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微型燃机发电系统的一体化控制研究

闫士杰  
【摘要】:微型燃机发电系统是一种新型能源发电系统,具有清洁、可靠、多用途等优点,应用于分布式发电系统和冷热电联供系统,以及作为备用电源、便携式电源和特种军用电源,具有广泛的应用前景和重要的研究价值。 本文以国家“863”项目“100kW级微型燃气轮机研制(2002AA503020)”和“电气传动及控制系统节能技术的研发(2006AA04Z183)”为依托,研究了燃机起动、运行控制及电力变换等全过程,构造了燃机一体化控制系统,建立了燃机发电系统非线性动态数学模型,提出了基于转速的自适应模糊H∞控制。为了提高微型燃机系统电能转换质量和供电质量,提出了高频PWM整流器自适应控制策略和基于阻抗变换的三相四桥臂逆变器解耦控制策略,研制了燃机控制系统和电力变换器系统。 在一体化控制方面,通过分析燃机本体结构和实现的目标,将燃机起动控制、速度控制、燃料压力控制、整流及逆变控制等整合到以燃机控制为核心的控制系统中,最后采用中央控制单元整体协调,构造完备的一体化微型燃机控制系统。通过对燃机系统的机理分析,基于能量守恒和质量守恒原则,根据燃机热力学理论和国家“863”计划项目的控制目标,推导了燃机转速、排气温度、透平入口压力、透平入口温度、压气机出口压力等关系方程,建立了基于燃机转速、透平入口压力和排气温度的系统非线性状态空间方程模型。同时,针对微型燃机内的一体化永磁同步发电机,建立了dq0坐标系下的电压方程、磁链方程、电流方程、电磁转矩方程、运动方程和功率方程。 在燃机控制方面,为抑制因一体化控制时带来的电磁干扰,在速度给定和反馈通道上,嵌入了跟踪微分器。针对电磁干扰频率可测和幅值有界的特点,应用线性函数代替非线性饱和函数,重新构造了快速的跟踪微分器,从而进一步减小了跟踪延迟。由于燃机动态模型非常复杂,且存在很大的不确定性,所以本文提出了燃机转速的自适应模糊H∞控制策略,应用线性矩阵不等式控制技术,在李亚普诺夫稳定意义下设计了自适应模糊PID控制器以及在线自适应调节的鲁棒H∞控制补偿项,以减小模糊逼近误差和外部干扰对控制性能的影响,保证了闭环系统的稳定性和跟踪性能。仿真研究结果表明,应用提出的复合控制方案对抑制电磁干扰和转速跟踪都取得了良好的控制效果,具有很好的实时性,易于工程上的实现。 在PWM整流器控制方面,通过分析PWM整流器的工作原理和基于永磁同步发电机模型,建立了PWM整流器模型,对系统进行了功率控制。考虑微型燃机发电系统容量小,受负载波动影响大,以及负载不确定性的特点,在功率控制的基础上,提出了直流侧电压自适应H∞控制方案,在李亚普诺夫稳定意义下,通过自动补偿负载变化,实现直流侧电压稳定和高功率因数。仿真结果验证了所提方案的有效性和实用性。 在三相四桥臂逆变器控制方面,提出了基于内阻变换的三相四桥臂解耦控制策略。主要将逆变器和其输出滤波器作为一体化逆变电源,进行一体化建模和一体化控制。经过等效变换,将零线桥阻抗值变换为零,将其它各相的阻抗等效地降为较低的阻抗值,将其解耦成三个相互独立的单相逆变器。这样就将三相四桥臂逆变器控制控制问题转化成了单相逆变器控制问题。控制方法上,采用幅相多环控制,这样不但能使逆变电源独立运行,也能通过跟踪电网的频率进行并网运行,完全发挥出了四桥臂逆变结构的优势,特别是对不平衡和非线性负载具有良好的控制能力。仿真结果验证了该控制方法的正确性和有效性。 最后,对微型燃机控制系统、PWM整流器和三相四桥臂逆变器分别研制了样机,在100kW微型燃机发电机组实验平台上进行了实验研究,对燃机系统的起动、点火、加速、脱机和发电等全过程进行了实验。从实验数据和实验波形看,一体化控制系统及其控制策略达到了预期效果。


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