基于PSCAD/EMTDC微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

趙春柳（安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，合肥230601）

基于PSCAD/EMTDC微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

趙春柳
（安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，合肥230601）

結(jié)合單軸結(jié)構(gòu)微型燃?xì)廨啓C(jī)的動態(tài)特性建立PSCAD/EMTDC模型，同時(shí)給出了電力電子裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及逆變器的PQ控制策略。仿真結(jié)果表明，整個微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)與實(shí)際相符，單軸結(jié)構(gòu)微型燃?xì)廨啓C(jī)具有較好的動態(tài)特性，輔以電力電子裝置后能夠?qū)崿F(xiàn)電能的并網(wǎng)輸出，且有功功率與無功功率獨(dú)立可控。

DER；MT；PQ控制；模型

0　前言

當(dāng)前化石能源資源的日益枯竭，以太陽能、風(fēng)能等可再生能源的開發(fā)、利用也越來越迫切。隨著對配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性、安全性要求的提高及兼容各種類型的分布式能源（Distributed Energy Re?source，DER），微電網(wǎng)及主動配電網(wǎng)被相繼提出[1，2]。由于太陽能及風(fēng)能具有間歇性特點(diǎn)，其他如微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等功率輸出連續(xù)的分布式電源在微電網(wǎng)及主動配電網(wǎng)中應(yīng)用越來越廣泛。

通常分布式電源的容量都在100kW以下，主動配電網(wǎng)可以對分布式能源主動管理，在分布式能源高滲透率人能穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，因此相關(guān)分布式能源的容量規(guī)?？梢愿鶕?jù)需要增大。

微型燃?xì)廨啓C(jī)（Microturbine，MT）是一種以超小型燃?xì)廨啓C(jī)為原動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)備，其容量一般在幾十千瓦到500kW之間。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)具有體積小、重量輕、排放少、效率高、可提供熱負(fù)荷等特點(diǎn)[3]。

本文建立了基于PSCAD/EMTDC微型燃?xì)廨啓C(jī)的模型，并實(shí)現(xiàn)了PQ模式的并網(wǎng)發(fā)電控制。

1　微型燃?xì)廨啓C(jī)的模型

本文以Rowen提出的單軸單循環(huán)重負(fù)荷的燃?xì)廨啓C(jī)為基本模型，主要由溫度控制、速度控制、加速度控制、燃料供給控制和燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)節(jié)等系統(tǒng)組成[4]。以Capstone公司的C360型微型燃?xì)廨啓C(jī)為對象建立PSCAD/EMTDC仿真模型，主要參數(shù)為：額定功率PN=60kW，額定電壓UN=480V，額定轉(zhuǎn)速nN=96000r/min，進(jìn)（排氣）溫度T=840°F。

單軸結(jié)構(gòu)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

除溫度控制采用有名值，微型燃?xì)廨啓C(jī)的模型及其他控制模塊均采用標(biāo)幺值，其整體數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

1）速度控制環(huán)節(jié)

微型燃?xì)廨啓C(jī)速度控制環(huán)節(jié)的作用是負(fù)荷在一定范圍內(nèi)變化時(shí)維持轉(zhuǎn)速恒定，主要采用改變?nèi)剂狭髁康姆绞綄?shí)現(xiàn)。該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如圖2所示。

2）溫度控制環(huán)節(jié)

溫度控制環(huán)節(jié)的主要作用是限制、保持透平進(jìn)口溫度，在正常運(yùn)行時(shí)，微型燃?xì)廨啓C(jī)通過改變?nèi)剂狭髁康姆绞娇刂仆钙饺肟跍囟?。該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如圖2所示。

3）燃料供給及燃燒室環(huán)節(jié)

從轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)、溫度控制環(huán)節(jié)及加速度控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生一個最小燃料基準(zhǔn)，從而得到實(shí)際燃料信號量。其相關(guān)環(huán)節(jié)及傳遞函數(shù)如圖2所示。

4）燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)主要由燃燒室、壓氣機(jī)和燃?xì)鉁u輪構(gòu)成，是微型燃?xì)廨啓C(jī)的核心部分。燃料燃燒產(chǎn)生的熱能為燃?xì)鉁u輪提供機(jī)械轉(zhuǎn)矩及提高了排氣口的溫度，其轉(zhuǎn)矩和排氣口溫度由不同的函數(shù)計(jì)算得到，如圖2所示。

2　微型燃?xì)廨啓C(jī)的電力電子裝置部分

微型燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)過變壓器隔離與電力電子裝置相接。在仿真分析時(shí)采用標(biāo)幺值方式，相關(guān)基準(zhǔn)值選擇為：容量100kVA，有功功率100kW，無功功率100kVar，轉(zhuǎn)速96000r/min。

2.1整流環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)及控制策略

將變壓器輸出的三相交流電整流為直流，之后經(jīng)過BOOST變換升壓為逆變器提供直流電源。圖3為三相不可控整流及BOOST升壓環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，仿真參數(shù)如圖3中所示。

本環(huán)節(jié)中，其控制策略如圖4所示，維持Udc1和Udc2的電壓分別為400 V和800V相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2逆變環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)及控制策略

該環(huán)節(jié)由三相橋式逆變器及LC低通濾波器構(gòu)成及相關(guān)參數(shù)如圖5所示，實(shí)現(xiàn)三相電源的并網(wǎng)控制。

逆變器采用dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型，經(jīng)過dq變換實(shí)現(xiàn)PQ并網(wǎng)控制運(yùn)行模式。其控制器PQ解耦控制策略如圖6所示[5]。U

3　仿真分析

3.1輸出有功功率及無功功率

為分析微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)特性，在1.5s時(shí)輸出有功功率由0.3p.u.上升到0.50p.u.，在3.0s時(shí)輸出無功功率由0.2p.u.上升到0.30p.u.，在4.5s時(shí)輸出有功功率由0.5p.u.下降到0.40p.u.。

在上述變化過程中逆變器的輸出功率與三相永磁同步發(fā)電機(jī)輸出功率如圖7所示。從圖中可以看出，三相逆變器可以快速跟蹤功率的指令值，同時(shí)三相永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出功率也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，響應(yīng)速度較快。

3.2同步發(fā)電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速及輸出電磁轉(zhuǎn)矩

由圖8（a）可以看出，隨著有功輸出的增加，永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩能夠快速跟隨功率的變化。由圖8（b）可知主軸轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定，基本維持在額定轉(zhuǎn)速下。

3.3微型燃?xì)廨啓C(jī)排氣口溫度

圖9為微型燃?xì)廨啓C(jī)的排氣口溫度，可以看出隨著燃?xì)廨啓C(jī)出力的增加其排氣口溫度也增加，反之則溫度降低。

3.4整流環(huán)節(jié)直流電壓

整流環(huán)節(jié)直流電壓如圖10所示，Udc2外基本維持在800 V，Udc1在400V波動，幅值相對較大。從整體上看，但有功功率輸出增大或減小時(shí)，直流電壓均有小幅值的降低或增大而后趨于穩(wěn)定。

3.5逆變器并網(wǎng)電流

逆變器并網(wǎng)電流如圖11所示，當(dāng)有功增加時(shí)，電流幅值增加且相對于電網(wǎng)電壓相位差減小，功率因數(shù)提高；相應(yīng)的當(dāng)無功增加時(shí)，電流幅值增加且相對于電網(wǎng)電壓相位差增大，功率因數(shù)減小。

4　結(jié)語

本文建立的微型燃?xì)廨啓C(jī)模型，具有較好的動態(tài)性能；并給出電力電子裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略，通過仿真結(jié)果分析是滿足對微型燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)發(fā)電的仿真分析的要求的。

[1]張建華，黃偉.微電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]徐青山.分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011．

[3]袁春，陳彬兵，陳兆海.微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

[4]De Brabandere.K,Vanthournout.K.Control of Microgrids. Power Engineering Society General Meeting,IEEE,2007:1-7.

[5]BRABANDERE D.K,vanthournout[Z].2007:1-7.

[6]張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

(責(zé)任編輯：趙建周）

Simulation Model of Microturbine Generator Based on PSCAD/EMTDC

ZHAO Chun-liu
(Anhui Finance&Trade Vocational College,Hefei 230601,China)

combined with the dynamic characteristics of single shaft structure of microturbine,The model of mi?croturbine is established based on PSCAD/EMTDC in this paper.The thetopological structure of power electron?ic device and the PQ control strategy of inverter are given.Simulation results show that microturbine generation system consistent with the actual,and single shaft microturbine has better dynamic characteristics.The power electronic devices can provide power on grid,and the active power and reactive power are independently control?lable.

DER;MT;PQ control;model

TM611；TP391.9

A

1673-2928（2015）02-0001-04

2014-11-17

趙春柳（1979-），男，在讀博士研究生，主要研究方向：可再生能源及分布式發(fā)電。