2022年微型燃气轮机发电系统的建模与仿真

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1、摘要I 微型燃气轮机发电系统的建模与仿真摘要微型燃气轮机具有重量轻、适用燃料广、清洁、低噪声、寿命长、运行成本低等优点， 适合于分布式能源供应系统， 是第二代能源供应系统的主要发展方向。本文根据微型燃气轮机发电系统的动态特性，考虑基本的/Vf和PQ控制策略，采用正弦脉宽调制逆变器，以“统一”模块化思想建立了微型燃气轮机发电系统的整体模型，并采用MATLAB 软件，在动态负荷条件下对该微型燃气轮机发电系统进行仿真，分析了微型燃气轮机与负荷之间的相互影响。仿真结果表明， 当微型燃气轮机发电系统遇到负荷扰动时，汽轮机的转速有所下降 ；但在负荷扰动去掉后， 微型燃气轮机的转速和燃料流量都能迅速恢复到额

2、定状态， 并且整个过程转速和燃料流量都维持在额定值附近。由此可知构建的系统模型的动态特性符合实际，为进一步研究微电网中各种分布式电源之间的协调控制奠定了基础。关键词： 微型燃气轮机；发电系统；正弦脉宽调制；动态仿真精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）II Abstract Micro turbine are featured by their lightness in weight, adaptability to many kinds of fuel, cleanliness, low

3、 noisiness longevity, low operational cost and suitability for application in distributive power supply systems, therefore representing the main direction of development of the second generation of power supply systems. According to the micro turbine power system dynamic characteristics, consider th

4、e basic V/f and the PQ control strategy, using sinusoidal pulse width modulation (SPWM) inverter, unification to establish a micro-gas turbine modular thinking of the overall power system model and using MATLAB software to simulate the micro-gas turbine power generation system in the conditions of d

5、ynamic load and analysis of the micro gas turbine and power electronics converter device and the interaction between the load. Simulation results show that when the micro turbine power generation systems that are experiencing load disturbance, the turbine speed decreased, but when the load disturban

6、ce removed, the micro gas turbine speed and fuel flow can be quickly restored to the nominal state, and the process speed and fuel flow is maintained at nominal near. It can be seen that the system model tallies with the reality, and it lay the foundation for further study in the micro electrical ne

7、twork between each kind of distributional power sources coordination control. Keywords :micro gas turbine; power generation systems; sinusoidal pulse width modulation; dynamic simulation 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 46 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 46

8、页目 录摘要. IAbstract . II第 1 章 绪论 . 11.1 课题背景 . 11.2 微型燃气轮机发展过程中存在的问题 . 41.3 本文的主要工作 . 6第 2 章 微型燃气轮机发电系统的基本原理. 72.1 微型燃气轮机发电系统结构. 72.1.1 微型燃气轮机主要部件 . 72.1.2 永磁发电机 . 112.1.3 微型燃气轮机发电系统电力电子接口和控制. 122.2 微型燃气轮机发电系统的运行方式. 142.3 本章小结 . 15第 3 章 微型燃气轮机发电系统整体建模. 163.1 微型燃气轮机及其控制模型 . 163.1.1速度控制 . 163.1.2温度控制 .

9、173.1.3燃料控制 . 173.1.4燃气轮机模型 . 173.2 永磁发电机及整流器模型 . 193.3 逆变器及其控制的数学模型 . 213.3.1逆变器及 SPWM 调制的数学模型 . 213.3.2逆变器控制策略 . 243.4 微型燃气轮机发电系统整体模型框图 . 253.5 本章小结 . 25第 4 章 系统仿真及分析 . 26精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 46 页4.1 仿真软件介绍 . 264.2 微型燃气轮机发电系统仿真 . 274.3 仿真研究 . 274.3.1 微型燃气轮机的仿真 . 274

10、.3.2 永磁发电机及整流器仿真. 314.4 本章小结 . 32结论 . 34参考文献 . 35致谢 . 37附录 . 38精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 46 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 46 页第 1 章绪论1 第 1 章 绪论1.1 课题背景近年来，以风力发电、 光伏电池和微型燃气轮机等为代表的分布式发电技术的发展已成为人们关注的热点。其中，微型燃气轮机起源于20世纪60年代，是单机功率为 25300kW的小功率燃气轮机1。其作为一种

11、新型的小型分布式能源系统和电源装置的发展历史较短。1995年在美国动力年会上，Allied Signal、Capstone 与Elliott 公司展示了 2575kW微型燃气轮机样机， 其后 发 展 迅 速 ， 每 年 均 有 样 机 推 出 。 目 前 已 有 多 种 产 品 进 人 市 场 ，Honeywell(Allied Signal)公司的 75kW产品， Capstone 公司的 30kW和60kW产品， Elliott 公司有 45kW和80kW产品， Ingersoll Rand(NorthernResearch andEngincering Company)有从30250kW

12、范围的几种微型燃气轮机产品，GE有75-350 kW的产品，英国 Bowman公司有 35200kW的产品。其它公司如Allison Engine Company， Williams International Teledyne Continental Motors ，欧洲(Volvo和ABB) 和日本 (Toyota，IHI 和川崎 ) 公司也已经开发出微型燃气轮机产品，并开始进入围际市场。 与常规发电机组相比， 微型燃气轮机具有寿命长、可靠性高、燃料适应性好、环境污染小和便于灵活控制等优点2，它是分布式发电的最佳方式， 可以靠近用户， 无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用， 具有

13、很好的民用需求前景和军事应用价值，对于能源、电力、航空、航天、舰船、车辆以及军事领域的技术发展有着重大作用。1. 微型燃气轮机国内外现状在过去的 40年时间里，微型燃气轮机发电技术得到了迅速的发展3。美国国家航空与宇航管理局20世纪60年代在涡轮增压器的基础上发展了一种新型燃气轮机发电装置。 20世纪70年代美国国家航空与宇航管理局开展了微型燃气轮机作为辅机电站在航天飞机上应用的研究。微型燃气轮机除用于军用车辆的辅机电站外，带有回热器的高效微型燃气轮机还可用于分散式发电、热电冷联供、车辆混合动力装置等领域。目前，世界各国正在努力研究燃气轮燃料电池联合循环系统。 据最新报道， 美国能源部和西屋电

14、器公司成功建造一个 250kW固体氧化物燃料电池与燃气轮机联合循环示范电站，其中精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）2 燃料电池发电 200kW，燃气轮机发电 50kW。随着技术的发展，微型燃气轮机的结构发生了很大变化。 高速永磁发电机的出现使发电机与压气机之间的连接不再需要减速机构， 这使整个机组的重量大大减轻，尺寸大大减小， 成本也降很多。 采用空气轴承代替滚动轴承。为提高机组的热效率， 普遍采用高效紧凑型回热器。 为了克服涡轮入口温度的提高受涡轮材料的限制这一矛盾，世界上一些著名的

15、研究机构相继开展了采用陶瓷作为燃烧室、涡轮、回热器等热端部件的材料。 1995年在美国动力年会上， AlliedSignal、Capstone与Elliott 公司首先展示了 2570kW微型燃气轮机样机， 其后每年均有样机推出。2000年5月在第 45届国际燃气轮机和航空发动机大会上，美国、加拿大和瑞典等国的公司报告了研发结果和运行经验。2001年2月Capstone 宣布该公司生产的用于混合动力汽车的微型燃气轮机刚刚获得CARB颁发的国际第一个证书。据报道，其30kW微型燃气轮机燃天然气时的排放仅为新一轮重型汽车的最低排放标准的80。 美国专家预测微型燃气轮机的潜在市场将达到每年 8010

16、0亿美元2。国内在微型燃气轮机发电机组方面虽做了大量的研究工作，但与国外相比还有很大差距。 至今，还没有一种型号微型燃气轮机用于商业运行中。目前，北京理工大学等单位正在研制一种单轴微型燃气轮机发电机组。由上海交通大学在紫江科技园区软件大楼进行微型燃气轮机冷热电联供示范研究，为面 4000m2的楼宇 供冷热电。现在，国家有关部门对发展我国的微型燃气轮机相当重视， 科技部已多次研讨论证， 并已初步决定进行我国的微型燃气轮机研制攻关，在“十五”末研制出达到国外先进水平的微型燃气轮机。先进燃气轮机技术是21 世纪能源动力系统中的核心关键技术。西部大开发的西气东输工程将对我国燃气轮机技术的发展起到重要的

17、推动作用，其中微型燃气轮机作为其沿线区域和边远地区的分布式电源也将得到极大发展， 鉴于微型燃气轮机在未来我国电力和动力系统中的重要作用以及研发经费较低、周期较短， 并且可为大型燃气轮机研发提供技术储备和经验（我国燃气轮机技术研发由于历史原因落后很多），我们应该首先大力发展微型燃气轮机技术2。微型燃气轮机的市场很具潜力，对此，我们需要充分关注。 目前大多采精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 46 页第 1 章绪论3 用微型燃气轮机与电气部分分开建模的方式，或是直接将逆变器之前的环节等效成直流电源。 但是，分开建模或等效处理会割

18、裂微型燃气轮机动力系统与发电统之间 的内在耦合联系， 不利于实现二者之间的协调控制设计。因此我们需要寻找一种新的建模方法，以期达到最优控制2。2. 微型燃气轮机主要研究成果目前微型燃机最大功率为 80-250kW，简单循环效率已达 286，XNO排放243/mgm( 燃天然气或丙烷燃料时为183/mgm，而一氧化碳和碳氢化合物的排放分别为 803/mgm和183/mgm) ，噪声低于 70dB，设计大修周期为4000050000小时。随着微型燃气轮机技术的不断进步，在降低环境污染、 降低成本、 提高利用率方面已初见成果，具体如下3：(1) 低XNO排放日本本田公司研制的微燃机， 输出功率 42

19、4kW ，效率267，XNO，Co ， Hc 53/mg m。(2) 输出功率高Capstone 公司继推出 30kW、60kW微燃机后，又推出 200kW微燃机，其设计参数为：功率，200kW；净效率 ( HP-ISO) ，34一 35；透平出口温度，640；压比， 4：1；排放，符合 cA2003；检修周期， 40000小时。该机2002年9月进行了首次试运行 (简单循环 )，2002年12月带回热器试运行，预计2004年投入商业运行。另外，IngersollRand公司也正在研制 250kW微燃机。(3) 效率进一步提高GE 公司新研制的微燃机， 175kW效率为 35，250kW效率达

20、到 40。(4) 发电成本下降价格从$1000kW降低到 $500kW以下。由上可知，先进的微型燃气轮机是小型分布式供电的最佳方式，无论对中心城市还是边远地区均能适用。可以相信， 一旦达到适当的批量， 微型燃机有能力与中心发电厂相匹敌， 这对于微型燃机和分布式能源系统的发展将是一个巨大的推动。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）4 3. 微型燃气轮机发电系统的发展趋势微型燃气轮机及分布能源系统需求在生活质量和环保标准较高的发达国家首先表现出来，在建筑楼宇、医院、商住小区等相继应用，如美国

21、Maryland办公区能源系统， 日本阳光计划的连锁店功能系统等。美国新建楼宇要求采用分布式冷热电供能系统( CHP)的达到 50( 专家预测到 2010年美国20的新建商用建筑使用冷热电联供， 到2020年50的新建商用建筑使用冷热电联供 ) 。 国内微型燃气轮机及分布能源系统需求的总走势与国外相似，因经济发展水平而有所滞后，但上海、北京、南方地区的需求已经出现，如广东番禹南沙科技园、 上海浦东国际机场， 北京天然气控制中心大楼、 中国科技促进大楼也已规划了微型燃气轮机能源系统。2002年上海市科委规划了天然气能源岛研究项目。 由上海交通大学在紫江科技园区软件大楼进行微型燃气轮机冷热电联供示

22、范研究，为面积4000m2的楼宇提供冷热电。据美国盖乐普公司 1999年的调查，估计我国的微型燃气轮机需求量约在15001900台之间。最近由于西气东输和取暖标准法规的修改，上海地区高档楼宇和商住小区的微型燃气轮机分布能源需求表现得更为积极。此外，我国在冷热电分布能源必需的吸收式制冷机的研制、生产中达到较高水平， 因此微型燃气轮机和吸收式制冷机组合的能源系统有可能打入国际市场。国内微型燃气轮机分布式供能系统的主要潜在市场：建筑楼宇、小区、医院；车站、机场、金融、信息中心等国家重要设施； 化工、木材加工、纺织等工艺用电、 用热、用冷和用汽；农业设施的冷、热、二氧化碳供给；边防基地，军事设施等国防

23、部门；西部开发，边远地区供电；城市垃圾处理场沼气发电；通过模块式组装的微型燃气轮机群体中型电站； 与燃料电池等先进技术联合发展下一代能源系统，汽车混合动力系统4。1.2 微型燃气轮机发展过程中存在的问题虽然微型燃气轮机具有种种优点， 大家对微燃机的应用前景都表现出相当的乐观，积极正面的报道比较多， 但过度的憧憬与热忱容易造成一些用户盲目投资。在微型燃气轮机分布式能源系统的发展和推广中仍存在许多问题。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 46 页第 1 章绪论5 首先，天燃气等燃料资源的可获得性。虽然微燃机的燃料源比较广，但对

24、燃料的热值、 杂质含量等的要求还是比较高的，因此天然气以其清洁、 环保、高品质等优势成为微燃机燃料源的首选。然而如果没有长期稳定的燃料供应，无法持续推广应用微燃机分布式能源系统。在日本，凡是使用天然气为燃料的设备厂家， 都在燃气公司控制之下， 这是由于燃气公司控制了燃气的供应。同时，在依赖能源作为动力的现代经济中，能源需求方总是处于弱势，这样使得许多规划往往不堪一击。总的趋势是， 快速增长的天然气生产仍然跟不上增长更快的需求， 天然气供需紧张可能取代电力成为能源领域新的突出矛盾。其次，微燃机性能的影响因素。微燃机结构紧凑，污染排放少，维修费用低，可靠性高， 余热品质优， 许多文献都对其特点和优

25、势进行了较系统的报道，但大都忽略了运行工况等对其性能的影响。微燃机的性能参数是在ISO标准工况下得到的数据，ISO标准工况定义为：环境温度为15，相对湿度为 60，标准大气压力，且没有进气和排气的压力损耗。当偏离ISO标准工况，微燃机的净输出功率、发电效率等性能参数将受到影响。此外，海拔、进口压损、 背压、部分负荷等因素都对微燃机的净输出功率与发电效率产生影响，同时这些因素还对排气温度、排气质量流量等产生影响， 且有些影响是致命的， 例如微燃机不适宜在高海拔地区使用。除此之外， 用户端燃气压力对微燃机的性能及应用有很大影响，这也是工程设计时必须考虑的重要因素。若用户端燃气压力不足， 就必须配套

26、燃气压缩机， 而微燃机对燃气压缩机的要求也特别高，Capstone 公司的产品就必须配用Copland涡旋压缩机。最后，经济因素。 长期充足的燃料源保障， 为发展微燃机分布式能源系统提供了可能， 而其卓越的经济性就会让用户付诸实施。如果分布式能源系统真正具有经济性和使用的便利性， 市场经济的力量会很快让用户接受这项先进技术，根本就不需要政府以及政策的支持。如果经济性较差， 只有用户比较担心当地电网的可靠性或供电质量时，出于风险考虑， 才有可能愿意付出较高代价使用该系统。 但在国内， 由于污染物排放监控力度不足，用户会有更多的选择， 如柴油发电机以其技术成熟、 造价低等特点更容易被优先认精选学习

27、资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）6 可3。1.3 本文的主要工作本文研究的基本内容是： 根据微型燃气轮机发电系统的动态特性，考虑基本的/Vf和PQ控制策略，采用正弦脉宽调制 (SPWM) 逆变器，以 “统一”模块化思想建立微型燃气轮机发电系统的整体模型，并采用Matlab软件，在动态负荷条件下对该微型燃气轮机发电系统进行仿真。拟解决的主要问题是：（1）建立燃气轮机发电系统各模块的模型，例如燃气轮机的加速控制模块、温度控制模块等， 正确的建模方法有助于我们更加接近实际的发现问题，解决问题；（

28、2）通过仿真分析微型燃气轮机与电力电子变流装置及负荷之间的相互影响，为进一步研究微电网中各种分布式电源之间的协调控制奠定基础。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 46 页第 2 章微型燃气轮机发电系统基本原理7 第 2 章 微型燃气轮机发电系统的基本原理2.1 微型燃气轮机发电系统结构典型微型燃气轮机发电系统结构图如图2-1所示6。该独立电网系统由微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器和负荷组成，其中微型燃气轮机包含压缩器、 能量回收器、 燃烧室以及带一个负荷的动力透平机。其基本工作原理为：从离心式压气机出来的高压空气先

29、在回热器内由涡轮排气预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧，高温燃气送入向心式涡轮做功，直接带动高速发电机（转速在50000120000 / minr之间）发电，高频交流电流经过整流器和逆变器，即“ AC-DC-AC ”变换转化为工频交流电输送到交流电网。微型燃气轮机AC/DC整流器DC/AC逆变器LC 逆波器负荷电网永磁同步发电机图2-1 微型燃气轮机发电系统结构2.1.1 微型燃气轮机主要部件微型燃气轮机主要由压气机、回热器、燃烧室、涡轮等部件组成。压气机、涡轮和发电机安装在同一根轴上，一起转动。 高温高压燃气在涡内膨胀做功,其输出功除克服压气机的压缩功外，其余膨胀功用于驱动发电机产生高频交

30、流电对外输出，经过控制器转换成50Hz的交流电后，供给用户用。图2-2是单轴微型燃气轮机发电机的结构示意图。1. 压气机现有微型燃气轮机发电机组的压气机多采用离心式压气机，而很少采用轴流式压气机，且压气机的增压比多在3.04.0之间。在过去的几十年时间里，世界上一些著名的研究机构一直致力于离心压气机设计方法的研究，在精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）8 追求高效率的同时， 还在不断进行如何拓宽高效区范围和拓宽稳定工作范围的研究。和轴流压气机相比，离心压气机叶轮具有单级压比高，容易加工

31、，制造成本低的优点， 同时还有 抗进口流场 畸变能力强的优势。 目前在微型燃气轮机上使用的离心压气机叶轮多采用后弯式叶轮，在压比低于 4.0情况下，叶轮材料可采用铸造铝合金或者锻造铝合金。在压比高于4.0时，采用钢或铁合金材料。目前还发展了一种碳纤维作为叶轮材料。GM22,Tp44,Tp44,Tp33,Tp3,bTp22,mbqTpmfq11,mcT p q压气机动力透平回热器燃烧室图2-2 微型燃气轮机的结构2. 透平微型燃气轮机上经常使用的透平有向心透平和轴流透平。向心透平突出优点是简单、成本低、性能优和容易装配，对叶尖间隙不敏感，其缺点是惯性较大，虽说轴流涡轮膨胀比有限， 但对膨胀比相对

32、较低的微型燃气轮机而言也是有足够的做功能力。 在设计涡轮过程中， 应注意涡轮的最高效率点对应流量系数在 0.20.3，载荷系数在 0.91.0之间。但是在很多情况下实际设计的涡轮流量系数并不一定处在这个范围之内。比如增加流量系数使其大于0.3，这样做虽说增加了出口子午速度，但却减小了出口面积，带来的好处是使涡轮尺寸减小、 重量减轻。涡轮设计过程中另外一个值得注意的问题是要保证所设计的涡轮速比在0.7左右，这样获得的叶轮才有可能得到较高的效率。3. 空气轴承空气轴承是利用空气弹性垫来起支撑作用的一种新型轴承。基于空气的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -

33、 - - -第 14 页，共 46 页第 2 章微型燃气轮机发电系统基本原理9 固有属性（粘度低且随温度变化小等），空气轴承在高速、低摩擦、高温、低湿的场合，具有一定的优势。 由于在一些高速旋转的机构上采用了空气轴承，突破了使用滚动轴承或油膜轴承所不能解决的困难。与其它类型轴承相比，空气轴承有以下特点：空气的粘度很小，导致磨擦损耗小，发热与变形也极小，因此空气轴承在超精密和超高速主轴中的应用大有前途。除空气的粘度几乎可以忽略不计外， 它的清洁、 化学上的惰性和稳定性， 以及在地球上取之不尽的优点， 使它成为十分诱人的润滑剂。 与滚动轴承相比， 空气静压轴承振动小。 空气轴承的主要缺点是承载能力

34、低，刚性差。目前使用的空气轴承主要有空气静压轴承和空气动压轴承两大类。空气静压轴承承载能力相对较高，它靠外部供给压力气体进行工作。空气动压轴承则是靠轴承与轴表面相对运动产生压力气膜承受载荷的。由于空气静压轴承需要外部气源供给压力气体，因此它不适应微型燃气轮机发电机组使用。目前微型燃气轮机发电机组使用的是空气动压轴承。4. 燃烧室微型燃气轮机发电装置经常采用的燃烧室类型有：单管燃烧室和环形燃烧室。环形燃烧室又可分为折流环形燃烧室和回流环形燃烧室。为了降低排放，微型环形燃烧室广泛采用催化燃烧技术。使用催化燃烧技术后， 能够保证燃烧室内的空燃比在很低情况下稳定燃烧。这样就可以控制燃烧温度在低于形成X

35、NO温度下燃烧，而燃烧效率依然高达99.5%。催化燃烧室一般有三个区域组成：预热区域、预蒸发和预混合区域、催化燃烧区域。对于微型燃气轮机而言， 由于燃油流量比小型燃气轮机还小，在使用喷油嘴供油时， 为了保证燃油和空气的均匀掺混， 要采用数量较多的燃油喷嘴， 致使分配到每一个燃油喷嘴的燃油流量更加微小，燃油喷嘴很难加工。 如果减少喷油嘴数目，则又很难保证燃油和空气的均匀掺混。采用喷油嘴供油的另外一个问题是很容易使喷油嘴产生磨损和堵塞。因为喷嘴尺寸越小， 越容易产生磨损和堵塞。为了保证燃油供给系统的可靠性和燃烧室出口温度分布的均匀性，微型燃气轮机经常采用折流环型燃烧室和配合甩油盘的供油方式。这种燃

36、烧室成本低，工作可靠， 并且容易实现， 因此有必要对这种折流环型燃烧室和甩油盘供油方式进行介绍。 甩油盘的供油方式最早是由法国的透博梅卡发动机精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）10 公司提出并用于小型燃气轮机上的， 其后这种供油方式在多种型号发动机上得到使用， 比较有代表性的有美国 J69以及我国的 WP11等。甩油盘供油系统的工作原理是这样的：甩油盘和轴一起旋转，在甩油盘上均匀分布6个或 8个小孔，燃油经过供油管道打入甩油盘， 甩油盘内的燃油在离心力作用下产生压力，经甩油盘上的小孔

37、靠离心力甩入燃烧室，以上述方式实现燃油与空气的均匀掺混， 达到防止油孔堵塞的目的。 采用甩油盘供油方式， 不要求甩油盘上的孔被完全填满， 因此这些孔的实际通流能力可以比实际要求大好多倍。使用大孔的目的是防止孔被堵塞。在加工甩油盘时应保证甩油盘上的孔的尺寸均匀一致， 且表面要磨光。 因为由流体动力学我们知道， 这些孔的喷油量是否均匀一致是由它们的尺寸和表面光洁度决定的，如果某一个喷油孔的喷油量多于其它的孔， 那末在燃烧室出口将出现一个旋转热斑，热斑所撞击的涡轮叶片将受到损坏。 使用甩油盘供油方式还有结构简单、造价低廉等优点。进入甩油盘的燃油压力不需要很高，只要能保证燃油顺利流进燃烧室即可。由于受

38、燃料粘性影响很小，因此这种系统具有适用于多燃料的能力。燃油雾化质量直接决定于轴的旋转速度（也就是甩油盘的旋转速度），实验结果表明，油滴当量雾化直径与甩油盘的周向速度成反比。以煤油为燃料时其当量直径表达式为：0.0426SMD甩油盘周向速度（m/s）(2-1) 甩油盘供油系统的缺点是当工况变化时燃料供给量变化反应可能比较缓慢，这主要是由于较长的燃油流路造成的。 由于这种供油系统燃油雾化质量与轴的旋转速度密切相关， 一般要求轴的旋转速度在 2000 / minr以上，因此这种供油系统不适合于转速较低的大型发动机，而只适合于低压力情况下高速旋转的微型燃气轮机和小型燃气轮机。 微型燃气轮机发电机组普遍

39、采用的另外一种燃烧室是回流环形燃烧室。 在这种燃烧室中，从离心压气机出来的气体，在组织燃烧和与燃气掺混的过程中要经过两次折转再流入涡轮部件。燃烧室的燃油是由在环形燃烧室顶部的喷嘴提供。回流燃烧室使得压气机和涡轮之间的轴向长度大大缩短， 减轻了发动机的重量， 对提高压气机、 涡轮轴的临界转速也有好处。 回流燃烧室由于其气流通道较长，油气混合比较均匀， 因精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 46 页第 2 章微型燃气轮机发电系统基本原理11 而减少了排气污染，降低了发烟烟度，同时对压气机出口速度分布不敏感。5. 回流换热器回流

40、换热器能够回收涡轮机排放的热能并为燃烧室空气预热，其外壳通常为金属，也可采用陶瓷外壳， 但非金属回流换热器密封的老化可能突然产生非常高的泄漏。 由于回流换热器基本上是空气和空气之间的热交换，而空气到期热表面的热传递系数充其量也是比较适中，所以热交换需要相当大的表面积。若将回流换热器的压力适当降低4% 5% ，并采用一般的表面结构， 则其重量和成本与其效率 之间的关系如下：1重量气流 (2-2) 1成本气流(2-3) 回流换热器的效率通常超过0.9 ，因此其重量非常大，成本很高。若微型燃气轮机运行成本仅仅取决于热效率和输出功率大小时，采用回流换热器比较合适。即使回流换热器采用了旁路通道， 但要是

41、发动机的废气排放低且回流换热器经久耐用， 其设计的关键是能否达到完全燃烧。对于热电联产系统， 回流换热器的旁路通道可用于更高的排气热能发电，这样就在本质上限定了回流换热器的流程为附加流程。2.1.2 永磁发电机微型燃气轮机发电系统一般采用永磁发电机。对永磁材料的改良使得永磁发电机比绕线转子发电机的重量更轻、效率更高。由永久磁铁提供的励磁可在260以上的环境下运行。将小型的涡轮发动机与永磁发电机集成在一起对设计人员是一个挑战， 因为需要解决告诉动力学特性 和平衡、磁性的保持和温度限制、 冷却系统的选择和附加损失的计算、保养和日常零部件的维修、 发生内部故障时电压的调整和励磁系统的切除以及交流频率

42、转换等方面的难题用于小型涡轮驱动的永磁发电机的DC-AC转换系统总效率可达 95% 。当将电能转换为符合电网标准的交流电能时，逆变和电能的分配将导致额外精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）12 的能量损耗。高速永磁发电机主要的特征是能够为涡轮发动机提供高速起动或点火速度，避免了采用专门的起动电动机和专门的起动燃料喷射器，因而简化了燃料控制系统。 虽然高速永磁发电机首选的运行转速为涡轮叶片的转速，与涡轮发动机之间可采用硬连接，从而缩短了转子长度， 但由于将产生更高的空气阻力损耗，因而使得

43、发电效率降低。永磁发电机输出功率P与转子转速和转子体积之间的关系如下：2/SSPnLD FK（2-4）式中， L 为转子长度；D 为转子直径；SSF为电磁剪切应力；为效率；n为转速；K 为常数。发电机输出功率与转速之间的关系示意图如图3所示，图中 L和 D 之比为 4.0，v为转子圆周速度。由图 2-3可知，为获得相应的功率，转速和直径应折衷选择。 另外，发电机的冷却和热损耗也是主要考虑因素，冷却和热损耗产生的附加功率损耗可达到微型涡轮发动机输出功率的5% 。目前采用的冷却方法有一体化风扇、空气- 油雾以及从压缩机进气口吸气等。(/ min)n Kr/PKW010203010015020025

44、0(/ min)n Kr/PKW0102030100150200250100/vm s150/vm s200/vms250/vm s10Dmm15Dmm20Dmm25Dmm30Dmm)a)b图2-3 发动机输出功率与转速之间关系示意图其中)aD为常数)b v为常数半个括号的改全2.1.3 微型燃气轮机发电系统电力电子接口和控制永磁发电机输出的为高频交流电，需要通过整流器、 逆变器等电力电子接口和控制器将其转换为可实用的电能形式，即50Hz、380V的交流电，但精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 46 页第 2 章微型燃气轮

45、机发电系统基本原理13 在商业应用中还存在一定的困难。 采用微型燃汽轮机发电系统的分布式发电系统与常规系统的基本原理相同， 来自于电源未经调节的电能在使用前必须进行处理或转换。 对于永磁发电机， 发电机输出的电能随电压和频率的变化而改变，因此不能直接使用。 实现电能转换的和调节功能的电力电子转化器一般针对于特殊的发电技术而设计。例如对于微型燃气轮机发电系统，第一级电力电子器件为整流二极管， 实现将永磁发电机输出 地高频交流电转换直流。 此外，还需要电力电子转换器将电能转换为负载可以使用的形式。例如，如果要将电能传送到电网或对单独运行的交流负载供电，则需要一个DC-AC逆变器。1. 电力电子接口

46、现代电力电子技术基本上是基于开关能量的转换技术。大功率晶体管的迅速导通和关断，控制着电流的流向， 在任何瞬时，晶体管或者充分导通 （器件两端的电压为零），或者充分关断 （流过晶体管的电流为零） ，因此晶体管损耗为零。实际上不可能生产一个没有损耗的理想的晶体管，但显著地减少晶体管的损耗是可以实现的。这些大功率的晶体管可以构成不同的拓扑结构，实现所要求的电能转换功能，如DC-DC、AC-DC 、或DC-AC等。为了得到所要求的输出电压和频率， 通常采用脉宽调制技术来改善晶体管的导通和截止时间。当转换功率达到大约 500kW时，绝缘栅双极晶体管（IGBT ）是最常见的功率半导体器件。IGBT的开关频

47、率可达 20Hz. 因为晶体管工作于开关状态，转换器的输出波形包含很高频率的谐波分量，因此需要大功率的滤波器滤除高次谐波， 准许有用的基波电能分量通过。为使损耗最小， 一般使用电抗元件如电感和电容。现代电力电子转换器如果采用一阶的电能转换，其转换效率可高达 96% 。即使达到了非常高的转速效率， 转换器中的电能损耗也是非常可观的，因此器件的散热是电力电子转换器设计中非常关键的方面。散热系统可采用液体和强迫冷风技术， 从可靠性和成本的观点来看， 风冷技术可得到令人满意的效果。2. 数字控制技术精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，

48、共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）14 在典型的分布式发电系统中， 必须考虑三个方面的控制。 首先也是最重要的控制是微观控制， 即电力电子转换器中大功率晶体管的开关控制，开关控制必须采用高速实时控制，其采样速率为微秒级。第二个方面的控制是宏观控制，即电源、能量存储装置和负载的潮流控制。这方面的控制取决于所采用的特定的发电技术，其采样速率为毫秒级。分布式发电系统中目前采用的最新的技术为数字控制技术。与模拟控制技术相比，数字控制技术的优点是众所周知的，其控制精度、 灵活性以及可重复性都优于模拟控制技术。另外，分布式发电系统正在采用计算机控制优点：数字信号处理使得系统的可靠性更高而成本较低。

49、然而实时数字控制系统也存在一些缺点： 如控制系统非常复杂； 为开发先进的分布式发电系统，大量的时间和资源花费在开发控制软件上。第三个方面的控制涉及到分布式发电系统与外部设备之间的通信控制。先进的分布式发电系统可提供各种数字通信接口，因此系统可以实现远程监视和控制。当需要将一定数量的分布式发电系统集成为较大的发电系统时，远程通信是必不可少的。设计分布式发电系统时， 一个非常重要的方面是对电力电子器件的微观控制、电源的宏观控制以及通信功能的综合考虑。只有总体的设计考虑得非常完备，才能研制出性能高、集成度高的产品。2.2 微型燃气轮机发电系统的运行方式在当今的微型燃气轮机发电系统中， 由于电力电子控

50、制器可在多种模式下运行，所以微型燃气轮机发电系统可为小型电力和发电系统的不同应用提供合适的运行方案。1. 并网运行在这种模式下， 微型燃气轮机发电系统跟随电网的电压和频率变化，可等效为可控的电流源。 并网工作时微型燃气轮机主要起负荷跟踪和消峰填谷的作用。 （我觉的另起一段较好，其他的也是）2. 单机运行当系统在这种模式下运行时，整个系统相当于一个电压源， 输出电流有负载的需要确定。 当微型燃气轮机发电系统处于单机运行时，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 46 页第 2 章微型燃气轮机发电系统基本原理15 电力电子转换器可

51、为负荷提供电压和频率可变的电能。3. 双模式运行由于电力电子转换器既可以工作于并网运行模式，也可工作于单机运行模式， 所以微型燃气轮机发电系统可以设计成在上述两个工作模式之间自动切换， 此功能在微型燃气轮机的广泛应用中非常重要，通常把这样的工作模式称为双模式运行。4. 多机运行为将微型燃气轮机发电系统构成一个较大的电力系统，电力电子转换器可设计成与其他分布式发电系统并联运行的工作模式，这一切功能可直接在系统中设置， 而不需要任何其他的同步设备。 多机运行可提供一定的冗余度， 当一台发电机退出运行时， 其他发电机还可以继续工作为负荷提供所需要的电能。5. 可变的燃料运行模式最先进的电力电子转换器

52、设计准许微型燃气轮机发电技术能在很宽的燃料范围内运行，这是由于数字控制软件的灵活性和适应性使得不需要对硬件系统做较大的改变即可实现此功能。2.3 本章小结本章主要介绍了微型燃气轮机发电系统的主要组成部分、各部分的工作原理以及其运行的方式。 通过本章的学习进一步了解了微型燃气轮机发电系统的特点和其广泛的应用范围， 充分理解了其作为分布式发电电源对我国电力系统的重要意义。 同时，对微型燃气轮机发电系统各部分细节和关键影响因素的学习，也为以后进行建模仿真和仿真分析打下了坚实的基础。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 46 页燕山

53、大学本科生毕业设计（论文）16 第 3 章 微型燃气轮机发电系统整体建模建立微型燃气轮机发电系统模型是实现对其控制的基础，目前大多采用微型燃气轮机与电气部分分开建模的方式，或是直接将逆变器之前的环节等效成直流电源。 但是，分开建模或等效处理会割裂微型燃气轮机动力系统与发电系统之间的内在耦合联系，不利于实现二者之间的协调控制设计。本文考虑基本的/Vf和PQ控制策略，采用正弦波脉宽调制逆变器，以“统一”模块化思想建立了微型燃气轮机发电系统的整体模型。3.1 微型燃气轮机及其控制模型微型燃气轮机的控制包括转速控制、温度控制和燃料控制， 在正常运行时，微型燃气轮机的转速控制系统使得在一定负荷时维持转速

54、基本不变。微型燃气轮机不同于大型燃气轮机，其转速控制分为定转速和变转速两种方式，对于大型汽轮机， 转速控制系统通过改变蒸汽流量来保持转速不变，而微型燃气轮机是改变燃料量来控制转速的。透平入口温度过高直接影响透平的安全性及系统的寿命， 因此透平入口温度也是一个很重要的控制参数，在正常运行时，也是通过改变燃料量来控制透平入口温度不超过其最大设计值maxT。该模型的结构框图如图 3-1所示。速速速速速速速速速速速速速速速速refDFfWmTETrefT图 3-1 微型燃气轮机结构图3.1.1 速度控制微型燃气轮机的速度控制输入信号为额定转速ref及实际转速，控制器可以采用 PI 控制，如图 3-2所

55、示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 46 页第 4 章系统仿真及分析17 IPKKsrefDF图3-2 速度控制3.1.2 温度控制温度控制的输入信号是额定排气温度refT和排气温度的测量值ET，refT与ET相减，经控制器得出燃料流量控制信fV。通常refT要高于ET，控制环节输出停留在上限数值， 机组以转速动态调节为主。 控制器也一般采用 PI 控制器， 如图3-4所示。refTETMINfVSKKITPTMAX图 3-3 温度控制3.1.3 燃料控制速度控制与燃料控制的输出经过小值选择后得到燃料需求信号ceV，6

56、K表示在空载的情况下达到额定转速时所需要的燃料量，该部分燃料不可调，因此可调节部分的燃料经过一个T 的传输延迟，再经过调节器和燃料控制阀输送到燃烧室，控制框如如图3-4。fW11fT s1abs3sTK eLVG6KDFfV图 3-4 燃料控制3.1.4 燃气轮机模型本文所建立的微型燃气轮机发电系统模型主要用于研究正常运行方式下的慢动态过程特性， 不考虑开机与停机的快动态过程。本文以适用于重载精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）18 燃气轮机的模型为基础建立微型燃气轮机模型，建模时没有

57、考虑回热器， 因为回热器用于提高发电机效率，并且响应速度慢， 对研究微型燃气轮机的 机-电特性影响不大。假定微型燃气轮机工作在额定转速附近，且不考虑开机与停机的慢动态过程，在此基础上建立的微型燃气轮机模型如图 6。微型燃气轮机的控制包括转速控制及加速度控制、 温度控制和燃料控制。 在正常运行时， 微型燃气轮机的转速控制系统使得在一定负荷时维持转速基本不变。图3-5模型主要包含转速控制、温度控制、加速控制、燃料系统、压缩机涡轮系统 等部分。转速调节器系统采用斜率控制； 加速度控制系统的作用是限制轮机启动时速度； 温度控制的目的在于限制涡轮的输出功率,即通过限制燃料的输入量来防止系统温度过高；燃料

58、系统包括阀门定位器和燃料调节器 ,用惯性环节表示 。转速控制、加速控制和温度控制分别产生3种燃料参考指令 , 通过低值选择开关 ( min 模块) 和高低限值模块 ( limit 模块 ) 作用后, 产生最终的燃料参考指令送入燃料系统。?ss45013.3f1?s100?1152.08. 0sdtdNo load fuel flowmaxAccelerate ControlSpeed Ref.15.21sse04.0min 0.01?12 . 01sTubine TorqueRotor SpeedSpeed Control15.0025s105. 01s14.01sse01.0min0.230

59、.772f图3-5 微型燃气轮机模型微型燃气轮机与蒸汽轮机有许多不同之处，最明显的区别就是微型燃气轮机在没有负荷的情况下， 为了维持正常的运行需要燃料量占了额定燃料量很大的比重，本论文取 23% 的额定燃料量作为微型燃气轮机的基荷，因此微型燃气轮机要尽量避免运行在低负荷状态以提高经济效益。这一点将会在仿精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 46 页第 4 章系统仿真及分析19 真中得到验证； 第二个区别是转速控制的方式，对于大型汽轮机， 转速控制系统通过改变蒸汽流量来保持转速不变，而微型燃气轮机是改变燃料量来控制转速的。透平

60、入口温度过高直接影响透平的安全性及系统的寿命，因此透平入口温度控制也是一个很重要的控制部分，在正常运行时， 也是通过改变燃料量来控制透平入口温度不超过其最大设计值maxT。总的来说，速度控制在部分负荷的时候起主要作用， 温度控制则起了一个限制微型燃机排气温度的作用，而加速度控制则是为了防止转子超出允许的范围。此外，图2 中的限幅环节的最大值限制作为转速、加速度和温度控制三者控制输出的上限；而最小值限制则是为了确保有足够的燃料流量使燃气轮机的燃烧系统正常工作。 图2 所示模型中 的排气温度方程和转矩方程为：1700(1)550(1)RffTW (3-1) 21.3(0.23)0.5(1)ffW

61、(3-2) 其中：为燃机转速，fW为燃料流量信号，RT为排气温度基准，本论文中取RT=950，为发电机转速。转矩方程在100% 负荷的情况下基本上是精确的，在其他情况下会存在小于 5% 的误差，排气温度方程相对来说不是那么精确，但由于温度控制只在温度参考值附近起作用，因此可以忽略其带来的影响。3.2 永磁发电机及整流器模型本文的微型燃气轮机发电系统中， 同步发电机为采用永磁体励磁的永磁同步发电机。由于永磁同步发电机和整流器部分都是不可控的，建模时可以适当简化，本文提出一种 “统一”模块化思想将发电机及整流器部分作为一个整体来建立模型。永磁同步发电机及整流器可以通过带交流电源的三相全波桥式整流器

62、进行建模，如图3-6所示。图3-6中，电感为发电机每相电感的等效值，同时忽略发电机的损耗。一般微型燃气轮机采用的 永磁 同步发电机为 2 极，从而有机械角速度与电角速度相等。对于理想的、无负荷的永磁同步发电机，其线电压lineV为：sinlineVVKt (3-3) 式中： Kv为固定电压值； 为发电机电角速度。考虑换相重叠角，全波直精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）20 abcLdI1IdVlineV图3-6 永磁发电机及整流器等效电路流桥整流器的输出电压dV为：3 23cosda

63、cdLVVI(3-4) 式中：acV为交流侧线电压的有效值；为换相角，对于不可控整流器，= 0；L为发电机定子绕组漏感；dI为整流器直流侧电流。由于= 0，从而有：33dlinedVVI (3-5) 由式(3) 和式(5) 可知，直流电压可由角速度和电流表示，取dxdEgVKI(3-6) 则：eEgK (3-7) 式中：3/xKL，单位为/s rad ；3/evKK，单位为/V s rad 。根据电路原理有：1dddVIIcdt (3-8) 式中： C为直流平波电容；1I为整流器负荷电流。整流器输出的电磁功率为：2eddedxdPV IKIKI (3-9) 假设忽略整流器损耗， 则整流器输出的

64、电磁功率与永磁同步发电机输出的电磁功率相等。根据转矩与功率的关系，发电机输出的电磁转矩Me 为：2edxdPeMeK IK I(3-10) 假设忽略发电机阻尼，发电机转子运动方程为: 1()dMmMedtJ (3-11) 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 46 页第 4 章系统仿真及分析21 式中： J为转子的转动惯量。 式(6) 描述了微型燃气轮机发电系统机电 的固有特性，而式(11) 是永磁同步发电机及整流器部分与微型燃气轮机部分连接的关键。根据上述方程可以得到永磁同步发电机及整流器的简化模型，如图4 所示。按照上述

65、“统一”模块化思想建立永磁同步发电机及整流器整体模型的方法较分开建模简单， 依然能够实际反映出负荷变化时微型燃气轮机与电力电子装置间的相互影响，这也是等效模型无法实现的。图3-7模型的输入、输出全是有名值， 需要将该部分转换为标幺值后才能与微型燃气轮机部分相连接。两部分模型相连后组成的“统一”模型中，输入1I的变化是控制微型燃气轮机燃料输出的关键。1I变化，永磁同步发电机的转速发生相应变化, 进而微型燃气轮机动力系统与电气系统间的内部耦合联燃气轮机的燃料流量也要发生相应变化， 反映了微型燃气轮机动力系统与电气系统间的内部耦合联系。+1sJ1XK1CseK2xxKeKmMeMdI1IdI图3-7

66、 永磁同步发电机及整流器模型3.3 逆变器及其控制的数学模型3.3.1 逆变器及 SPWM 调制的数学模型逆变器接收整流侧输出直流并将其逆变为工频交流, 同时根据微电网不同的运行方式可以对其进行相应的控制。当微电网孤网运行时， 通过控制逆变器来控制负荷端的电压及频率，即/Vf控制，以维持整个微电网的电压和频率；当微电网并网运行时， 为减少微电网对大电网的冲击，对逆变器采用PQ控制，即按照给定的功率输出来控制其与电网间的功率交换。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）22 该系统的逆变器采

67、用 SPWM调制方法，SPWM控制是基于采样控制理论中的一个结论： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加载具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 把三相正弦波作为调制信号， 把接受调制的三角波信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的SPWM波形。SPWM调制的原理如图3-8所示。uraurbucuttrcuaNubNucNuabua Nutttt图3-8 SPWM 调制输出波形图SPWM调制的输出相电压可表示为：sin()2dckkmVu（k=a，b，c）（3-12）其中213ktk，m为逆变器调制系数。逆变器的交流侧可以用两组微分方程表示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总

68、结 - - - - - - -第 28 页，共 46 页第 4 章系统仿真及分析23 /aaabbbcccdidtueL didtuedidtue/aalabblbcclcdedtiiC dedtiide dtii对上述两式进行派克变换得：100010dddaqqqqdiiuedtLuediiLdt100010dddldqqlqqdeeiidtCeiideCdtPWM调制的数学模型如图 3-9所示。)100sin(2tmVdc)32100sin(2tmVdc)34100sin(2tmVdcVdc图3-9 PWM 调制的数学模型逆变器交流侧在 dq 轴上的模型如图 3-10所示。精选学习资料 -

69、 - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）24 edeq+?sL1?sC1LjR1sC1LjR1?sL1LLdi1 diqi1qiduqu图3-10 逆变器交流侧在dq 轴上的模型3.3.2 逆变器控制策略对逆变器采用了双闭环控制， 该方法的控制回路拥有两个闭环，利用电压外环实现对输出电压的稳定控制，电流内环实现对输出电流的控制，但由于dq 轴相互耦合因而控制器的设计比较困难，并且系统与孤立电网连接，系统的频率由负荷所确定， 因此对逆变器的输出电压进行控制即能获得较好的效果，并且采用简单的PI 控制即可。当

70、微型燃气轮机系统作为一个孤立的电力网络运行时， 可以通过控制逆变器来控制负荷的电压及频率，而有功和无功输出则根据负荷的需要自动的调整；当该系统与电网并联运行时， 由于电网的电压和频率是一定的， 因此采用定功率控制可以控制其与电网的功率交换。本论文研究微型燃气轮机系统作为一个独立的电力网络时的情况，对逆变器采用 PWM调制方法，通过PI 控制器把逆变器出口的电压控制在380V ，并在逆变器的出口设置滤波电感来消除部分由逆变器产生的谐波。控制模块如图 3-11。20abc dqabcVqVqrefVdINVVqINVVPWMPI控制器PI 控制器02dqabc图3-11 逆变器控制模型精选学习资料

71、 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页，共 46 页第 4 章系统仿真及分析25 3.4 微型燃气轮机发电系统整体模型框图本文中 , 整流器模型的输出是数字信号, 而逆变器模型的输入是电气信号, 因而将直流电压源改成直流受控电压源, 控制信号为整流器输出的直流电压, 就可将逆变器与整流器 ( 包括之前的微型燃气轮机和永磁同步发电机) 部分统一在一起 , 构成整个微型燃气轮机发电系统, 如图13所示。+-mM微型燃气轮机AC/DC永磁同步发电机和整流器DC/ACLC逆变器和滤波器PQV/f控制或控制负荷电网图13 微型燃气轮机发电系统整体模型3

72、.5 本章小结本章主要学习了微型燃气轮机发电系统的数学模型，并利用软件进行了建模。通过本章的学习， 我了解了微型燃气轮机发电系统的工作原理，以及数学模型中各模块的作用。同时，也熟练的掌握了利用Simulink 进行建模的方法。在进行本章工作时我遇到了很多问题。首先，建模时由于系统较复杂，总有一些小的细节注意不到， 所以经常出错。 后来在老师的指导下我学会了化整为零的方法，即将整体模型分成几个相对完整的模块，然后分布建模，再将各模块连接起来。这样既是模型结构清晰， 又便于出错时快速查找错误。对于解决相对复杂系统的建模问题十分有效。其次，参数选取问题。 模型中参数众多，每一个参数的值都需要选择一个

73、适合本系统的。除有一些值在资料中可以确定外，其余都需要自己计算。例如本设计中包含很多PID 环节，如果 PID 中的积分常数设置的不合理那么进行仿真时就会出现错误，使仿真停止。总之，通过本章的学习使我遇到问题时更有信心了，也让我知道了耐心是解决问题最好的方法，为以后的学习打下了基础。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）26 第 4 章 系统仿真及分析本文应用 MATLAB 软件中的 Simulink进行建模仿真， 通过仿真分析微型燃气轮机与电力电子变流装置及负荷之间的相互影响。软件的使

74、用、掌握能力可能会对设计结果产生很大的影响，所以必须熟练的掌握MATLAB 的一些基本知识，以保证结果的准确性。4.1 仿真软件介绍Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中， 无需大量书写程序， 而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。在进行系统动态仿真之前， 应绘制

75、仿真系统框图， 并确定仿真所需用的参数。Simulink 模块库包含大部分常用的建立系统框图的模块，Simulink 中常用的模块库包括以下几种：（1）信宿（ Sinks）模块库：包括显示或将输出回写的模块。Display显示输入的值；Output 创建子系统的输出端口或外部输出端口；Scope 、 FloatScope显示仿真时产生的信号； StopSimulation当输入不等于零时停止仿真；Terminator 将未连接的输出端口作为终端；XY Graph 显示 XY坐标图。（2）信源（Sources ） 模块库：包括产生各种信号的模块。 BandLimitedWhite Noise 为

76、连续系统引入白噪声； Chirp Signal 产生一个扫频信号； Clock产生和显示仿真时间； Constant产生一个常量值； Digital Clock 在特定的采样间隔产生仿真时间； Ground将未连接的输入端口接地等。（3）连续（ Continuous）模块库：包括线性函数模型。包括有微分单元（Derivative） 、积分单元（ Integrator） 、线性状态空间系统单元（StateSpace ） 、线性传递函数单元（Transfer Fen ） 、延时单元（ Transport Delay） 、传输延时单元（ Variable Transport Delay） 、指定零极

77、点输入函数单元（Zero精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页，共 46 页第 4 章系统仿真及分析27 Pole） 。（4）数学操作（Simulink Math Operations 和 Fixed- Point Blocket Math）模块库：包含常用的数学函数模块。包括输入信号绝对值单元（Abs） ，计算一个复位信号幅度与或相位单元（Complex to MagnitudeAngle） ，计算一个复位信号的实部与虚部单元 （Complex to Real Imag）等数学函数。（5）通信模块库（ Comunications

78、 Blockset） 。信源（ Comm Sources ） ：在这个库中，可以形成随机或伪随机信号， 也可以读取文件或模拟压控振荡器（VCO）来产生非随机信号。4.2 微型燃气轮机发电系统仿真本文采用 MATLAB 软件中的 Simulink 进行可视化仿真，仿真模型如图 4-1和图 4-2 所示。图 4-1 为燃气轮机和永磁发电机及整流器的整体模型。由于系统较复杂，为了简化便于查看和纠错， 将永磁发电机及整流器的模型利用子系统模块建立，永磁发电机及整流器的具体模型如图4-2 所示。由于本文所建模型十分复杂， 在建模过程中要特别注意使用化成为零的处理方法。即先将整体模型分成几个相对完整的模块

79、，然后分模块进行建模。这样建出来的模型不仅结构性好、可读性强，而且在出错时可以很容易找出错误并改正。4.3 仿真研究4.3.1 微型燃气轮机的仿真速度与温度的 PI控制器参数为：12.5PK，1.1IK，300PTK，100ITK；燃料控制参数：50.77K，0T，60.23K，1a，0.05b，1c，10.1T；燃气轮机参数：0.1ECRT，0.04ECDT，515T，63T，40.8K，50.2K，0.1CDT，10.823ta，10.6tb，20.299ta，21.299tb，21.5tc。此仿真主要模拟微型燃气轮发电机系统在负荷扰动时所表现的动态特性，在仿真的初始阶段， 微型燃气轮机系

80、统工作额定转速且不带负荷的情况下，在25s的时候给该系统加上 10kW的负荷，并在50s的时候切掉 10kW的负荷。仿真结果如图 4-34-8所示。从图 4-3、图4-4、图4-7 和图4-8中可以看精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 33 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）28 出，微型燃气轮机空载达到稳态时，转速达到额定值1，机械转矩为 0，但此时燃料流量却保持在 0.23 。这一点验证了上文所提到的微型燃气轮机为维1utdd0.01250.05s+11100s1450sKmin12.5s+112s115s+1900Vd

81、Mm发电机及整流器模型0.230.0710.05s+110.4s+110.01s+110.2s+110.04s+10.231190010.51.3700550cope1Scope2ScopeSfDerivativefTranster FcnTranster1FcnTranster2FcnTranster3FcnTranster4FcnTranster5FcnTranster6FcnTranster7FcnTranster8FcnTranster9FcnMinMaxTRSaturationProductGain1Gain2Gain3Gain4Gain5Gain1AddTRSubsystemAdd

82、tanConsttan 1Consttan 2Consttan 3Const图 4-1 微型燃气轮机发电系统整体模型精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 34 页，共 46 页第 4 章系统仿真及分析29 1INmM10.63seM2.6k2X1XMemory-k-k0.005Signal GeneratorProductAddScope1Scope2Scope10.5s1OUT2OUTTransterFcnFcn1FcntanConstTranster1FcnVdid1OUT1iKeKxKxKe图4-2 发电机及整流器具体模型持正常运行

83、所需要的基础燃料为设定值0.23 。从整个仿真过程来看， 微型燃气轮机所能调整的燃料量范围为23%-100% ， 这个范围正好与 0-100% 的负荷功率相对应。从图4-4中可以看出，空载时转子的速度为1，当负荷上升到 10kW时，转速下降到 0.98 ，整个仿真过程转速都维持在额定转速附近。从图4-5、图4-6、图4-7可以看出 当燃气轮机 达到稳定状态时，温度和速度偏差都为稳定值，说明所建系统是稳定的。0102030405060700.22970.22980.22980.22990.22990.230.230.23010.23010.2302仿真时间（ s）幅值燃料量WFWF图 4-3 燃

84、料量FW仿真曲线精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 35 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）30 0102030405060700.40.50.60.70.80.911.1仿真时间（ s）幅值转速图 4-4 转速仿真曲线010203040506070-0.100.10.20.30.40.50.60.7仿真时间（ s）幅值速度偏差 dwdw图 4-5 速度偏差dw的仿真曲线010203040506070200220240260280300320340360380仿真时间（ s）幅值排气温度 TETE图 4-6 排气温度ET的仿

85、真曲线精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 36 页，共 46 页第 4 章系统仿真及分析31 010203040506070-0.0500.050.10.150.20.250.3仿真时间（ s）幅值机械转矩 MmMm图 4-7 机械转矩mM的仿真曲线01020304050607000.010.020.030.040.050.060.07仿真时间（ s）幅值负荷转矩 MeMe图 4-8 负荷转矩eM的仿真曲线4.3.2 永磁发电机及整流器仿真图4-9- 图4-10给出了微型燃气轮发电机系统的电气侧的仿真结果，当微型燃气轮机带无负荷时， 整

86、流器的输出电流为 0.01 ，直流电压为 0.88 ，负荷上升到 10kW时，整流器的输出电流为0.01，直流电压下降到 0.85，同时，整个动态过程中随着负荷的增加电压有所下降，但基本维持在 380V左右。以上数值为标幺值，本文选取的基准值为UB=400V，SB=100M. 因此将以上数值换算成有名值时，当微型燃气轮机带无负荷时，整流器的输出电流为0A，直流电压为 352V，当负荷上升到 10kW时，整流器的输出电流为 25 A，直流电压下降到 340V，同，在整个动态过程中随着负荷的增加电压有所下降，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -

87、第 37 页，共 46 页燕山大学本科生毕业设计（论文）32 但基本维持在 380V左右。01020304050607000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01仿真时间（ s）幅值整流器输出电流 IdId图4-9 整流器输出电流仿真模型0102030405060700.20.30.40.50.60.70.80.91仿真时间（ s）幅值整流器输出电压 VdVd图 4-10 整流器输出电压仿真曲线4.4 本章小结本章主要对上一章中建好的模型进行仿真分析，并得出结论。本章作为本次设计最后一项工作也是至关重要的一章。本章工作的认真与否直接关系

88、到最后得出的仿真结果是否正确，是否符合实际， 此项研究是否有价值。 正因为如此，在做本章时付出了更多的努力。本章的重点是能否正确的设置仿真参数，尤其是仿真时间的设置。 如果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 38 页，共 46 页第 4 章系统仿真及分析33 仿真时间设置的过长， 一些过渡过程很可能就看不到； 如果仿真时间设置的过短，那么系统还未达到稳定状态仿真过程就结束了。经过了多次尝试才最终确定了最终的仿真时间。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 39 页，共 46 页参考文

89、献34 结论本文详细的研究了微型燃气轮发电机系统的动态数学模型，并根据需要对微型燃气轮机进行速度控制、温度控制和燃料控制， 逆变器也采用 SPWM调制方法，而对永磁发电机和逆变器采用了简化处理。通过仿真可以得出如下结论：（1）从0到100% 工况范围内，燃机的排气温度能够很好的控制在额定排气温度以下， 并且燃料的供应随负荷的变换相应速度快，即该模型能够很好的跟踪负荷的变化， 发生扰动时能够很快的稳定下来，但转速需要经过较长的时间才能达到稳态值。（2）逆变器通过 SPWM调制可以很好的对出口电压进行控制，并且在甩负荷时能够根据负荷的需要调节功率的输出。与MATLAB 提供逆 变器器件仿真模型比较

90、，仿真精度令人满意。（3）文中的控制大多采用PI 控制器，这种控制方法简单易行，但要获得更佳的综合控制鲁棒性和机电控制协调性，尚需考虑引入更高级的非线性鲁棒协调控制方法。总的来说， 微型燃气轮机在仿真中表现出良好的性能。首先，该系统采用电压源换流器（ VSC） ，由于它具有电流自动关断能力，不需要外加换相电压，可在无源逆变方式下工作，能够自启动而脱离电网独立运行。其次，该系统具有快速调节的能力， 这表明它不仅可以用于分布式发电，还可以备用电源及调峰电源， 它能够为用户减缓电网拥挤，增加电网机动性， 降低送电成本及改善电能质量。 最后，系统的换流设备将发电机与电网分离，排除了对附加设备或为同步而

91、进行的操作干扰，且在独立运行时能够很好地维持有功的平衡与电压的稳定。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 40 页，共 46 页参考文献35 参考文献1 王建 , 王志伟 . 微型燃气轮机在我国能源工业中的发展前景. 发电设备,2006 ，20（6）:10-15 2 靳智平 . 微型燃气轮机在我国电力系统的应用前景. 发电设备 ,2005,19（2）:17-26 3 袁春 , 何国库 . 微型燃气轮机发电技术进展. 移动电源与车辆,2002 ，30(4):20-28 4 杜建一 , 王云 , 徐建中 . 分布式能源系统与微型燃气轮机的发展

92、与应用. 工程热物理学报 ,2004,25 （5）:15-23 5 左远志 , 杨晓西 , 丁静. 微型燃气轮机分布式能源系统发展冷思考. 煤气与热力,2008,28 （6）:32-39 6 翁一武，苏明，翁史烈 . 先进微型燃气轮机的特点与应用前景. 热能动力工程,2003,18 （2）:16-25 7 董锋斌，皇金峰，钟彦儒 . 一种三相 SPWM逆变器的建模和控制方法 . 电机与控制学报， 2010,14（8）:25-33 8 崔国民，王静，关欣，李美玲 . 微型燃气轮机发电系统动态过程仿真. 中国工程热物理学会 ,2003年学术会议 :17-24 9 刘君，穆世霞，李岩松，班允柱. 微

93、电网中微型燃气轮机发电系统建模与仿真. 绿色电力自动化 ,2010,34 （7）:23-30 10 李军军，吴政球 . 微型燃气轮机分布式发电系统的建模与仿真. 湖南大学学报,2010,37 （10）:16-24 11 余涛，童家鹏 . 微型燃气轮机发电系统的建模与仿真. 电力系统保护与控制,2009,37 （3）:27-36 12 王成山，马力，王守相. 基于双 PWM换流器的微型燃气轮机系统仿真.电力系统自动化 ,2008,32 （1）:12-18 13 Jan Peirs, Dominiek Reynaerts, Filip Verplaetsen .A microturbinefor

94、electric power generation . Sensors and Actuators .2004,11(4):24-31 14 Luigi Leto, Celidonio Dispenza,Angelo Moreno, Antonio Calabro .Simulation 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 41 页，共 46 页参考文献36 model of a molten carbonate fue cellemicroturbine hybrid system. Applied Thermal Engineeri

95、ng 2011,24(4):11-18 15 J.C. Ho, K.J. Chua , S.K. Chou . Performance study of a microturbine system for cogeneration application. Renewable Energy29 .2004,10(5):5-13 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 42 页，共 46 页致谢37 致谢在论文完成之际， 允许我向所有关心帮助我的人表示感谢。特别是导师曲老师，在他的悉心指导下我顺利完成了论文。曲老师对我们组的成员都很认真负责，

96、悉心解答我们的问题，指明了方向，给予我们很大的鼓励、指导和帮助。曲老师不仅使我掌握了基本的学习研究的方法，还使我明白了许多为人处事的道理。本论文从开题到完成，倾注了老师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 本论文的顺利完成， 离不开各位老师、 同学、朋友和家人的关心和帮助。在此特别感谢他们对我的帮助! 感谢导师曲正伟老师的指导和帮助! 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 43 页，共 46 页附录38 附录附录 1 微型燃气轮机发电系统整体模型图附录 2 开题报告附录 3 文献综述附录 4 外文文献翻译附录 5 外文文献原精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 44 页，共 46 页燕山大学毕业设计（论文）评审意见表指导教师评语：成绩：指导教师签字：年月日评阅人评语：成绩：评阅人签字：年月日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 45 页，共 46 页燕山大学毕业设计（论文）答辩委员会评语表答辩委员会评语：总成绩：答辩委员会成员签字：答辩委员会主席签字：年月日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 46 页，共 46 页