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光伏与微型燃气轮机混合微网建模及 控制策略研究 重庆大学硕士学位论文 学生姓名：邓 浩 指导教师：周念成 副教授 专 业：电气工程 学科门类：工 学 重庆大学电气工程学院 二 O 一一年五月 Research on Modeling and Control Strategies of PV and Microturbine Hybrid Microgrid A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering By Deng Hao Supervised by Associate.Prof.Zhou Niancheng Major:Electrical Engineering College of Electrical Engineering of Chongqing University,Chongqing,China May,2011 中文摘要 I 摘 要 本论文受重庆市自然科学基金（CSTC2009BB6190）和输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目（2007DA10512709208）的资助。随着能源危机和环境污染的日益严重，微网技术作为一种可行的解决方案，已经成为研究热点。光伏微源以资源丰富、分布广泛、清洁等特点成为最具开发潜力的可再生能源之一。由于光伏发电具有明显间歇性，输出功率受天气变化影响较大，加入可控微源或分布式储能与光伏发电互补形成混合微网，能提高光伏发电的可靠性。在可控微源中，微型燃气轮机发电能同时供应冷热电负荷，具有排放少、效率高及燃料适应性好等优点，已成为冷热电联供微网中最有发展前景的分布式电源，因此研究光伏与微型燃气轮机组成的混合微网运行特性和控制策略具有重要的意义。论文主要内容如下：分析了光伏发电和光伏逆变器原理，研究了光伏发电运行特性及其影响因素。根据光伏阵列数学模型，开发用户定义的光伏阵列与最大功率跟踪控制元件，通过输出电流信号来驱动一恒流源元件，以此模拟实际光伏阵列装置，采用电导增量法实现最大功率跟踪（MPPT）控制。搭建了光伏发电系统模型，验证了光伏阵列的 I-V/P-V 特性曲线，分析了光照及温度变化对系统所传输功率的影响。基于微型燃气轮机与电力电子换流装置工作原理和数学模型，根据微网并网和孤岛运行特性要求，对采用双脉宽调制（PWM）变换器结构的微型燃气轮机发电系统进行了整体建模。为控制交直交变换器中电容电压，整流器采用 PWM 恒压控制；考虑基本的 V/F 和 PQ 控制策略，分别实现并网和孤岛状态下逆变器的控制算法。在动态负荷条件下对微型燃气轮机发电系统运行特性进行了仿真分析。在分析光伏发电和微型燃气轮机动态模型及运行特性的基础上，研究了采用变步长时间序列法预测的光伏与微型燃气轮机混合微网控制策略。混合微网并网运行时，利用可控的微型燃气轮机平滑光伏功率波动，使混合微网成为一个可调度的功率源；孤岛运行时，储能蓄电池与微型燃气轮机共同补偿光伏与负荷功率的差额，实现微网的稳定运行。根据光伏与负荷功率的频率特性，提出了采用变步长时间序列法预测光伏与负荷等效功率曲线，克服微型燃气轮机响应速度慢的缺点。为了提高蓄电池的运行效率和工作寿命，提出了模块化的储能蓄电池管理模型，保证了混合微网运行的可靠性。在 PSCAD/EMTDC 中建立了光伏与微型燃气轮机混合微网仿真模型，在Matlab 中实现控制算法，通过混合仿真，验证了本文提出的理论和方法的正确性。重庆大学硕士学位论文 II 仿真研究了并网、孤岛和并网与孤岛转换三种状态下的运行特性，分析了变步长时间序列法对微网联络线功率波动的影响和蓄电池模块化管理的运行状态。关键词：关键词：光伏，微型燃气轮机，建模，控制策略，时间序列法 英文摘要 III ABSTRACT This thesis was supported by Natural Science Foundation of Chongqing(CSTC 2009BB6190)and independent research project of State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&System Security and New Technology(2007DA105127092 08).With the worsening of energy crisis and environment pollution,microgrid technology has become a hot topic as a feasible solution.The microsource of photovoltaic becomes one of renewable energy sources with the greatest development potential because of abundance,wide distribution,cleanness and so on.Because the PV generation is obviously intermittent,the output power is greatly influenced by the variable weather.In order to improve the reliability of PV generation,the controllable microsource or distributed storage is added in with the PV generation to form hybrid microgrid.Among the controllable microsource,microturbine can supply hot and cold load at the same time.With the advantages of low emission,high efficiency and better fuel adaptability,microturbine has become the most promising distributed power in the combined cooling heating and power microgrid.Therefore,it has great significance to research the operating characteristics and control strategy of the hybrid microgrid composed of PV and microturbine.The main content is as follows:PV generation and PV inverter principle is analyzed to study the operating characteristics and influence factor of PV generation.A user-designed PV array and maximum power point tracking control model are developed.A constant-current source electrical model can be driven by the current output signal of the PV array control,by which a real PV array equipment can be simulated.The incremental conductance method is used to achieve MPPT control.The PV generation system model is builded to verify the I-V and P-V characteristic curve of PV array.The influence of illumination and temperature change on the system transmission power is analyzed.Based on the working principle and mathematical model of microturbine and its power electronic converter,according to the microgrid characteristics in grid and island state,an overall model of a microturbine generation system with double PWM converters is established.In order to maintain the DC voltage,rectifier uses a constant voltage control method.Based on V/F and PQ control strategies,the control algorithm of inverter is achieved in grid and island state.The operating characteristics of 重庆大学硕士学位论文 IV microturbine generation system with dynamic load is analyzed.The dynamic model and operating characteristics of PV and microturbine generation system are analyzed，and the control strategy of PV and microturbine hybrid microgrid using the time series method with variable steps is researched.When the microgrid operates on the grid-connected mode，the controllable microturbine is used to smooth the photovoltaic power fluctuation and make the hybrid microsource becoming a scheduled power source.When the microgrid operates on the islanding mode，the storage battery which responses the rapidly changing power together with microturbine compensated the power difference between PV and load,and this can realize the stable operation of microgird.The time series method with variable steps is adopted to predict the power of PV and load according to their frequency characteristics,and the microturbines disadvantage of slow response is overcome.In order to improve the efficiency and lifespan of batteries,a modular control mode for battery management is proposed to guarantee the reliability of hybrid microgrid.The PV and microturbine hybrid microgrid simulation model is established in PSCAD/EMTDC,the control algorithmic is achieved in Matlab.It verifies the validity of the proposed theory and method through hybrid simulation.The operating characteristics in three state contained grid-connection,islanding and mode switching are analyzed.The influence of variable step time series method on the power fluctuation of microgrid junctor is analyzed,and the status of the modular battery management is researched.Key words:Photovoltaic,Microturbine,Modeling,Control Strategy,Time Series Method 目 录 V 目 录 中文摘要中文摘要.I 英文摘要英文摘要.III 1 绪绪 论论.1 1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义.1 1.2 微源及微源研究现状微源及微源研究现状.2 1.2.1 微网特点及微源分类.2 1.2.2 光伏发电研究现状.3 1.2.3 微型燃气轮机发电研究现状.5 1.3 混合微网控制策略研究现状混合微网控制策略研究现状.7 1.4 本文所作的工作本文所作的工作.9 2 光伏发电系统模型及特性分析光伏发电系统模型及特性分析.11 2.1 引言引言.11 2.2 光伏发电系统结构光伏发电系统结构.11 2.3 光伏阵列数学模型光伏阵列数学模型.12 2.4 光伏发电系统控制策略光伏发电系统控制策略.15 2.4.1 最大功率跟踪控制（MPPT）.15 2.4.2 光伏逆变器控制策略.18 2.4.3 光伏发电控制仿真模型.21 2.5 光伏发电系统特性仿真分析光伏发电系统特性仿真分析.21 2.5.1 光伏电池特性分析.22 2.5.2 光伏发电系统输出特性分析.24 2.6 小结小结.27 3 微型燃气轮机发电系统建模及特性分析微型燃气轮机发电系统建模及特性分析.29 3.1 引言引言.29 3.2 微型燃气轮机发电系统结构微型燃气轮机发电系统结构.29 3.3 微型燃气轮机数学模型微型燃气轮机数学模型.30 3.4 双双 PWM 变换器模型及其控制策略变换器模型及其控制策略.34 3.4.1 整流器模型及其控制策略.34 3.4.2 逆变器模型及其控制策略.38 3.5 微型燃气轮机发电系统特性仿真分析微型燃气轮机发电系统特性仿真分析.41 3.6 小结小结.44 重庆大学硕士学位论文 VI 4 光伏与微型燃气轮机混合微网控制策略光伏与微型燃气轮机混合微网控制策略.45 4.1 引言引言.45 4.2 混合微网控制结构混合微网控制结构.45 4.3 基于变步长时间序列法的微型燃气轮机功率控制基于变步长时间序列法的微型燃气轮机功率控制.47 4.3.1 预测控制的必要性.47 4.3.2 传统时间序列法.47 4.3.3 改进变步长时间序列法.51 4.4 基基于模块化的蓄电池能量控制于模块化的蓄电池能量控制.54 4.4.1 传统蓄电池模型.54 4.4.2 改进蓄电池模块化管理.56 4.5 小结小结.58 5 仿真分析仿真分析.59 5.1 引言引言.59 5.2 算例分析算例分析.60 5.2.1 并网运行.60 5.2.2 孤岛运行.63 5.2.3 并网与孤岛转换.65 5.3 小结小结.68 6 结论与展望结论与展望.71 6.1 结论结论.71 6.2 展望展望.72 致致 谢谢.73 参考文献参考文献.75 附附 录录.79 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 能源是人类赖以生存的基本条件和社会发展的原动力，随着人类文明的进步，能源问题已成为人们日益关注的焦点问题。近年来，随着我国经济的高速发展，电力需求迅速增长，电力系统所利用的一次能源大多集中在火电、水电及核电等传统能源上，化石能源占了相当大的比例。随着化石能源的进一步消耗，人类面临着日益严重的能源危机。根据本世纪初相关的调查显示：在几大传统能源中，煤炭可开采时间最长为 227 年，石油和天然气可开采时间仅为 50 年左右，可开采的化石能源已经所剩无几1。造成人类生存环境恶化的主要原因之一是大量化石能源的开采和利用，如化石能源的燃烧所排放出的含氧硫化物和二氧化碳直接导致了酸雨和地球温室效应的产生。21 世纪，人类面临着经济和社会可持续发展的双重挑战，必须在有限资源和环境保护要求的双重制约下发展经济，这就要求我们所寻找的替代能源必须是清洁的可再生能源。因此，开发利用太阳能、风能等可再生能源，研究太阳能发电、风力发电、微型燃气轮机、垃圾发电等新型环保型发电技术，将是实现真正可持续发展的必由之路2。随着电网规模的不断扩大，电力系统已发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网络系统，通过复杂的功率潮流等控制器对其进行连续调节，并对大多数干扰具有较强的鲁棒性。但近年来随着用电负荷的不断增加，而电网建设没有同步发展，使远距离输电线路的输送容量不断增大，受端电网对外来电力的依赖程度也不断提高，使电力系统的弊端也日益凸现，主要有：现在全世界的供电系统都是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统，任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃；市场经济加大了发电厂投资、负荷波动等因素的随机变化，而大型电力系统不能够灵活跟随负荷变化，造成了发输电设备投资容量的浪费；集中大电网结构对偏远地区的供电会造成输电费用偏高，而且这种集中式供电系统难以实现热电联产，造成发电热量白白损失3。尤其在近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故之后，电网的脆弱性充分暴露了出来。由于分布式发电（DG）具有的独特优点，如安装地点灵活、污染少、可靠性高、能源利用效率高等，使得大电网的许多潜在问题得到有效解决。作为新能源接入的一种解决方案，21 世纪初学者们提出了微网的概念4。微网从系统观点出发将负荷、发电设备、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时把电能和热能提供给用户。微电源是微网中的主要电源，也重庆大学硕士学位论文 2 就是带电力电子界面的小型机组（小于 100kW），包括风力发电机、光伏电池、微型燃气轮机、燃料电池等。微网不仅可以与公共电网相连并网运行，也可在大电网发生故障或需要时与公共电网断开单独运行5。其中，光伏发电以资源丰富、分布广泛、清洁等特点成为最具开发潜力的可再生能源之一，由于光伏发电具有明显间歇性，输出功率受天气变化影响大，为了提高光伏发电的可靠性，减小并网时对大电网的影响，需要加入可控微源（如微型燃气轮机等）与光伏发电互补形成混合微网。1.2 微源及微源研究现状 1.2.1 微网特点及微源分类 微网技术作为分布式能源向电网供电的高效利用平台，在分布式发电技术发展中具有举足轻重的作用，与电力系统安全、稳定和经济运行息息相关。微网技术是分布式发电技术、新型电力电子技术、储能技术和可再生能源发电技术的综合，具有有以下特点：微网提供了一个集成有效应用 DG 单元的方式，继承拥有了所有单独 DG单元所具有的优点；微网作为一个独立可控的模块，不会对公用电网产生不利影响，不需要对大电网的运行策略进行修改；微网可以以灵活的方式将 DG 单元断开或接入，即 DG 单元具有“即插即用”（plug-and-play）的特点；DG 单元并网时出现的许多问题都是由 DG 单元响应惯性小、速度慢的特点引起的，多 DG 单元联网的微网增加了系统容量，具备相应的储能系统（蓄电池储能系统、超级电容储能系统等）6，使系统惯性增加，减轻了电压波动和电压闪变现象，从而提高了电能质量；微网中 DG 单元可以是多种能源形式（风电、光电、燃料电池等），还能以热电联产（combined heat and power，CHP）或冷热电联产（combined cold heat and power，CCHP）的方式存在，向用户就地提供热能，提高了 DG 单元利用率；微网在上级网络发生故障时能够独立运行继续保障用户供电，提高了供电可靠性。其中，孤岛运行能力是微网最重要的特点。从用户负荷来说，微网可以看成一个独立自治的电力系统，它能满足用户对电能质量和可靠性的要求。从大电网一侧来看，微网就像电网中发电机或负载一样，是一个模块化的整体。微网中微源主要分为以下几类：风力发电。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，1 绪论 3 全球可利用的风能约为2107 MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源丰富，仅陆地储量约为 2.53108kW，截至 2010 年全国累计风电装机容量已突破 3107kW7。世界风能市场近 5 年的增长速度约为 40%，风电成本已降至 1980 年的 1/5，预计未来 2025 年的增长速度为 25%。随着技术进步与环保事业的发展，风力发电在商业上和煤电的竞争力还将增强。光伏发电。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将可再生的太阳能直接转化为电能的一种技术。2005 年，德国太阳能发电总装机容量为 1570MW（相当1台大型核反应堆）。同年，全球太阳能市场约112亿美元，比上年增加55，据预测，2015 年太阳能市场将达 510 亿美元。到 2010 年，我国太阳能光伏发电成本将会降至 1 元/千瓦时左右，达到或接近常规发电成本价格，从而使太阳能光伏发电拥有替代化石燃料的经济基础和商业价值8。微型燃气轮机。微型燃气轮机属于内燃机，是目前最成熟、最具商业竞争力的分布式电源。先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低噪音、低排放、高效率等特征，是提供清洁、可靠、高质量及多用途的分布式发电及冷热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用9。燃料电池。燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有效率高、清洁无污染、低噪音、负载能力强且安装便捷经济等特点。燃料电池按电解质可分为：碱性燃料电池（AFC）、聚合电解质膜电池（PEM）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体电解质燃料电池（SOFC）。目前 PAFC 技术较成熟且已商业化；最有望用于电力系统发电的是新一代 MCFC 和 SOFC10。1.2.2 光伏发电研究现状 光伏发电是一种将光照辐射的光能直接转换为电能的发电形式，对光伏发电技术的研究始于一个多世纪以前。早在 1839 年，法国科学家 A.E.贝克勒尔（Becqurel）就发现，把两片金属插入溶液形成的伏打电池，在光照时会产生额外的伏打电势，这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。十九世纪八十年代 Charles Fritts 开发出以硒为基础的光伏电池，以后人们即把能够产生光伏效应的器件称作“光伏器件”。半导体 P-N 结器件在光照辐射下的光电转换效率最高，通常这类光伏器件被称为“光伏电池”（solar cell）。1954 年，美国贝尔实验室首次制成了光电转换效率为 6%的实用单晶硅光伏电池，诞生了将太阳能转换为电能的实用光伏发电技术11。我国研究光伏电池开始于 1958 年，并于 1971 年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星上。1973 年光伏电池开始应用于地面。在 1980 年以前我国光伏工业尚处于雏形，光伏电池的年产量一直保持在 10kW 以下，价格也十分昂贵。1980重庆大学硕士学位论文 4 年以后，国家开始对光伏工业和市场的发展给以极大的支持，中央和地方政府对光伏领域投入了大量资金，使得我国非常弱小的光伏电池工业得到了巩固和提高，并相继建立了示范工程，如微波中继站、石油管道的阴极保护系统、水闸、部队通信系统、农村载波电话系统、并网发电系统、小型户用系统和村庄供电系统等。截至 2001 年，我国太阳电池的生产实际总量达到 4.5MW，累计用量已经超过20MW12。进入21世纪，国内外研究学者对光伏发电做出了大量深入的研究，并已成为一个研究热点13-22。光伏并网发电一直是光伏发电研究的热点之一。文献13提出了一种光伏并网发电系统模型结构。基本的发电模型单元包括两块并行的光伏电池板和一个buck-boost PWM转换器。采用一种新的基于光伏电池模块的MPPT算法来调节并行光伏发电电池的电压。几个光伏发电模型并联到一个装有标准有功功率过滤器的直流母线上，然后连接到配电网。并网的换流器用来调节直流母线电压到达一个最优值，再把各个发电单元输出的功率注入到公共电网。每个发电单元都可以作为一个独立的转换器来工作，这样各个单元之间或者单元与主滤波器之间就不需要信号通信。针对光伏阵列的特点，文献14则提出了在与电网电压矢量同步旋转的dq坐标系下，应用同步矢量电流PI调节器与电流前馈补偿的方法对公共节点并网电流进行闭环控制的同时又能快速稳定实现光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT），使系统具有良好的稳态与动态性能。针对光伏并网发电系统处于孤岛运行时会出现的问题，文献15介绍了孤岛产生的原理及带来的不良影响，分析了传统的有源孤岛检测方法和无源孤岛检测方法，针对已有孤岛检测方法的不足，提出了电压前馈正反馈扰动孤岛检测方法，使公共耦合点电压趋于不稳定，从而通过欠电压/过电压检测判断孤岛的发生。文献16提出了一种包含新的功率变换器控制策略、最大功率点跟踪和孤岛检测方法的光伏并网发电系统。新的功率变换器配置包括新开发的DC/DC功率变换器和DC/AC功率变换器。为简化传统的抑制扰动和观察MPPT方法的电路，提出了一种新的用于光伏发电系统的MPPT方法，并应用于DC/DC变换器的控制策略上。另外，还开发了一种基于电阻的光伏并网发电孤岛检测系统，将其应用于DC/AC变换器的控制上，这样能够及时有效地检测孤岛状态。光伏发电的控制策略是光伏发电研究的基础，在此研究方向上众多研究学者做了大量卓有成效的研究。文献17提出了基于模糊控制策略的风光互补能源系统，在详细考虑了各种因素对蓄电池影响的基础上，利用专家数据完善了模糊规则库，建立了合理的模糊充电控制结构；同时，在对系统直流输出的控制中采用Fuzzy/PID控制，结合传统PID控制稳态响应特性好的优势，稳定了直流输出电压。文献18提出了一种太阳能独立光伏发电系统。由于双向变换器在该系统中承担了1 绪论 5 双向输送能量的任务，因此实现系统能量管理的核心是对双向变换器的合理有效控制。通过分析系统能流模型的运行原理，详细给出了系统双向变换器的双向流通控制策略和延时同步整流控制策略。光伏发电系统的运行需要快速准确地进行最大输出功率跟踪，是整个光伏发电系统运行的核心。文献19提出了一种应用于光伏发电系统的MPPT算法：“爬山算法”（“Hill Climbing algoorithm”）。该方法在每一步计算中都计算出P-V斜率的立方，通过计算，得到光伏发电电压的方向而不需要再做任何的斜率和信号控制。另外，提出了一种应用于光伏发电系统的方法，此方法包括光伏发电电池组并联和串联两种情况。DC/DC buck-boost 转换器用于把光伏发电电池组连接起来，采用MPPT算法进行控制，使输出电压保持恒定。文献20详细综述了光伏阵列最大功率点跟踪的各种方法，归纳了扰动自寻优、基于优化数学模型、输出端控制及智能处理方法等四类方法，分别说明了各种跟踪控制方法的优点和不足之处，并指出了最大功率点跟踪控制的研究方向。光伏发电在微网中的应用起步相对较晚，但已有学者对这一问题进行了分析和研究。文献21通过算例仿真研究了不同分布式电源配置方案下微网的动态行为，重点研究了储能设备在微网运行控制中的作用，文中光伏发电系统采用单级逆变电路直接并网，并没有考虑光伏电源输出功率的波动性。在文献22中，分布式电源采用统一的电力电子接口和储能设备接入微网，并提出了蓄电池容量的选择方法，但该方法主要针对具有可调功率的微电源，对输出功率具有随机波动性的光伏电源很难确定其上升和下降率。综上所述，目前国内外的研究学者对光伏发电做了大量的研究，包括并网和孤岛运行的光伏发电系统，光伏阵列的最大功率点跟踪控制（MPPT）、孤岛检测以及逆变器的控制策略等，都各自具有一定的特点，在很大程度上推动了光伏发电产业的发展，但是对于光伏发电在微网中的应用及与其他微源配合的研究还相对较少。1.2.3 微型燃气轮机发电研究现状 先进微型燃气轮机（Advanced Microturbine）是一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为 25300kW，由燃气轮机、燃烧室、回热器、压气机、发电机及电力控制部分组成，以天然气、甲烷、柴油、汽油等为燃料。其基本结构特点是采用径流式叶轮机械或空气轴承，结构简单、重量减轻、机组尺寸小、优点显著，可产生大量品质极佳的余热烟气，其温度约为 500，利用价值极高，是目前分布式发电系统特别是小型冷热电联产系统的主要动力设备23,24。目前，微型燃气轮机产品主要包含两种结构类型，一种是单轴（single-shaft）结构，另一种是分轴（split-shaft）结构。单轴结构微型燃气轮机中燃气涡轮与发重庆大学硕士学位论文 6 电机同轴，因此发电机转速比较高，需要采用电力电子器件对高频交流进行整流逆变；分轴结构微型燃气轮机中动力涡轮与燃气涡轮采用不同转轴，通过变速齿轮与发电机相连，因为降低了发电机转速，所以可以直接并网运行。由于单轴结构微型燃气轮机具有系统效率高、结构紧凑、可靠性高的优点，本文主要研究单轴微型燃气轮机，下文提到的微型燃气轮机主要是指单轴结构。微型燃气轮机发电机具有以下四项主要特征：微型燃气轮机：这种非常小型的高速燃气轮机采用了简单径向设计原理，和大型工业用燃气轮机复杂的轴向设计相比较，更简单可靠；与往复式内燃机相比较，排放更低，振动更小，结构更紧凑，维修成本更低。微型燃气轮机的主要性能为单级径向透平、单级径向压缩机、低排放环型燃烧器、压比 4:1 和空气轴承（或双润滑油系统轴承）。高速交流发电机：高速发电机和微型燃气轮机处于同一根轴上，由于它体积非常小可以装进燃机机械装置内，从而组成一个结构更加紧凑的高转速透平交流发电机。这种装置不需要减速箱，交流发电机同时可作为启动电动机，进一步减小发电机组体积。高效回流换热器：高效低成本耐用的热交换器用来增加微型燃气轮机的效率，使其可以达到与往复式发电机组竞争的程度，其功能是先预热燃烧室需要使用的空气，减少燃料消耗量。回流换热器采用不锈钢制成外壳，寿命较长，效率可以达到 90%，微型燃气轮机效率则可以从 18%达到 30%。电力变换控制器：交流发电机输出的高频电能频率为 10003000Hz，必须转换成 50 或 60Hz 的工频交流电能。由微型处理机控制的电力电子变换装置进行输出电压和频率的转换，便于提供不同特性和质量的电能。电力电子变换装置能够根据负荷的变化调节转速，同时可以根据外部电网负荷的变化改变运行状态，或作为独立电源运行；微型控制器还能够进行远程控制、监测和管理24。由于微型燃气轮机具有以上显著特点，使得微型燃气轮机的应用很广，可以用于分布式发电、冷热电联产系统以及微型燃气轮机-燃料电池联合系统等25。因此，先进微型燃气轮机发电技术得到了国内外的高度重视。微型燃气轮机的雏形可追溯到 20 世纪 60 年代，但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则比较短。微型燃气轮机发电技术在日本和美国兴起，这种高效率、小型化和分散型的发电装置，有可能成为 21 世纪能源技术的主流。目前，美国、日本和欧洲国家都在进一步加强新一代微型燃气轮机发电系统的研究、开发和演示。其核心技术是高速转子，转速为 50000120000r/min；烟气回注；小型永磁同步发电机；自动控制技术。国外具有代表性的厂商主要有英国的 Bowmen 公司，美国 Capstone 公司和 Honeywell 公司，产品从 2580kW，1 绪论 7 同时各公司都在开发 2001000kW 的微型燃气轮机26。虽然我国在微型燃气轮机发电技术心及制造工艺水平落后国际先进水平，但国家对该领域以及从事该领域的公司和企业给予了高度的重视。2002 年 7 月，国家计划能源技术领域办公室决定对“十五”863 计划能源技术领域燃气轮机（微型、重型）重大专项进行公开招标，这就标志着我国对此领域已经开始正式研究和开发。截至 2006 年初，我国已经完成了 100kW 级微型燃气轮机及热电联产系统研制运行。我国已完成了微型燃气轮机的总体设计方案，关键部件设计、制造及试验，完成验证机的设计、制造以及组装，正在进行整机调试等工作。通过 100kW级微型燃气轮机的研发，我国已成为掌握微型燃气轮机设计、制造技术并具有成套生产能力的国家。微型燃气轮机发电系统的模型与控制是研究的基础，众多学者对其进行了大量的研究。文献27根据微型燃气轮发电机系统的动态特性，把微型燃气轮机及其电气部分当作统一的整体，建立了微型燃气轮发电机系统完整数学模型，并且进一步研究了微型燃气轮机和逆变器的基本控制策略，重点分析了该系统的动态特性，特别是负荷扰动时的动态特性，仿真结果表明该系统模型可以反映实际微型燃气轮发电机系统特性。文献28根据微型燃气轮机发电系统的运行特性，考虑基本的 V/F 和 PQ 控制策略，利用正弦脉宽调制（SPWM）逆变器，以“统一”模块化思想建立了微型燃气轮机发电系统整体模型，在动态负荷条件下对微型燃气轮机发电系统进行仿真分析，验证了微型燃气轮机与电力电子变流装置及负荷间的相互影响。文献29根据单轴微型燃气轮机和永磁同步发电机特点，建立了使用双脉宽调制（PWM）换流器的微型燃气轮机发电系统动态仿真模型，为控制交直交变换器中电容电压和提高微型燃气轮机控制系统响应速度，模型中采用参考负荷功率的 PWM 恒压控制方式，与采用二极管整流装置的微型燃气轮机系统相比，该模型可对永磁同步电机转矩和整流器直流电压进行协调控制，使得系统充分利用负荷功率变化的信息。上述研究具体分析了微型燃气轮机模型及变流器的控制策略，但对此模型在微网中的适用性及动态特性并未进行深入分析。1.3 混合微网控制策略研究现状 由于微网中含有较多的微电源，不同的微源具有不同的运行特性，根据它们的运行特性对其进行合理的组合，进行协调控制，才能实现能源的最大利用。风力发电和光伏发电是近些年来发展最快的分布式发电技术，它们已成为最具开发潜力的可再生能源发电技术，同时，风能和太阳能受天气影响大，具有明显的间歇性，为保证用户供电的稳定性，独立的风能或光伏分布式电源需要配备较大容重庆大学硕士学位论文 8 量的储能装置。然而风能和太阳能具有天然的互补性，即晴天通常风速较小，晚上或阴天才伴有强风，因此风能/光伏混合微网的供电可靠性高于独立的风能或光伏微网，同时还可以合理配置储能装置的容量。文献30建立了直流母线连接的风能/光伏混合并网发电系统的模型，重点分析了并网变换器的控制策略，为了最大利用可再生能源，对风能与光伏输出功率采 用最大功率跟踪，并利用PSCAD/EMTDC 进行仿真