微型燃氣輪機直驅發電系統的控制與仿真

朱劼成，王西田，劉時雨，翁一武

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微型燃氣輪機直驅發電系統的控制與仿真

朱劼成，王西田，劉時雨，翁一武

（上海交通大學，上海 200240）

以微型燃氣輪機發電系統為核心的冷、熱、電聯供系統是我國電力科學重點關注技術之一，研制出一套能適用于系統啟動加速和發電運行的綜合控制方案具有重要意義。本文提出了基于雙向背靠背變流器的高速微型燃氣輪機直驅發電系統結構，并研究了相應變流器的控制策略，電機側變流器采用磁場定向的矢量控制，電網側變流器采用基于直流母線電壓的解耦控制。在Matlab/Simulink平臺下搭建了微型燃氣輪機發電系統仿真模型，仿真結果驗證了控制策略的可行性。

微型燃氣輪機發電系統；永磁同步電機；雙向背靠背變流器；控制；仿真

0 前言

微型燃氣輪機發電系統是一種具有廣泛應用和發展前景的分布式電源，以微型燃氣輪機發電系統為核心的冷、熱、電聯供系統是我國“十三五”電力科技二十項重點關注技術之一[1]。

微型燃氣輪機發電機組可以分為兩種組成結構：單軸結構和雙軸結構。目前先進的微型燃氣輪機發電機組主要采用單軸直驅連接，經電能變換單元后輸出的結構。此種結構避免了高成本、大體積的齒輪變速箱，可以最大化微型燃氣輪機高效、輕便的優點，電機額定轉速可以達到30000r/min以上。高轉速對電機調速和啟動控制提出了高要求，研究出一套既能完成微型燃氣輪機啟動過程又能保證穩定發電運行的控制策略是該系統的關鍵技術。

電力電子技術近些年來處于飛速發展狀態。頻率逐漸升高、容量逐漸增大的電力半導體器件也無疑推動了微型燃氣輪機直驅發電系統的進一步發展。很多高校和科研院所都對該系統的建模仿真和控制方案進行了一定的研究。文獻[2]和[3]對微型燃氣輪機的啟動過程控制分別進行了研究，其中文獻[2]針對無位置傳感器的情況，提出了一種轉子位置角估算法，利用矢量控制對微型燃氣輪機的啟動控制過程進行了仿真。文獻[3]針對微型燃氣輪機發電系統的啟動過程提出了一種基于最大轉矩電流比的直接轉矩控制方案。文獻[4]采用人工智能和電子技術對微型燃氣輪機發電控制系統進行研究，結合經驗與實際數據，設計模糊控制規則庫，采用模糊控制算法對微型燃氣輪機進行恒定轉速控制。

從研究現狀看，啟動和調速方面的研究只針對電動機運行狀態，而不考慮發電運行的功能。而對于并網控制方面的研究，則一般都不考慮微型燃氣輪機發電系統的啟動過程。因此，研制出一套既能解決啟動問題，又能保證在發電加載狀態下可靠發電的微型燃氣輪機綜合控制方案具有重要意義。

1 微型燃氣輪機發電系統結構與工作過程

1.1 微型燃氣輪機發電系統結構

單軸直驅式微型燃氣輪機發電機組主要由微型燃機輪機、高速永磁同步電機（雙向運用）、電能變換單元和智能控制部分組成[5]。目前常用的交-直-交變流器拓撲結構主要包括：不可控整流器直接接全控型逆變器結構、不可控整流器經Boost電路后接全控型逆變器結構和雙向可控的背靠背變流器結構[6,7]。其中，雙向可控的背靠背結構能夠實現啟動控制，本文選用雙向背靠背變流器作為系統的核心電能變換裝置，具體的結構示意圖如圖1所示。在合理的控制方案下，基于雙向背靠背變流器的拓撲結構能夠保證微型系統在啟動、發電狀態下均能穩定運行。除此以外，采用此結構可以實現并網啟動，則系統中可以不設蓄電池，節省成本的同時也避免蓄電池管理。

圖1 微型燃氣輪機發電系統結構示意圖

1.2 微型燃氣輪機發電系統工作過程

微型燃氣輪機發電系統的工作過程可以大致分為啟動過程和發電加載過程，全過程的動態變化可由圖2所示的永磁同步電機運行狀態變化來表征。

在啟動過程最初階段，永磁同步電機將拖動壓氣機透平轉動，使微型燃氣輪機升速。在此階段中，永磁同步電機將處于電動機運行狀態，輸出功率即為轉軸上的機械功率。隨著轉速達到點火轉速（本文中設定為10000r/min），對微型燃氣輪機進行點火操作。點火成功后，燃燒室開始工作，高溫燃氣驅動透平做功，原動機側開始發出功率。此階段中，永磁同步電機從電網獲得能量與透平做功產生的能量共同作用，產生即為轉軸上的轉矩，用以維持壓氣機正常工作。

隨著轉速繼續提高，透平產生的功率最終能滿足壓氣機的工作需求，維持微型燃氣輪機正常工作。稱此時微型燃氣輪機發電系統達到自持運行狀態，對應的轉速為自持運行轉速。在此時刻，轉軸上的轉矩全部由微型燃氣輪機提供，永磁同步電機恰好輸出功率為零，系統與電網之間恰好不存在能量交換。

完成自持后，啟動過程結束，永磁同步電機將從電動機狀態轉化為發電機狀態，微型燃氣輪機發電系統將向電網輸出功率。

圖2 永磁同步電機運行狀態變化圖

2 微型燃氣輪機發電系統控制策略

微型燃氣輪機發電系統的控制主要指對變流器的控制策略。此處采用空間矢量調制（SVPWM），根據啟動過程和發電加載過程系統的具體工作要求，分別提出對應的電機側變流器和電網側變流器控制方案。

2.1 電機側變流器控制策略

電機側變流器主要控制電機的轉速和電磁轉矩，啟動過程中轉速和電磁轉矩需要跟隨微型燃氣輪機運行狀態動態變化，而在發電運行過程中，電機側變流器也要保持轉速和輸出轉矩穩定。

目前永磁同步電機的控制技術主要有直接轉矩控制技術和矢量控制技術兩種[8]。矢量控制相對于直接轉矩控制的調速范圍更寬，轉矩電流的脈動也小，本文考慮采用基于坐標變換的矢量控制策略。經過Park變換，永磁同步電機在d-q坐標系下轉矩方程為：

其中，為永磁同步電機極對數；為永磁同步電機機械角速度；i和i分別為永磁同步電機直軸和交軸電流。

從式（1）可以看到，永磁同步電動機的輸出電磁轉矩是直軸電流i和交軸電流i兩個變量的函數，理論上一個輸出電磁轉矩可以對應無窮多組直軸和交軸電流的組合，若取i=0，式（1）將轉化為：

經過綜合考量，本文最終選取磁場定向（i=0）的矢量控制策略。選擇該矢量控制策略主要有以下兩方面原因：其一，i=0控制是計算量最小的控制方案，采用i=0控制后，定子電樞電流產生的磁勢將與轉子永磁體產生的磁勢垂直，兩者之間無耦合關系，永磁同步電機的方程將大大簡化，控制系統的計算量也會相應減小，這對動態響應要求較高的高速電機尤為重要；其二，i=0控制電流利用率高，由于只有交軸電流，所有的電流都將用于產生電磁轉矩，對于無凸極效應的表貼式永磁同步電機，i=0控制方案是轉矩電流比最大的方案。

在該策略下，考慮對電機側變流器采用雙閉環控制，其中外環為轉速環，內環為電流環，最終得到的電機側變流器的控制框圖如圖3所示。

圖3 電機側變流器控制框圖

2.2 電網側變流器控制策略

電網側變流器主要控制并網點的有功和無功功率，并要保證直流母線電壓的穩定。

根據電力系統分析的知識，經過Park變換后，變流器在d-q坐標系輸出有功和無功功率滿足關系[9]：

其中，和為d-q坐標系下變流器輸出電壓的兩個分量；i和i為d-q坐標系下變流器輸出電流的兩個分量。根據公式（1），假若令變流器交軸分量為零，即=0，則此時存在關系：

根據式（3）~（6），當變流器的電壓定向于d軸時，其有功功率將和i正相關，而與i無關，而無功功率則反之。通過此種方式，可以有效地實現有功功率和無功功率的解耦控制。于是，本文考慮對電網側變流器采用基于直流母線電壓的解耦控制策略，主要出于以下兩方面考慮：其一，解耦控制可以有效控制有功和無功，通過鎖相環可實現變流器電壓、頻率和相位嚴格與電網保持同步。因此主要控制并入電網的有功和無功即可，而解耦控制對于有功和無功的控制效果最好；其二，直流母線電壓控制有功可以配合啟動過程，啟動過程中系統直流電壓的穩定也非常重要，但由于電機側變流器必須控制轉速和轉矩，直流母線電壓的控制只能放在網側。因此利用直流母線電壓控制網側有功功率相較于直接功率控制更好。

在該策略下，對電網側變流器也采用雙閉環控制，其中外環為直流電壓環，內環為電流環，最終得到的電機側變流器的控制框圖如圖4所示。

圖4 電網側變流器控制框圖

3 微型燃氣輪機發電系統仿真模型與結果

本文利用Matlab/Simulink仿真平臺搭建微型燃氣輪機發電系統模型，驗證前述控制策略的可行性。

3.1 微型燃氣輪機發電系統仿真模型

Matlab/Simulink工具用于電力系統仿真的主要優勢在于Sim Power System（電力系統仿真工具箱）中提供了大量的集成的模型庫。本文利用了其中的永磁同步電機模型、三相全控橋模型以及其它的基本元件，配置合理的參數，構建出相應的仿真模型。

其中，永磁同步電機采用表面式三相正弦型電機；變流器采用三橋臂、全控型結構；直流母線電壓根據電機反電動勢要求選擇為900V；電網側變流器接入電感選擇為=0.6mH；測量和控制模塊分別封裝在各個子模塊中；最終構建的仿真模型如圖5所示。

除此以外，根據第2章中的工作過程，從電機角度分析，微型燃氣輪機發電系統的具體工作狀態的變化主要體現為轉軸轉速的變化和系統輸出轉矩的變化。根據此觀點，本文根據微型燃氣輪機發電系統的工作過程，為永磁同步電機設置合理的參考轉速曲線來表征微型燃氣輪機工作狀態的變化。更具體地，對于并網啟動和加載過程，本文考慮設置參考轉速如圖6所示。

圖5 微型燃氣輪機發電系統仿真模型

圖6 轉速參考曲線

3.2 仿真結果及分析

利用上述模型，在Simulink下對完整的啟動和并網發電加載過程進行仿真。其中，受仿真軟件數據存儲量的限制，仿真中將加速率和加載率放大，使得加速和加載過程在秒級時間內完成，最終仿真總時間設置為20s，得到電機轉速和電磁轉矩仿真波形如圖7所示，其中，0~13s過程對應啟動加速過程，而13~20s過程對應發電加載過程（實際過程在數十分鐘內完成）。

3.2.1 啟動加速過程分析

對比圖7和圖6的轉速參考曲線可以看到，啟動過程中電機轉速曲線與其參考值基本保持一致，轉速控制效果較好。在本文所建立的模型中，微型燃氣輪機側的控制器和電機側變流器的外環控制器同時參與了轉速調節過程，從實際情況看，電機轉速和原動機轉速的控制相互協調配合，控制效果理想。

進一步分析圖7電磁轉矩波形，永磁同步電機的輸出電磁轉矩與預期的變化趨勢一致。而從波形的情況看，轉矩的動態響應和諧波抑制情況也較好，波形毛刺較小。可以預計，實際設備運行時間更長，整體的動態響應會更好。

3.2.2 發電加載過程分析

根據實際情況，我們將加載過程分為兩段，對應圖7中14~15s和16~19s。

對比圖7和圖6的轉速參考曲線，可以看到發電加載過程中電機調速控制情況同樣較為理想，保持穩定且穩態誤差也較小。由此可見，無論永磁同步電機處于電動機運行狀態還是發電機運行狀態，電機側變流器的轉速控制環節都有較為理想的仿真結果，基本可以認為電機側變流器對電機轉速的控制合理有效。

進一步分析圖7的電磁轉矩波形可以看到，永磁同步電機輸出轉矩與預期的運行狀態相符，且在轉速穩定以后，電磁轉矩大小保持恒定。且由于轉矩相對穩定，轉矩脈動比啟動階段更小，控制效果良好。

除了轉速和電磁轉矩（輸出功率）以外，并網的電能質量和直流側的穩定同樣是值得關注的問題。圖8為網側變流器出口處的輸出線電壓（AB相）及其頻譜分析結果。

圖7 電機轉速與電磁轉矩仿真曲線

從圖8的結果可以看到，逆變器出口處的線電壓幅值穩定在537V，對應線電壓有效值為380V，與預期結果相符。為了進一步確定其頻率，考慮通過快速傅里葉變換對該電壓波形做頻譜分析，采樣頻率為1kHz。從結果看，電壓頻率穩定在50Hz，幾乎無諧波分量，網側電壓控制效果理想。

圖8 電網側輸出線電壓波形及頻譜分析

4 結論

針對高速微型燃氣輪機直驅發電系統，本文完成了以下工作：

（1）提出了基于雙向背靠背變流器的微型燃氣輪機發電系統結構，實現了不設蓄電池的條件下，利用同一套控制系統，完成微型燃氣輪機發電系從啟動加速到發電運行的全過程，降低成本的同時避免了蓄電池管理。

（2）提出了微型燃氣輪機發電系統變流器的矢量控制策略，其中電機側變流器采用磁場定向的矢量控制策略，電網側變流器采用基于直流母線電壓的解耦控制策略。仿真結果表明，系統在啟動加速、發電運行方式下均可靠運行。

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Control and Simulation of the Direct-driven Micro-turbine Generation System

ZHU Jiecheng, WANG Xitian, LIU Shiyu, WENG Yiwu

(Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Nowadays, combined cooling, heating and power systems based on micro-turbine generation systems have been one of the key technologies in power systems in China. It is of great importance to develop a comprehensive control strategy of a high speed micro-turbine generation system, which is suitable for not only the start-up process but also the generation process. A structure of the direct-driven micro-turbine generation system is proposed based on a bidirectional back-to-back converter. The field oriented vector control is used for the machine-side converter in the start-up process, while the decoupling control strategy based on the direct voltage is used for the grid-side converter. A simulation model of micro-turbine generator system is built on the Matlab/Simulink platform. The control strategies have been verified by the simulation results.

micro-turbine generation system; permanent magnet synchronous machine; bi-directional back-to-back converter; control; simulation

TM611.24

A

1000-3983(2018)06-0042-05

上海市科學技術委員會科研計劃項目“微型燃氣輪機電機先進控制系統研究”（17DZ1201003）

2018-06-20

朱劼成（1995-），2017年6月本科畢業于上海交通大學電氣工程系，現就讀于上海交通大學，主要研究方向為分布式能源系統，碩士研究生。