外文翻译--一种先进的应用于分布式发电中的微型水电站
的动态模型仿真和控制设计
一种先进的应用于分布式发电中的微型水电站 的动态模型仿真和控制设计 摘 要
小型水电站通常是径流式电站，它通过机械调速器来调节通过水轮机的流量以维持机组转速恒定，从而控制有功功率的输出。这种设计通过较大范围的调节水流可以实现高效率，但是使用了复杂的操作机构，结果是，这样做价格昂贵，对于大容量系统，更显得难以负担的起。本文针对基于更加小型化，轻便化，鲁棒性更高，有效性更好的高转速转轮的微型水电站(MHPP)提出了一种先进的结构。文中推荐的设计更加简便，它通过一种与电网连接的新颖的电子功率调节系统可以省去所有的机械调节机构。通过这种方法，可以获得更高的可靠性，而且可以降低整个电厂的投入消耗。一种完整且详实的微型水电站的模型就这样问世了，一种新的三级控制方案就这样被设计出来了。所提出的微型水电站的动态特性通过数字模拟和一个小规模的实验装置得到了验证。
关键词 分布式发电，微型水电站，动态模型，交流/直流/交流功率调节系统，控制技术
1. 引言
在过去的十年里，与能源因素(石油危机)，生态方面(气候变化)， 1
电力需求(日益增长)和批发市场的金融与监管限制等相关的的问题已经在全球范围内出现了。在找到有效的解决方案以前(还有很长的路要走)，上述的困境将会继续持续增长，这暗示着需要用技术替代来确保这些问题能得到解决。在所有的可
替代的技术中，有一种被称作分布式发电技术，它要求尽可能在靠近消费居民区的地方生产电力。事实上，这种技术在电力工业的初期就已经有所应用，只是现在它融合了现代技术的优点[1]。现在，这种技术包含了使用不产生环境污染的可再生能源(RESs)来发电的内容，如风能发电、太阳能光伏发电、水能发电等等[2]。
近年来，人们对微型水电站并入电网的兴趣日益增长，主要是因为微型水电站被证明是一种具有优良的性能与可行性，而且投资消耗低的技术，甚至与风力发电相比较，这种基于可再生能源的技术需要更小的投资消耗[3]。由于微型水电站应用在国家发展方针中的巨大潜能和使用可再生能源的大量优点，还有许多国家的优惠激励机制及碳排放量指标交易所需支付的不菲报酬等种种原因，人们对微型水电站并入电网的浓厚兴趣有望被进一步的提升。
小型水电站(从微型到迷你型)通常是径流式电站，它通过机械调速器来调节导叶与转轮的桨叶开度进而调节水轮机的过水流量以维持机组转速恒定，从而控制有功功率的输出。这种设计通过较大范围的调节水流可以实现高效率，但是使用了复杂的操作机构，结果是，这样做价格昂贵，对于大容量系统，更显得难以负担的起。
本文针对基于更加小型化，轻便化，鲁棒性更高，有效性更好的高转速转轮的微型水电站(MHPP)提出了一种先进的结构。本文推荐的设计更加简便，正如在 图片.1 中描述的那样，它通过一种与分布式电网连接的新颖的电子功率调节系统可以清除所有的机械调节机构。通过这种方法，可以获得更高的可靠性，而且可以降低整个电厂的投入消耗。一种完整且详实的微型水电站的模型就这样问世了，一种新的三级控制方案就这样被设计出来了。这种控制由多分层结构构成，除了有无功补偿功能外，还在其2
中设置了最大功率跟踪器(MPPT)，以达到更充分的利用水能的目的。通过利用MATLAB 中Simulink.功能模块进行了数字模拟，所提出的微型水电站的动态特性
得到了确定。而且，通过建在德国锡根大学自动化学院的一台350W的微型水电站实验装置上进行科学实验，所提出模型的准确性得到也验证。
2、微型水电站模型
所提及的水电站是一种径流式电站，因此没有任何大型的蓄水设施，如大坝等。可开发利用河流的一部分只是在特定的时间段内被利用了，这与环境是很和谐的，而且可以开发低水头的水利资源，这很符合国家发展方针。考虑到，当微型水电站并入电力网可以允许扩展控制特性，以及当应用于低流速河流等特殊条件下时，能够提供足够的灵活性，在此项目中，作者采用了可变转速的水轮机。进而，通过优化水轮机的工况点，可以从单位时间内流过水轮机的水流中提取更多的能量，即在传统水轮机的基础上，获得更优越的效率。更重要的是，通过用电力电子设备领域中先进的技术替代传统的机械控制机构，可以使整个电站的可靠性和效率更高。本文所提出的微型水电站的建模方法基于 图片.1 所示的框架。该微型水电站由一台可变转速的微型水轮机组成，该水轮机直接与一台同步永磁发电机(PMSG)固连，而该同步永磁发电机又通过先进的功率调节系统(PCS)与电力网相连接。所提出的功率调节系统有一组三相整流桥，一个DC/DC转换器和一个DC/AC逆变器组成。
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图片.1 实验用微型水电站的布置图 2.1. 水轮机特征
所提出的电站所使用的水轮机是一种基本的反击式水轮机，它非常适用于低水头，低流速的水力开发。该水轮机是一种由轴流转桨式水轮机改进而来的轴流定桨式水轮机，他没有桨叶操作机构，也没有上部受油器。除此之外，该水轮机没有配置与发电机相连的齿轮箱，这使得其设计起来比较简单明了。图.2 展示的是利用计算机辅助设计(CAD)做好的轴流式水轮机。该水轮机时一种立式机组，它具有螺旋形蜗壳和径向布置的导结构。
图片.2 选用轴流式水轮机的CAD设计图
该水轮机在实验室测得的参数为:出力—350W，设计平均水头—1.5m，4 额定流量—35 L/s, 这些都已经注示在 图.1 的右侧了。该水轮机模型的以上参数是在其额定工况下求得的，而且假定水是不可压缩的。该水轮机的可达到出力可以由给定的公式算出[4]:
P(1) = ,gQHhyd
3Kg/m 其中: :水的密度(4 ?时 为1000) , 2 :重力加速度(9.8 ) m/sg
3 Q :流量() m/s H :水头(m)
水流在通过反击式水轮机时，其压力作用在转轮叶片上，而且随着水的流动，该压力逐渐降低，最终导致水流的势能通过转轮转换成了机械能。
, 联所转换得到的机械能与水本身所具有的能量可以通过水轮机的效率 h系起来，用方程表示如下:
PP,,.(2) hydmh
由于所选用的进行试验的水轮机几乎要在转轮允许转速范围内各个数值进行试验，所以像通常文献中那样，假定转矩和转轮转速之间为线性关系，是不可取的。因此，不能采用典型的做法，把转轮的机械能特性简单
P的考虑成抛物线[4,5]。事实上，与所获得的机械能有关的水轮机效率m 在很大程度上依赖转轮的设计与转轮所处的运行工况(如Q、H和转轮的角速度)。可见，水轮机的效率同过采用解析法获得是非常复杂的。所以，作者在文章进行了一些近似计算以变计算出所选用进行试验的水轮机的功率特性。作者先假定了一个水轮机效率的表达，该表达式是一个与流量Q和转轮转速u有关的函数，然后，该表达式在实验室中通过试验得到了验证，该表达式如下:
190,50,,(,Q)[(Q0.78)exp()](3.33Q),，，h(3) ,,2ii ,1RA,1,,()(4),[,0.0035] ; ,iQ,(，0.089) 5
其中: R: 水轮机叶片的半径(m) A: 水轮机叶片所覆盖的面积(?)
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