基于matlab的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真

1、1獨立運行和并網模式下微型燃氣輪機的建模與性能分析ModelingPerfmanceAnalysisofMicroturbineinIndependentOperationGridConnectionModeABSTRACT:Themicroturbinegenerationsystemwillbethemostwidelyuseddistributedgenerationinthenearfuture.Accdingtothedyna

2、micacteristicsoftheMicroturbinesystemamathematicmodelwhichtreatstheMicroturbineitselectricsystemasawholeisbuilt.FurtherresearchesonthebasiccontroloftheMicroturbinesystemarepresented.ThedynamicacteristicsoftheMicrogasturb

3、inesystemareemphasizedespeciallytheacteristicsoftheloaddisturbance.SimulationresultsdemonstratethemodeliscodinatetotherealMicroturbinesystem.Thegeneralpurposeofthisprojectisffurtherresearchingthermodynamicenginecontrolof

4、theMicroturbinegivingthebasicresourcestocrespondingcontrolofinvertercontrolofgeneratelectricside.KEYWDS：distributedgenerationmicroturbinemodelingsimulationPWM摘要：摘要：微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)是一種具有廣泛應用前景的分布式發(fā)電系統(tǒng)。根據微型燃氣輪發(fā)電機系統(tǒng)的動態(tài)特性，把微型燃氣輪機及

5、電氣部分當作一個整體，建立了微型燃氣輪發(fā)電機系統(tǒng)完整的數學模型，并進一步研究了微型燃氣輪機和逆變器的基本控制策略，重點研究該系統(tǒng)的動態(tài)特性，特別是負荷擾動時的動態(tài)特性，仿真結果表明該系統(tǒng)模型能夠反映實際微型燃氣輪發(fā)電機系統(tǒng)。本論文的工作為進一步研究微型燃氣輪機的熱機控制與電氣側的逆變器控制的協(xié)調控制策略奠定了基礎。關鍵詞：關鍵詞：分布式發(fā)電；微型燃氣輪機；建模；仿真；PWM0引言近年來，以風力發(fā)電、光伏電池和微型燃氣輪機（Microtu

6、rbine）等為代表的分布式發(fā)電DG（DistributedGeneration）技術的發(fā)展已成為人們關注的熱點。其中，微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)是一種技術上最為成熟、商業(yè)應用前景最為廣闊的分布式發(fā)電技術，其相關研究問題已被列為國家“863”專項研究計劃。微型燃氣輪機一般是指功率在幾百千瓦以內的小型熱動裝置，與常規(guī)發(fā)電機組相比，微型燃氣輪機具有壽命長、可靠性高、燃料適應性好、環(huán)境污染小和便于靈活控制等優(yōu)點[1]，它是分布式發(fā)電的最佳方式，可以

7、靠近用戶，無論對中心城市還是遠郊農村甚至邊遠地區(qū)均能適用。典型微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結構圖如圖1所示。該獨立電網系統(tǒng)由微型燃氣輪機、永磁發(fā)電機、整流器、逆變器和負荷組成，其中微型燃氣輪機透平包含壓縮器、能量回收器、燃燒室以及帶一個負荷的動力透平機。其工作原理為：從離心式壓氣機出來的高壓空氣先在回熱器內由渦輪排氣預熱，然后進入燃燒室與燃料混合、燃燒，高溫燃氣送入向心式渦輪做功，直接帶動高速發(fā)電機（轉速在50000～120000rmin之間）

8、發(fā)電，高頻交流電流經過整流器和逆變器，即“ACDCAC”變換轉化為工頻交流電輸送到交流電網[2]。微型燃氣輪機~ACDC整流器DCAC逆變器LC逆波器負荷電網永磁同步發(fā)電機圖1微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.1Blockdiagramofmicroturbinegenerationsystem微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的數學建模是對其實施控制的基礎。國內外在這方面已進行了一定研究，但一般都把微型燃氣輪機與電氣系統(tǒng)分開建模，文獻[3]對微型燃

9、氣輪機進行了模塊化建模，建立了微型燃氣輪機的六階系統(tǒng)模型；文獻[4]只對微型燃氣輪機進行建模與控制；文獻[5]把逆變器之前的環(huán)節(jié)等效為一個電壓源，而只對逆變器進行控3度方程相對來說不是那么精確，但由于溫度控制只在溫度參考值附近起作用，因此可以忽略其帶來的影響。1.3永磁同步發(fā)電機及整流器模型在本文的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機為永磁體勵磁的永磁同步發(fā)電機。由于永磁同步發(fā)電機和整流器部分都是不可控的，建模時可以適當簡化，本文提出一種

10、“統(tǒng)一”模塊化思想將發(fā)電機及整流器部分作為一個整體來建立模型。永磁同步發(fā)電機及整流器可以通過帶交流電源的三相全波橋式整流器進行建模，如圖4所示。圖4永磁同步發(fā)電機及整流器等效電路Fig.4Equivalentcircuitofpermanentmagsynchronousgeneratrectifier圖4中，電感為發(fā)電機每相電感的等效值，同時忽略發(fā)電機的損耗。一般微型燃氣輪機采用的永磁同步發(fā)電機為2極，從而有機械角速度與電角速度相等。

11、對于理想的、無負荷的永磁同步發(fā)電機，其線電壓為[15]：lineV(4)tsinKVV???line式中：為固定電壓值；ω為發(fā)電機電角速度。VK考慮換相重疊角，全波直流橋整流器的輸出電壓為[14]：dV(5)dacdIL3cosV23V??????式中：為交流側線電壓的有效值；為換相acV?角，對于不可控整流器，=0；L為發(fā)電機定子?繞組漏感；為整流器直流側電流。dI由于=0，從而有：?(6)dlinedIL3V3V?????由式(4)

12、和式(6)可知，直流電壓可由角速度和電流表示，取(7)dxdgIKVE???則(8)?egKE?式中：，單位為rad；?L3Kx?s???veK3K?單位為Vsrad。根據電路原理有：(9)dtdVddCII1??式中：C為直流平波電容；Il為整流器負荷電流。整流器輸出的電磁功率為：(10)2IKIKIVPdxdedde????假設忽略整流器損耗，則整流器輸出的電磁功率與永磁同步發(fā)電機輸出的電磁功率相等。根據轉矩與功率的關系，發(fā)電機輸出

13、的電磁轉矩eM為：(11)2IKIKPMdxdeee??假設忽略發(fā)電機阻尼，發(fā)電機轉子運動方程為：(12))MM(1emJdtd???式中：J為轉子的轉動慣量。式(7)描述了微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)機—電的固有特性，而式(12)是永磁同步發(fā)電機及整流器部分與微型燃氣輪機部分連接的關鍵。根據上述方程可以得到永磁同步發(fā)電機及整流器的簡化模型，如圖5所示。圖5永磁同步發(fā)電機及整流器模型Fig.5Modelofpermanentmagsynchro