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分布式发电与微电网以其显著的优点引起越来越多的关注,成为未来电力系统的一个重要发展方向。在各种分布式电源中,微型燃气轮机具有一系列先进的技术特征,是技术上最成熟、商业上最具竞争力的分布式发电设备之一。由于目前对微电网的研究尚处于实验室阶段,因此,为了更为方便、深入地研究微燃机发电单元在各种运行模式下的电特性,可在实验室中采用可控电源对其电特性加以模拟。采用此种方法,既可省去热力单元,按一定精度再现微燃机发电单元在不同工况下的电特性,还可更为经济有效地研究微燃机控制器,便于做某些方面的改进。考虑到各种分布式电源直接发出直流电(如燃料电池、太阳能光伏板)或高频电(如微型燃气轮机),通常以逆变器作为工频输出接口,并对逆变器在不同运行模式下的特性(如电压质量、频率及有功、无功功率等)皆有统一要求,而直流侧作为一次能源与逆变器的中间环节,既可反映不同类型分布式电源的特性,又与逆变器的动态性能及控制方式有所关联,故本文采用斩波器模拟微燃机发电单元直流侧特性。同时,为减小逆变器的电压调节压力,提高稳定性,采用Boost斩波器。
对微燃机发电单元直流侧特性进行建模,根据此模型及功率指令或负载变化即可计算出发电单元在相应运行模式下的直流侧电压,以此直流电压作为Boost斩波器的参考输入;而后对斩波器采用适当的控制方法使其输出跟随参考输入,即可对微燃机发电单元直流侧特性进行物理模拟。由于不同型号的微燃机发电单元的特性迥异,本文仅对Capstone C30燃油机组进行研究。
首先,建立微燃机的非线性微分方程,根据微燃机各部分特性对微燃机控制方式及控制器结构进行分析,确定功率外环——转速内环的基本控制结构,并建立了发电机及整流器模型。而后,对并入配电网、并入微电网、单独带载三种运行模式下的负载功率——转速特性进行分析,由于微燃机本身热惯性较大,动态响应时间在秒级,而逆变器动态特性时间在毫秒级,因此在反映微燃机动态特性的时间间隔内,逆变器早已达到稳态,故只需考虑与逆变器相关的各变量(包括直流量和交流量)的稳态量(直流量或基频量),在此基础上得出负载功率——转速特性,将其与微燃机及其控制器模型相结合,得出模型仿真波形,与文献给出的Capstone C30机组在各种运行模式下的实测数据相对比(并参考HoneywellParallon-75kW机组特性),并进一步分析了微燃机及逆变器的控制结构。采用Boost斩波器作为模型硬件平台,建立其状态方程并近似线性化,为保证其动态特性,采用输出电压、电感电流双闭环控制方法,并对其离散化模型进行了详细分析;又根据实验中的情况,确定以负载功率调整电流环微分系数。另外,由于逆变器输出的无功功率对机组转速、直流电压及透平排气温度无影响,因此,采用Buck斩波器接电阻模拟逆变器并网及单独带载的运行情况,与Boost斩波器作为一个整体构成模拟平台,给出模型实验结果,并与仿真波形及机组实测数据进行对照,验证了模型的正确性。
最后,指出该模型需进一步改进之处,展望今后工作的方向与前景。