2024年7月23日星期二
第三章 微型电源工作原理和控制
§3-1 微型涡轮发电机的建模和仿真
§3-2 燃料电池系统的建模
§3-3 光伏(Photovoltaic，PV)发电系统
§3-4 小型风力发电系统
§3-5 微电网中能量存储设备
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§3-1 微型涡轮发电机的建模和仿真
一、微型涡轮发电机组的基本工作原理
如果不考虑微型涡轮发电机组的容量大小，则它们的基本运行原理相同，即将某种形式的机械能转换为电能。
随着涡轮发电机组的类型、容量的不同，这一能量转换的过程将有很大的差异。
大容量的蒸汽涡轮发动机和大型的同步发动机基本的运行和控制原理可总结如下：
系统稳定运行时，进入涡轮发动机的蒸汽流量所对应的功率等于发电机所输出的电功率，发电机和涡轮发动机的转速同步，发电机所输出的正弦电信号与电网信号相位相同。
在负荷的暂态响应期间，负荷所需能量首先来自于大型涡轮发动机和发电机转子的转速变化。涡轮发动机的转速控制系统将检测出转速的变化，并调节蒸汽流量，使得其转速达到设定的数值。
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§3-1 微型涡轮发电机的建模和仿真
微型涡轮发电机组的基本工作原理
稳态工作时，进入涡轮的天然气和空气的燃烧所获得的能量与发电机输出电能相等，微型涡轮发电机组的转速不是关键的因素，因为发电机输出的正弦交流信号首先经过整流然后再通过逆变器输出。直流侧电压必须保证能够提供逆变器输出的功率的要求，该运行模式需要对微型涡轮发动机的转速进行良好的控制。
在负荷暂态响应期间，所需的功率也可首先从微型涡轮发动机转子的转速变化获得，但是由于系统的转动惯量比较小，所存储的动能也小，因此转子的转速将变化迅速。微型涡轮发动机的转速控制系统将检测出转速的变化，并调节输入到微型涡轮发动机的燃料流量，使发动机的转速达到设定数值。微型涡轮发动机的转速需要迅速调节，保证发电机能够正常运行。在这种运行模式下，涡轮发电机组也能跟随负荷的变化。
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§3-1 微型涡轮发电机的建模和仿真
二、微型涡轮发电机系统的结构
微型涡轮发电机系统的基本功能方框图
回流换热器利用燃烧过程产生的排出废气，增加了系统的效率。
系统中的发电机为永磁发电机 。
发电机和电力电子接口电路的方框图
逆变器采用电压源逆变器，可采用PWM控制、矢量控制或其它类型的控制方式。
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§3-1 微型涡轮发电机的建模和仿真
三、微型涡轮发电机组的数学模型
Idc=0，设直流母线电压为500V，转子转速为52000rpm
用Honeywell微型涡轮发电机参数计算Kv、Ke和Kx。
当输出功率60kW时，转速为60000rpm ，直流侧电压为515V
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§3-1 微型涡轮发电机的建模和仿真
输出功率和转矩：
微型涡轮发电机的转速模型：
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§3-1 微型涡轮发电机的建模和仿真
为验证转速模型，在转速的输入端加入了一个二阶的控制器，模拟燃料控制和调节器的动态特性。
为了使得模拟结果与Honeywell 75kW的发电机的实际响应接近，采用曲线拟合建立转速和功率给定值之间的关系。