微型燃气轮机发电系统LVRT特性分析研究

何雄峰李先允谈益珲吴晓亮

（1. 湖北省电力建设第一工程公司，武汉 430061；2. 南京工程学院，南京 211167）



微型燃气轮机发电系统LVRT特性分析研究

何雄峰1李先允1谈益珲1吴晓亮1

（1. 湖北省电力建设第一工程公司，武汉 430061；2. 南京工程学院，南京 211167）

为了研究微型燃气轮机发电系统的低电压穿越能力，建立了包括微型燃气轮机、永磁同步电机、传动链轴系和全功率换流器在内的微型燃气轮机发电系统详细的动态模型，对配电网深度电压跌落情况下的微型燃气轮机发电系统的运行特性在PSCAD/EMTDC中进行了仿真分析，仿真结果验证了模型及控制方式的正确性和有效性，表明微型燃气轮机发电系统在配电网电压跌落期间具备很好的低电压运行能力。

分布式电源；微型燃气轮机；永磁同步电机；低电压穿越；电压跌落

长期以来，能源结构不合理性以及能源利用效率持续偏低带来了许多环境和社会问题。随着我国电网由第二代向第三代转型过渡，以及电力持续推进的改革和政策放开，分布式电源作为一种新兴的发电模式逐步被广泛关注[1]。分布式电源接入配电网有利于提高电网的可靠性，但也会给电网带来一定的影响[2]。妥善解决好并网影响将有利于分布式电源的更大发展，不仅能充分发挥分布式电源的优点，而且能有效克服传统集中式大电网供电的许多弱点，作为传统供电模式的一个重要补充，还将在能源综合利用上占有十分重要的地位，成为电能供应不可缺少的补充[3]。

与太阳能、风能的随机性和波动性相比，微型燃气轮机发电技术具有能源利用效率高、经济效益可观、能源供应可靠性高等优点，微型燃气轮机发电机组已逐渐成为分散式供电的主力。国内外针对微型燃气轮机发电系统的研究集中在微型燃气轮机发电系统建模与控制、系统接入配电网的稳态特性分析以及负荷扰动对其影响等方面进行了一定的研究[4]。文献[5]通过对几种典型燃气轮机控制模型进行了对比分析，进而修正了导叶空气流量方程中的系数；文献[6]对单轴和分轴两种结构的微型燃气轮机运行特性进行对比分析，结果表明单轴结构应用于微网动态调节有助于微网安全、可靠、经济地运行；文献[7]将配网与微型燃气轮机系统看作一个整体，对传统的单轴模型和分轴模型进行了改进；文献[8]采用新型矩阵变换器应用于微型燃气轮机系统提高换流器的输入电压频率和输出电压幅值，同时减少输出波形畸变；文献[9]对微型燃气轮机模型特性进行仿真分析；文献[10]对配电网负荷变化和孤网运行条件下的特性进行了研究；文献[11]对配电网发生小扰动的情况下的特性进行了仿真分析。

随着微型燃气轮机发电系统向电网的不断渗透，考虑配电网故障下微型燃气轮机发电系统的运行方式不再是简单的从配电网中切除，其低电压运行能力逐渐受到重视[12]。为此，本文建立微型燃气轮机发电系统详细动态建模，理论分析了其在配电网深度电压跌落情况下的暂态特性，并在 PSCAD/ EMTDC中进行了动态特性和配电网深度电压跌落下的暂态仿真，理论分析和仿真结果一致，证明了本文建立的模型和控制策略的正确性和有效性，同时表明了微型燃气轮机发电系统在配电网电压跌落期间具有良好的低电压运行能力。

1　微型燃气轮机系统动态模型

根据微型燃气轮机发电系统的机械、电气及物理特性，本文对包括微型燃气轮机、传动链轴系、永磁同步电机和全功率背靠背换流器在内的微型燃气轮机发电系统进行动态建模，图1所示为单轴微型燃气轮机发电系统。

图1　单轴微型燃气轮机发电系统

1.1微型燃气轮机模型

微型燃气轮机（MT）的控制包括转速控制及加速度控制、温度控制、燃料控制和压缩机与涡轮系统控制四部分。MT动态模型如图2所示[13]，动态模型参数见表1。

表1　微型燃气轮机动态模型系统参数

MT温度控制系统通过比较温度参考值T0与测量温度 T，作为温度系统控制信号，并在温度调节器作用下，限制MT的燃料输入以保护MT排气温度不超过限定值。

MT速度控制方式主要为斜率控制，即以转子速度ωm与预先设定的参考值ωref之间的差值作为输入信号，以速度偏差的比例值作为输出信号，调整MT燃料输入，达到控制机组转速的目的。

速度控制系统还包括机组起动的加速控制，加速控制主要限制起动过程中机组转速增加的斜率不超过允许值α0，当机组起动完毕将自动关闭，因此在分析正常工作的MT时，可以忽略该环节。

温度控制信号和速度控制以及加速控制信号均采用低值门对输入信号进行低选，用最小信号实现燃气量控制。在典型的MT中，一般燃料系统由阀门和执行机构组成，从燃料系统流出的燃料与执行机构和阀门的动作间具有一定的惯性。MT燃烧室的燃烧反应时间较快，可以采用较小的传输延迟环节表示。

压缩机涡轮系统是MT的动力环节，压缩机释放体积存在一定的滞后时间，燃料从燃烧室到燃气涡轮的传送需要一定的时间，可以分别用延时环节表示。MT的涡轮排气口温度函数 Temp以及压缩机和涡轮系统的机械转矩输出函数Tm分别为

式中，ωm为MT的主轴转速；u1、u2为在涡轮转速ωm时进入涡轮的燃料流量；K0为最小负荷常数。

图2　MT动态模型

1.2永磁同步发电机模型

由于MT的涡轮转速较高，其旋转速度通常高达 30000～100000r/min，因此需要配置结构紧凑、能量密度高的永磁同步电机（PMSG）作为发电装置。选取PMSG参考方向为发电机惯例，各绕组轴线正方向即为该绕组磁链的正方向。对本绕组产生正向磁链的电流为该绕组的正电流。定子电流的正方向即为由绕组中性点流向端点的方向，各相感应电势的正方向与相电流的相同，向外电路送出正向相电流的机端相电压为正的。dq坐标系下转子纵轴（d轴）落后于横轴（q轴）90°。忽略转子的等效DQ阻尼绕组，同时在对称情况下忽略 0轴分量，即得到dq同步坐标系下的PMSG的二阶动态模型：

式中，ud、uq、id、iq分别为dq坐标系下永磁电机定子电压和电流；ωe为永磁电机的电磁角频率，ωe=pωm=pωg，p为永磁电机磁极对数；ψf为永磁电机转子永磁体磁链；Ld、Lq为dq坐标系下等效电感。

相应的PMSG电磁转矩Te表达式：

1.3传动链轴系模型

对于单轴微型燃气轮机发电系统，由于发电机与电网之间用换流器连接，实现了电网频率和发电机频率的解耦。因此，燃气轮机和发电机之间可以无需增加齿轮箱增速装置，而采用燃气轮机和永磁发电机直接转轴刚性连接，即有ωm=ωg，因此可以对通常用的两质量块驱动链模型进行降阶，进而用单质块轴系模型进行描述。采用单一质块模型表示为

式中，Jeq为PMSG和MT的等值转动惯量；B为转动粘滞系数；Tm为MT的输出机械转矩；Te为PMSG的电磁转矩；ωg为PMSG转子转速。

1.4全功率换流器模型与特性分析

1）全功率换流器模型

单轴微型燃气轮机发电系统全功率换流器由PMSG机侧整流器（GSR）和电网侧逆变器（GSI）以及直流环节构成。

GSR实现PMSG的有功功率及无功功率解耦控制。通过电压外环维持直流环节母线电压稳定在设定值，并调节有功能量的传输；电流内环使系统获得快速的动态响应，并调节无功能量的传输，d轴电流控制通过电流环调节发电机的励磁磁链，PMSG侧换流器采用基于转子磁链定向的零d轴控制，取，以便能够完全利用定子电流产生最大电磁转矩。

GSI控制有功功率输出，实现电网侧功率因数调整，控制与电网无功交换。电网侧变换器控制采用电网电压定向矢量控制。选取d轴定向与电网电压矢量，即采用uq=0控制方法，PMSG与电网的有功和无功交换能够完全独立控制，id、iq参考通过外环经PI控制环获取供给电流内环，电流内环控制d、q轴电流解耦，根据需求调节有功输出和选择单位功率因数（UPF）与无功补偿（RPS）运行模式，从而给出逆变器PWM的调制要求。

通过采取相应的控制策略对GSR和GSI两侧换流器的独立控制，实现PMSG与电网间的隔离，从而保证微型燃气轮机发电系统的稳定运行。相应的换流器控制框图如图3所示。

图3　单轴微型燃气轮机发电系统换流器控制框图

2）全功率换流器特性分析

微型燃气轮机发电系统的PMSG定子经全功率背靠背换流器与配电网连接，PMSG与配电网之间通过全功率变流器实现了相互隔离。在电网电压跌落期间，PMSG的运行基本不受电网故障的影响。电网电压跌落主要考虑对换流器的影响，不涉及PMSG的暂态过程。换流器直流环节等效模型如图4所示。

图4　 换流器直流等效电路

根据本文建立的模型和控制策略，忽略换流器损耗，即有dq坐标系下GSR输出有功功率和GSI输出有功功率分别为

由功率平衡关系可知：

相应的电容C的充电功率为

在稳态时，电容电压值能够保持恒定，通过电容器的电流极小，ΔP近似为0，可忽略。

在不考虑换流器输出限制时，当电网电压发生电压跌落，网侧电压 ugd突降至 ug′d，此时GSR的输出功率不变，而GSI因为电流不能突变，注入电网的功率迅速减小，为了维持能量平衡，逆变器输出电流会显著增大。为了维持能量平衡，GSI的有功电流从 igd变化至 ig′d，即

由式（11）可知，GSI根据网侧电压跌落情况，通过提供相应额度的短路电流来维持网侧输出功功率平衡。

实际情况下，考虑到半导体器件的热容量有限，为防止过电流损坏换流器，通常在GSI装有限流装置。当电压跌落到一定程度时，GSI的电流输出将被限制，此时实际瞬时有功电流为 ig′d，且，使注入电网的功率增大受到限制，根据功率平衡原则，则有逆变器的实际输出为

由式（10）可知，式（12）中多余能量ΔP必将存储于直流母线电容C中。由于换流器的耐压有限，通常直流母线电压不允许超过额定值的 10%～15%。

当系统从额定稳定运行到发生电压跌落，电网电压跌落到额定值的20%，式（11）的标幺化有功功率为

由式（12）和式（14）得到直流侧增加的功率为

由于本文选用了稳定直流母线环节的 GSR换流器控制，GSR通过控制减小PMSG的输出电流，进而减少PMSG的电磁功率的输出，从而平衡直流侧增加的功率ΔP∗，使直流母线电容电压维持在额定电压，保证电容与功率器件的安全，不至于会损坏整个系统的发电设备。

2　仿真分析

本文根据建立的数学模型，在PSCAD/EMTDC中建立了微型燃气轮机发电系统接入配电网的仿真模型。仿真过程不考虑继电保护装置的影响。仿真系统相关参数见表 2。分别对微型燃气轮机发电系统在稳态运行和配电网发生深度电压跌落故障下进行仿真分析。

表2　微型燃气轮机发电系统参数

2.1动态特性仿真

为了考察MT的动态运行调节能力，采用主动控制方式，对有功和无功功率变化参考值进行预先设定。仿真持续时间GSI初始输出有功和无功参考值分别为0.15MW和0MVar；在4s时刻输出有功功率参考值由0.15MW上升到0.21MW；在6s时刻输出无功参考值由0MVar上升至0.06MVar；在7s时刻输出有功功率参考值由0.21MW下降到0.12MW。微型燃气轮机发电系统随功率变化的运行状态曲线如图5至图11所示。

由图5、图6和图7可知，随着功率输出参考值的该变化，MT的燃料流量输出、转矩输出和转速随之发生相应的发生变化，能够很好的跟踪参考给定。

图5　MT燃料流量

图6　燃气轮机主轴转速

图7　MT的机械转矩和PMSG的电磁转矩

由图8可知，PMSG和GSI输出的有功和无功都能够快速响应参考值的调整，并能快速稳定在给定参考值允许误差范围内运行。由图9可知，运行过程中 PMSG和 GSI输出电压维持在额定输出；PMSG和GSI输出电流与功率输出变化相适应。由图10可知，除功率变换操作时刻网侧输出电流波形畸变超标外，网侧输出电流波形畸变率小于 3%，GSI表现出很好的输出特性。

图8　PMSG和GSI的有功与无功输出

图9　PMSG和GSI的电压与电流输出

图10　GSI输出电流波形畸变率

由图11可知，整个仿真运行过程中，直流环节母线电压仅在输出功率变换时有微小波动，且幅度非常小，换流器直流环节母线电压始终保持在稳定状态。

图11　换流器直流环节母线电压

2.2配电网深度电压跌落仿真

为研究微型燃气轮机发电系统的低电压穿越（LVRT）特性，选取配电网在6s时刻发生持续时间为0.625s跌落深度为80%三相对称电压跌落故障下进行仿真分析。初始系统输出有功参考值为0.24MW，无功输出参考值为 0.06MVar。微型燃气轮机发电系统在配电网深度电压跌落下的运行状态曲线如图12至图16所示。

图12、图13和图14可知，在电压跌落期间，PMSG和GSI输出电压彼此独立，PMSG电压始终维持在额定输出；由于受GSI输出电流限制，网侧电流故障期间被限制在 0.822kA（1.8倍的额定电流），是的GSI输出有功功率被限制，无功输出受电网故障影响较小；由于网侧电流输出受到限制，通过GSR控制实现了直流母线稳定，同时PMSG输出电流下降至0.195kA（0.42倍的额定电流），PMSG通过减小有功输出抑制不平衡功率对系统的影响。

图12　PMSG和GSI的电压与电流输出

图13　PMSG和GSI的有功与无功输出

图14　换流器直流环节母线电压

由图15、图16和图17可知，PMSG的输出功率减少，导致其电磁转矩也随之下降，为了保持传动链轴系平衡，MT的机械转矩跟踪PMSG的电磁转矩进行调节，相应的MT燃料流量下降，同时MT主轴转速上升；在故障清除后，微型燃气轮机发电系统能够快速恢复到稳定运行状态。

图15　MT的机械转矩和PMSG的电磁转矩

图16　MT燃料流量

图17　燃气轮机主轴转速

由图18可知，在故障发生和故障清除时刻GSI输出电流波形由畸变，故障期间和非故障运行阶段GSI输出电流波形畸变率均小于3%。

图18　GSI输出电流波形畸变率

3　结论

本文所建模型具有很好的动态响应能力，稳态运行时既能维持直流环节母线电压稳定，又能实现电网侧有功和无功输出的解耦控制，且电网侧输出电流波形畸变率小于3%。

电网电压跌落期间，本文所用控制策略依然能够维持直流母线电压稳定，通过减小MT的燃料流量，进而减少PMSG的有功输出，从而有效抑制不平衡功率的影响。

本文采用的全功率换流器控制策略，能够保证微型燃气轮机发电系统在配电网电压跌落期间的安全稳定运行；并且，微型燃气轮机发电系统能在电压跌落期间向配电网提供一定的无功支持，加速电网恢复。研究表明微型燃气轮机发电系统在配电网电压跌落期间具备良好的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，湖北应城人，硕士研究生，从事发电厂、变电站电气调试工作以及电力系统运行与控制研究。