基于微型燃气轮机的多微源直流微网主从协制

针对直流微网母线电压波动较大的问题,提出一种以微型燃气轮机为主协调单元的主从协制策略。该控制策

略充分利用微型燃气轮机的功率调节作用，在有效减小微网母线电压波动范围、使其输出电压更加稳定的同时，一

定程度上减少了蓄电池单元投入数量和充放电次数,减少蓄电池的后期维护成本，并在MaSab/Simu/nk中分别搭

建分级控制、变功率控制以及主从协制模型，通过对比仿真分析的方法，验证了文中所提控制策略在稳定电压 及减少蓄电池充放电次数等方面存在的优势。关键词：分级控制；变功率控制；微型燃气轮机;主从协制；直流微网中图分类号:TM76# 文献标志码：A 文章编号：2096-3203( 2O19) 06-0107-080引言随着化石能源的燃烧，人类面临着日益严重的

能源问题和环境问题。风能和太阳能等新能源凭 借其可再生性和无污染性受到了广泛关注[1.3]\"然

池等组成的多微源直流微网，在分析了各微源控制

策略基础上，提出了以微型燃气轮机为主要协调单

元的主从协制策略。该策略充分利用微型燃

气轮机功率调节特性，降低蓄电池投入成本和维护

成本，同时减小微网电压波动范围。最后，分别建

立分级控制、变功率控制以及主从协制模型,

而新能源发电受环境因素明显，有很强的不确

定性和间歇性。为了保证供电可靠性和良好的电 能质量，直流微网控制策略成为微网研究的重点 之一 ,4—7] 之一对比仿真分析，验证了文中所提控制策略的优点。1直流微网主从协制针对直流微网分级控制和变功率控制电压波 动大、蓄电池投入与维护成本高等问题，在深入研

微型燃气轮机作为一种典型的分布式电源，不

但可以发出电能和热能，而且具有排放少、效率高、

安装方便、维修简单等特点，成为热电联供微网中 最有发展前景的分布式电源之一，8—\"在直流微网的各种控制策略中，分级控制是最 常用的控制策略\" 然而分级控制不能将直流母线 电压维持恒定，只能保证微网电压在一定范围内平 衡，10—#5-，而且直流母线电压的变化还会影响直流微

网中各个微源、负荷、蓄电池的运行方式，加大直流

究直流微网变功率控制与交流微网主从控制的基

础上，提出了风光储燃直流微网主从协制策略。12直流微网的拓扑结构文中研究的是风光储微直流微网，其拓扑结构

如图I所示。该直流微网主要由微型燃气轮机、蓄

电池、光伏、风电及负荷组成1719o在该直流微网 中，光伏、风电、微型燃气轮机组成微网微源，作为

[.]母线电压的波动范围。文献[#6]提出变功率控制

能量输出单元，负荷作为微网的电能消耗单元，而

蓄电池作为协调单元，用于平衡直流微网中功率的 波动,2024策略，该控制策略是以各个微源、负荷、蓄电池的输

出功率为参考量，一定程度上减小母线电压的波

动，但是该控制策略需要大容量的蓄电池才能保证

直流微网的正常运行，且蓄电池还要频繁充放电工

.]o直流母线作，这就造成了蓄电池投入成本和后期维护费用的 增加\"文中首先分析了分级控制与变功率控制存在 的问题:电压波动大，需要大量蓄电池单元平衡微

一控--

|dc/dc| |dc/dc| |dc/dc| |ac/dc| |dc/dc|ac/dc|道电矶—i—

I,八气*!网电压，造成了蓄电池投入与维护成本的增加。然

后构建一个由风电、光伏、微型燃气轮机、以及蓄电图1直流微网拓扑结构收稿日期&2O19-O5-24；修回日期：2O19G7G6Fig2 Topology of the DC microgrig108电力工程技*12微型燃气轮机发电系统的控制策略1.2.1微型燃气轮机发电系统微型燃气轮机发电系统如图2所示，由微型燃 气轮机、永磁同步发电机(permanent magnetic syn­

chronous yenerator, PMSG)、整流器和控制系统组

成［25—28］。文中所采用的微型燃气轮机的控制策略

以Rows所提出的单轴微型燃气轮机控制策略为 基本控制模型［29—33］。加温度控制控制系统速度•速度控制控制

燃功率因数及直 料流电压控制流速量

转矩7；度----------------3PWM直微型燃 流气轮机Tac/dc}母线

图2微型燃气轮机系统结构Fgg22 Sgmpegfgedseeuceueeofmgceoeuebgne由图2可知，微型燃气轮机输出功率由燃料输

入量决定,而燃料流量主要受到3个方面的:(1)温度,保护燃气轮机进口温度在额定的范

围内；(2)加速，避免轮机启、停中对燃料需求

过大造成管道热冲击;(3)速度,维持燃气轮机

在额定转速附近运行。微型燃气轮机通过输出转矩；控制永磁同步

发电机输出电功率。直流母线电压Qd通过PI整定 等控制环节输出参考角速度#/,再与永磁同步发

电机角速度#做差，输出速度信号,进而控制燃气

轮机燃料输入量，控制燃气轮机输出功率。因此,

可以通过调节#/的大小来调节微型燃气轮机输出

功率。当微型燃气轮机输出功率过高时，燃烧室的温

度会超过其额定允许值，此时微型燃气轮机的温度

控制模块起作用，减少微型燃气轮机的输出功率; 当微型燃气轮机输出功率过低时，其微型燃气轮机

的发电效率就比较低，造成了燃料的浪费。因此规

定了微型燃气轮机输出功率最大值#MT_io和最小值

#MT_i-，既保证了发电安全，又保证了发电效率。 1-2.2微型燃气轮机发电系统控制方式燃气轮机控制策略如图3所示，其中Qdk--为直

流微网母线电压额定值;#mt为微型燃气轮机的输出 功率。微型燃气轮机的控制策略分为恒功率控制 和恒压控制2种。(1)恒功率控制。当#MT $心」-’或#MT #

#MTnn时，微型燃气轮机输出功率最大或者最小，通一选择器速一

度控制

图3微型燃气轮机的控制策略 Fig2 Controt stretegy of micre turiine

过PI整定环节,调整#再与#—s作差，使得速度信 号保持不变(最大或者最小)，进而控制燃料量,使

得微型燃气轮机保持在#MT_io( #MT $ #MT_io)或者

#MT_mn( #MT # #MT_i-)不变。由于此时微型燃气轮机 输出功率恒定，因此称此时为恒功率控制或者恒速 度控制。(2)恒压控制。当 #MT_mvx >#MT >#MT_in 时，Qd 与

其额定值作差，然后经PI调节后得出#/的

值,再与#作差，得出速度控制信号调节微型燃气

轮机燃料进量，调节微型燃气轮机输出功率，控制 发电量，保持微网电压恒定。由于直流微网母线电

压恒定并保持在其额定值，因此微型燃气轮机此时 处于恒压控制模式。12蓄电池的控制策略其中蓄电池的控制策略如图4所示。#c为蓄

电池的极限功率;#wad为风电输出功率;#po为光伏 输出功率;#bomn为蓄电池输出功率;#PO为负荷消

耗功率；Rc为蓄电池充电时buck电路占空比;Rd为

蓄电池放电时boow电路占空比，令!#= #py+#w-d +当微网功率波动在微型燃气轮机的调节范围

内时，采用微型燃气轮机来调节微网功率的波动,

于海等:基于微型燃气轮机的多微源直流微网主从协制1O9此时，蓄电池不运行。当微网功率波动在微型燃气

轮机的调节范围外时，燃气轮机输出功率保持

#MT_；cx或者#MT_ ；w ,通过减法器计算蓄电池极限功

率#与!比值，当AP| $ #c时,说明系统功率 超出蓄电池功率极限，此时选择相应的恒功率充、

放电；当O<| AP| ##c时，说明系统功率在蓄电池 功率调节范围内，选择变功率充、放电。12光伏、风电的控制策略令风力发电的优先权高于光伏发电。当直流

微网中微源输出功率过多时，首先，光伏系统采用

恒压控制，当光伏系统输出功率降为零且直流微网

微源输出功率依旧过多时，此时风电系统采用恒压

控制，降低风电系统的输出功率。光伏、风电的控制策略如表I所示。(1) 当△#<#，说明此时蓄电池能够调节微网 内功率的波动，此时光伏、风电都采用最大功率点

跟踪)maximum powar point Uactin/，MPPT)控制。(2) 当AP$#c，#p,>O,说明微网内功率的冗余 超过蓄电池的调节范围，此时光伏电池采用恒压控

制，以减小光伏电池的输出功率;而风电采用MPPT 控制。(3) 当#，#pv = O,说明微网内功率的冗

余超过蓄电池的调节范围，而且光伏电池的输出功

率为零，此时风电系统采用恒压控制，以减小风电 系统的输出功率。表1光伏、风电的控制策略Table 1 Controi strotegy of photovoltaic

poweeandwgndpowee模式光伏风电I△#$$#c，，#x = 0恒压2A##c#Pv>0恒压MPPT3A#<#cMPPTMPPT12微网控制策略对于直流微网的整体控制采用新型控制策 略一主从协制。该控制策略示意如图5所

示。该控制策略以微型燃气轮机为主协调单元，蓄

电池为从协调单元。相比只采用蓄电池单元作为

协调单元的直流微网，该微网所需蓄电池容量较

小。在微型燃气轮机调节范围内，蓄电池单元不进

行充放电工作，后期维护成本相对较低。具体控制策略如表2所示。直流微网主从协调 控制将直流微网分为6个工作模式。模式 I：当 #MT # #MTk；w，!# $ #C，#pv=O 时，说 明微型燃气轮机输出功率已为最小值，微网内蓄电

池采用恒功率充电，以蓄电池的极限吸收微网内冗图5主从协制策略示意Fig.5 Diagrom of master-slave coordinated

controi strotegy表2直流微网主从协制Table 2 Adaptive master-slave coordinated

controi of DC microgrig模式功率微型燃

气轮机光伏风电储能负载I#MT ##MT_mW，△#$#C，#x = 0恒功率恒压功率 充电正常2#MT$ ##MT_mW， △##C,#pv>O恒功率恒压MPPT功率 充电正常3#MT ##MT_mW，恒功率变功率

0O>!#>-#c放电正常6#MT $#MT_;cx ,恒功率MPPTMPPT功率 放电切除余的功率。此时需要减少微源的输出功率,但由于

光伏电池的输出功率已经降为零，所以风电系统采

用恒压控制,减小风电系统的输出功率。模式 2：当 #MT# #MTk；w , !#$ #C，#pv > O 时，说 明微型燃气轮机输出功率已为最小值，微网内蓄电

池采用恒功率充电，以蓄电池的极限吸收微网内冗

余的功率。此时需要减少微源的输出功率,所以光

伏系统采用恒压控制,以减小风电系统的输出功率。模式3 ：当#MT# #MTk；w , O <△#<#时，说明微型 燃气轮机输出功率已为最小值，且蓄电池能够调节

微网功率的冗余而不需要减小微源的发电功率，所

以此时蓄电池采用变功率充电，而光伏、风电系统 采用MPPT控制。模式4 ：当#M/k；w ##MT ##MTk；y时，说明微型燃 气轮机能够调节直流微网功率的波动，此时蓄电池

不工作，而光伏、风电系统采用MPPT控制。模式 5：当 #MT$#MT_；y,O>!#>-#c 时,说明微 型燃气轮机输出功率已为最大值，但蓄电池能够调

节微网功率的缺额，所以此时蓄电池采用变功率

放电。模式6：当#MT$#MT_；y,!##-#C时，说明微型 燃气轮机输出功率已为最大值，微网内蓄电池采用

110电力工程技求恒功率放电，以蓄电池的极限吸收补充微网内缺额

的功率，此时需要减少负荷的消耗，所以需要逐步 切除一部分不重要的负荷，以维持微网功率的平衡 与电压的稳定。2仿真验证2.1微网输出随风速变化的仿真分析为了验证文中所提主从协制的可行性!按

照图1搭建了仿真平台,具体仿真结果如下。2.1.1风速上升对微网输出影响的仿真分析假设，当(5 c时,直流微网中微型燃气轮机、

光伏电池、风力发电、负荷等单元全部运行于其额

定值，蓄电池不工作;而当t$ 5 s,随着风速逐渐上

升，直流微网各种参数变化曲线如图6所示。04「 ___-・目2、 一 超嘿

O_ O

5 10 15 20

25 30 35 40 45t/s(a)风速上升2 o 00O1O

O

5

10 15 20

25 30 35 40 45t/s(b)微型燃气轮机输出功率0-1000-2 0000

5

10

15 20

25 30 35 40 45t/s(0)蓄电池输出功率O

5

10 15 20

25 30 35 40 45t/s(d)光伏输出功率寸

2

槪0IXO桿 5

10

15 20

25 30 35 40 45t/s0(e)风机输出功率 o o A/8田 o o 曲

6O O 5

10 15 20

25 30 35 40 45t/s(f)母线电压图6风速上升微网输出变化曲线Fig.6 Variation curves of DC microgrid withthe incroasing wind speed当0#(5 v,风速恒定在E10 m/s时,直流微网各分布式单元输出功率维持在额定值附近波动。当5 s#(13 s,风速逐渐升咼时,风力发电系统

采用MPPT控制，其输出功率逐渐增加;此时为了维

持直流微网功率的平衡，微型燃气轮机采用恒压控

制,其输出功率逐渐减少，直至减少到其最小输出

功率#MT_ma二12 kW ,此时直流微网内蓄电池、光伏 的输出功率恒定,直流微网工作于模式4。当13 s#(14 v,随着风速逐渐升高、风力发电 系统输出功率逐渐增加，由于微型燃气轮机的功率

达到极小值，采用恒功率控制,使其输出功率维持

在最小值。由于微型燃气轮机的功率调节作用达

到极限，因此蓄电池开始运行，采用变功率充电控

制，随着风电输出功率的增加，逐渐增加蓄电池的

充电功率，直至达到其极限充电功率，以维持直流

微网功率的平衡。此时光伏的输出功率恒定，直流

微网工作于模式 3。当14 s#(40 v,风电输出功率继续增加时,既

微型燃气轮机功率调节作用达到极限值后,蓄电池

的功率调节作用也达到极限值，其充电功率达到极

限充电功率,此时蓄电池采用恒功率充电控制，使

蓄电池充电功率维持在其极限充电功率上。由于

微型燃气轮机、蓄电池的功率调节作用都达到极限

值，为了维持直流微网功率的平衡,此时光伏电池

采用恒压控制，逐渐减少光伏电池的输出功率,直

至减少到0,此时直流微网工作于模式2。当40 s#(45 s时，由于由于微型燃气轮机、蓄

电池的功率调节作用都达到极限值，且光伏电池输

出功率也减少到0，随着风速的继续增加，为了维持

直流微网功率的平衡，此时风电系统采用恒压控

制。由于直流微网其他微源、负荷的功率保持恒

定，因此虽然风速的继续增加，而风电系统输出功

率保持恒定，此时直流微网工作于模式1。由图6(f)可知，在上述变化过程中，直流微网

母线电压基本维持在其额定值Qdsmt二800 V。 2.1.2风速下降对微网输出变化的仿真分析假设，当(5 s时,直流微网中微型燃气轮机、 光伏电池、风力发电、负荷等单元全部运行于其额

定值，蓄电池不工作;而当5 v,随着风速逐渐下

降直流微网各种参数变化曲线如图7所示。当0#(5 v,风速恒定在E 10 m/s时,直流微 网各分布式单元输出功率维持在额定值附近波动。当5 s#(28 v,风速逐渐降低时,风力发电系统

采用MPPT控制，其输出功率逐渐减少。此时为了 维持直流微网功率的平衡，微型燃气轮机采用恒压

控制，其输出功率逐渐增加，直至增加到其最大输

出功率#MT_mae二20 kW ,此时直流微网内蓄电池、光于海等:基于微型燃气轮机的多微源直流微网主从协制111(」・昌芻

20 00010 000o

5

10 15 20

25 30 35 40 45t/s2 0001 000010 0005 00005

10 15 20

25 30 35 40 45t/s(d)光伏输出功率15 000110005 00005 10 15 20

25 30 35 40 45t/s(d)风机输出功率1000 會800

莊6005

10

15

20

t/s25 30 35 40 45(f)母线电压图7风速下降微网输出变化曲线Fig2 Variation cuees of DC microgrig with

the decreasing wind speed

伏的输出功率恒定,直流微网工作于模式4。当28 s#(37 s,随着风速逐渐降低、风力发电

系统输出功率逐渐减少，由于微型燃气轮机的功率

达到极大值，采用恒功率控制，使其输出功率维持

在最大值恒定。由于微型燃气轮机的功率调节作

用达到极限，因此蓄电池开始运行,采用变功率放

电控制，随着风电输出功率的减少，逐渐增加蓄电

池的放电功率，直至达到其极限放电功率，以维持 直流微网功率的平衡。此时光伏的输出功率恒定,

直流微网工作于模式5。当37 s#(45 -，风电输出功率继续减少时，既 微型燃气轮机功率调节作用达到极限值后，蓄电池

的功率调节作用达到也极限值， 其放电功率达到极

限充电功率,此时蓄电池采用恒功率充电控制，使 蓄电池充电功率维持在其极限放电功率上。由于 微型燃气轮机、蓄电池的功率调节作用都达到极限

值，为了维持直流微网母线电压的稳定与功率的平

衡，此时需要逐渐切除一些次要负荷，以逐渐减少 负荷功率，此时直流微网工作于模式6。由图7(/可知，在上述变化过程中，直流微网

母线电压维持在其额定值Qde_t- = 8OO V。22蓄电池充放电及母线电压对比仿真分析2.2.I蓄电池充放电对比假设由于云的运动，光伏电池所接受的光照强

度发生变化时，直流微网采用主从协制、分级

控制、变功率控制蓄电池荷电状态(SOC)变化曲线

如图 8 所示。(00为o• o o 色

9oo 8

L00 o

15 20 25 30 35 40

t/s光照强度变化曲线40.00540.00039.99539 '990 0___ 5_ __10____ 15___ 20____ 25_ __30___ 35____ 40t/s(b)分级控制40.005言 40.000* 39.99539.990 0------ 5- ----10----- 15------ 20----- 25------ 30----- 35------ 40t/s(c)变功率控制40.000「39.99239 9900------ 5- ----10------ 15------ 20------ 25------ 30------ 35----- 40t/s(d)主从协制图8蓄电池SOC变化曲线

Fig2 Simulation cuee of battoe's SOC当光照强度依据图8(x)所示的曲线变化时，如 果直流微网采用变功率控制或者分级控制，则蓄电

池会在充电与放电之间频繁切换，严重影响了蓄电

池的使用寿命，且造成蓄电池后期维修成本的增

加。如果采用文中所提出的控制策略，微型燃气轮

机在一定范围内协调功率变化，减少了蓄电池投入 数量，同时当光伏的输出功率变化在微型燃气轮机 的功率调节范围时，此时蓄电池不工作，蓄电池后

期维修成本相应降低。2.2.2母线电压对比当风速依据图7(x)所示的曲线变化时,直流微

网分别采用主从协制、分级控制、变功率控制

112

电力乂程衣求时,其母线变化曲线如图9所示。（C）主从协制图9直流母线变化曲线Fig2 Simulation curve of bus voltage直流微网分别采用主从协制、分级控制、

变功率控制时,其直流母线电压波动幅值大小对比 如表3所示。表3母线电压变化大小Tabla 3 Amplitude variation of bus voltage控制策略Qdc m—Qdc max!Qdc主从协制79080515分级控制80088080变功率控制79082030由图9和表3知，当直流微网采用文中所提的 主从协制时，由于微型燃气轮机的支撑作用，

直流母线电压不存在大幅波动，且波动范围最小。

当采用分级控制时直流母线电压波动大，幅值变化 范围最大;当采用变功率控制时，直流母线电压的

波动情况相对于采用分层控制的直流微网较好，变

化幅度居中。从仿真结果来看，由于引入了燃气轮机，能有

效的减少蓄电池投入数量以及充放电频率，减少后

期维修投入，同时电压波动范围更小，电能质量

更高。4结语文中在变功率控制与主从控制的基础上创新

性地提出了以微型燃气轮机为核心的主从协

制策略。该控制策略充分利用了燃气轮机发电系

统的调节作用，减少了蓄电池的投入费用，同时有

效解决分级控制母线电压波动大，变功率控制蓄电

池频繁充放电增加后期蓄电池维护成本等问题。 为未来偏远地区热电联供的直流微网建设提供了

一种思路。与蓄电池比较，微型燃气轮机发电系统响应速

度相对较慢(秒级)，如何提高微型燃气轮机的响应

速度，更好的实现微网稳定运行和良好的电能质量 是未来研究的重点。参考文献：[1] 李武华，徐驰，禹洪斌，等.直流微网系统中混合储能分频协

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85-.LIN Jun, MU Shwin, LI Yansong, cf al. Overall modeling and

作者简介：于海)1987),男，硕士，工程师，从事直流 输电与直流断路器相关工作(E-mail: yuyu-

simulation of micmturbinc generation systems — micngeds

二ha—ai110@ sinv.com)；,J ] • Automation of ElectPe Power Systems, 2010, 34 ( 7 ): 85-9.孙亮(1993)，男，学士，从事高电压技术相

关工作；岳云凯(1990),男，硕士，从事电力电子技

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turbinc model for distributed generation studies, C ] 〃Pmcced-

于海术相关工作。Master-slave coordinatee control of multi-micro-sourcc

DC microgrin based on micro turbineYU Hvi, SUN Liang, YUE Yunkvi, ZHAO Mingguan(Stalo GVd Xinjiang Co., Ltd. EPctnc Powar Research Instituta, Wulumuqi 830011, China)AbstracC: DC-bus voltaga stO—ty of multi-micro-source DC microgrid system is an impoTot index of powar quVity and ona of

tha keg fectors that confina largv-scala application. Aiming W solving tha largo fuctuation of tha bus voltaga, a master-slave

cooadonaiongconiaoesiaaiegybased on ihemocaoiuaboneasihemaon cooadonaioon unoiospaoposed.Thosconiaoesiaaiegymakong full usa of tha powar regulation function of micro turbina, /fectivep nducas tha fuctuation ranga of micro gVd bus voltaga and

makvs tha output voltaga mon stablv. Al tha sama Uma, it reducas tha numbar of bvmVas and tha numbar of chargas and

dWchargas, and reducas tha latar maintenance cost of bOteVes. In thW papar, hierarchical control, vaVabla powar control and master-slavo coordinated control mod/v an bud- — MoUb/Simul—k mspatU/y. By comparing tha simulation oVysis

meihods, iheadeaniagesooihepaoposed coniaoesiaaiegyon aeducongihebaieayonpuicosi, maonienancecosiand siabeeeoeiage

aaeeeaoooed.Keywords: hierarchical control; vaVabla powar control; micro turbina ； master-slavo coordinala control; DC miengVd(编辑钱悦)