微电网运行与控制第三章

83－12020年7月1日星期三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83－22020年7月1日星期三§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。83－32020年7月1日星期三§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。83－42020年7月1日星期三§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涡轮发电机压缩机电力电子接口装置热气空气燃料380V，3相交流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微型涡轮发电机组～整流器逆变器三相380V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。83－52020年7月1日星期三§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Ls+LsLsCdcudc-tKueevllsin2pmedcselldcILuu323dcmxmedcIKKuveKK323sxpLKIdc=0，设直流母线电压为500V，转子转速为52000rpm092.060520002500mdceuK096.03evKK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515V510459.851560000/60600002515exKK83－62020年7月1日星期三§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真输出功率和转矩：2dcmxdcmedcIKIKP2dcxdcemIKIKT微型涡轮发电机的转速模型：83－72020年7月1日星期三§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Honeywell75kW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。83－82020年7月1日星期三§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真功率给定值如图所示，时间序列与Honeywell涡轮发电机测试数据有稍许差别，但阶跃变化和幅度与实际测试数据相同。输出功率仿真结果83－92020年7月1日星期三§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真输出转速仿真结果由于采用了曲线拟合，仿真结果与实际测试数据非常接近。曲线拟合转速模型的直流侧电压仿真结果当负荷阶跃变化时，转速和直流侧电压的调整具有一定的超调量，这样的响应是由该模型的特性所决定的，若采用理想模型，可控制超调量的大小。83－102020年7月1日星期三§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真根据上述分析，可对建模所需要的条件总结如下：转速为测试数据的曲线拟合；暂态脉冲被不实际地放大了，对于不同的运行条件，引入的参数需进行调整；当逆变器的输出电流随着负荷变化时，应限制其输出电流的响应，因此负荷电流必须采用同样的方式进行限制。模型的主要缺点是没有考虑微型涡轮发动机的动态特性，涡轮和发电机将影响转速设定值变化时的转子响应，这些影响没有考虑在模型中，但是模型参数可进行正确的调整。四、微型涡轮发电机组的输入转矩模型为考虑涡轮发动机的动态特性，采用转矩作为输入的模型。mmTtJdd221MrJ83－112020年7月1日星期三§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真微型涡轮发电机组的输入转矩模型83－122020年7月1日星期三§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真83－132020年7月1日星期三§3-1微型涡轮发电机的建模和仿真电流的上升时间与转速模型相同；输出转矩、转速和直流侧电压的仿真结果与测试数据很接近，与实际系统具有相同的特性；在测试数据和模型中具有相同的电压和转速的超调；直流电压和转速的峰值与测试数据也基本相同。83－142020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模燃料电池通过氢和氧的电化学反应将氢或含氢燃料直接转换成电能，热能和水。一、自主式燃料电池模型氢气的提取2243HCOOHCH气-水转换222HCOOHCO燃料处理器电池阳极e氧化电解质阴极e浓缩e空气阳极排出气体大多数的燃料电池系统生成电能所直接包含的全部化学反应可以简化为：阴极阳极OHeHOeHH222222122熔融碳酸盐燃料电池，忽略低温度动态，物质平衡方程为iiiniiRNNCU0iiniintitintiRxNxRNxRTPU00U为电池电压；Niin，Nio分别为第i级反应物在电池输入和输出端的流速；Ntin是全部反应物在电池输入端的总流速，Ni=xiNt；Ri为反应物的反应速率，Rt是Ri的总和。T为电池的华氏温度，P为电池的压力，R为气体常数(8.31焦/摩尔华氏度)。83－152020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模阴极阳极OHeHOeHH222222122nFIRRRRFCtOOHH22222IFC为电池电流，F为法拉第常数(96500C/摩尔)，n为第一式反应中的电子数。实际的燃料电池，反应物的摩尔浓度，xH2Oin，xH2in，xO2in是固定的常数。电池所有反应的动态特性的时间常数相同。212uxNRTPUinHintu为电池利用率。电池利用率可由H2定义：inHintFCinHintHinHHinHxnFNIxNRNNNu2222220当为常数时，利用率u随着电池电流的增加而增加。intN83－162020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模u=0对应于用燃料电池闲置的情况，u=1对应于电池最大输出。在实际的应用中，u的值约为0.85左右。电池电动势的瞬时值E可由纳斯特定律得到02/100222logOHOHrxxxfEEEr为标准状态时电池的开路电压；f=RT/nF。iiniintitintiRxNxRNxRTPU00因为反应物的扩散摩尔浓度可由下式计算：燃料电池的非线性电化学模型反应物的输入总流速Ntin为模型的独立输入信号，决定了电池的稳定状态功率。连接到电池的电气端的外部电流决定了电池电流的大小，这是模型的第二个输入信号。模型为降阶模型，因为忽略了温度引起的动态特性。适用于描述电池断续工作情况下温度在数分钟内几乎不变的特性。83－172020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模H2和H2O在稳定状态释放的摩尔浓度，可表示为：211,21122222200uxuxxuxuxxinHinOHOHinHinHHinOHinHxx22E的稳定状态值Eocv为uuxxfEEinOOOCV11log2200inOHinOinHrxxxfEE2222/10loguufEEOCV1121log0Eo为利用率为零(电池闲置)时的开路电压：当u较大时，百分之五十的O2利用率可导出下述近似表达式。83－182020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模稳定状态时电池电压和电池利用率之间的关系曲线(a)电池开路电压，(b)端电压83－192020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模二、并网运行燃料电池模型1.非线性模型并网运行燃料电池系统原理图采用了两个控制环控制系统输出的交流电压和功率。83－202020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模电压控制器通过改变逆变器的调制度来调节系统与电网接口的母线电压VT，实现无功功率的控制。通常情况下，燃料电池承担系统的基本负荷，因此燃料控制器为燃料电池提供恒定的燃料输入。燃料控制器的响应速度很慢，但是通过调节逆变器的功率角，系统可对较小的瞬时功率调节做出连续的反应。任何稳定状态功率的改变必将伴随着燃料流速的相应改变。如果电池输出功率升高，而燃料流速保持不变，则稳定状态的电池利用率将会升高而电池电压将会降低。并网运行燃料电池系统的单相等效电路83－212020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模FCsTsFCFCsTsFCXXUmRXXUmEP22sinsinm=1，u=0.85，RFC=0.3，E=1.3，XT=0.1，(a)Xs=0.25，(b)Xs=0.2燃料电池系统的功率特性对电池电阻和交流系统阻抗之间的比值比较敏感。FCsTsFCmRXXUEREP2arcsin,4max2max最大功率受燃料电池内部参数限制，与电网的接口无关。83－222020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模2.线性化动态模型并网运行燃料电池的小信号模型83－232020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模(1)燃料电池线性化动态模型02/100222logOHOHrxxxfEEiiniintitintiRxNxRNxRTPU00212uxNRTPUinHintinHintFCxnFNIu2oFCFCFCOVCinotintintOVCIIIENNNEEE,,分别为正常运行时电池电流，利用率和输入流速。inotooFCNuI,,,,FCintFCintINuuuUfEINKEE0000111logU0为电池额定电压；(2)电网络电网络采用灵敏度矩阵J表示，J为雅克比矩阵。FCsTsFCFCsTsFCXXUmRXXUmEP22sinsin83－242020年7月1日星期三§3-2燃料电池系统的建模(3)逆变器控制逆变器的两个控制环均采用PI控制。当燃料电池承担基本负荷时，燃料流量调节器的作用可以忽略。可假设所有电池均在恒定燃料流速下运行，即0intNEPGPGFFCFCFC121FCFCPF2EPGmPGFFCFC