微型燃气轮机作为分布式能源设备,以体积小、质量轻、效率高、排放低等特点表现出巨大的优势,近年来得到了迅速发展。微型燃气轮机不仅能够使用多种燃料,也能与多种能源形式结合,如燃料电池、太阳能、风能等。为了进一步得到更好的微型燃气轮机动态性能,需要在微型燃气轮机建模和控制方面不断创新。本文首先提取回热型微型燃气轮机的主要工作特点,建立非线性动态数学模型。采用通用特性解析表达式描述压气机透平和回热器的特性曲线,并根据Capstones C30的设计工况参数,将组件模型实例化。根据能量和质量守恒定律,选取系统的三个主要能量变化过程:回热器热交换过程、燃烧放热过程和转子系统动态过程,建立系统的动态模型。建立仿真模型,验证非线性动态模型的正确性。变转速运行方式可以保证微型燃气轮机效率最优,采用变转速运行得到状态变量随负载变化的效率优化解,并以此作为控制目标。针对微型燃气轮机控制性能差的问题,本文建立了线性模型预测控制策略。通过将非线性模型在平衡点处作泰勒公式展开,得到平衡点处线性预测模型。根据系统性能要求,建立目标优化函数,并转换为二次规划问题求解,将得到的最优解的第一个值作为系统输入。在此基础上,考虑系统非线性特性,本文建立了非线性模型预测控制策略。通过为优化函数添加终端惩罚项和终端惩罚域约束来得到近似无限时域,从而保证非线性系统的稳定性。通过序贯二次规划对优化函数求解。最后,建立了基于模型预测控制的微型燃气轮机仿真系统和基于状态反馈控制的微型燃气轮机仿真系统,仿真分析不同控制策略下微型燃气轮机动态特性。无约束条件下,采用不同的控制参数对基于模型预测控制的微型燃气轮机系统仿真,结果表明,与时域宽度相比,加权矩阵对系统控制性能影响显著。仿真分析了不同控制参数对非线性模型预测控制性能的影响,结果表明,时域宽度对响应时间和超调量均有影响。将无约束模型预测控制与状态反馈控制的仿真结果作对比,分析两者动态响应过程,验证了模型预测控制在微型燃气轮机控制方面的潜力和优势。在负载阶跃变化和负载周期扰动变化两种工况下,对比线性和非线性模型预测控制的仿真结果,分析系统的动态特性。结果表明在负载阶跃变化时,非线性模型预测控制的调节时间更短,响应曲线更平滑;在负载周期扰动变化时,非线性模型预测控制下转速变化对参考曲线跟随性最好。仿真结果验证了基于非线性模型预测控制的微型燃气轮机具有更好的动态性能和稳态精度。