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基于飞轮储能的船用燃机直流微电网大功率负载响应特性.pdf
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1、第45卷第17 期2023年9月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.45,No.17Sep.,2023基于飞轮储能的船用燃机直流微电网大功率负载响应特性李月明,丁泽民,余又红,刘永葆(海军工程大学动力工程学院,湖北武汉430 0 33)摘要:为充分利用飞轮储能对船舶直流微电网功率补偿的优势,弥补燃气轮机发电系统输出功率调节响应慢的不足,对船用燃机直流微电网大功率负载下的飞轮储能系统控制策略和电网响应特性进行研究。本文基于10 0 kW实装微型燃气轮机发电机组,建立了包括燃气轮机、发电机、飞轮储能系统的船舶直流微电网模型,并在有无飞轮储能系统的情况下,分别突
2、加、突卸40%、6 0%、8 0%额定功率负载,详细分析不同负载模式下直流母线电压、发电机转速和飞轮转速的变化特性。结果表明,所提出的飞轮储能系统控制策略可以及时补偿大功率负载冲击下发电机和负载之间功率不平衡,防止母线电压和同步发电机转速波动过大,有效提升微型燃气轮机发电系统的电能质量和稳定性。关键词:微型燃气轮机发电系统;飞轮储能系统;直流微电网;大功率负荷;控制策略中图分类号:U665.12文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)17-0 10 2-10Characteristics of ship gas turbine DC grid with flywheel ener
3、gy(College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)Abstract:In order to make full use of the advantages of flywheel energy storage in power compensation of marine DCmicrogrid and make up for the shortage of slow output power regulation response of gas turbine power ge
4、neration system,the control strategy of flywheel energy storage system and the grid response characteristics under high power load of marinegas turbine DC microgrid are studied.Based on a practical 100 kW micro gas turbine generator set,a marine DC microgridmodel including gas turbine,generator and
5、flywheel energy storage system is established.The changes of DC bus voltage,synchronous generator speed,are studied by abruptly loading and unloading 40%,60%and 80%rated loads with or withoutflywheel energy storage system.The results show that the control strategy of the flywheel energy storage syst
6、em proposed inthis paper can compensate the power imbalance between the generator and the load in time,prevent the bus voltage and syn-chronous generator speed from large fluctuation,and effectively improve the power quality and the stability of micro turbinegeneration system.Key words:micro gas tur
7、bine power generation system;flywheel energy storage system;DC microgrid;high-power load;the control strategy文献标识码:Astorage under high power loadLI Yue-ming,DING Ze-min,YU You-hong,LIU Yong-baodoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.17.0210引言船舶电力系统所获得的优势引起了人们对全电力船舶日益浓厚的兴趣 1-2 。相对于交流电力系统,直流收稿日期:2 0 2 2-0 8
8、-2 0基金项目:国家科技重大专项项目(J2019-I-0012-0012)作者简介:李月明(1996),男,硕士研究生,主要研究方向为动力机械及热力系统的设计、仿真与优化。电力系统更适合用于船舶,优势在于直流电力系统主母线不受与之连接的同步发电机频率限制,而且节省空间和重量,设备布置灵活 3-4。作为发电原动机的微型燃气轮机具有高功率密度、高可靠性、高效率、第45卷低维护、低排放等特点,在船舶电力系统、分布式能源等领域应用非常广泛 5-。船舶电力系统是一个独立的发电系统,极易受冲击载荷的影响 7 。船舶上各种大功率电气设备逐渐增加,大功率设备在投切时会引起瞬时的负载突变 8-9。而解决冲击负
9、载问题的理想方法是在原动机末端进行调节,这要求燃气轮机发电系统(MicroTurbineGener-ation System,M T G S)必须具备输出功率的快速调节能力。然而,由于燃气轮机燃烧机制缓慢,输出机械功率的响应很慢。这种较慢的响应特性使之抗冲击负载的能力较差,因此研究基于瞬时功率平衡的解决方案。目前解决电网负载不平衡最有效的途径是在电网中增加储能装置 10-1,利用储能装置的功率特性进行快速的充放电以解决原动机输出功率响应慢的问题。目前,典型的储能装置包括飞轮储能、超级电容器储能、电池储能等 12-13。相比于其他储能,飞轮储能系统(FlywheelEnergyStorage S
10、ystem,FESS)具有能量密度高、工作温度范围宽、瞬态响应快、可靠性高、使用寿命长、经济效益好等显著特点14。飞轮储能的高功率动态响应可弥补燃气轮机低动态响应问题,平衡系统瞬态下的功率,维持直流母线电压在稳定范围内,增强MTGS对冲击性负荷的适应性。因此,FESS的应用可较好地解决船舶电力系统冲击负载的问题。Saleh等 15 提出一种新型的微电网飞轮储能拓扑结构,将飞轮储能连接在燃料电池和光伏逆变器的同一直流母线上,而不是与单独的并网逆变器连接,研究表明FESS能够承受负荷、光伏和风力的变化,提高了微电网内部的功率因素。刘永葆等 16 将飞轮储能应用于燃气轮机发电系统,关注微型燃气轮机转
11、速、交流电网电压和发电机功率的变化。其研究对象是交流电力系统,没有关注对直流母线电压的影响。邱子鉴等 17 以光伏微电网为基础,分析了功率波动产生的原因以及蓄电池和超级电容的充放电特性,用储能系统平抑光伏并网引起的波动以提高电能质量,最终提出了一种改进的模糊下垂控制策略,通过对下垂系数的快速调整实现对变换器输出量的动态控制。支娜等 18 以抑制直流微电网离网模式下母线电压的波动为目的,以虚拟直流电机为切人点,通过分析小信号模型得出母线电压出现稳态误差的原因,阻尼系数越大对母线的影响越严重,针对此问题提出一种储能变换器改进虚拟直流电机控制策略可消除因阻尼系数变化对母线造成的影响。梁明玉等 19
12、针对微电网并网与孤岛运行模式切换产生的冲击问题,提出一种改进的下垂控制策略,此策略的下垂系数会随实际输出功率的变李月明,等:基于飞轮储能的船用燃机直流微电网大功率负载响应特性1微型燃气轮机发电系统模型本文所建MTGS整体模型如图1所示。该系统模型由微型燃气轮机、带有励磁系统的三相同步发电机、二极管整流器、阻性负载和FESS组成。微型燃气轮机输出机械扭矩Tm,从而驱动同步发电机发电,n微型燃发电机气轮机u.整流器Tm励磁Udc调节器图1微型燃气轮机发电系统整体模型Fig.1 Overall model of a micro gas turbine powergeneration system10
13、3 化而做出相应调整,之后通过搭建仿真验证了该策略的可行性。当前关于微电网储能系统与发电单元之间的控制策略优化研究,主要针对以新能源为主的交流微电网。其中储能系统一般用于平抑并网和孤岛模式切换时引起的波动以提高电能质量,而对以燃气轮机发电机组为主体的船舶直流微电网以及大功率负载投切对电力系统稳定性影响的研究较少。船舶直流微电网有其独特的性能,区别于交流微电网复杂的电能变换环节,直流微电网电能变换环节少,系统结构简单,运行效率得以提升,且直流电网不考虑交流电中含有的无功分量和频率的问题,简化了控制系统。同时,船舶直流负载的应用日益普遍,且单装备、单系统功率不断增加,大功率负载的投切会对船舶电力系
14、统造成明显冲击。因此,研究直流微电网系统的负载冲击和稳定性能是本领域现实而迫切的问题。本文以带有FESS的MTGS直流微电网为研究对象,设计FESS的控制策略,突加、突卸大功率负载,研究直流母线电压和同步发电机转速的变化特性,分析FESS的应用对电网和燃气轮机发电机组波动的平抑效果。为更好地研究带有FESS的MTGS在冲击负荷作用下的瞬态稳定性,本文基于实际的10 0 kW微型燃气轮机装置,建立包括FESS的MTGS仿真模型,设计基于空间矢量脉宽调制的FESS双闭环控制策略以及模式自动切换控制策略,并分别在投切40%、6 0%、80%额定功率负载,有无FESS的情况下进行仿真实验,得到了直流母
15、线电压和同步发电机转速的变化特性以及飞轮储能系统的变化特性,进一步分析了系统的动态响应特性。ua二极管飞轮储能系统负载104 同步发电机又将测量转速n反馈给微型燃气轮机。同步发电机输出的三相电压ua、u b、u c 经不可控二极管整流器转变为直流母线电压Udc。励磁系统由反馈回的直流母线电压Udc进行调节,输出励磁电压Vf调节同步发电机端电压,使其维持在给定值。阻性负载和FESS并联在直流母线上。1.1微型燃气轮机微型燃气轮机作为主动力装置,驱动发电机发电。本文以现有的10 0 kW单轴微型燃气轮机实装为主体构建发电系统。微型燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮、转子等部件组成。在文献 2 0
16、的基础上,采用模块化建模的方法构建微型燃气轮机的Sim-ulink模型,包括压气机模型、燃烧室模型、涡轮模型和转子模型。对其内部各部件的气动热力参数计算过程作简要介绍。1)压气机模型压气机的特征参数有折合流量Gcnp、压比元c、折合转速ncnp、效率nc,已知其中2 个,通过在通用特性图上插值的方法可得到另外2 个参数值。选定压比元c和转速n作为输人量。压气机部件的气动热力学参数计算如下:Pcout=Pcinco式中:Pcin为压气机进口压力,Pa;Pc o u t 为压气机出口压力,Pa。利用在压气机特性图上插值的方法可求得:Genp=fi(ncnp,Tc),c=f2(ncnp,Gcnp)。
17、进一步可计算出压气机流量Gc、出口温度Tcout和耗功Nec:TcinT1Tcout=Tcin 1+ncNec=hcout-hcin o式中:Tcin为压气机进口温度;ka为空气的比热比;Ti为压气机特性线测试进口温度;Pcin为压气机进口压力;Pi为压气机特性线测试进口压力,Pa;h c o u t 为压气机实际出口热恰值,kJ/kg;h c i n 为压气机实际进口热恰值,kJ/kg。舰船科学技术2)燃烧室模型燃烧室的数学模型可表示为:Pbout=Pbin,b=Gf air 57.57。Gbin r式中:Pbout为燃烧室出口压力;Pbin为燃烧室进口压力;为燃烧室进出口压力损失系数;b为
18、燃料系数;Gf为燃烧室进口燃料流量,kg/s;G b i n 为燃烧室进口气体流量,kg/s;air为空气的相对分子质量;r为燃料的相对分子质量。3)涡轮模型涡轮的效率nt、折合流量Gmp、膨胀比元t、折合转速nmp的计算方法与压气机部件相似,都是通过在特性图上插值的方法得到的。涡轮模块的输人为涡轮进口压力Ptin、涡轮出口压力Ptout和涡轮转速n。涡轮部件的气动热力学参数计算如下:Ptin元=Ptout利用在涡轮特性图上插值的方法可求得:Gtmp=fi(nmp,t),(1)nt=f2(ninp,Gmp)。进一步可计算出涡轮出口温度Ttout和输出功Net:Ttout=Ttin:(12),(
19、2)Net=htin-htouto(3)式中:Ttin为涡轮进口温度;kb为燃气的比热比;nt为涡轮的效率;htout为涡轮实际出口热恰值,kJ/kg;htin为涡轮实际进口热恰值,kJ/kg。Pcin4)转子模型cnp(4)P1ka-1元ka第45卷(7)(8)(9)(10)(11)一元,nt转子是将压气机和涡轮以及负载连接起来的装置,涡轮输出的功率用来带动压气机转动以及带动发电机运行。在不考虑机械损耗的情况下,根据动量矩(5)定律可获得转子的数学模型。dn_900(6)J元2 n(Net-Nec-PG)。式中:J为转子的转动惯量,kgm;n 为转子转速,r/min;PG 为发电机功率,W。
20、1.2同步发电机同步发电机在dqo坐标系下的电压、磁链和转矩方程分别为:(13)(14)第45卷uddauoufuD(=0)(uQ(=0)(d)Xd00X0000Xo0Xad00XfXad0Xad00XadXD0D0式中:ud、u g 为机端电压d、q 轴的分量;id、i g 为负载电流d、q 轴的分量;i为励磁电流;uf为励磁绕组电压;rf为励磁绕组电阻;iD、i o 为d、q 轴阻尼绕组电流;uD、u o 为d、q 轴阻尼绕组电压;Xd、Xq 为d、q 轴同步电抗;Xad、Xa g 为d、q 轴电枢反应电抗;XD、Xo为d、q 轴阻尼绕组电抗;d、g 为d、q 轴磁链;为励磁绕组磁链;D、
21、o 为d、q 轴阻尼绕组磁链。同步发电机不带直流负载时,一般将发电机交流侧电压进行反馈,用于对励磁电压的调节。带直流负载时,由于交流侧电压畸变较大,且整流器存在换向压降,即使准确地调节了交流测侧电压的大小,也不能保证对直流母线电压的准确控制。因此,采用将直流侧滤波电容电压作为反馈量对励磁电压进行调节,进而实现对发电机的端电压的调节 2 1。励磁控制原理如图2 所示。Udon+(/UUde图2 直流励磁控制系统模型Fig.2 Model of the DC excitation control system实际的直流母线电压Udc反馈到励磁系统,与给定的直流母线电压Udc_ref做比较,将得到的
22、Udc进行标幺化后输入到励磁电压PI调节器进行调节,得到励磁电压Vf,再输人到发电机中。2飞轮储能系统2.1飞轮储能装置拓扑结构参考交流微电网FESS,搭建直流微电网FESS,李月明,等:基于飞轮储能的船用燃机直流微电网大功率负载响应特性raid-raiqwdd0十dtD00XadXad000Xad00Xad00Te=did-qiqoVPI发电机励磁电压调节105如图3所示。FESS由3个主要部分组成:变流器、永磁同步电机和飞轮。-rain变流器(15)+T0fifrDiDrQio0XQ整流器1111Ude11-id)1一i-i0iDio(16)(17)UdePMSMabcSVPWM调制个ab
23、c门极控制器dq控制信号个内环控制器内环参考信号个外环控制器个参考信号图3飞轮储能系统拓扑结构Fig.3 Topological structure of the flywheel energy storage system变流器必须具有控制能量双向流动的能力。在飞轮加速储能阶段,变流器当作逆变器使用,将直流母线的能量传输到飞轮。在飞轮减速释能阶段,变流器当作整流器使用,将飞轮的能量释放到直流母线上。如图5所示,一个三相全控桥拓扑结构变流器用于将飞轮电机连接到直流母线。FESS旨在快速响应系统的瞬变,因此,对于飞轮储能电机,应具有转速高、调速范围大、可输出较大的扭矩和功率、较低的空载损耗和较长
24、的使用寿命等特点。选择永磁同步电机(PM SM)作为FESS电机,因为它功率密度大、效率高、低损耗低噪声、转速范围宽。可实现对船舶大功率负载频繁变化造成电压波动的大功率充放电补偿。2.2控制策略在FESS中,飞轮转子与永磁同步电机连接在同一轴上,转速保持一致,通过对永磁同步电机进行控制,可实现FESS与直流微电网之间能量的双向流动。目前永磁同步电机的控制技术主要有矢量控制和直接转矩控制2 种,相较于直接转矩控制,矢量控制调速范围比较宽。因此采用的是定子直轴零电流(i d=0)的矢量控制,该控制可使定子磁场与转子永磁场相互独立,控制最为简单。在启动阶段和保持阶段采用“转速外环+电流内环”的双环控
25、制策略 15。“外环控制器”控制电机转速f,将测量得到的电机转速与参考转速Wref进行比较,并对误差进行PI控制,从而得到内环控制器q轴的参考信号iqref。d 轴的参考信号idref设为0,实现id=0的控制效果。飞轮id 106在调节阶段采用“电压外环+电流内环”的双环控制策略。此时,“外环控制器”改为控制直流母线侧电容电压Udc,将“外环控制器”中的wf与wref分别替换为Uac与Udcref,就可控制电容电压恒定。对应的外环控制器如图4所示。这2 种控制方式的“内环控制器”是相同的,它的结构与永磁同步电机在dqo旋转坐标系下的电压方程有关。假设永磁同步电机输出的三相电压为uabc,输出
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