PNVMECA软件计算微型燃机–燃料电池系统 变工况性能
微型燃气轮机热电联供系统性能评价
系 列先 进 技术 特 征 ［４ ① 运 动 部 件 少 ， 构 简 单 １］ －： 结
系 统 以小规模 （ 千 瓦至兆 瓦级 的小 型模块 式 ） 近 数 、 用 户端分 散 布置 。 当今 分布 式 能源主要 是 指用液 体 或 气体燃 料 的 内燃 机 、微 型燃气 轮机 和各种 Ｔ程 用
ｔ ｂｎｅ；ｐｅ ｏ ｍａ ｅ ｅ ａｌａ ｉｎ ｕｒ ｉ ｆ ｒ ｒ ｎｃ ｖ ｕ ｔｏ
关键 词 ： 布式 能 源 ； 型燃 气 轮 机 ； 能 评 价 分 微 性
与 柴油 发 电机 组 相 比 ， 型燃 气 轮 机具 有 以下 献标志码： Ａ
⑦ 可多 台集成 扩容 。
因此 ， 进 的微 型 燃 气 轮机 是 提 供清 洁 、 靠 、 先 可 高 质量 、 多用途 的小 型分 布式 供能 系统 的最佳 选择 ． 使热、 电供应更 靠 近用 户 ． 无论 对 中心城 市还是 远 郊 农村 甚至 边远 地 区均 能适 用 。 ： 对终 端用 户来 说 ． 与 其 它小 型发 电装置 相 比． 型燃 气 轮 机是 一 种 更 好 微 的环 保 型发 电装 置 ． 且 在生产 电能 的同时 ， 以用 并 可
Ｙ ＮＧ Ｚ ｉ ｉ ，Ｙ ｉ ，Ｙ Ｇ Ｙ ｎ － ｉ Ａ ｈ－ ｎ ｐ ｇ ＡＮ Ｑｎ ＡＮ ｏ ｇ ｎ ｐ ｇ
（ ｏｔ Ｃ ｉａＥｅｔｃＰ ｗ ｒ ｎｖｒｉ ， ｅ ｉｇ１２ ０ ， ｈｎ ） Ｎ ｒ ｈｎ ｌ ｒ ｏ ｅ ｉｅｓ ｙ Ｂ ｉｎ ０ ２ ６ Ｃ ｉａ ｈ ｃｉ Ｕ ｔ ｊ
燃 料 电池
紧凑 ， 重量 轻 ； 可 用 多 种燃 料 ， 料 消 耗 低 、 放 ② 燃 排
低； ③低振动 、 低噪音 、 寿命长 、 运行成本低 ； ④设计 简单 、 备用 件 少 、 生产 成本 低 ： 通 过调节 转 速 ， ⑤ 即使 不 是满 负 荷运 转 ， 效率 也 非 常高 ； 可 遥 控 和诊 断 ： ⑥
微型燃气轮机发电系统模型修正及实验验证
微型燃气轮机发电系统模型修正及实验验证王成山;高菲;李鹏;郭力;黄碧斌;丁承第【摘要】对微型燃气轮机发电系统的原动装置、高速永磁同步发电机、整流器和逆变器及相应控制器、滤波器等各部分进行了数学建模和暂态仿真,并利用微型燃气轮机系统的实验数据分别对仿真系统稳态运行点和暂态过程的仿真模型进行了改进.将微燃机输入改进为变量的非线性组合形式,并根据微燃机输入输出关系和实验数据进行拟合确定相关参数,提高了微燃机稳态输出的模拟精度.在微燃机和逆变器指令中增加速率限制环节,能够有效地模拟出微燃机热力学的延迟特性,在功率指令变化时提高暂态响应曲线的拟合度.最后对实验数据和仿真结果进行比较,验证了所提改进模型的适用性和有效性.%The microturbine generation system, which was composed of microturbine, high speed permanent magnet synchronous generator, converter, inverter, controller and filter, was modeled and simulated. The simulation model was improved both in steady operating points and transient process with the experimental data of a practical microturbine generation system. The microturbine input of variables nonlinear combination enhanced the microturbine output accuracy in steady state. The relevant parameters were calculated through data fitting based on the input-output relationship. The rate limiter, which reflected the delay characteristic of thermodynamic process, was applied in the power commands of the microturbine and inverter to improve the dynamic fit. Finally, the comparison between experimental data and simulation results verified the applicability and effectiveness of the model proposed in this paper.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2011(044)011【总页数】7页(P948-954)【关键词】微型燃气轮机;暂态仿真;实验验证【作者】王成山;高菲;李鹏;郭力;黄碧斌;丁承第【作者单位】天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072;天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072;天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072;天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072;天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072;天津大学智能电网教育部重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TM796微型燃气轮机[1-2]作为一种重要的分布式电源，以其高效清洁、运行稳定、输出可控等优点，受到了广泛的关注并得到了迅速发展．通过微型燃气轮机发电余热的二次使用，微型燃气轮机发电系统可构成发电、供暖和制冷一体化的冷热电联供系统，有效提高能源利用率和分布式发电供能系统的整体效率．微型燃气轮机单机功率一般在数十千瓦到数百千瓦之间，采用径流式叶轮机械(向心式透平和离心式压气机)以及回热循环[3-4]，并且利用天然气等可燃性气体作为原料，为系统的发电装置提供原动功率．笔者重点研究单轴结构的微型燃气轮机，其具有压气机、燃气涡轮与发电机同轴旋转的特点，转速可高达30,000～100,000,r/min[5]，高性能永磁同步发电机端口的高频交流电通过电力电子装置(整流器、逆变器及其控制环节)转化为工频交流电向用户供电．数字仿真作为对真实物理系统的模拟是电力系统重要的分析手段，已成为电力系统不可或缺的研究工具．数字仿真的关键是选取合理的系统结构和数学模型，通过参数辨识等方法力求真实体现实际系统的暂态特性和稳态特性．笔者在对微型燃气轮机发电系统的原动装置、高速永磁同步发电机、整流器和逆变器及相应控制器、滤波器等各部分进行详细数学建模的基础上．并且针对实际系统的实验数据，分别对稳态运行点和暂态过程的仿真模型进行了改进，最后通过实验数据和仿真结果的比较验证了文中采用模型的适用性和有效性．1 微型燃气轮机发电系统1.1 发电装置建模微型燃气轮机发电系统主要由同轴高速旋转的微燃机和永磁同步发电机构成[4,6]，如图1所示．微燃机主要由压气机、燃烧室、燃气涡轮等部件组成．燃烧室将经压气机增压后的空气与燃料进行混合燃烧，输出高温燃气在燃气涡轮中膨胀做功，最终转化为机械能，一部分带动压气机工作，另一部分为发电机提供原动功率．速度、温度和燃料等控制环节在上述能量转换过程中依据运行转速控制燃料室进气量，限制燃烧室温度上限，以便在安全可靠状态下获取最大运行效率．图1 微燃机结构示意Fig.1 Configuration of microturbine1) 速度控制环节微燃机速度控制环节见图 2. 正常运行时，转速差值和功率相关变量的代数和作为速度控制环节的输入，通过一个传递函数控制环节，作为燃料控制低值门环节的一个输入．该环节旨在根据转速和功率信息控制微燃机输出功率特性．值得注意的是，Z的取值决定了控制环节的调节特性．图2 微燃机速度控制环节Fig.2 Speed controller for microturbine2) 温度控制环节温度控制环节通过燃料量控制燃气涡轮的温度不超过限值，维持设备正常安全运行．该环节将含辐射屏蔽的热电偶测量得到排气口温度与设定温度的差值，进行温度控制后作为燃料控制低值门环节的另一个输入，其框图如图3所示．图3 微燃机温度控制环节Fig.3 Temperature controller for microturbine3) 燃料控制环节燃料控制环节经过燃料限制器、阀门定位器和燃料调节器3个环节，得到该运行点下相应的燃料需求量，如图4所示．图4 微燃机燃料控制环节Fig.4 Fuel controller for microturbine4) 涡轮和压气机系统燃烧室、压气机和燃气涡轮是微型燃气轮机的核心部分．图 5中分别用 2个延迟环节和 1个一阶惯性环节分别模拟燃烧室中燃烧过程、压气机释放气体过程和涡轮系统运作过程．表征燃气涡轮排气口温度f1和输出转矩f2函数为图5 微燃机涡轮和压气机系统Fig.5 Turbine and compressor system of microturbine1.2 高速永磁发电机永磁同步电机最大特点是励磁系统采用永磁体代替，降低了铜损和转动惯量，提高了能量密度，更利于单轴微型燃气轮机的高速旋转的要求．永磁同步电机在dq坐标系下的方程为式中：vd和 vq(id和 iq，Ld和 Lq)为电机 d轴和 q轴的电压(电流、定子电感)；λ为永磁通；ωr为机械转速；p为极对数；J为转动惯量；Te和 Tm分别为电磁转矩和机械转矩．为了体现模型的灵活性，基于式(3)，永磁发电机模型框图如图6所示[7]．图6 永磁同步电机模型Fig.6 Permanent magnet synchronous generator model2 微型燃气轮机系统并网结构单轴微型燃气轮机系统因其涡轮和电机同轴高速旋转的特点，发电机出口高频交流电需要经过两级电力电子换流装置转换为工频交流电，其结构如图 7所示．电力电子装置一般采用背靠背式全控型 IGBT三相换流器[8-9]，能够实现能量的双向流动，而且具有较多的控制通道以保证系统的稳定运行．图7 微型燃气轮机发电系统拓扑结构Fig.7 Topology of microturbine generation system由于微燃机大范围转速运行的输出特性，电机侧逆变器通常根据永磁电机实际运行点对直流电压进行恒值控制[8,10]，减小微燃机和电机较大运行区域对于逆变器功率输出的影响，具体控制策略如图8所示．该控制方式建立在定子磁链坐标系下，根据高速永磁电机结构对称的特点，其有功输出功率和电机交轴电流呈线性关系，而直流电压幅值反应有功功率的变化，因此系统利用q轴通道进行直流电压控制，同时为了减小电机损耗，将d轴电流参考值设置为0．图8 整流器控制策略Fig.8 Control strategy of rectifier微型燃气轮机系统可以有效实现输出功率控制[8,11-12]，以满足控制指令或负荷需求．电网侧逆变器恒功率控制策略如图 9所示．该控制方式建立在电压矢量坐标系下，当选取d轴与逆变器出口电压矢量重合时，有功功率和无功功率即可实现解耦控制．图9 逆变器控制策略Fig.9 Control strategy of inverter3 仿真模型验证3.1 实验数据本文实验数据来源于广东佛山电力公司调度中心的实际冷电联供微型燃气轮机发电系统[13]，系统由 3台单机容量为 200,kW 的单轴微型燃气轮机组合构成，本文选取了单机并网带负荷实验的相关数据作为仿真模型验证的依据．在试验中，通过改变输出功率指令测量微燃机内部反应过程以及外部电能输出特性．本文的仿真模型侧重于电气系统，相关的模型验证工作也针对电气系统．表 1给出了相关的实验数据，整个实验持续4 200,s，经过了7次功率输出指令的变化．相关的输出功率变化过程如图10所示．表1 实验数据Tab.1 Experimental data时间/s 功率指令/kW燃机功率/kW转速/(r·min-1) 电流/A 125～475 60 73 48,300 86 475～800 80 93 51,200 116 800～1 100 100 113 53,700 144 1 100～1 400 120 133 55,900 173 1 400～1 700 140 156 58,100 202 1 700～2 600 160 178 60,000 232 2 600～2 900 140 156 57,900 202 2 900～3 200 100 114 53,500 144 3 200～3 600 60 73 48,000 86图10 实验数据Fig.10 Experimental data值得注意的是，图 10中实线为负荷功率指令，作为整个系统的参考指令，目的是控制微燃机并网点对外输出的电功率．虚线是通过微燃机内部的监测系统得到的微燃机总功率，两线差值为微燃机系统的功率损耗．从图 10中可以看出，在不同的输出功率下，微燃机系统损耗几乎保持不变．3.2 基于实验数据的模型改进微型燃气轮机发电系统仿真模型和参数的不确定性，是实验数据和仿真结果之间误差的主要原因．为了减小仿真误差，需要在原有数学模型的基础上，结合实验数据进一步对模型和参数进行改进分析．就本文中采用的单轴形式微型燃气轮机发电系统模型而言，主要研究对系统稳态运行点和暂态过程的准确模拟方法．微型燃气轮机是强耦合的非线性动力学系统，从实验数据可以看出当系统达到稳态时，其稳定运行点确定的关键是负荷功率指令、转速和微燃机输出功率间非线性关系．根据第1.1节中给出的微燃机原动模型可得到稳态运行时输入和输出关系为如图 2所示，通常设定功率指令 Pref、转速指令ωref和实际转速ω的线性组合u＝m1Pref ＋m2ωrefω作为输入，但是仿真验证其与实验结果存在较大误差．因此在原有各变量组合形式的基础上，将输入改进为含系数的二阶多项式输入形式，即u＝m1＋m2Pref＋m3ωref –ω．将微燃机2种形式的输入带入式(4)中，并进行变形可以得到式中：L1＝(a/c) ；L2＝K3(W/Z)．分别对线性输入形式和改进输入形式利用实验得到的离散数据进行最小二乘法的多项式拟合．经过最小二乘法拟合之后，线性输入形式系数m1和m2分别为0.415,8和 0.681,6，改进输入形式系数m1、m2和 m3分别为－0.195,7、0.631,2和 0.628,1．在各功率指令下微燃机实际功率输出和 2种输入形式拟合后结果比较如图11所示．图11 微燃机有功功率输出拟合结果Fig.11 Fitting results of microturbine active power output微型燃气轮机系统依赖于燃烧过程进行能量转换，在实际的暂态过程中，如图 12所示，燃机功率输出滞后于负载功率指令的暂态时间可达几秒到几十秒．微燃机模型由速度控制环节、温度控制环节、燃料控制环节和涡轮及压气机系统构成，但是这些环节的时间常数不易辨识，典型时间常数不能有效体现出热力学的延迟特性，而通过人为增大延迟时间常数来模拟延迟特性的方式容易导致仿真中高速永磁电机转速振荡．在微燃机实验过程中发现当功率指令线性增长时，微燃机功率输出也近似线性跟随增长．为解决燃机输出功率大时间尺度延迟问题，可考虑在不改变微燃机原有模型的前提下，对微燃机功率参考输入端和逆变器功率参考输入端加设速率限制环节，如图 13虚线所示，来模拟微燃机系统供率响应的延迟特性．图12 微燃机输出局部放大Fig.12 Partial enlarged details of microturbine output图13 速率限制环节的应用Fig.13 Application of rate limiter block速率限制环节在功率指令增大和减小时相应的增速和减速参数可通过暂态功率增量和过渡时间比值确定，通过表 2可以看出，该环节在功率输出增加时，速率限制参数平均值可取0.005,0，在功率输出减少时，速率限制参数平均值可取0.003,0，下面将通过仿真结果验证限幅环节在数字仿真模拟中拟合动态过渡过程的有效性．表2 速率限制环节参数Tab.2 Parameters of rate limiter block功率指令(p.u.) 过渡时间/s 限幅参数(p.u.·s-1)0.3～0.4 474.0～494.1 0.005,0 0.4～0.5 791.0～810.2 0.005,2 0.5～0.6 1 085.0～1,104.5 0.005,1 0.6～0.7 1 397.0～1,418.0 0.004,8 0.7～0.8 1 705.0～1,726.3 0.004,7 0.8～0.7 2 593.0～2,624.3 0.003,2 0.7～0.5 2 881.0～2,953.0 0.002,8,0.5～0.3 3 190.0～3,260.0 0.002,93.3 模型验证将第 1、2节介绍的微型燃气轮机系统模型和控制策略在MATLAB/SimPowerSystems软件中进行搭建，模型参数在经验值基础上根据该具体燃机系统的输出特性进行拟合修正后得到，具体参数见附录．针对图 10所示的燃机功率变化过程，数字仿真结果和实验数据对比如图 14所示，分别对输出功率、转速、逆变器出口电流等电气变量进行了结果比较．由于实验数据的实际时间尺度较大，图 14中对数据的时间横轴做了1∶10的压缩．从图中可以看出，仿真结果和实验数据吻合较好，稳态运行点的误差不超过1%．图14 仿真结果和实验数据比较结果Fig.14 Comparison between simulationresults and experimental data为了更加细致地对实验数据和仿真结果进行比较，图15给出了功率指令从80,kW 到100,kW时相关量动态过程的局部放大结果．由于仿真中采用了详细模型，逆变器端口线电流仿真结果含有高频分量．综合比较，各电气变量的暂态变化特性和实际系统的吻合度较高，采用本文改进后的数字仿真模型能够体现出微型燃气轮机物理系统在功率指令变化时的动态过程．图15 仿真结果和实验数据局部放大比较结果Fig.15 Comparison of partially enlarged details be-tween simulation results and experimental data4 结语详细介绍了单轴微型燃气轮机发电系统的暂态模型，包含微燃机原动系统、高速永磁同步发电机、电力电子变频器及其相应的控制策略．根据试验所得数据特性，对微燃机输入参考指令进行拟合，保证模型系统在各稳定运行点处的仿真精度；并在不改变微燃机原有数学模型的基础上，通过增速限幅环节进一步模拟功率指令变化时系统的暂态过渡过程．利用MATLAB/SimPowerSystems仿真平台搭建单轴微型燃气轮机发电系统仿真模型，和实际示范工程单机并网实验结果进行比对，验证了该模型系统对稳态运行点和暂态过渡过程均具有较高的仿真精度．在对示范工程单轴微型燃气轮机系统内部结构、参数和控制策略均未知的情况下，文中所提出的系统结构和拟合方法能够准确地模拟出高速微燃机以及逆变器出口端输出电气变量的稳态和动态过程，并且具有良好的移植适用性，可作为微型燃气轮机发电系统数字仿真模拟后续研究的基础．符号说明：f1—排气口温度函数，f1＝950－700 ( 1 − W f1)+550(1－ω)；f2—转矩输出函数，f2＝－0.276＋1.2,W f2 +0.5(1－ω)；2. 永磁电机参数Srat—永磁同步发电机额定容量，Srat＝200,kVA；ωrate—永磁同步发电机额定转速，ω rate＝62,500,r/min；R—发电机定子绕组电阻，R＝0.05,Ω；Ld、Lq—发电机同步电感，Ld＝Lq＝1.375×10-4,H；λ—永磁体磁通量，λ＝0.054,3,Wb；p—极对数，p＝1；J—发电机惯性常数，J＝0.005,kg·m2；D—发电机摩擦系数，D＝0,N·m·s；3. 整流器控制参数Kqp1—逆变器外环 Kp，Kqp1＝0.01；1. 微燃机参数W—速度控制增益，W＝25.0；X—速度控制超前时间常数，X＝0.4,s；Y—速度控制滞后时间常数，Y＝0.5,s；Z—控制模式，Z＝1；Fmax、Fmin—速度控制和温度控制中最大与最小限幅值，Fmax＝1.5，Fmin＝－0.1；K4—辐射屏蔽比例系数，K4＝0.8；K5—辐射屏蔽比例系数，K5＝0.2；T3—辐射屏蔽时间常数，T3＝15.0,s；T4—热电偶时间常数，T4＝2.5,s；Tt—温度控制器积分时间常数，Tt＝450,s；T5—温度控制比例系数，T5＝3.3；Tc—设定的控制温度，Tc＝950 °F；K3—延迟环节比例系数，K3＝0.77；T—燃料限制器时间常数，T＝0,s；a、b、c—阀门定位器参数，a＝1，b＝0.05，c＝1；Tf —燃料调节器的时间常数，Tf＝0.04,s；Kf —阀门定位器和燃料调节器的反馈系数，Kf＝0；K6—空载条件下保持额定转速的燃料流量系数，K6＝0.23；ECR—燃烧室延迟时间常数，ECR＝0.01,s；ETD—燃气涡轮和排气系统的延迟时间常数，ETD＝0.04,s；TCD—压气机排气时间常数，TCD＝0.2,s；Kqi1—逆变器外环 Ki，Kqi1＝0.05；Kdp2(Kqp2)—逆变器内环 Kp，Kdp2(Kqp2)＝4；Kdi2(Kqi2)—逆变器内环 Ki，Kdi2(Kqi2)＝50；4. 逆变器控制参数Kdp1(Kqp1)—逆变器外环 Kp，Kdp1(Kqp1)＝0.001；Kdi1(Kqi1)—逆变器外环 Ki，Kdi1(Kqi1)＝50；Kdp2(Kqp2)—逆变器内环 Kp，Kdp2(Kqp2)＝0.1；Kdi2(Kqi2)—逆变器内环 Ki，Kdi2(Kqi2)＝200.【相关文献】［1］ Grillo S，Massucco S，Morini A，et al. 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电-气-热微型能源系统的建模、仿真与能量管理研究共3篇
电-气-热微型能源系统的建模、仿真与能量管理研究共3篇电/气/热微型能源系统的建模、仿真与能量管理研究1电/气/热微型能源系统的建模、仿真与能量管理研究随着科学技术的不断发展，人类对于微型能源系统的需求日益迫切。
微型能源系统不仅能够为微型设备提供能量基础，还可以满足特殊且局部的能源需求。
电/气/热微型能源系统作为一种微型能源系统的代表，具备小体积、高能密度、高功率密度、多能源源、低维护成本等优点，因此成为了研究的热点。
本文将主要围绕电/气/热微型能源系统的建模、仿真与能量管理展开讨论。
一、电/气/热微型能源系统的建模电/气/热微型能源系统的建模研究是对系统的物理过程和能量转换、传递的数学描述。
建模的关键在于确定系统的结构和参数及物理方程，通过建立数学模型，计算得到系统内各个组成部分的性能及其相互作用。
同时，建模还可以分析系统的耦合特性和优化系统的结构及性能。
电/气/热微型能源系统的建模主要涉及到以下几个方面：1. 动力学模型：此类建模以能量转换与传递规律为基础，运用动力学方程进行建模，以表达微型能源系统内部的物理过程。
例如，模拟传感器与存储器有关的热传导过程时，需要建立传热方程；模拟电池放电过程，需要建立电池放电方程。
2. 电性模型：此类建模主要以电性参数和方程为基础，对电性元件、电路和系统进行建模。
例如，对太阳能电池进行建模时，需要建立基于二极管的伏安特征曲线，表达太阳能电池的电特性；再通过建立光照度与太阳能电池输出电流之间的关系，进一步建立电池的电性模型。
3. 传热学模型：此类建模主要在于揭示微型能源系统内部或与外部的热传导规律。
例如，通过建立微型能源系统与周围空气之间的传热方程，可以分析微型能源系统的热管理问题。
二、电/气/热微型能源系统的仿真仿真是利用计算机软件对物理过程进行数值求解和精度评估的过程，是对微型能源系统的建模结果进行验证和应用的过程。
通过仿真，可以对各项参数进行优化或者调整，最终达到微型能源系统性能最佳化。
微型燃气轮机效率
微型燃气轮机效率摘要：一、微型燃气轮机简介二、微型燃气轮机效率的计算三、微型燃气轮机的优点四、微型燃气轮机与柴油机的效率比较五、微型燃气轮机发电技术的发展正文：一、微型燃气轮机简介微型燃气轮机，又称为微涡轮发电机或微型涡轮发电机组，是一类新近发展起来的小型热力发动机。
其单机功率范围为25～300 千瓦，基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。
近年来，随着全球范围内的能源与动力需求结构的变化，特别是电力系统的放松控制以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机得到了电力、动力等有关部门的高度重视。
二、微型燃气轮机效率的计算微型燃气轮机的效率是指吸收热量与放出热量之比。
其效率的计算需要考虑压气机的效率、燃烧室出口的总温以及回热器的效率等因素。
若压气机效率为100%，可以由进、出口计算得到压气机的压比。
然而，微型燃气轮机的效率并不能简单地用涡轮效率来计算，因为涡轮传给压气机的功并不是就此消耗，总体效率需要综合考虑多个因素。
三、微型燃气轮机的优点微型燃气轮机具有以下优点：1.高效：微型燃气轮机的效率一般在30% 左右，相较于柴油机的40～50% 的效率，虽然较低，但在分布式供电系统中，其效率可以提高到50～60%。
2.环保：微型燃气轮机采用清洁的气体燃料，排放的污染物较少，有助于环境保护。
3.灵活性：微型燃气轮机具有快速启停和调节能力，可以根据负荷需求进行快速调整，适应性强。
4.噪音低：微型燃气轮机的噪音相对较低，有利于降低噪音污染。
四、微型燃气轮机与柴油机的效率比较柴油机的机械效率一般在40～50％，而火电厂的燃气轮机在30％。
如果将热能用于供热，燃气轮机的效率可以在50～60％左右。
然而，微型燃气轮机的效率并不高，一般在30% 左右。
尽管如此，在分布式供电系统中，微型燃气轮机的效率可以提高到50～60%，与柴油机相当。
五、微型燃气轮机发电技术的发展微型燃气轮机发电技术近年来得到了迅猛发展，特别是在美、欧等国。
26kW微型燃气发电机与燃料电池混合装置的建模与动态仿真研究
混合装置的性能是十分必要的 作为国家自然科学基金项目和国家 文做了以下工作 首先采用模块化建模方法 在 EASY5 仿真平台上建立了 IHI 公 司 Dynajet2.6x 型燃气发电机 态模型 数相近 其次 动条件下的响应作了初步分析 确性和可用性 本文建立了燃料电池温度模型 并且增加了 MCFC 电化 在 但 从仿真结果来 学模型和化学平衡模型 看 补充了重整器模型和接触燃烧室模型 总功率和效率有所下降 其燃气轮机为单轴回热型结构 的动 稳态仿真结果与厂商提供的产品参 验证了模型的正 利用动态仿真模型进行了稳态性能计算并对系统在一定扰 模型动态响应符合燃气轮机的一般特性
which is composed of molten carbonate fuel cells
and micro gas turbine (MCFC-MGT), not only keeps the fuel cells’ advantage which is high efficiency and good load characteristics, but also improves the whole efficiency due to the micro gas turbine. As the hybrid plant of MCFC-MGT makes up of two strong nonlinearity subsystems, are increased the difficulties of system matching and operation controlling. Hence it is necessary to demonstrate the feasibility of the hybrid plant and analyze the performance of the hybrid plant through the simulation result, which get from simulation model of the hybrid plant. As a part of national natural science fund project and national ‘973’ projects fund, project the main work in the paper is: First, the paper uses the modular modeling to build up the dynamic model of IHI Dynajet2.6x micro gas turbine generator (single shaft regenerative micro gas turbine) on the simulation platform of EASY5; by making use of the dynamic model, the static performance is calculated and the response in some perturbation conditions is preliminary analyses. The simulation results are close to the product data provided by manufacture, the dynamic responses are consistent with the gas turbine general characteristic. Thereby the model is be verified to be correct and usable. Secondly, thermal model of fuel cells is built, MCFC
微型燃气轮机发电系统仿真模型研究
微型燃气轮机发电系统仿真模型研究黄伟;凡广宽;牛铭【摘要】利用PSCAD/EMTDC软件建立了微燃机发电系统的原动机部分模型,以单机带负荷系统为例进行了微燃机动态特性仿真研究.仿真结果表明,该模型可以使微燃机在孤岛运行状态下有良好的负荷跟随特性,并能保证透平转速的恒定.模型很好地反映了微网中微燃机发电系统所具有的特性.%The prime mover system of the micro gas turbine Seneration (MIC) system was modeled with the use of PSCAD/EMTDC. The dynamical characteristics of the prime mover were analyzed through a single system with its local load. The results of simulation indicate that the micro gas turbine operating in the island state perform well in terms of load following, as well as a constent speed. The characteristics of MTG perform well through the model.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2011(027)004【总页数】4页(P4-7)【关键词】微型燃气轮机;微网;发电系统;动态仿真【作者】黄伟;凡广宽;牛铭【作者单位】华北电力大学电气与电子工程学院,北京,102206;昌平供电公司,北京,102206;华北电力大学电气与电子工程学院,北京,102206【正文语种】中文【中图分类】TM762随着高效清洁发电技术的迅猛发展，作为大电网的有益补充与微型发电装置的有效利用形式，微电网技术已经引起各国科学家的广泛关注。
高性能长寿命燃料电池发动机系统的开发研制
高性能长寿命燃料电池发动机系统的开发研制
成果介绍
本项目采用自下而上、迭代反馈的研究策略，从关键部件、高性能电堆及系统、燃料电池发动机系统、整车集成与核心部件及整机的测试与评价技术几个层面突破制约燃料电池发动机系统高效发电与耐久性的关键问题，形成一整套完整的高性能燃料电池发动机系统的核心技术。
项目以高功率密度和快速低温启动的质子交换膜燃料电池产业化应用示范为目标，在低贵金属或非贵金属催化剂方面的研究取得了重大突破，并开发设计了多层阴阳催化剂层结构，具有先进性。
该项目的成功实施可以推动国内的燃料电池的技术储备和升级，为中国的新能源汽车的应用推广打下基础。
主要技术创新点
1.快速低温启动策略：研究包括金属堆和传统石墨堆的特性差异，包括所用的材质、物理特性、结构差异，对水、气、热管理要求的不同，通过模拟设计和实验验证，突破现有的辅助及控制管理技术局限。
2 .采用多工步连续冲压成形新工艺，同步实现反应气流道和三维换热流场的设计实现金属板的精密加工，提升电堆的水热转输效果。
3 .高效、精密、智能的辅助与控制系统：开发自动监控、识别和调控的智能化管理系统，集成化的快速精确响应的水-热-气控制系统，配合自学习和修复式的运算模式，提升电池的多工况适应性和电堆寿命。
4 .模块化集成、运行可靠的整车系统：模块化布置燃料电池模块、空压机、冷却系统、变电系统、控制系统、辅助电池组的布局设计，满足燃料电池动力底盘布置需求。
微型燃气发电机技术中的生物质燃料电池
微型燃气发电机技术中的生物质燃料电池随着能源需求的日益增长,寻找新的能源供给方式变得越来越重要。
传统的煤炭、石油和天然气等能源使用已经导致环境问题的恶化和不可持续发展的严重性,因此,寻找更加清洁和环保的能源成为了全球共同努力的目标之一。
在众多的可再生能源中，生物质能作为一种能快速再生的能源发挥着重要角色。
不仅能为人们提供能量，但也对保护环境产生积极的影响。
而在生物质能的利用中，燃料电池技术成为了备受关注的一种技术，而在微型燃气发电机技术中，生物质燃料电池的使用也越来越受到关注。
生物质燃料电池是将生物质燃料直接转化为电能的设备，是一种很有前景的技术。
传统生物质能转化利用技术中，最常使用的是生物质发酵制造生物燃料(如乙醇)。
这种方式存在一定的缺陷,如制酒厂废弃物堆积等。
但是,生物质燃料电池能够通过直接利用生物质能，模拟生物体内的转化途径,并将其转化为电能，使得其具有更好的可持续性和经济性。
生物质燃料电池的工作原理是，在生物质燃料的氧化反应中,通过催化氧化还原反应将其转化为电能和废水（CO2和水），具有“清洁微生物燃料电池系统”的优点。
与传统电能产生技术相比,生物质燃料电池系统能够减少或避免使用有毒化学物质,不产生二氧化碳等环境污染物,能够应用于生活、工业和军事领域。
在微型燃气发电机技术中，生物质燃料电池的使用也越来越受到关注。
微型燃气发电机作为一种新型发电设备，因其小型化和高效性，拥有很广阔的应用前景。
那么，什么是微型燃气发电机呢？微型燃气发电机是指能够将燃气（氟氢烷、甲烷、乙烷为例）等燃料在反应器中燃烧并产生电能的小型发电机，其发电原理是利用燃气的燃烧反应产生热能，通过热能和电能的转化，实现将燃气燃烧得到的能量转化为电能。
而生物质燃料电池则是微型燃气发电机中的一种非常有前景的发电技术。
生物质燃料电池的使用在微型燃气发电机技术中将带来诸多的创新和应用。
生物质燃料作为废弃物处理和再利用的经济途径，与微型燃气发电机相结合的方式使得因废弃物处理和补充电力而产生的经济负担降低。
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Dynamical Systems and Control 动力系统与控制, 2019, 8(2), 41-47Published Online April 2019 in Hans. /journal/dschttps:///10.12677/dsc.2019.82005Calculating Variable Condition Performance of Micro-Gas Turbine-Fuel Cell System byPNVMECA SoftwareBaihui Xu1, Guowei Yang2*, Qianchao Liang2, Qianlong Huang21Naval Base of Shanghai, Shanghai2Naval University of Engineering, Wuhan HubeiReceived: Jan. 26th, 2019; accepted: Feb. 6th, 2019; published: Feb. 20th, 2019AbstractIn this paper, a special software PNVMECA developed by the author is used to study the steady-state performance and dynamic response process of the system when the current and fuel flow change, and a suitable off-design control strategy is designed. The results show that the matching operation between fuel cell and gas turbine is realized by parameter design. The results show that the matching operation between fuel cell and gas turbine is realized by parameter de-sign. In the vicinity of the rated operating conditions of the system, the fuel flow and current can be adjusted separately, and the power regulation range of the system is limited. When the current increases, the fuel cell power and system efficiency increase, but the gas turbine power decreases.With the increase of fuel flow rate, the power of fuel cell and gas engine increases, but the system efficiency decreases. The feasibility of the control strategy is proved under the designed off-design control strategy.KeywordsSOFC-GT System, Gas Engine, Combined Power System, SimulationPNVMECA软件计算微型燃机–燃料电池系统变工况性能徐百汇1，杨国威2*，梁前超2，黄潜龙21海军上海基地，上海2海军工程大学，湖北武汉*通讯作者。
徐百汇等收稿日期：2019年1月26日；录用日期：2019年2月6日；发布日期：2019年2月20日摘要本文采用作者制作的专门软件PNVMECA对系统在电流和燃料流量改变时的稳态性能和动态响应过程进行研究，并设计了合适的变工况控制策略。
结果表明通过参数设计实现了燃料电池与燃气轮机的良好匹配运行。
在系统额定工况附近，单独调节燃料流量和电流大小，对系统功率调节范围有限。
电流增大时，燃料电池功率和系统效率都增加，但燃机功率下降。
燃料流量增大时，电池和燃机功率都增大，但系统效率减小。
在设计的变工况控制策略下，证明了控制策略的可行性。
关键词SOFC-GT系统，燃气轮机，联合动力系统，仿真Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 前言船舶在航行过程中，SOFC-GT联合发电系统受到周围条件变化的影响(如环境温度、负载、燃料流量等的变化)，不可能一直处于额定工况下工作。
而且船舶电网是一个容量较小独立运行的电力系统，负荷的改变也会对电网产生冲击[1]，这就要求发电设备具有良好的变工况调节能力。
因此，研究系统的变工况性能具有十分重要的理论意义。
电流和燃料流量突减时，由于燃料电池热惯性以及电压不能突变，系统动态响应具有一定的滞后性[2]。
由于受到系统中催化燃烧室和换热器等部件容积惯性和热惯性的影响，燃机动态响应相对燃料电池较慢[3]。
在设计的变工况控制策略下，系统工况调节范围为51.28%~100%。
系统效率随工况降低先增加后减小，在60%~100%工况区间时，系统效率在60%以上[4]，证明了控制策略的可行性。
低工况下燃机效率将急剧下降，无法保证正常运行，系统效率也降低[5]。
2. 联合发电系统控制策略SOFC-GT联合发电系统是一个多变量耦合的复杂系统，由前分析可知，单独改变电流、燃料流量等参数对系统工况的调节范围很小。
本文采用作者制作的专门软件PNVMECA对系统在电流和燃料流量改变时的稳态性能和动态响应过程进行研究，构建了150 kW级船用SOFC-GT联合发电系统模型[6]，对系统参数进行了设计，通过仿真得到了系统额定工况的性能参数。
燃料利用率、水碳比、SOFC工作温度、涡轮前温等都是系统运行时的重要控制参数[7]，系统变工况条件下必须保持以上参数稳定在一定范围内。
为实现联合发电系统变工况下的安全稳定运行，需制定合适的变工况控制策略。
系统中SOFC的功率占比达到80%，GT的功率占比较小，而且GT的功率调节范围相对较小，所以系统的变工况调节应主要调节SOFC的功率。
根据SOFC变工况性能研究，改变SOFC功率可以通过调节燃料流量和电流的大小，对于GT功率徐百汇等则主要是通过调节流量、转速和涡轮前温等参数来进行调节。
本文采取如下控制策略：通过调节燃料流量改变系统输出功率，同时调节电流保证燃料利用率的稳定，并调节GT流量保证SOFC工作温度的稳定。
随着燃料流量的减小，进入催化燃烧室的燃料流量降低，燃烧后的尾气温度降低，涡轮前温不断下降，涡轮前温变化，51.28%工况下涡轮前温为1075 K，相对于额定工况时下降超过100 K。
温度过低将会导致涡轮输出功率急剧下降，此时可以向催化燃烧室内补充燃料提高涡轮前温，但这会造成系统热效率降低。
所以在采本文用的调节策略下，SOFC-GT系统的工况调节范围为51.28%~100%。
3. 系统变工况性能分析采用作者制作的专门软件PNVMECA对系统在电流和燃料流量改变时的稳态性能和动态响应过程进行研究，并设计合适的变工况控制策略。
通过参数设计实现了燃料电池与燃气轮机的良好匹配运行燃料电池功率和系统效率都增加，但燃机功率下降。
燃料流量增大时，电池和燃机功率都增大，但系统效率减小。
图1和图2显示了变工况下燃料流量和空气流量变化情况。
燃料流量随工况降低而减小，为了保证电堆温度不变，空气流量也随之减小。
空气流量通过改变压气机转速进行调节，随着工况降低，GT的转速降低，压气机进气量减小。
工况为51.28%时，GT转速降至70,000 rpm，接近喘振边界线，工况继续降低时，压气机将发生喘振，所以在本文采用的调节策略下，SOFC-GT系统的工况调节范围为51.28%~100%。
为保证SOFC的燃料利用率不变，改变燃料流量大小时，必须同时调节放电电流的大小。
图3显示了各工况下SOFC的电流大小，电流随工况降低而下降，通过调节电流大小使燃料利用率始终保持在85%左右。
由于电池温度不变，电流密度降低，使电池欧姆极化降低，电池输出电压小幅上升，单电池输出电压曲线如图4所示，燃料电池由额定工况降至51.28%工况时，单电池电压由0.623 V升至0.716 V。
随着燃料流量的减小，进入催化燃烧室的燃料流量降低，燃烧后的尾气温度降低，涡轮前温不断下降，涡轮前温变化曲线如图5所示，51.28%工况下涡轮前温为1075 K，相对于额定工况时下降超过100 K。
温度过低将会导致涡轮输出功率急剧下降，此时可以向催化燃烧室内补充燃料提高涡轮前温，但这会造成系统热效率降低。
图1. 变工况下燃料流量变化曲线徐百汇 等Figure 2. Air flow curve under variable working conditions 图2. 变工况下空气流量变化曲线Figure 3. Current variation curve 图3. 变工况电流变化曲线Figure 4. Voltage variation curve 图4. 变工况电压变化曲线徐百汇 等Figure 5. Turbine front temperature curve under variable working conditions 图5. 变工况下涡轮前温变化曲线SOFC 、GT 和系统功率变化曲线如图6所示，系统工况降低时，涡轮前温和压气机流量同时减小，导致GT 输出功率迅速减小。
系统处于51.28%工况时，GT 输出功率降为0.7 kW ，若系统工况继续降低，GT 将无法工作，系统功率完全由SOFC 提供。
由图7是GT 和SOFC 的功率比变化曲线可以看出，P GT /P SOFC 随工况降低而减小，SOFC 功率占系统总功率比重不断提高，系统总功率变化和SOFC 功率变化趋于一致。
Figure 6. Power variation curve of each part under variable working conditions 图6. 变工况下各部分功率变化曲线Figure 7. GT/SOFC power ratio curve under variable operating conditions 图7. 变工况下燃机/燃料电池功率比徐百汇等由于保持燃料电池温度不变，系统工况降低时，SOFC电效率提高，燃机采取变转速调节，其功率不断降低，所以系统总效率先上升后下降。