微燃机-超级电容混合发电系统及其动态电能质量的优化控制研究

Microturbine (MT) has high power density, high reliability, low emission and other characteristics. So MTGS has broad application prospects in the aerospace, defense and other industries fields. But in some special applications its promotion is limited, because one of the main reasons is the poor dynamic power quality under impact load. Therefore this project proposes a new architecture that is microturbine - supercapacitor hybrid power system and puts forward the corresponding dynamic power quality control strategy. Details are as follows. For the hybrid power system power flow of energy conversion process is analyzed, and the ideal time domain power flow rule of super capacitor energy storage power is obtained when adding to the hybrid power system. Control algorithm of fast instantaneous power balance is raised by power response prediction of MT generation and load identification, and prediction model can be online corrected. The supercapacitor output power optimal control of the storage energy minimization is studied in the premise of not affecting the system dynamic power quality. The transient stability of hybrid power supply system is analyzed and the robust stability of controller is designed for power stabilization in hybrid power supply system. The project aim is to reveal the power flow control law of microturbine - supercapacitor hybrid power system under impact load, and ultimately the target of improving the system dynamic power quality is to be achieved.

微燃机具有高功率密度、低排放等特点，在航空航天、国防等领域具有广泛的应用前景。但在一些特殊的应用场合其推广受到限制，其中冲击负荷下的动态电能质量较差是主要原因之一。为此本项目提出一种微燃机-超级电容混合发电系统架构并提出相应的动态电能质量控制策略。具体内容包括：对混合发电系统的能量转换过程进行功率流分析，得出超级电容储能电源介入的理想时域功率流规律。基于微燃机非线性数学模型进行冲击负荷下的微燃机输出功率预测，提出基于微燃机发电源自身功率响应预测和负载辨识的瞬时功率快速平衡控制算法并进行预测模型的在线修正。在不影响动态电能质量的前提下进行储能最小化的超级电容输出功率最优控制研究，对混合供电系统进行暂态稳定性分析，进行混合电源间功率镇定的控制器鲁棒稳定性设计。本项目旨在揭示微燃机-超级电容混合发电系统冲击负载下的功率流控制规律，最终实现提高系统动态电能质量的目的。

微型燃气轮机发电系统面临的冲击负荷下动态电能质量问题是制约其发展的主要因素之一。项目提出一种微燃机-超级电容混合发电系统架构并提出相应的动态电能质量控制策略解决这一问题。开展了微燃机发电源自身功率响应、混合电源功率协调控制、发电系统效率优化、混合供电系统暂态稳定性、超级电容快速均衡等研究工作。取得的主要研究成果包括：（1）提出混合发电系统的两种协调控制方法。一种是基于PI控制的算法，另外一种是通过微燃机发电机组自身功率响应预测的瞬时功率协调控制算法。（2）提出冲击补偿的瞬时功率快速控制方法。通过微燃机发电机组自身功率响应预测进行瞬时补偿功率控制，基于超级电容储能单元的高功率动态响应弥补微燃机输出功率动态响应低的问题，使系统实时处于瞬时功率平衡状态。（3）对微型燃气轮机发电系统四种运行方式的效率进行了研究，验证改变转速系统效率最优运行点的存在性，对比了效率最优运行方式和恒转速运行方式下的系统效率，提出了回热循环微燃机效率最优变速多项式控制。（4）提出高速永磁同步发电机效率最优综合控制策略，通过控制转速和直轴电流实现发电机损耗最小，进一步提高了微型燃气轮机发电系统的效率和可靠性。（5）提出一种基于多绕组变压器的模组化超级电容电压均衡方法，实现超级电容单体电压的有源快速均衡，提高了大功率超级电容储能系统的储能效率和可靠性。