條件下的特性進行了研究；文獻[11]對配電網發生小擾動的情況下的特性進行了仿真分析。

隨著微型燃氣輪機發電系統向電網的不斷滲透，考慮配電網故障下微型燃氣輪機發電系統的運行方式不再是簡單的從配電網中切除，其低電壓運行能力逐漸受到重視[12]。為此，本文建立微型燃氣輪機發電系統詳細動態建模，理論分析了其在配電網深度電壓跌落情況下的暫態特性，并在 PSCAD/ EMTDC中進行了動態特性和配電網深度電壓跌落下的暫態仿真，理論分析和仿真結果一致，證明了本文建立的模型和控制策略的正確性和有效性，同時表明了微型燃氣輪機發電系統在配電網電壓跌落期間具有良好的低電壓運行能力。

1　微型燃氣輪機系統動態模型

根據微型燃氣輪機發電系統的機械、電氣及物理特性，本文對包括微型燃氣輪機、傳動鏈軸系、永磁同步電機和全功率背靠背換流器在內的微型燃氣輪機發電系統進行動態建模，圖1所示為單軸微型燃氣輪機發電系統。

圖1　單軸微型燃氣輪機發電系統

1.1微型燃氣輪機模型

微型燃氣輪機（MT）的控制包括轉速控制及加速度控制、溫度控制、燃料控制和壓縮機與渦輪系統控制四部分。MT動態模型如圖2所示[13]，動態模型參數見表1。

表1　微型燃氣輪機動態模型系統參數

MT溫度控制系統通過比較溫度參考值T0與測量溫度 T，作為溫度系統控制信號，并在溫度調節器作用下，限制MT的燃料輸入以保護MT排氣溫度不超過限定值。

MT速度控制方式主要為斜率控制，即以轉子速度ωm與預先設定的參考值ωref之間的差值作為輸入信號，以速度偏差的比例值作為輸出信號，調整MT燃料輸入，達到控制機組轉速的目的。

速度控制系統還包括機組起動的加速控制，加速控制主要限制起動過程中機組轉速增加的斜率不超過允許值α0，當機組起動完畢將自動關閉，因此在分析正常工作的MT時，可以忽略該環節。

溫度控制信號和速度控制以及加速控制信號均采用低值門對輸入信號進行低選，用最小信號實現燃氣量控制。在典型的MT中，一般燃料系統由閥門和執行機構組成，從燃料系統流出的燃料與執行機構和閥門的動作間具有一定的慣性。MT燃燒室的燃燒反應時間較快，可以采用較小的傳輸延遲環節表示。

壓縮機渦輪系統是MT的動力環節，壓縮機釋放體積存在一定的滯后時間，燃料從燃燒室到燃氣渦輪的傳送需要一定的時間，可以分別用延時環節表示。MT的渦輪排氣口溫度函數 Temp以及壓縮機和渦輪系統的機械轉矩輸出函數Tm分別為

式中，ωm為MT的主軸轉速；u1、u2為在渦輪轉速ωm時進入渦輪的燃料流量；K0為最小負荷常數。

圖2　MT動態模型

1.2永磁同步發電機模型

由于MT的渦輪轉速較高，其旋轉速度通常高達 30000～100000r/min，因此需要配置結構緊湊、能量密度高的永磁同步電機（PMSG）作為發電裝置。選取PMSG參考方向為發電機慣例，各繞組軸線正方向即為該繞組磁鏈的正方向。對本繞組產生正向磁鏈的電流為該繞組的正電流。定子電流的正方向即為由繞組中性點流向端點的方向，各相感應電勢的正方向與相電流的相同，向外電路送出正向相電流的機端相電壓為正的。dq坐標系下轉子縱軸（d軸）落后于橫軸（q軸）90°。忽略轉子的等效DQ阻尼繞組，同時在對稱情況下忽略 0軸分量，即得到dq同步坐標系下的PMSG的二階動態模型：

式中，ud、uq、id、iq分別為dq坐標系下永磁電機定子電壓和電流；ωe為永磁電機的電磁角頻率，ωe=pωm=pωg，p為永磁電機磁極對數；ψf為永磁電機轉子永磁體磁鏈；Ld、Lq為dq坐標系下等效電感。

相應的PMSG電磁轉矩Te表達式：

1.3傳動鏈軸系模型

對于單軸微型燃氣輪機發電系統，由于發電機與電網之間用換流器連接，實現了電網頻率和發電機頻率的解耦。因此，燃氣輪機和發電機之間可以無需增加齒輪箱增速裝置，而采用燃氣輪機和永磁發電機直接轉軸剛性連接，即有ωm=ωg，因此可以對通常用的兩質量塊驅動鏈模型進行降階，進而用單質塊軸系模型進行描述。采用單一質塊模型表示為

式中，Jeq為PMSG和MT的等值轉動慣量；B為轉動粘滯系數；Tm為MT的輸出機械轉矩；Te為PMSG的電磁轉矩；ωg為PMSG轉子轉速。

1.4全功率換流器模型與特性分析

1）全功率換流器模型

單軸微型燃氣輪機發電系統全功率換流器由PMSG機側整流器（GSR）和電網側逆變器（GSI）以及直流環節構成。

GSR實現PMSG的有功功率及無功功率解耦控制。通過電壓外環維持直流環節母線電壓穩定在設定值，并調節有功能量的傳輸；電流內環使系統獲得快速的動態響應，并調節無功能量的傳輸，d軸電流控制通過電流環調節發電機的勵磁磁鏈，PMSG側換流器采用基于轉子磁鏈定向的零d軸控制，取，以便能夠完全利用定子電流產生最大電磁轉矩。

GSI控制有功功率輸出，實現電網側功率因數調整，控制與電網無功交換。電網側變換器控制采用電網電壓定向矢量控制。選取d軸定向與電網電壓矢量，即采用uq=0控制方法，PMSG與電網的有功和無功交換能夠完全獨立控制，id、iq參考通過外環經PI控制環獲取供給電流內環，電流內環控制d、q軸電流解耦，根據需求調節有功輸出和選擇單位功率因數（UPF）與無功補償（RPS）運行模式，從而給出逆變器PWM的調制要求。

通過采取相應的控制策略對GSR和GSI兩側換流器的獨立控制，實現PMSG與電網間的隔離，從而保證微型燃氣輪機發電系統的穩定運行。相應的換流器控制框圖如圖3所示。

圖3　單軸微型燃氣輪機發電系統換流器控制框圖

2）全功率換流器特性分析

微型燃氣輪機發電系統的PMSG定子經全功率背靠背換流器與配電網連接，PMSG與配電網之間通過全功率變流器實現了相互隔離。在電網電壓跌落期間，PMSG的運行基本不受電網故障的影響。電網電壓跌落主要考慮對換流器的影響，不涉及PMSG的暫態過程。換流器直流環節等效模型如圖4所示。

圖4　 換流器直流等效電路

根據本文建立的模型和控制策略，忽略換流器損耗，即有dq坐標系下GSR輸出有功功率和GSI輸出有功功率分別為

由功率平衡關系可知：

相應的電容C的充電功率為

在穩態時，電容電壓值能夠保持恒定，通過電容器的電流極小，ΔP近似為0，可忽略。

在不考慮換流器輸出限制時，當電網電壓發生電壓跌落，網側電壓 ugd突降至 ug′d，此時GSR的輸出功率不變，而GSI因為電流不能突變，注入電網的功率迅速減小，為了維持能量平衡，逆變器輸出電流會顯著增大。為了維持能量平衡，GSI的有功電流從 igd變化至 ig′d，即

由式（11）可知，GSI根據網側電壓跌落情況，通過提供相應額度的短路電流來維持網側輸出功功率平衡。

實際情況下，考慮到半導體器件的熱容量有限，為防止過電流損壞換流器，通常在GSI裝有限流裝置。當電壓跌落到一定程度時，GSI的電流輸出將被限制，此時實際瞬時有功電流為 ig′d，且，使注入電網的功率增大受到限制，根據功率平衡原則，則有逆變器的實際輸出為

由式（10）可知，式（12）中多余能量ΔP必將存儲于直流母線電容C中。由于換流器的耐壓有限，通常直流母線電壓不允許超過額定值的 10%～15%。

當系統從額定穩定運行到發生電壓跌落，電網電壓跌落到額定值的20%，式（11）的標幺化有功功率為

由式（12）和式（14）得到直流側增加的功率為

由于本文選用了穩定直流母線環節的 GSR換流器控制，GSR通過控制減小PMSG的輸出電流，進而減少PMSG的電磁功率的輸出，從而平衡直流側增加的功率ΔP?，使直流母線電容電壓維持在額定電壓，保證電容與功率器件的安全，不至于會損壞整個系統的發電設備。

2　仿真分析

本文根據建立的數學模型，在PSCAD/EMTDC中建立了微型燃氣輪機發電系統接入配電網的仿真模型。仿真過程不考慮繼電保護裝置的影響。仿真系統相關參數見表 2。分別對微型燃氣輪機發電系統在穩態運行和配電網發生深度電壓跌落故障下進行仿真分析。

表2　微型燃氣輪機發電系統參數

2.1動態特性仿真

為了考察MT的動態運行調節能力，采用主動控制方式，對有功和無功功率變化參考值進行預先設定。仿真持續時間GSI初始輸出有功和無功參考值分別為0.15MW和0MVar；在4s時刻輸出有功功率參考值由0.15MW上升到0.21MW；在6s時刻輸出無功參考值由0MVar上升至0.06MVar；在7s時刻輸出有功功率參考值由0.21MW下降到0.12MW。微型燃氣輪機發電系統隨功率變化的運行狀態曲線如圖5至圖11所示。

由圖5、圖6和圖7可知，隨著功率輸出參考值的該變化，MT的燃料流量輸出、轉矩輸出和轉速隨之發生相應的發生變化，能夠很好的跟蹤參考給定。

圖5　MT燃料流量

圖6　燃氣輪機主軸轉速

圖7　MT的機械轉矩和PMSG的電磁轉矩

由圖8可知，PMSG和GSI輸出的有功和無功都能夠快速響應參考值的調整，并能快速穩定在給定參考值允許誤差范圍內運行。由圖9可知，運行過程中 PMSG和 GSI輸出電壓維持在額定輸出；PMSG和GSI輸出電流與功率輸出變化相適應。由圖10可知，除功率變換操作時刻網側輸出電流波形畸變超標外，網側輸出電流波形畸變率小于 3%，GSI表現出很好的輸出特性。

圖8　PMSG和GSI的有功與無功輸出

圖9　PMSG和GSI的電壓與電流輸出

圖10　GSI輸出電流波形畸變率

由圖11可知，整個仿真運行過程中，直流環節母線電壓僅在輸出功率變換時有微小波動，且幅度非常小，換流器直流環節母線電壓始終保持在穩定狀態。

圖11　換流器直流環節母線電壓

2.2配電網深度電壓跌落仿真

為研究微型燃氣輪機發電系統的低電壓穿越（LVRT）特性，選取配電網在6s時刻發生持續時間為0.625s跌落深度為80%三相對稱電壓跌落故障下進行仿真分析。初始系統輸出有功參考值為0.24MW，無功輸出參考值為 0.06MVar。微型燃氣輪機發電系統在配電網深度電壓跌落下的運行狀態曲線如圖12至圖16所示。

圖12、圖13和圖14可知，在電壓跌落期間，PMSG和GSI輸出電壓彼此獨立，PMSG電壓始終維持在額定輸出；由于受GSI輸出電流限制，網側電流故障期間被限制在 0.822kA（1.8倍的額定電流），是的GSI輸出有功功率被限制，無功輸出受電網故障影響較小；由于網側電流輸出受到限制，通過GSR控制實現了直流母線穩定，同時PMSG輸出電流下降至0.195kA（0.42倍的額定電流），PMSG通過減小有功輸出抑制不平衡功率對系統的影響。

圖12　PMSG和GSI的電壓與電流輸出

圖13　PMSG和GSI的有功與無功輸出

圖14　換流器直流環節母線電壓

由圖15、圖16和圖17可知，PMSG的輸出功率減少，導致其電磁轉矩也隨之下降，為了保持傳動鏈軸系平衡，MT的機械轉矩跟蹤PMSG的電磁轉矩進行調節，相應的MT燃料流量下降，同時MT主軸轉速上升；在故障清除后，微型燃氣輪機發電系統能夠快速恢復到穩定運行狀態。

圖15　MT的機械轉矩和PMSG的電磁轉矩

圖16　MT燃料流量

圖17　燃氣輪機主軸轉速

由圖18可知，在故障發生和故障清除時刻GSI輸出電流波形由畸變，故障期間和非故障運行階段GSI輸出電流波形畸變率均小于3%。

圖18　GSI輸出電流波形畸變率

3　結論

本文所建模型具有很好的動態響應能力，穩態運行時既能維持直流環節母線電壓穩定，又能實現電網側有功和無功輸出的解耦控制，且電網側輸出電流波形畸變率小于3%。

電網電壓跌落期間，本文所用控制策略依然能夠維持直流母線電壓穩定，通過減小MT的燃料流量，進而減少PMSG的有功輸出，從而有效抑制不平衡功率的影響。

本文采用的全功率換流器控制策略，能夠保證微型燃氣輪機發電系統在配電網電壓跌落期間的安全穩定運行；并且，微型燃氣輪機發電系統能在電壓跌落期間向配電網提供一定的無功支持，加速電網恢復。研究表明微型燃氣輪機發電系統在配電網電壓跌落期間具備良好的LVRT能力。

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Performance Analysis and Research on Microturbine Generation System with LVRT

He Xiongfeng1Li Xianyun2Tan Yihui1Wu Xiaoliang1
(1. Hubei First Electric Power Construction Engineering Company, Wuhan 430061；2. Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167)

For researching into the LVRT capacity for microturbine generation system, this paper proposes a dynamic model of microturbine generation system, which including microturbine, permanent magnet synchronous generation, modeling of drive train and full power inverter. The operational performance of microturbine generation system is analysised under the depth of DG voltage dip in PSCAD/EMTDC. The simulation results prove that the proposed modes are correctness and effectiveness, and show that the microturbine generation system has been well LVRT capability during the voltage dips.

distributed generation (DG); microturbine (MT); permanent magnet synchronous generation (PMSG); low voltage ride-through (LVRT); voltage dip

何雄峰（1985-），男，湖北應城人，碩士研究生，從事發電廠、變電站電氣調試工作以及電力系統運行與控制研究。