微型燃氣輪機發(fā)電系統啟發(fā)一體過程的控制技術及仿真分析

王新寓

(哈爾濱廣瀚燃氣輪機有限公司,哈爾濱 150078)

微型燃氣輪機發(fā)電技術具有響應速度快、穩(wěn)定性好、電能質量高等優(yōu)點?？紤]到微型燃氣輪機需配備獨立的高速異步電機拖動啟動,增加了發(fā)電系統的運行成本,由此提出一種采用高速、高頻永磁電機拖動微型燃氣輪機的啟動技術。永磁電機可作為發(fā)電機使用,向外釋放電能,從而達到啟動、發(fā)電一體運行的效果。

1 啟動過程的控制技術

1.1 網側變流器控制技術

微型燃氣輪機無法完成自啟動,必須依靠永磁同步電機從外界吸收電能,再驅動微型燃氣輪機轉動,直到達到額定轉速后開始發(fā)電。在整個啟動過程中變流器的作用至關重要,它能夠將電網提供的交流電變?yōu)橹绷麟?在整流、穩(wěn)壓的基礎上保證電動機運行穩(wěn)定。本研究在設計網側變流器電路時,采用了“雙閉環(huán)”控制策略[1]。外環(huán)結合微型燃氣輪機的運行需要,以直流母線電壓作為控制目標,內環(huán)使用電流控制跟隨外環(huán)的指令,保證良好的穩(wěn)壓效果。網側變流器的整流穩(wěn)壓控制實現方式如下:根據微型燃氣輪機的運行需求,確定母線電壓的參考值Uref,將Uref與母線電壓的實際測量值Udc做比較,將兩者相減后得到的壓差Udref作為PI控制器的輸入信號。經過PI控制器的處理后,將電壓信號轉化成直軸電流的參考分量idref,令交軸電流的參考分量iqref為0,經過三相PWM整流器的坐標變換處理后,得到直、交軸電流分量id與iq。在內環(huán)對電流采取解耦控制策略,令id與iq跟隨電壓環(huán)的控制指令作出相應的變化。內環(huán)PI控制器的輸出信號經過Park逆變換處理后,作為SVPWM調制器的輸入信號,經過調制后輸出一個通斷信號,該信號可通過控制變流器開關管的通斷,使母線電壓保持恒定。

1.2 永磁同步電機驅動控制技術

在微型燃氣輪機啟動階段,機側變流器處于逆變狀態(tài),其作用是將整流得到的直流電逆變成為三相高頻交流電[2]。此時,永磁同步電機相當于一臺電動機,拖動微型燃氣輪機不斷加速,直到實時轉速達到額定轉速(點火脫機速度),機側變流器的逆變控制實現方式如下:前端的速度傳感器實時采集永磁同步電機的轉速V,并將其與參考轉速Vref做對比,兩者相減后得到的速度差Vdref作為輸入信號,輸入到PI控制器中。經過PI控制器處理后輸出iq的參考值iqref。給定d軸電流參考分量idref,依次經過內環(huán)PI控制器及Park逆變換處理后,得到兩相靜止坐標系下的電壓分量Uαref與Uβref,將兩者作為SVPWM的輸入信號,產生的脈沖控制PWM逆變器開關管的通關順序,以保證電機轉速恒定。

1.3 啟動過程中機側與網側變流器的聯合仿真

使用Matlab軟件,構建了網側變流器整流穩(wěn)壓與機側變流器逆變控制的聯合模型,利用該模型進行了微型燃氣輪機啟動過程的仿真模擬。網側變流器可將交流電轉化為直流電,使母線電壓恒定。機側變流器將直流電逆變?yōu)榻涣麟?驅動電機達到并維持在額定轉速。利用直流母線將網側與機側變流器連接起來,仿真結果如圖1所示。

圖1 啟動過程電機轉速

在仿真實驗中設置的電網電壓為50 Hz、400 V的交流電,在網側變流器的整流與穩(wěn)壓作用下,母線電壓穩(wěn)定在700 V左右,上下波動范圍不超過5 V。結合圖1可知,在機側變流器的拖動下,永磁同步電機的轉速能夠跟隨參考指令保持線性增長趨勢,且在3 s內轉速從0增至3000 r/min,之后保持轉速恒定。這一仿真結果表明設計的微型燃氣輪機發(fā)電系統的啟動控制策略是有效的。

2 發(fā)電過程的控制技術

2.1 永磁同步發(fā)電機整流穩(wěn)壓控制技術

微型燃氣輪機正常啟動后,需將其切換至發(fā)電狀態(tài)。在發(fā)電模式下,永磁同步電機相當于一臺發(fā)電機,在三相PWM變流器的作用下,將產生的高頻交流電轉化成相應的直流電。為防止并網對電網電壓產生明顯的沖擊影響,轉化后的直流電要利用機側變流器進行整流穩(wěn)壓控制,實現方式如下:根據電網的實際運行情況,確定微型燃氣輪機發(fā)電系統中母線電壓的參考值Uref,將Uref與電網運行中的實時電壓值Udc做比較,兩者相減后得到的電壓差值Udref作為輸入信號,經過PI控制器的處理后,得到交軸電流的參考分量iqref,令直軸電流的參考分量idref為0,在內環(huán)完成對電流的解耦控制,使id與iq能夠跟隨idref及iqref變化。對內環(huán)PI控制器的輸出信號做Prak逆變換處理,處理結果作為SVPWM調制器的輸入信號,經過調制后輸出通斷信號,該信號能改變機側變流器開關管的通斷狀態(tài),令母線電壓維持恒定。

2.2 網側變流器逆變運行控制技術

當微型燃氣輪機開始發(fā)電后,因為轉速可達到3000 r/min甚至更高,產生的高頻交流電無法直接為電網中的電力設備供電,必須借助機側的整流器將其轉化為相對穩(wěn)定的直流電,再通過網側變流器的逆變處理,使穩(wěn)定的直流電變成工頻交流電,從而滿足并網需求或為電力設備供電。為了達到恒壓恒頻控制目標,采取以下控制策略:微型燃氣輪機產生的電壓分別做Clark變換與Park變換,得到直軸電壓Udref和交軸電壓Uqref,仍然采用電流、電壓的“雙閉環(huán)”控制模式。電壓外環(huán)的功能是調節(jié)逆變器,使其能夠輸出恒定的電壓,電流內環(huán)的控制器參考值由外環(huán)控制器決定,以提高動態(tài)響應速度。利用PWM變流器對d軸與q軸解耦,設定頻率為50 Hz,即可達到網側變流器恒壓恒頻的控制效果[3]。

2.3 發(fā)電過程中機側與網側變流器的聯合仿真

使用Matlab軟件,構建了微型燃氣輪機的機側整流穩(wěn)壓與網側恒頻恒壓聯合控制模型。利用機側變流器,將微型燃氣輪機產生的高頻、不穩(wěn)定的交電流進行整流處理,得到相對穩(wěn)定的直流電。利用網側變流器,將穩(wěn)定的直流電逆變成為工頻交流電,實現穩(wěn)定并網及可靠供電。用直流母線將機側與網側的兩部變流器結合起來,仿真結果如圖2所示。

圖2 直流母線電壓

微型燃氣輪機正常發(fā)電后,在第4 s時切換一次網側變流器的狀態(tài),使其從孤網運行調整為并網運行,觀察狀態(tài)切換前后并網點的電壓、頻率、相位等參數與電網是否相同。結合圖2可知,受到電容初始電壓的影響,在0 s時直流母線的電壓為580 V。發(fā)電后,電壓迅速升高并在1 s后達到700 V。在第4 s從孤網運行切換至并網運行后,雖然電壓有小幅度的下降,但是在機側變流器的作用下,母線電壓能夠快速恢復至700 V,之后在并網狀態(tài)下母線電壓一直保持恒定。直流母線的有功功率在并網前始終為0,從第4 s開始切換為并網狀態(tài)后,有功功率迅速升高至3 W,之后維持功率穩(wěn)定。從仿真實驗結果來看,設計的機側與網側變流器聯合控制策略,可使微型燃氣輪機在發(fā)電過程中輸出恒定幅值及恒定頻率的交流電,控制效果良好。

3 啟發(fā)一體運行的平滑切換控制技術

3.1 啟動/發(fā)電自動切換方案的設計

設計的微型燃氣輪機發(fā)電系統可在永磁同步電機的拖動下完成啟動,并對外發(fā)電。為了從啟動狀態(tài)平滑切換到發(fā)電狀態(tài),實現微型燃氣輪機發(fā)電系統啟發(fā)一體運行,設計了轉速反饋方案,選定微型燃氣輪機的額定轉速作為參考值,以前端傳感器采集到的微型燃氣輪機實時轉速作為對照值。計算機自動對比兩者的差值,并將轉速差反饋給邏輯判斷單元,判斷此時微型燃氣輪機發(fā)電系統的狀態(tài)及是否需要進行狀態(tài)切換[4]。邏輯判斷流程如圖3所示。

圖3 啟動/發(fā)電模式自動切換流程

設定微型燃氣輪機正常運行后的額定轉速為n*,傳感器檢測到的實際轉速為n,兩者的轉速差為Δn。若Δn>0,此時微型燃氣輪機的實際轉速沒有達到額定轉速,需要一直提升轉速,可判斷微型燃氣輪機的發(fā)電系統處于啟動狀態(tài)。若Δn≤0,此時微型燃氣輪機的實際轉速達到額定轉速,不需要借助永磁同步電機的帶動即可自動運轉,可判斷微型燃氣輪機的發(fā)電系統處于發(fā)電狀態(tài)。給定了Δn的閾值范圍,在啟動模式下,若Δn≥15 r/min,則進入電動機模式,若Δn<15 r/min,則保持當前模式。經過PI調節(jié)器的處理后,判斷當前頻率ω是否達到了設定頻率ωr,如果未達到則返回程序繼續(xù)調整Δn的閾值范圍,直到頻率相等,結束控制程序,實現啟動與發(fā)電模式的平滑切換[5]。

3.2 啟發(fā)一體平滑切換的建模與仿真

使用Matlab軟件,構建了微型燃氣輪機發(fā)電系統啟動、發(fā)電一體控制模型,按照啟動/發(fā)電控制策略與切換方案進行仿真驗證。結果表明,微型燃氣輪機發(fā)電系統經過3 s的加速后,速度從0提升至3000 r/min,之后用1 s的時間令轉速穩(wěn)定,并在第4 s后成功從啟動狀態(tài)切換為發(fā)電狀態(tài)。觀察微型燃氣輪機啟發(fā)一體的電機轉矩發(fā)現,在第4 s時永磁同步電機的轉矩從正值變?yōu)樨撝?驗證了此時發(fā)電系統的狀態(tài)發(fā)生了切換。在第4～6 s,網側變流器處于孤網運行模式,第6～7 s為并網運行模。在第4 s從啟動狀態(tài)切換為發(fā)電狀態(tài)切換,在第6 s從孤網運行變?yōu)椴⒕W運行時,直流母線電壓有小幅度波動,除此之外,整個發(fā)電系統的直流母線電壓一致穩(wěn)定在700 V,系統運行穩(wěn)定。

4 結束語

微型燃氣輪機發(fā)電系統運行時需要在啟動及發(fā)電兩個狀態(tài)下進行切換,由此提出以轉速作為反饋信號,通過對比轉速差值來判斷并調整運行狀態(tài)的啟發(fā)運行切換方案。仿真實驗表明,此模型可自動完成從啟動到發(fā)電狀態(tài)的切換,只有切換時電壓有小幅度波動,但很快恢復至正常電壓并保持恒壓運行。