微型燃气轮机发电系统的建模与仿真.doc

摘要

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，考虑基本的和控制策略，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

I
燕山大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
Micro turbine are featured by their lightness in weight, adaptability to many kinds of fuel, cleanliness, low 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 the 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 dynamic 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 disturbance 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 network between each kind of distributional power source's coordination control.

Keywords : micro gas turbine; power generation systems; sinusoidal pulse width modulation; dynamic simulation

III

目 录

摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 微型燃气轮机发展过程中存在的问题 4
1.3 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 7
2.1微型燃气轮机发电系统结构 7
2.1.1微型燃气轮机主要部件 7
2.1.2永磁发电机 11
2.1.3微型燃气轮机发电系统电力电子接口和控制 12
2.2微型燃气轮机发电系统的运行方式 14
2.3本章小结 15
第3章 微型燃气轮机发电系统整体建模 16
3.1 微型燃气轮机及其控制模型 16
3.1.1 速度控制 16
3.1.2 温度控制 17
3.1.3 燃料控制 17
3.1.4 燃气轮机模型 17
3.2 永磁发电机及整流器模型 19
3.3 逆变器及其控制的数学模型 21
3.3.1 逆变器及SPWM调制的数学模型 21
3.3.2 逆变器控制策略 24
3.4 微型燃气轮机发电系统整体模型框图 25
3.5 本章小结 25
第4章 系统仿真及分析 26
4.1 仿真软件介绍 26
4.2 微型燃气轮机发电系统仿真 27
4.3仿真研究 27
4.3.1微型燃气轮机的仿真 27
4.3.2永磁发电机及整流器仿真 31
4.4 本章小结 32
结论 34
参考文献 35
致谢 37
附录 38

第1章 绪论
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25～300kW的小功率燃气轮机[1]。其作为一种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25～75kW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 and Engincering Company)有从30～250kW范围的几种微型燃气轮机产品，GE有75--350kW的产品，英国Bowman公司有35～200kW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25～70kW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80—100亿美元[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28．6％，排放24(燃天然气或丙烷燃料时为18，而一氧化碳和碳氢化合物的排放分别为80和18)，噪声低于70dB，设计大修周期为40000—50000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)低排放
日本本田公司研制的微燃机，输出功率42．4kW ，效率26．7％，，，<5。
(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，Ingersoll—Rand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效率达到40％。
(4)发电成本下降
价格从$1000／kW降低到$500／kW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。
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1500～1900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。
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，考虑基本的和控制策略，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；
（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。
33

第2章 微型燃气轮机发电系统基本原理
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50000～120000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。

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3.0～4.0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，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。

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0.2～0.3，载荷系数在0.9～1.0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：
(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η之间的关系如下：
(2-2)
(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：
（2-4）
式中，为转子长度；为转子直径；为电磁剪切应力；为效率；为转速；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，图中和之比为4.0，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。

图2-3 发动机输出功率与转速之间关系示意图
其中为常数 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
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
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。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，电力电子转换器可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。
第4章 系统仿真及分析
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。本文考虑基本的和控制策略，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。该模型的结构框图如图3-1所示。

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及实际转速，控制器可以采用控制，如图3-2所示。

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和排气温度的测量值，与相减，经控制器得出燃料流量控制信。通常要高于，控制环节输出停留在上限数值，机组以转速动态调节为主。控制器也一般采用控制器，如图3-4所示。

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，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。

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