超微型燃气轮机

超微型燃气轮机（精选4篇）

超微型燃气轮机 篇1

0前言

超微型燃气轮机作为一种清洁高效、低成本、高可靠性的供能系统, 在分布式发电、冷热电联供和燃料电池/燃气轮机联合系统及特种电源等领域具有广阔的应用前景, 近10年来得到了世界各国的高度关注。超微型燃气轮机技术将为终端能源利用提供新的重要形式, 是未来能源经济、高效、清洁利用的主要方向之一。超微型燃气轮机的工作原理与一般的燃气轮机相同, 通常采用径流透平与离心压气机。事实上, 超微型燃气轮机的概念在20世纪60年代就已经出现, 但由于其发电效率低, 没有得到足够重视。随着高效紧凑型换热器的应用, 超微型燃气轮机的发电效率显著提高, 大大增加了其竞争力。特别是过去的十几年中, 对于超微型燃气轮机的研究越来越引起人们的广泛兴趣。由于其兼具较高的能量密度与较高的功率密度, 使其成为移动电源和小型飞机推进系统的首要选择。若通过与燃料电池或小型余热锅炉进行联合循环, 也可作为高效率的分布式发电系统[1,2]。

本文对3k W级超微型燃气轮机系统中的高速小尺寸离心叶轮进行了设计和数值分析, 并在不同壁面温度下对离心叶轮的性能进行了数值模拟, 初步分析了传热对离心叶轮性能的影响及其作用机理。

1 离心叶轮的设计与分析

离心压气机是超微型燃气轮机的核心部件之一, 其性能的好坏对系统性能有着很大影响。对于其中的离心叶轮, 叶轮外径仅为数个厘米, 与常规尺寸的叶轮相比, 小尺寸下运行雷诺数大大降低, 这就导致了较高的表面摩擦阻力、加强了热量交换。在传统设计中的绝热假设和忽略盘、盖摩擦力矩的欧拉透平机械方程的推导都十分不合理。因此, 对小尺寸离心叶轮内部流动的机理进行探索性研究, 对提高超微型燃气轮机性能具有重要的意义。

作为探索性的研究, 对3k W级超微型燃气轮机中离心叶轮的设计要求为:叶轮外径40mm, 压比为3, 效率不低于70%, 并满足一定的喘振裕度。设计工作的第一步参考了一个已有的叶轮外径为60mm的小尺寸离心叶轮的几何数据和叶型数据, 并对其进行了模化和改型设计。表1中给出了最终确定的离心叶轮主要设计参数, 图1为离心叶轮三维视图, 下文首先利用CFD手段对设计工况下离心叶轮性能进行了分析。

2 数值计算方法

离心叶轮数值计算中控制方程为三维雷诺平均N-S方程, 湍流模型选择S-A模型。计算采用中心差分格式离散控制方程, 四阶Runge-Kutta法进行时间推进求解, 并结合当地时间步长、隐式残差光顺技术和多重网格技术以加速收敛。由于是定常计算, 只针对离心叶轮的一个流道进行。

根据离心叶轮的设计工况, 计算中计算区域进口固定总温288.15K、总压101325Pa, 沿叶轮轴向进气, 出口截面给定质量流量, 叶轮转速为196700r/min, 固壁采用无滑移、绝热边界条件。图2给出了本文的计算网格, 计算网格节点总数约为60万。计算结果表明:设计流量下离心叶轮总压比为3.07, 等熵效率为78.04%, 均满足设计要求。

3 考虑传热时离心叶轮的性能

对于燃气轮机系统, 当其尺寸较大时, 通过壁面的热流量与主流所携带的热量相比可以忽略, 因而壁面绝热的假设是有效的。可是, 随着几何尺寸的缩小, 系统中的最高温度 (透平进口温度TIT) 和最低温度 (环境温度) 与大尺寸下相比差别不大, 但高温部件 (透平) 和低温部件 (压气机) 之间的距离变小, 因此由透平向压气机的传热量会相应变大。此时, 壁面绝热的假设将不再有效, 压气机叶轮中的流体被加热, 会引起叶轮效率的下降, 进而导致整个燃气轮机系统性能的恶化[3,4,5]。基于上述考虑, 下文对比了绝热及等温壁面边界条件 (400K、500K, 此时流体均被加热) 下离心叶轮的性能, 初步分析了传热对离心叶轮性能的影响及其作用机理。

图3给出了计算得到的离心叶轮性能曲线, 流体被加热后, 叶轮等熵效率和压比均有不同程度的下降。观察图中的效率曲线, 壁面温度为400K时, 不同流量下, 效率下降的幅度不同, 流量越大, 效率下降越多, 与绝热情况下相比, 最大降幅可达9%;壁面温度增大到500K, 不同流量下, 效率下降的幅度差别不大, 与绝热情况下相比, 效率平均下降20%左右。可见传热对离心叶轮性能的影响还是比较显著的, 因此, 发展一种有效的热屏蔽方法, 是提高超微型燃气轮机系统性能的关键技术。

图4给出了设计流量下离心叶轮平均子午面静压云图和流线图。由图可见:在叶轮进口处, 由于子午流道折转大, 气流发生分离, 而在叶轮内部, 不存在大范围的气流分离, 同时压力沿主流方向逐步增加, 压力分布比较均匀。对比不同壁面边界条件下的结果可知:流体被加热后, 叶轮出口静压明显下降, 叶轮的增压能力下降。这是因为在压缩过程中加热流体, 会导致出口温度的升高, 进而降低了出口流体的密度, 故相比于绝热流动, 扩压度、输入功和压升均会下降, 而压升的下降还会进一步降低叶轮出口流体的密度。

图5中给出了设计流量下离心叶轮平均子午面等温线图, 可见图中等温线分布的趋势基本相似, 但从图中可以清楚的看到采用等温壁面边界条件时, 靠近壁面的流体被加热的过程。

图6为离心叶轮50%叶高处跨叶片截面相对Mach数云图, 由图可见, 叶轮流道内存在大范围的低动能流体区, 结合图7中50%叶高处跨叶片截面熵值云图和等值线可知, 这一区域是叶轮内损失较为集中的区域。观察图7中50%叶高截面熵值云图, 可知:叶轮流道内存在两个熵值较高 (损失集中) 的区域, 一处是叶轮进口处, 另一处位于叶片尾迹区内。壁面绝热时, 叶片尾迹区内的熵值要高于叶轮进口处的熵值;而采用等温壁面边界条件时, 叶轮进口处的熵值较高, 并且随着壁面温度的升高, 流道内的熵值快速增长。可以看到, 相比于等温壁面边界条件下的压缩过程, 叶轮内流动为绝热时, 流道内的熵产开始较晚, 并且熵值更低。同时, 叶轮出口气流均匀性更好。

4 结论

1) 本文所设计的离心叶轮, 设计流量下叶轮总压比为3.07, 等熵效率为78.04%, 但这是基于固体壁面绝热的假设;

2) 考虑传热时, 随着壁面温度的增高, 叶轮的性能明显下降, 因此, 发展一种有效的热屏蔽方法, 是提高超微型燃气轮机系统性能的关键技术。

摘要：千瓦级超微型燃气轮机 (UMGT) 可用于移动电源、小型飞机推进系统及分布式发电系统, 具有广阔的应用前景。本文以3kW级超微型燃气轮机作为研究对象, 对用于燃机系统中的高速小尺寸离心叶轮进行了设计和数值分析。同时, 本文对不同壁面温度下离心叶轮的性能进行了数值模拟, 初步研究了传热对离心叶轮性能的影响及其作用机理。

关键词：超微型燃气轮机,分布式发电,离心叶轮,壁面温度,数值模拟

参考文献

[1]赵士杭.燃气轮机循环与变工况性能[M].清华大学出版社, 1993.

[2]宋寅, 康婷, 李雪松, 顾春伟.千瓦级微型燃机性能分析[C]//中国工程热物理学会热机气动热力学学术会议论文集.天津, 2008.

[3]R.A.Van den Braembussche.Microsoft Gas Turbines-A Short Survey of Design Problems[R].NATO RTO Educational Notes EN-AVT-131-1, 2005.

[4]Rautenberg M, Mobarak A, and Malobabic M.Influence of Heat Transfer between Turbine and Compressor on the Performance of small Turbochargers[C]//Gas Turbine Congress.Tokyo, 1983.

[5]Toshio Nagashima, et al.Lessons Learnt from the Ultra-Micro Gas Turbine Development at University of Tokyo[R].NATO RTO Educational Notes EN-AVT-131-14, 2005.

[6]李雪松, 杜建一, 祁志国, 等.两个高比转速离心压气机模型级的设计分析[J].流体机械, 2005, 33⑸:13-16.

[7]康顺, 刘强, 祁明旭.一个高压比离心叶轮的CFD结果确认[J].工程热物理学报, 2005, 26⑶:400-404.

[8]张虹, 马朝臣.离心压气机初步设计计算模型与性能仿真[J].北京理工大学学报, 2006, 26 (1) :10-13.

微型燃气轮机发电建模与仿真研究 篇2

1 微型燃气轮机发电系统结构

微型燃气轮机采用空气轴承或径流式叶轮机械, 机组尺寸小、结构简单, 能够产生大量品质极佳余热烟气, 其温度在600℃左右, 利用价值较高, 是目前分布式能源系统特别是小型冷热电联产系统的主要动力设备。微型燃气轮机产品主要包括2种结构, 一种为分轴 (split-shaft) 结构, 另一种为单轴 (single-shaft) 结构。分轴结构微型燃气轮机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, 由于降低了发电机转速, 可以直接并网运行;单轴结构微型燃气轮机中燃气涡轮与发电机同轴, 因此发电机转速较高, 需要采用电力电子器件进行整流逆变, 才能接入大电网[1]。

单轴结构微型燃气轮机发电系统具有系统效率高, 结构紧凑, 可靠性高的特点, 是微型燃气轮机的主流产品, 本文主要研究单轴微型燃气轮机模型及运行特性。典型的单轴结构微型燃气轮机发电系统如图1所示。

系统由微型燃气轮机、永磁同步发电机、整流器、逆变器和负荷组成, 其中微型燃气轮机透平包括压缩机、燃料室、能量回收器以及带一个负荷的动力透平机。其基本的工作原理:从离心式压气机出来的高压空气首先在回热器内经涡轮排气预热, 然后进入燃烧室与燃料混合并得到充分燃烧, 高温燃气输入向心式涡轮做功, 直接带动燃气轮机驱动内置式高速发电机, 通常燃气涡轮旋转速度可高达30 000~100 000 r/min, 需要采用高能永磁材料 (如钕铁硼材料或钐钴材料) 的永磁同步发电机, 其产生的高频交流电流经过整流逆变后, 转化为工频交流电能输送至负荷或交流电网[2]。

2 微型燃气轮机建模分析

(1) 转子方程:

式 (1) 中:n为转速;MT, Mc, Mf和Mg分别为透平转矩、压气机转矩、轴系摩擦转矩和发电机转矩;J为整个轴系的转动惯量[3]。

(2) 燃烧室和透平之间的热部件不稳定传热方程:

式 (2, 3) 中:TB, T3, Tρ分别为燃烧室出口温度、透平入口温度和管道金属壁平均温度;α为沿气流流程换热系数;A为单位长度上的换热面积;l是全部气道流程长度;d为在过渡过程中起作用的热部件金属表面厚度;ρ是热部件金属的密度;c为金属比热[4,5,6]。

(3) 由于管道容积的存在, 使在过渡过程引起了容积中所容纳气体量的改变, 从而造成进、出口流量之间的差异。压气机和燃烧室 (回热器) 之间的容积方程:

式 (4) 中:V为是压气机与燃烧室间的管道容积;ρ2为管道中空气密度;Gc和GB分别为压气机出口与燃烧室入口空气流量[7]。

(4) 燃气轮机系统中的回热器是一个很大的蓄热元件, 对整个燃气轮机的动态性能有显著的影响。把回热器作为一个集中容积处理, 将再按分布参数研究所得到的结果对其中参数进行适当的修正。对燃气、空气和金属壁面有以下3个方程:

式 (5—7) 中:T2, T2'分别为压气机出口和回热器空气出口温度;T4, T4', Tm分别为透平出口、回热器燃气出口温度和金属壁面的平均温度;cpa, cpg, cm分别为空气、燃气和金属壁面的比热;αa, αg分别为空气、燃气与金属壁面的换热系数;Aa, Ag分别为空气侧和燃气侧的换热面积;Gc, GT分别为空气和燃气流量;Pm为参与换热的金属质量[8]。

微燃机系统转速控制对控制品质有很大影响, 其方程是动态数学模型的一个关键部分。本文考虑调节系统的调速器方程和执行机构方程, 采用比例—积分 (PI) 控制规律, 传递方程:

式 (8) 中:XB, Xn分别为对燃料流量和转速的相对增量的拉氏变换;δ为调节机构的放大倍数;Ts为调速器积分时间常数。

3 逆变器模型及控制策略

逆变器的作用是接受整流器输出的直流, 并将其逆变成工频交流供给负荷。通常根据微网不同的运行方式, 对各个微电源采用不同的控制, 其中控制形式有2种:控制原动机部分和控制逆变器部分。由于大部分微电源都采用逆变器作为接口, 为了保证控制的统一和简单, 本文采用控制逆变器的方式对微电源进行控制。当微网并网运行时, 为减少对大电网的冲击, 逆变器采用PQ控制, 按照指定功率输出来控制其与电网的功率交换, 由大电网提供电压和频率的支撑;孤岛运行时, 通过控制逆变器来控制负荷端的电压及频率 (简称V/f控制) , 以维持整个微网的电压和频率。另外, 通常逆变器输出的工频电流含有谐波, 所以要在逆变器输出端加装LC滤波器, 滤除开关频率及其邻近频带的高次谐波, 使谐波畸变率小于5%。具体的逆变器模型如图2所示, 微网供应本地负荷, 通过开关BRK接入配电网并网运行;当大电网发生故障时, 开关BRK断开, 进入孤岛运行, 保证负荷电能质量的要求。

3.1 PQ控制

由图2可知, 微型燃气轮机发电系统输出功率:

式 (9) 中:Pmt为微型燃气轮机发电系统输出的有功功率;Qmt为其输出的无功功率;u为负荷侧电压;i为负荷侧电流。

通过选择合理的同步旋转轴在派克变换下将逆变器输出电压电流abc分量转化为dq分量, 可得:

由此可得电流内环dq轴参考值为:

由式 (11) 可得PQ控制模型, 如图3所示。根据有功和无功功率参考值Pmtref, Qmtref及交流母线电压uabc, 采用锁相环PLL, 进行派克变换, 利用上式可得dq轴电流参考值, 功率控制转变为电流控制。

3.2 V/f控制

当微网孤岛运行时, 需通过控制逆变器来控制微型燃气轮机发电系统负荷侧的电压及频率 (简称V/f控制) , 从而维持整个微网的电压和频率;微型燃气轮机发电系统的有功和无功功率输出根据负荷需要进行自动调节。本文采用电压电流双环控制的PWM逆变器, 把逆变器出口的电压及频率控制为给定值, 电压幅值设为310 V, 频率为50 Hz, 可得到电压参考值uaref, ubref, ucref, 对其进行派克变换, 可得到dq轴上电压参考值udref, uqref。通过采集滤波器输出端口电压信号, 可以计算出逆变器电压dq轴分量ud, uq, 与dq轴电压参考值进行比较后通过PI控制使得输出波形跟踪给定值, 其输出作为电流内环的给定;内环是瞬时负荷电流值的反馈, 采用PI控制, 该环节增加了逆变器的阻尼系数, 使整个系统更加稳定。V/f控制框图如图4所示。

4 微型燃气轮机的动态特性仿真分析

4.1 联网运行模式下功率参考值变化

微型燃气轮机的额定容量设定为15 k W, 额定电压为310 V, 负荷大小为20 k W。仿真时间80 s, 仿真步长0.000 05 s。微型燃气轮机在联网模式下采用P/Q控制, 给定有功和无功功率的参考值, 燃气轮机将按照给定的参考值进行出力。0~20 s微型燃气轮机的有功参考值给定为15 k W, 剩余的5 k W负荷由大电网供应;20~40 s有功参考值改变为13 k W, 剩余的7 k W负荷由大电网供应;40~60 s有功参考值降至9 k W, 大电网向负荷提供11 k W的有功电能;60~80 s有功参考值变为13 k W即20~40 s的运行状态[9]。微型燃气轮机有功和无功功率如图5所示。逆变器输出的电压和电流波形如图6所示。

从图5有功和无功功率的响应曲线可以看出, 微型燃气轮机并网逆变系统能够快速有效地跟踪外界给定的功率指令值, 并且当功率指令参考值改变时, 电压源逆变器的控制系统能够及时跟踪参考指令的变化, 迅速地调整逆变器的输出功率。并且暂态响应的时间很短, 且响应过程相当的平稳。从图6可看出, 由于此时无功参考值设置为0, 因此整流器交流侧输入的电压和电流波形相位一致, 保持了整功率因数运行, 在后续的仿真中, 微型燃气轮机的无功参考值将不为0, 届时整流器交流侧输入的电压和电流波形相位不再一致, 由于电网带有感性负荷, 因此电流相位将超前电压相位。整流器交流侧输入电压和电流波形为三相正弦波形, 能满足整流器的运行要求。经过整流升压电路输出的直流电压如图7所示。Udc基本保持了平稳运行, 只在有功参考值转换瞬间有微小的波动, 且升压电路将输入的交流电压幅值升高。微型燃气轮机原动机的机械特性如图8所示。从图8可看出, 微型燃气轮机的机械转矩Tm能够很好地跟随电磁转矩Te的变化, 且振荡过程持续时间短, 波动幅度小, 能很快地进入稳态运行, 较好地实现了恒功率控制的目标。原动机的转速曲线如图9所示。在微型燃气轮机调速差的控制下, 转速ω能很好地维持在额定转速的附近, 当微型燃气轮机的有功出力为额定容量15 k W时, 转速ω基本保持在1.0 p.u., 当有功出力降低至13k W时, 转速ω经小幅振荡稳定在1.002 5 p.u.处, 当有功出力降低至9 k W时, 转速ω再次上升, 小幅振荡后稳定在1.015 7 p.u.处, 当有功出力回复到13 k W时, 转速ω也恢复到20~40 s的状态。原动机需要的燃料量曲线如图10所示, 燃料量基本跟随负荷变化, 当微型燃气轮机的有功出力为额定容量15 k W时, 燃料需求量Wf基本保持在1.0 p.u., 当微型燃气轮机的有功出力下降时, 燃料需求量也随之下降, 有功出力上升时, 燃料需求量也随之上升, 动态响应时间短暂且波动平滑。原动机的排气温度, 如图11所示。

4.2 孤岛运行模式下负荷改变

对孤岛模式下微型燃气轮机在负荷改变时的动态特性进行仿真和分析如图12—15所示。微型燃气轮机的额定容量设定为15 k W, 额定电压为310 V, 负荷大小为10 k W。仿真时间取60 s, 仿真步长0.000 05 s。微型燃气轮机在孤岛模式下采用V/f控制, 燃气轮机将根据负荷变化改变出力。0~20 s微型燃气轮机的负荷为10 k W;20~40 s负荷增至15 k W;40~60 s负荷降为13 k W[10]。

由图12可知, V/f控制下的微型燃气轮机发出功率能够准确迅速地追踪负荷变化, 在负荷需求变化时, 由于控制系统的良好性能, 功率变化暂态过程迅速且稳定。图13显示微型燃气轮机产生的机械转矩能精确跟踪且与永磁同步发电机产生的电磁转矩平衡。从图14可以发现微型燃气轮机的转速在任何情况下都能做到仅与参考转速产生微小偏差, 在微型燃气轮机输出功率为额定值时, 转速为1.0 p.u.。图15显示了整流器直流侧输出电压基本维持稳定在1.24 k V, 仅在负荷变化时有微小波动。

5 结束语

本文所建立的微型燃气轮机发电系统仿真模型, 不仅可如实反映微型燃气轮机自身的动态特性, 而且将微型燃气轮机、电力电子装置以及负荷之间的相互联系动态地表现了出来, 这是等效处理或者分开建模难以实现的。本文所建立的逆变器模型, 附加合理的控制后同样适用于其他采用逆变器作为接口的分布式电源, 如太阳能光伏发电、燃料电池等, 为进一步研究微电网中各种分布式电源之间的协调控制奠定了基础。

参考文献

[1]崔恒志, 黄奇峰, 杨世海, 等.冷热电联供型微电网容量规划优化研究[J].江苏电机工程, 2013, 32 (3) :39-42.

[2]SAHA A K, CHOWDHURY S, CHOWDHURY S P, et al.Modeling and Performance Analysis of a Microturbine as a Distributed Energy Resource[J].IEEE Trans on Energy Conversion, 2009, 24 (2) :529-538.

[3]李政, 王德慧, 薛亚丽, 等.微型燃气轮机的建模研究 (上) —动态特性分析[J].动力工程.2005, 25 (l) :13-17.

[4]安连锁, 张健, 王震, 等.微型燃气轮机启动特性的模拟与分析[J].电力科学与工程, 2008, 24 (2) :20-22.

[5]HAUGWITZS.Modelling of Microturbine System[D].Lund:Lund Institute of Technology, 2002.

[6]翁一武, 翁史烈, 苏明.以微型燃气轮机为核心的分布式供能系统[J].中国电力, 2003, 36 (3) :1-4.

[7]TRAVERSO A, CALZOLARI F, MASSARDO A.Transient Analysis of and Control System for Advanced Cycles Based on Micro Gas Turbine Technology[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2005, 127 (2) :340-347.

[8]余又红, 孙丰瑞, 张仁兴.基于MATLAB的面向对象的燃气轮机动态仿真研究[J].燃气轮机技术, 2003, 16 (1) :53-56.

[9]维斗, 徐向东.热动力系统建模与控制的若干问题[M].北京:科学出版社, 1996:67-75.

超微型燃气轮机 篇3

关键词：微型能源网,风力发电机,微型燃气涡轮机,暂态稳定性,仿真

0 引言

近年来, 分布式发电系统并网运行相关理论与技术研究日益受到关注。微电网作为一种新型的电力系统, 连接着低压配电网的诸多小型模块, 可有效解决分布式电源对电网的影响。微电网存在两种典型的运行模式:正常情况下微电网与常规配电网并网运行, 称为联网模式;当检测到电网故障或电能质量不满足要求时, 微电网将及时与电网断开而独立运行, 称为孤岛模式[1]。微型发电机是功率小于100kW的小单元, 并且绝大部分包含电力电子接口, 主要使用可再生能源或者矿物燃料[2], 在当地热电联产模式中应用。微电网技术可以有效缓解当前的能源危机, 对于自然环境的保护和经济、社会、生态的可持续发展来说至关重要。

当微电网使用单相电路并配单相负载时, 微电网与包括感应电动机在内的动态负载相互作用会出现一些不平衡的状况[3], 这就给电力系统的安全稳定运行带来了不利。对于微电网运行的稳态模型和动态模型, 有必要进行系统的研究。为了模拟这些效果, 分析工具必须能模拟系统的三相状况、中性线、地面指挥和接地线路。该工具应当具备稳态和动态模型, 以应对多种形式的微电源和其接口[4]。

本文介绍了用于均匀三相感应发电机、微型燃气涡轮机和风力发电机的模型[5,6], 单相感应发电机、光伏系统、燃料电池、电网侧逆变器和其他模型被集成在仿真平台中[7,8]。本文展示了微电源模型和发展于微电网项目框架的仿真平台, 该平台可以对包含微型发电机的低压三相网络的稳态和动态操作进行仿真, 这涉及到充足的微电源、机器 (感应电机和同步电机) 和逆变器模型在毫秒时间内的发展。通常, 这些设备被直接耦合到电网, 因而对电网电压和频率产生直接影响。用于分析的仿真工具能够表现微电网在光伏并网和独立操作过程中的动态行为, 包括平衡状态和不平衡状态。

1 微电源模型

1.1 三相对称感应发电机

感应发电机在任意参考系中都是用四阶模型来表示, 采用发电机惯例的定子电流:

其中是基础角频率;ω是任意参考系的转速;下标d、q、r、s分别表示dq轴、定子、转子。

通量与定子、转子绕组电流有关, 关系如下:

电磁转矩表达式如下:

1.2 微型燃气涡轮机

微型燃气涡轮机通常指输出范围为25~300kW的小而简单循环的燃气涡轮机, 它们是燃气涡轮机技术演变的一部分。在典型的微型燃气涡轮机设计中, 该微型发电系统包括涡轮、换热器、发电机和电力电子设备。

本研究中主要关注的是网络的动态特性, 采用的微型燃气涡轮机模型基于以下假设: (1) 换热器不包含在模型中; (2) 燃气涡轮机的温度控制和加速控制对正常工作条件没有影响。

图1是分析微型燃气涡轮机负荷动态行为的简化框图。实际功率控制可以被描述成一个比例积分 (PI) 控制功能, 图1中, Pdem是要求的功率, Pref是基准功率, Pin是施加到所述涡轮机的功率控制变量, Kp是比例增益, Ki是PI控制器的积分增益。

图2为GAST涡轮机模型, Pin是机械功率, Dtur是涡轮机的阻尼, T1是燃油系统滞后时间常数1, T2是燃油系统滞后时间常数2, T3是负载极限时间常数, Lmax是负载限度, KT是温度控制回路增益。

1.3 风力发电机

风力发电机包含几个独立建模的子系统, 子系统的设计基于空气动力学和机械动力学等理论。其中, 变速率风力发电机还涉及发电机和功率转换器系统。下面是各子系统的模型介绍。

1.3.1 空气动力学系统

空气动力系数曲线被用于叶片动力学的研究:

式中, Pa为气动功率;ωr为叶片旋转速度;Tw为气动扭矩;ρ为空气密度;A为转子区域, A=πR2;Cp (λ, β) 为无量纲的性能系数, λ为叶尖速比, β为桨距角;vw为风速。

1.3.2 机械子系统

可以选择3个或者6个弹性相连的质量等价物用于模拟风力发电机的机械系统, 对于低速轴扭转模式, 至少需要使用2个质量等价物, 下式是系统使用3个质量等价物的状态空间方程:

式中, , 为角位置矢量;, 为角速度矢量;TT= [TW, 0, TG], 为外转矩矢量, 由空气动力学和电磁转矩组成;[0 ]3×3和[I ]3×3分别为三阶零矩阵和单位矩阵;[H]=diag (HR, HGB, HG) 是只保留对角线的矩阵;C是刚度矩阵;D是阻尼矩阵。

C矩阵代表高低速轴的弹性, 定义如下:

D矩阵代表内摩擦损耗和转矩损失, 定义为:

其中, 下标{H}、{GB}、{G}分别表示风机叶片、变速箱和发电机。弹性系数矩阵C中, CHGB表示风机叶片和变速箱之间的弹性系数, CGBG表示变速箱和发电机之间的弹性系数;阻尼矩阵D中, DR、DGB、DG分别代表3个质量块的自阻尼系数, 其余为相互之间的互阻尼系数。

2 仿真平台构建

在微电网实现的低压网络中, 导体的电阻比电抗大, 单相线路配单相负载时, 微电网与感应电动机不平衡, 可以将低压网络从整个网络中区分开来。

一个典型的符合拥有三相和中性线的线路或电缆的网络构建如图3所示。

a相的基尔霍夫方程可以记作:

考虑到Vn= (Ia+Ib+Ic) Zn, 为了简化, a相的网格方程省略互耦参数, 得到如下方程:

据此, 我们得到其他两相和反相方程, 最终得到包含联系三相电流与电压的中性线的导纳形式的方程:

式中, Yabc (n) 是原始导纳矩阵, 字母n表示中性线也包含其中;电压下标表示节点之间的电势差。

以电流注入作为分支电流, 分支电压作为节点电压, 可以得到如下两式:

结合方程组 (10) 、 (11) 、 (12) , 得到线路或电缆的节点方程:

如果连接或关联矩阵A可以写成2个三阶单位矩阵AT=[I-I], 那么节点方程可以记作:

含有4条导线的线路或电缆被看成一个含有负荷分支导纳Yabc (n) 的整体。利用这种方法代替各个四线制的线路, 关联矩阵用三阶单位矩阵表示, 结合节点导纳矩阵, 以此来建立网络方程。如果我们用同样的方法处理复合支路导纳, 用单导纳来表示网络的过程是一样的, 用星形连接的恒阻抗负荷将有如下形式的复合导纳:

中低压变压器的建模遵循类似的程序, 在这种情况下, 关联矩阵A展示了相互耦合的分值是联系在一起的。不考虑电源定子的瞬态, 定子阻抗变为网络的一部分, 并且电源看作是电抗后的电动势, 例如旋转电机的瞬时电压在瞬时电抗后面。每个时间步, 电动势的大小和相角都会作为网络的输出被微分方程求出。特别要说的是, 对于3 匹或者1 匹的电压逆变器, 需要的大小和相角是指a相的大小和相角———Ea∠θe (t) , 其中, 相角θe (t) 为:

这和在固定框架下提供Ed和Eq一样, 只需要d轴对准a相轴, 因为它也是旋转机械直接耦合到电网的情况。网络代数方程的解返回到电源, 定子的正序电流和为了控制而需要的其他值作为下一次迭代时的初值, 例如定子终端电压。

显然, 在只考虑正序分量的情况下, 电源提供的内部电势是平衡的, 因此, 求取时域解只是为了求得正序分量值。考虑负序分量时, 假定电源只与其负序阻抗作用, 因而网络导纳矩阵中包含定子阻抗。

整个仿真工具建立于Matlab和Simulink, 采用频域表示 (向量法) 以提高仿真效率, 合理处理中性线并使用自然相量 (a—b—c) 。微电源和动态负载通过其“定子阻抗后面的电动势”等效接到网络求解器, 电网、负载和电源的不平衡可以被简单处理。

3 微电网运行仿真测试

所有的仿真都涉及一个低电压网络研究案例, 其节点带有电源。考虑的干扰包括突然从主网脱落、负载改变、网络单元 (电池逆变器) 的缺失和非可调电源产量水平的改变。

图4是一个低电压网络研究案例, 用来测试仿真工具的性能。

利用仿真工具对许多干扰信号都进行了检查, 主要包括以下几个方面: (1) 从主电网隔离; (2) 微电网负荷的逐步改变; (3) 分散电源产量的改变; (4) 电网形成单元的损失 (电池逆变器) 。

从仿真结果中选出典型的图作分析, 图5、图6和图7分别是电网在0.8s断开时, 电池逆变器产量的改变、电网供应电缆的电流和负载节点的相电压, 图中, 有功功率P和无功功率Q分别用实线和虚线表示。

仿真工具已经建立了网络解算器代码, 仿真基于Matlab运行, 它能解决稳定状态和动态条件下的平衡和不平衡问题。

4 结语

对于微电网并网的稳定运行和动态运行问题, 传统的手段很难进行分析和解决, 本文利用仿真技术, 对中低压微电网进行模拟运行和验证, 结果表明了仿真平台的有效性。仿真工具建立的解算器代码已经在多种网络环境和干扰条件下测试过, 其完善性也在案例中得到证实。在仿真过程中, 电网、负载和电源的不平衡可以被简单处理了, 这可能会带来一些误差, 在后续研究中要合理考虑这些因素。

参考文献

[1]彭克, 王成山, 李琰, 等.典型中低压微电网算例系统设计[J].电力系统自动化, 2011, 35 (18) :31-35.

[2]王成山, 高菲, 李鹏, 等.可再生能源与分布式发电接入技术欧盟研究项目述评[J].南方电网技术, 2008, 2 (6) :1-6.

[3]李鹏.分布式发电微网系统暂态仿真方法研究[D].天津:天津大学, 2010.

[4]王小单.微网建模及电磁暂态仿真研究[D].武汉:华中科技大学, 2012.

[5]闫根弟.动态电力系统数字仿真模型的研究[D].太原:太原理工大学, 2005.

[6]许寅, 陈颖, 梅生伟.风力发电机组暂态仿真模型[J].电力系统自动化, 2011 (9) :100-107.

[7]Hatziargyriou N, Kariniotakis G, Jenkins N, et al.Modelling of micro-sources for security studies[C]//CD-Rom Proceedings of the 2004CIGRE Session.Paris, 2004.

微型水轮机系列化问题的研究 篇4

我国有着丰富的水力资源, 多年来, 水力发电事业得到了快速发展, 特别是“三峡工程”的成功运营充分展示了我国水电发展的成就和水平。但是, 除了对大量的常规水力资源的关注和利用之外, 还有大量的微水能资源等待开发利用, 据有关部门统计这方面的资源约为0.8亿kW, 而且多分布在山区、农村, 尤其是电网难以达到或电网供电很不经济的边远地区。对这些资源的开发利用, 是充分利用清洁可再生能源的重要组成部分, 也是电能普及应用的重要补充[1], 这为微型水轮发电机组的开发应用提供了条件, 同时也给水电行业提出了规范发展的更高要求。

我们把利用微型水力资源发电称为“微水电”。对于微水电的界定, 一般以出力覆盖的范围来定义。具体的定义范畴在不同时期、不同生产力发展水平是不同的, 以往定义微水电的出力范围为10 kW[2]、100 kW[3]及以下。2007年在中国农村能源行业协会、农业部南京农机化研究所等单位联合召开的“全国微水电发展研讨会”上将微水电出力范围定义为500 kW以下[4]。

微水电除具有常规水力发电的能源可再生、无污染等特点外, 还有工程量小、设备简单、投资少、收效快、运行维护简单等特点, 因此是其他能源无法取代的一种农村能源。它除了被广泛地应用于山区、农村外, 还可用于水库供水多余落差的利用及其他微型水力资源的利用等。微水电的利用既有着它的经济意义, 而更重要的是社会效益。

微水电的发电设备包括由微型水轮机、发电机组成的“微型水轮发电机组”及控制器或调速器等辅助设备。我国微型水轮发电机组的开发应用是上世纪50年代开始的, 到了80年代中期我国微水电的发展达到了高潮, 生产厂家达200多家, 年产量达20万台[5]。之后种种原因导致微水电的发展历经起伏, 但由于其自身的特点使之依然生存下来, 并逐步走向成熟, 其应用范围得到逐渐扩大。

随着微型水轮发电机组的发展, 其设计制造技术、水平和材料采用等方面都有很大的提高和改变。比如对于微型水轮发电机组的稳压、稳频问题, 一直是影响微水电正常使用的主要问题, 它非但影响用电质量而且影响使用寿命, 经1997-1999年近三年的开发和试验, 目前新型微水电控制器已达到较高水平, 完全能满足微型水轮发电机组的稳压、稳频要求。各方面的进展使得微水电的发展进入成熟阶段, 微水电设备的生产也随之得到相对稳定的增长。据水利部、农业部有关部门统计, 目前微水电装机容量约800万kW, 年发电量320亿kWh[4]。近年来微水电设备除满足国内需要外, 出口数量迅速增长, 尤其是出口东南亚及非洲, 需求量的增长对微水电的生产和技术水平提出更高的要求。但目前微型水轮发电机组的研制和生产均为分散的、单独的, 型号及品种繁多而且杂乱无序, 这对于微型水轮发电机组的设计、生产、售后服务和产品成本的降低都不利, 微水电生产和技术的规范化要求已日益迫切。

对不同的微型水力资源需采用不同型式、型号的微型水轮机, 而微型水轮机的型式、型号又直接影响与之配套的发电机及控制器, 可见, 微型水轮机的系列化问题是一个首要而且极为重要的问题。为此, 本文首次对微型水轮机的系列化问题进行初步研究。.

1微型水轮机的特点

在讨论微型水轮机的系列化之前, 首先要全面分析它与中小型水轮机的不同点。微型水轮机的主要特点可归纳为以下几个方面:

1.1工作参数

微型水轮机用于工作水头低、流量小的微型水力资源。水头可低达1 m, 流量可小至0.013 m3/s, 甚至更小, 由此功率小、尺寸小, 功率可小至户用型的100 W。

1.2结构形式

总体上讲, 微型水轮机的结构简单、紧凑, 且主要结构形式呈多样化[6]。具体结构形式主要与下列问题有关。

(1) 水轮机流量调节问题。

为了保证微型水轮发电机组的能量平衡, 可采用如下3种方法:

其一, 由调速器控制水轮机流量调节机构而调节通过水轮机的流量, 使机组的出力与负载平衡。这与常规的中小型水轮机相同, 在微水电中称为“堵水式”。

其二, 由直接作用调速器控制水轮机切流器而切除部分进入水轮机的流量, 使其不通过水轮机转轮做功, 使机组的出力与负载平衡。这种方式进入水轮机的流量并未得到调节, 用于冲击型微型水轮机, 相当于中小型冲击型水轮流量调节机构中只有折向器而无喷针的情况, 在微水电中称为“分水式”。

其三, 用调节假负载的方法保持输出总能量不变, 以保证能量平衡。即由控制器 (负荷调节器) 将机组出力多于负载的部分转移到假负载上, 以实现能量的平衡。

流量调节机构是水轮机零件最多、最繁琐的部件, 尤其是反击型水轮机, 它对生产的难度和产品成本有极大的影响。从上述能量平衡方法中可以看出, 除采用第一种能量平衡方式的微型水轮机外, 其他方式在运行中并不调节进入水轮机的流量, 即不需流量调节机构, 这就使得微型水轮机结构得到大大的简化。但是, 有、无流量调节机构直接关系到机组的稳压及稳频问题, 也就直接影响辅助设备的采用及稳压、稳频的质量。因此, 微型水轮机应依据有、无流量调节机构划分为两类, 即“有流量调节机构微型水轮机”及“无流量调节机构微型水轮机”。

反击型无流量调节机构微型水轮机因没有活动导叶, 转轮前的速度矩 (环量) 可由蜗壳、固定导叶或由两者共同形成。由此又派生出多种结构形式, 如无固定导叶的蜗壳混流式、无蜗壳的贯流混流式等。

(2) 水轮机与发电机传动问题。

微型水轮机与发电机间传动方式包括直联和传动机构传动两类。对传动机构传动的机组并不要求水轮机的转速为发电机的同步转速, 这就为水轮机转速的选择提供了一定的空间, 从而水轮机更易选择在较佳的工况运行。

(3) 整机待装机组。

微型水电机组都为整机待装机组。

1.3对用户的要求

鉴于微型水电机组应具备对用户经济、技术水平及管理水平较低的特点, 这就要求微型水轮机要力求更为简单、可靠, 操作简易, 维修方便。

1.4转轮模型

基本没有专为微型水轮机研制的优良转轮模型, 微型水轮机几乎都是采用水轮机现有模型转轮换算而成, 尤其是反击型。

2微型水轮机系列化的基础

多年来, 在微型水轮机的研究、设计和应用过程中, 相关行业对微型水轮机的认识得到不断的提升和拓展。众多研发单位和生产厂家设计和生产了各种类型的微型水轮机, 并在运行使用中积累了较丰富的经验。这些已为微型水轮机的系列化奠定了基本基础。GB/T17522-2004微型水力发电设备基本技术要求[3]可作为微型水轮机的系列化的基本依据和重要参考。此外, 中、小型水轮机的型谱及系列化思想、方法和原则可作为微型水轮机系列化的重要参考。因此, 微型水轮机系列化的时机已基本成熟。

3微型水轮机系列化的构想

微型水轮机的系列化是一个比中小型水轮机系列化更为复杂的问题, 需要相关方面认真加以研究。本文在这里只是抛砖引玉, 提出一些粗浅的看法供大家思考和讨论。本文认为微型水轮机的系列化首先可依据有、无流量调节机构划分为两类, 即“有流量调节机构微型水轮机”及“无流量调节机构微型水轮机”。“有流量调节机构的微型水轮机”原则上挂靠中小型水轮机系列, 只需在尺寸系列上作出相关规定即可。即对中小型水轮机未作规定的混流式名义直径D1<25 cm、轴流式D1<60 cm的尺寸系列作出相关规定就可以。而对“无流量调节机构将微型水轮机”可通过以下几方面加以规定。

3.1冲击型微型水轮机

因冲击型 (包括切击式、斜击式、双击式) 微型水轮机性能优良的模型不多, 可将现有产品筛选后列入即可, 或象中、小型水轮机一样, 不列系列。

3.2反击型微型水轮机

文献[3]对微型水力发电设备的基本参数、型式及代号等都做了规定, 其中涉及水轮机的为微型水轮机型式及转轮标称直径系列, 故并不能较完整地反映微型水轮机的主要特性与特征。一般微型水轮机的主要特性与特征由转轮型号、主轴布置形式及引水室特征、转轮标称直径等来表示, 因此对反击型可仿照“中、小型反击型水轮机系列”的方式表示, 实际上在目前的生产实践中已广泛使用。由此反击型微型水轮机系列化应包含下列内容。

(1) 微型水轮机型号编制规则。

微型水轮机型号由三部分组成, 它们之间以横线分开。

第一部分由水轮机型式及以比转速表示的转轮型号组成。型式及其代号为:混流式 (HL) 、轴流式 (ZL) 、贯流式 (GL) 。由于微型水轮机都为定桨, 因此不必划分定、转桨式。对未入谱的转轮, 以研制单位编制的代号作为转轮型号。为区别有、无流量调节机构, 可在型号前面加“W”表示无流量调节机构微型水轮机, 不加“W”则为有流量调节机构微型水轮机。

第二部分由主轴布置形式及引水室特征组成。主轴布置形式及其代号为:立轴L、卧轴W。引水室特征及其代号为:金属蜗壳J、明槽式M、灯泡式P、罐式G、轴伸式Z。

第三部分为转轮标称直径D1 (cm) 。

型号示例:WHL240-WG-20, 表示无流量调节机构混流式水轮机, 转轮型号为240, 卧轴, 罐式引水室, 转轮标称直径为20 cm。

(2) 转轮标称直径系列。

转轮标称直径系列对产品品种的多少和运行效率都有直接影响, 而且两者是相互矛盾的。针对微型水轮机利薄、对运行效率要求较低的特点, 制定直径系列时应以减少产品品种作为主要原则。转轮标称直径系列可以依据文献[3]的方法确定, 即从10开始, 依次12.5、16, 之后每档增加5, 混流式直至20, 轴流式直至55。

(3) 系列型谱。

转轮型号由转轮的型式与代号表示, 转轮的代号由其限制工况比转速表示。同一系列水轮机在相似工况下比转速ns相等。比转速ns的表达式为:

$n{}_s=\frac{n\sqrt{{\rm N}}}{{\rm H}{}^{5/4}}$

或$n{}_s=3.13\frac{n\sqrt{Q\eta }}{{\rm H}{}^{3/4}}$

式中:n为转速, r/min;Q为流量, m3 /s;N为出力, kW;H为水头, m;η为效率, %。

从一般意义上来讲, 高水头、小流量水轮机的比转速较低, 反之, 则比转速较高。此外, 还由于受到强度和汽蚀条件的限制, 一定比转速的水轮机只能用于某一水头段范围。对此, 因微型水轮机用于工作水头低的微型水力资源, 很少受到强度条件的限制, 故主要受到汽蚀条件的限制。

推荐的模型转轮型谱可从已形成产品的、使用过的反击型模型转轮中筛选后形成。

4微型混流式水轮机模型 (无流量调节机构) 的探索

当转轮标称直径小于模型水轮机时, 需使用常规水轮机模型进行缩小换算, 而缩小后往往带来叶片绝对厚度太薄、难以达到铸造工艺要求的问题。这样一来就必须通过加大叶片绝对厚度以满足铸造工艺的需要。从而导致叶片相对厚度增加, 过流面积减小, 流量和汽蚀性能下降, 使特性发生较大的改变。由此给相似换算带来问题, 造成单位转速、单位流量及效率换算困难。由于修正值无法较准确地选定, 至使单位转速、单位流量及效率换算结果与实际情况相差很大。这对于叶片数较多的混流式微型水轮机的影响尤为明显。因此, 在微型水轮机系列化中应充分重视这个问题。

针对上述问题, 探索和研究适合微型混流式水轮机使用的模型是必要的。主要思路应为:减小叶片对水流的排挤, 简化转轮铸造工艺。具体的措施可以在保证叶片强度的前提下 (适当加大叶片相对厚度、增大叶片包角) , 大幅度地减少转轮叶片数。这是因为微型水轮机工作水头低、尺寸小, 采取上述措施显然是合理的、可行的。

目前“农业部南京农机化研究所微水电研究中心”与“江苏大学能源与动力工程学院”合作, 已开始对少叶片模型进行探索和研究并取得一定进展。例如:设计水头为21 m、比转速为120的微型混流式水轮机, 其转轮标称直径D1为12.5 cm、叶片数5片。为了更接近实际情况, 铸造后不进行打磨及修整, 直接进行测试。测试结果表明:运行平稳、可靠, 效率达78%。与多叶片、比转速相近、标称直径相同的微型混流式水轮机相比, 效率高出5%～8%, 效果良好, 这说明“少叶片”的探索和研究是有前途的。

参考文献

[1]姜美武.小水电发展问题浅析[J].小水电, 2008, (1) :5-7.

[2]GB/T17522-1998, 微型水力发电设备基本技术要求[S].

[3]GB/T17522-2004, 微型水力发电设备基本技术要求[S].

[4]全国微水电发展研讨会纪要[Z].全国微水电发展研讨会.北京:2007.

[5]胡桧, 钟挺.微型水力发电技术[M].北京:中国农业出版社, 2001.