为解决燃油内燃机发电机组使用过程中带来的环境污染问题,采用天然气内燃机发电机组实现“以气代油”并将该技术推广应用,是目前动力系统发展的趋势。相比于燃油动力,天然气动力存在功率调节瞬态响应能力差、特性较软的问题。特别是在出现突变载工况时,天然气发电机组的输出功率无法与负载快速达到平衡,直接影响到发电网络频率和电压的稳定甚至造成机组停机。为解决这一问题,本文采用超级电容储能与天然气动力构成一体化发电系统,通过超级电容储能虚拟发电,实时补偿大负载扰动下的功率波动。首先对天然气发电机组及其功率补偿系统的架构和功率流动进行分析,并对超级电容储能系统和天然气发电机组系统进行数学建模。根据实际工况要求,对储能系统采用多重均流控制和多重移相控制,使其输出直流母线电压保持恒定。推导了天然气发电机组的简化数学模型,并将该模型应用于速度闭环的设计中。针对功率补偿中的惯量系数和阻尼系数整定问题,本文利用自适应控制进行在线优化。在功率补偿系统中,通过建立小信号模型分析了系统控制策略并验证了系统稳定性。之后,在突变载情况下惯量系数和阻尼系数的取值规律分析的基础上,从提高系统动态响应角度进行了自适应控制设计,并通过分析系统状态变量解的存在性给出了自适应参数的取值原则。针对功率补偿中的补偿功率确定问题,利用模型预测控制进行在线求解。首先,结合自适应控制推导离散化后的系统功率状态方程,在预测三个控制周期的情况下,设计代价函数并将其简化为二次规划问题。其次,在保证离散系统控制收敛的前提下,进行滚动优化。最后,分别在仿真平台和半实物实验平台上进行仿真与实验验证,结果表明所提方法能提升功率补偿效果并保证较高电能质量下系统的稳定运行。