微型燃气轮机直驱发电系统的控制与仿真

朱劼成，王西田，刘时雨，翁一武



微型燃气轮机直驱发电系统的控制与仿真

朱劼成，王西田，刘时雨，翁一武

（上海交通大学，上海 200240）

以微型燃气轮机发电系统为核心的冷、热、电联供系统是我国电力科学重点关注技术之一，研制出一套能适用于系统启动加速和发电运行的综合控制方案具有重要意义。本文提出了基于双向背靠背变流器的高速微型燃气轮机直驱发电系统结构，并研究了相应变流器的控制策略，电机侧变流器采用磁场定向的矢量控制，电网侧变流器采用基于直流母线电压的解耦控制。在Matlab/Simulink平台下搭建了微型燃气轮机发电系统仿真模型，仿真结果验证了控制策略的可行性。

微型燃气轮机发电系统；永磁同步电机；双向背靠背变流器；控制；仿真

0 前言

微型燃气轮机发电系统是一种具有广泛应用和发展前景的分布式电源，以微型燃气轮机发电系统为核心的冷、热、电联供系统是我国“十三五”电力科技二十项重点关注技术之一[1]。

微型燃气轮机发电机组可以分为两种组成结构：单轴结构和双轴结构。目前先进的微型燃气轮机发电机组主要采用单轴直驱连接，经电能变换单元后输出的结构。此种结构避免了高成本、大体积的齿轮变速箱，可以最大化微型燃气轮机高效、轻便的优点，电机额定转速可以达到30000r/min以上。高转速对电机调速和启动控制提出了高要求，研究出一套既能完成微型燃气轮机启动过程又能保证稳定发电运行的控制策略是该系统的关键技术。

电力电子技术近些年来处于飞速发展状态。频率逐渐升高、容量逐渐增大的电力半导体器件也无疑推动了微型燃气轮机直驱发电系统的进一步发展。很多高校和科研院所都对该系统的建模仿真和控制方案进行了一定的研究。文献[2]和[3]对微型燃气轮机的启动过程控制分别进行了研究，其中文献[2]针对无位置传感器的情况，提出了一种转子位置角估算法，利用矢量控制对微型燃气轮机的启动控制过程进行了仿真。文献[3]针对微型燃气轮机发电系统的启动过程提出了一种基于最大转矩电流比的直接转矩控制方案。文献[4]采用人工智能和电子技术对微型燃气轮机发电控制系统进行研究，结合经验与实际数据，设计模糊控制规则库，采用模糊控制算法对微型燃气轮机进行恒定转速控制。

从研究现状看，启动和调速方面的研究只针对电动机运行状态，而不考虑发电运行的功能。而对于并网控制方面的研究，则一般都不考虑微型燃气轮机发电系统的启动过程。因此，研制出一套既能解决启动问题，又能保证在发电加载状态下可靠发电的微型燃气轮机综合控制方案具有重要意义。

1 微型燃气轮机发电系统结构与工作过程

1.1 微型燃气轮机发电系统结构

单轴直驱式微型燃气轮机发电机组主要由微型燃机轮机、高速永磁同步电机（双向运用）、电能变换单元和智能控制部分组成[5]。目前常用的交-直-交变流器拓扑结构主要包括：不可控整流器直接接全控型逆变器结构、不可控整流器经Boost电路后接全控型逆变器结构和双向可控的背靠背变流器结构[6,7]。其中，双向可控的背靠背结构能够实现启动控制，本文选用双向背靠背变流器作为系统的核心电能变换装置，具体的结构示意图如图1所示。在合理的控制方案下，基于双向背靠背变流器的拓扑结构能够保证微型系统在启动、发电状态下均能稳定运行。除此以外，采用此结构可以实现并网启动，则系统中可以不设蓄电池，节省成本的同时也避免蓄电池管理。

图1 微型燃气轮机发电系统结构示意图

1.2 微型燃气轮机发电系统工作过程

微型燃气轮机发电系统的工作过程可以大致分为启动过程和发电加载过程，全过程的动态变化可由图2所示的永磁同步电机运行状态变化来表征。

在启动过程最初阶段，永磁同步电机将拖动压气机透平转动，使微型燃气轮机升速。在此阶段中，永磁同步电机将处于电动机运行状态，输出功率即为转轴上的机械功率。随着转速达到点火转速（本文中设定为10000r/min），对微型燃气轮机进行点火操作。点火成功后，燃烧室开始工作，高温燃气驱动透平做功，原动机侧开始发出功率。此阶段中，永磁同步电机从电网获得能量与透平做功产生的能量共同作用，产生即为转轴上的转矩，用以维持压气机正常工作。

随着转速继续提高，透平产生的功率最终能满足压气机的工作需求，维持微型燃气轮机正常工作。称此时微型燃气轮机发电系统达到自持运行状态，对应的转速为自持运行转速。在此时刻，转轴上的转矩全部由微型燃气轮机提供，永磁同步电机恰好输出功率为零，系统与电网之间恰好不存在能量交换。

完成自持后，启动过程结束，永磁同步电机将从电动机状态转化为发电机状态，微型燃气轮机发电系统将向电网输出功率。

图2 永磁同步电机运行状态变化图

2 微型燃气轮机发电系统控制策略

微型燃气轮机发电系统的控制主要指对变流器的控制策略。此处采用空间矢量调制（SVPWM），根据启动过程和发电加载过程系统的具体工作要求，分别提出对应的电机侧变流器和电网侧变流器控制方案。

2.1 电机侧变流器控制策略

电机侧变流器主要控制电机的转速和电磁转矩，启动过程中转速和电磁转矩需要跟随微型燃气轮机运行状态动态变化，而在发电运行过程中，电机侧变流器也要保持转速和输出转矩稳定。

目前永磁同步电机的控制技术主要有直接转矩控制技术和矢量控制技术两种[8]。矢量控制相对于直接转矩控制的调速范围更宽，转矩电流的脉动也小，本文考虑采用基于坐标变换的矢量控制策略。经过Park变换，永磁同步电机在d-q坐标系下转矩方程为：

其中，为永磁同步电机极对数；为永磁同步电机机械角速度；i和i分别为永磁同步电机直轴和交轴电流。

从式（1）可以看到，永磁同步电动机的输出电磁转矩是直轴电流i和交轴电流i两个变量的函数，理论上一个输出电磁转矩可以对应无穷多组直轴和交轴电流的组合，若取i=0，式（1）将转化为：

经过综合考量，本文最终选取磁场定向（i=0）的矢量控制策略。选择该矢量控制策略主要有以下两方面原因：其一，i=0控制是计算量最小的控制方案，采用i=0控制后，定子电枢电流产生的磁势将与转子永磁体产生的磁势垂直，两者之间无耦合关系，永磁同步电机的方程将大大简化，控制系统的计算量也会相应减小，这对动态响应要求较高的高速电机尤为重要；其二，i=0控制电流利用率高，由于只有交轴电流，所有的电流都将用于产生电磁转矩，对于无凸极效应的表贴式永磁同步电机，i=0控制方案是转矩电流比最大的方案。

在该策略下，考虑对电机侧变流器采用双闭环控制，其中外环为转速环，内环为电流环，最终得到的电机侧变流器的控制框图如图3所示。

图3 电机侧变流器控制框图

2.2 电网侧变流器控制策略

电网侧变流器主要控制并网点的有功和无功功率，并要保证直流母线电压的稳定。

根据电力系统分析的知识，经过Park变换后，变流器在d-q坐标系输出有功和无功功率满足关系[9]：

其中，和为d-q坐标系下变流器输出电压的两个分量；i和i为d-q坐标系下变流器输出电流的两个分量。根据公式（1），假若令变流器交轴分量为零，即=0，则此时存在关系：

根据式（3）~（6），当变流器的电压定向于d轴时，其有功功率将和i正相关，而与i无关，而无功功率则反之。通过此种方式，可以有效地实现有功功率和无功功率的解耦控制。于是，本文考虑对电网侧变流器采用基于直流母线电压的解耦控制策略，主要出于以下两方面考虑：其一，解耦控制可以有效控制有功和无功，通过锁相环可实现变流器电压、频率和相位严格与电网保持同步。因此主要控制并入电网的有功和无功即可，而解耦控制对于有功和无功的控制效果最好；其二，直流母线电压控制有功可以配合启动过程，启动过程中系统直流电压的稳定也非常重要，但由于电机侧变流器必须控制转速和转矩，直流母线电压的控制只能放在网侧。因此利用直流母线电压控制网侧有功功率相较于直接功率控制更好。

在该策略下，对电网侧变流器也采用双闭环控制，其中外环为直流电压环，内环为电流环，最终得到的电机侧变流器的控制框图如图4所示。

图4 电网侧变流器控制框图

3 微型燃气轮机发电系统仿真模型与结果

本文利用Matlab/Simulink仿真平台搭建微型燃气轮机发电系统模型，验证前述控制策略的可行性。

3.1 微型燃气轮机发电系统仿真模型

Matlab/Simulink工具用于电力系统仿真的主要优势在于Sim Power System（电力系统仿真工具箱）中提供了大量的集成的模型库。本文利用了其中的永磁同步电机模型、三相全控桥模型以及其它的基本元件，配置合理的参数，构建出相应的仿真模型。

其中，永磁同步电机采用表面式三相正弦型电机；变流器采用三桥臂、全控型结构；直流母线电压根据电机反电动势要求选择为900V；电网侧变流器接入电感选择为=0.6mH；测量和控制模块分别封装在各个子模块中；最终构建的仿真模型如图5所示。

除此以外，根据第2章中的工作过程，从电机角度分析，微型燃气轮机发电系统的具体工作状态的变化主要体现为转轴转速的变化和系统输出转矩的变化。根据此观点，本文根据微型燃气轮机发电系统的工作过程，为永磁同步电机设置合理的参考转速曲线来表征微型燃气轮机工作状态的变化。更具体地，对于并网启动和加载过程，本文考虑设置参考转速如图6所示。

图5 微型燃气轮机发电系统仿真模型

图6 转速参考曲线

3.2 仿真结果及分析

利用上述模型，在Simulink下对完整的启动和并网发电加载过程进行仿真。其中，受仿真软件数据存储量的限制，仿真中将加速率和加载率放大，使得加速和加载过程在秒级时间内完成，最终仿真总时间设置为20s，得到电机转速和电磁转矩仿真波形如图7所示，其中，0~13s过程对应启动加速过程，而13~20s过程对应发电加载过程（实际过程在数十分钟内完成）。

3.2.1 启动加速过程分析

对比图7和图6的转速参考曲线可以看到，启动过程中电机转速曲线与其参考值基本保持一致，转速控制效果较好。在本文所建立的模型中，微型燃气轮机侧的控制器和电机侧变流器的外环控制器同时参与了转速调节过程，从实际情况看，电机转速和原动机转速的控制相互协调配合，控制效果理想。

进一步分析图7电磁转矩波形，永磁同步电机的输出电磁转矩与预期的变化趋势一致。而从波形的情况看，转矩的动态响应和谐波抑制情况也较好，波形毛刺较小。可以预计，实际设备运行时间更长，整体的动态响应会更好。

3.2.2 发电加载过程分析

根据实际情况，我们将加载过程分为两段，对应图7中14~15s和16~19s。

对比图7和图6的转速参考曲线，可以看到发电加载过程中电机调速控制情况同样较为理想，保持稳定且稳态误差也较小。由此可见，无论永磁同步电机处于电动机运行状态还是发电机运行状态，电机侧变流器的转速控制环节都有较为理想的仿真结果，基本可以认为电机侧变流器对电机转速的控制合理有效。

进一步分析图7的电磁转矩波形可以看到，永磁同步电机输出转矩与预期的运行状态相符，且在转速稳定以后，电磁转矩大小保持恒定。且由于转矩相对稳定，转矩脉动比启动阶段更小，控制效果良好。

除了转速和电磁转矩（输出功率）以外，并网的电能质量和直流侧的稳定同样是值得关注的问题。图8为网侧变流器出口处的输出线电压（AB相）及其频谱分析结果。

图7 电机转速与电磁转矩仿真曲线

从图8的结果可以看到，逆变器出口处的线电压幅值稳定在537V，对应线电压有效值为380V，与预期结果相符。为了进一步确定其频率，考虑通过快速傅里叶变换对该电压波形做频谱分析，采样频率为1kHz。从结果看，电压频率稳定在50Hz，几乎无谐波分量，网侧电压控制效果理想。

图8 电网侧输出线电压波形及频谱分析

4 结论

针对高速微型燃气轮机直驱发电系统，本文完成了以下工作：

（1）提出了基于双向背靠背变流器的微型燃气轮机发电系统结构，实现了不设蓄电池的条件下，利用同一套控制系统，完成微型燃气轮机发电系从启动加速到发电运行的全过程，降低成本的同时避免了蓄电池管理。

（2）提出了微型燃气轮机发电系统变流器的矢量控制策略，其中电机侧变流器采用磁场定向的矢量控制策略，电网侧变流器采用基于直流母线电压的解耦控制策略。仿真结果表明，系统在启动加速、发电运行方式下均可靠运行。

[1] 翁一武, 苏明, 翁史烈. 先进微型燃气轮机的特点与应用前景[J]. 热能动力工程, 2003(2).

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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

上海市科学技术委员会科研计划项目“微型燃气轮机电机先进控制系统研究”（17DZ1201003）

2018-06-20

朱劼成（1995-），2017年6月本科毕业于上海交通大学电气工程系，现就读于上海交通大学，主要研究方向为分布式能源系统，硕士研究生。