一、课题来源与背景 课题来源于国家自然科学基金项目。 微型燃气轮机(简称微燃机)作为分布式动力系统的重要形式，具有高功率密度、高可靠性、低排放等特点，在航空航天、国防和其它工业领域诸如舰船、油气开采等领域具有广泛的应用前景。 但是在现阶段，在一些特殊的应用场合微燃机发电系统受到限制，究其原因是因为微燃机发电系统的性能还不够完善，难以应对一些特殊的负载需求。其中冲击性负载下的动态电能质量问题就是急需解决的瓶颈之一。在冲击性负载的暂态过程中要求微燃机发电系统具有输出电功率的快速调节能力，然而微燃机的燃烧机理导致其输出机械功率变化缓慢，这种慢响应性不能满足应用对象的要求。冲击负载造成了直流母线电压的较大跌落，不利于功率变换系统的稳定运行，降低了输出电能质量。当系统存在冲击减载时，负载功率的突然消失易导致直流母线电压的较大泵升，触发功率变换系统的故障保护机制。同时负载的冲击减小也会造成微燃机转速的快速上升，触发超速保护，不利于系统可靠运行。因此制约了微燃机发电系统的发展和推广。 二、技术原理 微燃机发电技术的研究主要有微燃机本体、高速永磁同步发电机设计及控制、高速轴承、功率变换系统等方面。将微燃机发电系统作为一个整体针对输出电能质量问题的研究工作还较为欠缺。虽然在微燃机发电系统中现在已有将蓄电池作为启动电源的方案，但由于蓄电池的充放电速度较慢，难以应对冲击性负载的要求，此时的动态电能质量依然较差。超级电容储能装置具有快速充放电的能力，是应对冲击性负载的有力方案，但微燃机-超级电容混合发电系统结构还未见报道。本项目旨在提高系统动态电能质量，提出微燃机-超级电容混合发电系统的架构，基于此提出基于模型预测的快速功率平衡控制方法，可提高系统输出动态电能质量。提出最少储能的瞬时功率最优控制方法，可有效减少超级电容储能容量，降低成本。最后对混合系统的冲击负载暂态稳定性进行分析，提高冲击负载下控制的大范围鲁棒稳定性。 三、性能指标 加入超级电容储能后微燃机发电系统能达到的的主要性能指标有： 1） 功率为100kW； 2） 每升燃料的NOx污染物排放量小于9×10-6L； 3） 阶跃加载100%额定功率电阻性负载时输出电压波动幅度为3%，阶跃甩负荷最大允许值为额定功率的100%； 4） 单机发电效率为29%。 四、技术的创造性与先进性 所研制的微燃机-超级电容混合发电系统创造性的将超级电容储能系统与微型燃气轮机发电机组相结合，用电气工程中的电储能技术解决微型燃气轮机发电的动力冲击负载问题。经查阅国内外大量文献发现，没有发现相关报道。课题组提出的方案在原理、技术、工艺都具有创造性，达到了世界先进水平。 技术先进性主要体现在以下方面：提出一种微燃机-超级电容混合发电系统架构。提出基于非线性数学模型功率预测和负载辨识的超级电容储能快速功率平衡控制以及实现暂态稳定性不变条件下的储能环节能量使用最少的充放电功率最优化控制方法。提出微燃机-超级电容混合发电系统电源间功率镇定的控制器鲁棒稳定性设计方法。针对预测模型不准确的问题提出了功率预测模型在线修正的方法。。这些相关的技术都申请了国家发明专利，并获得了授权。 五、技术的成熟程度，适用范围和安全性 微燃机-超级电容混合发电系统经过了严格的试验验证，在哈工大实验室进行了研制试验，在济柴总装分厂进行了严酷的突加负载可靠性试验，在塔里木油田哈16-5井进行钻井现场试验。该补偿装置与卡特柴油发电机系统、济柴190燃气发电系统和网电供电动力系统配合运行，整个补偿装置系统各项技术指标得到全面验证，各项功能与性能达到了设计要求。特别是发电补偿装置与燃气轮机发电系统作为一个有机整体装置进行了联合运行，实现了零故障运行，效果良好；联合运行的现场工况包括起钻、下钻和钻进等各种钻井工艺过程。经过严格的各环节试验验证和考核，微燃机-超级电容混合发电系统的技术成熟度达到了TRL9，以产品为载体通过实际应用。该系统主要适用于油田深井电动钻机燃气电站，也可用于其他领域的燃气电站。该系统能够极大的提高燃气电站的性能和可靠性，保障了油田钻井的不间断供电，提高了油田钻井生产的安全性。 六、应用情况及存在的问题 微燃机-超级电容混合发电系统在新疆塔里木油田的15个井队进行了应用，能够很好的适应井队使用环境。能够很好的适应钻进（单泵、双泵）、循环钻井液、倒划眼、接单根、起下钻及组织停工等井场工况。超级电容补偿系统保证了燃气电站在钻井工况下的正常运行，确保了电动钻机正常工作。以气代油节省了燃料的费用。

哈尔滨工业大学

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