基于matlab的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真

1、1獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)模式下微型燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的分布式發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，把微型燃?xì)廨啓C(jī)及

5、電氣部分當(dāng)作一個(gè)整體，建立了微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步研究了微型燃?xì)廨啓C(jī)和逆變器的基本控制策略，重點(diǎn)研究該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，特別是負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)模型能夠反映實(shí)際微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)系統(tǒng)。本論文的工作為進(jìn)一步研究微型燃?xì)廨啓C(jī)的熱機(jī)控制與電氣側(cè)的逆變器控制的協(xié)調(diào)控制策略奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電；微型燃?xì)廨啓C(jī)；建模；仿真；PWM0引言近年來，以風(fēng)力發(fā)電、光伏電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)（Microtu

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

7、靠近用戶，無論對(duì)中心城市還是遠(yuǎn)郊農(nóng)村甚至邊遠(yuǎn)地區(qū)均能適用。典型微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)由微型燃?xì)廨啓C(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器和負(fù)荷組成，其中微型燃?xì)廨啓C(jī)透平包含壓縮器、能量回收器、燃燒室以及帶一個(gè)負(fù)荷的動(dòng)力透平機(jī)。其工作原理為：從離心式壓氣機(jī)出來的高壓空氣先在回?zé)崞鲀?nèi)由渦輪排氣預(yù)熱，然后進(jìn)入燃燒室與燃料混合、燃燒，高溫燃?xì)馑腿胂蛐氖綔u輪做功，直接帶動(dòng)高速發(fā)電機(jī)（轉(zhuǎn)速在50000～120000rmin之間）

8、發(fā)電，高頻交流電流經(jīng)過整流器和逆變器，即“ACDCAC”變換轉(zhuǎn)化為工頻交流電輸送到交流電網(wǎng)[2]。微型燃?xì)廨啓C(jī)~ACDC整流器DCAC逆變器LC逆波器負(fù)荷電網(wǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)圖1微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Blockdiagramofmicroturbinegenerationsystem微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模是對(duì)其實(shí)施控制的基礎(chǔ)。國內(nèi)外在這方面已進(jìn)行了一定研究，但一般都把微型燃?xì)廨啓C(jī)與電氣系統(tǒng)分開建模，文獻(xiàn)[3]對(duì)微型燃

9、氣輪機(jī)進(jìn)行了模塊化建模，建立了微型燃?xì)廨啓C(jī)的六階系統(tǒng)模型；文獻(xiàn)[4]只對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行建模與控制；文獻(xiàn)[5]把逆變器之前的環(huán)節(jié)等效為一個(gè)電壓源，而只對(duì)逆變器進(jìn)行控3度方程相對(duì)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(jī)及整流器模型在本文的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)為永磁體勵(lì)磁的永磁同步發(fā)電機(jī)。由于永磁同步發(fā)電機(jī)和整流器部分都是不可控的，建模時(shí)可以適當(dāng)簡化，本文提出一種

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

11、對(duì)于理想的、無負(fù)荷的永磁同步發(fā)電機(jī)，其線電壓為[15]：lineV(4)tsinKVV???line式中：為固定電壓值；ω為發(fā)電機(jī)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(cè)線電壓的有效值；為換相acV?角，對(duì)于不可控整流器，=0；L為發(fā)電機(jī)定子?繞組漏感；為整流器直流側(cè)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(jù)電路原理有：(9)dtdVddCII1??式中：C為直流平波電容；Il為整流器負(fù)荷電流。整流器輸出的電磁功率為：(10)2IKIKIVPdxdedde????假設(shè)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(jī)輸出的電磁功率相等。根據(jù)轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系，發(fā)電機(jī)輸出

13、的電磁轉(zhuǎn)矩eM為：(11)2IKIKPMdxdeee??假設(shè)忽略發(fā)電機(jī)阻尼，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：(12))MM(1emJdtd???式中：J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。式(7)描述了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)機(jī)—電的固有特性，而式(12)是永磁同步發(fā)電機(jī)及整流器部分與微型燃?xì)廨啓C(jī)部分連接的關(guān)鍵。根據(jù)上述方程可以得到永磁同步發(fā)電機(jī)及整流器的簡化模型，如圖5所示。圖5永磁同步發(fā)電機(jī)及整流器模型Fig.5Modelofpermanentmagsynchro