CN103051268A - 一种微型燃气轮机发电集成控制*** - Google Patents
一种微型燃气轮机发电集成控制*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种微型燃气轮机发电集成控制***，属于燃气轮机控制技术领域。本***包括微型燃气轮机发电子***和集成控制子***；其中微型燃气轮机发电子***在传统技术的基础上增加了蓄电池组和刹车电阻；集成控制子***则由中央控制模块、电机控制模块、蓄电池控制模块和燃料控制模块组成。突加突卸负载时，则控制蓄电池组快速放电或者放电，控制直流母线电压，必要时，启动刹车电阻。中央控制模块进行以下计算：根据反馈功率、目标功率计算目标转速；根据反馈转速、目标转速计算目标排气温度；根据目标排气温度与反馈排气温度计算目标燃料量。通过以上计算得出值对燃气轮机转速和燃料输入量进行控制。本发明适用于微型燃气轮机的集成控制。
Description
技术领域
本发明涉及到一种微型燃气轮机发电集成式控制***，属于燃气轮机控制技术领域。
背景技术
微型燃气轮机是一种热机，能够将燃料的热能转化成机械能，微型燃气轮机工作时，连续不断地吸入空气，空气在燃气轮机中经过压缩、燃烧和膨胀等过程产生高温高压燃气（即后文提到的排气）并从尾喷管喷出。微型燃气轮机中的回热器能够利用排气的余热加热压缩空气，因此大大节约了能源成本。微型燃气轮机发电站是一种实用性强、低污染、低维护的发电***。
实际应用中，传统的微型燃气轮机控制***所采用的方法往往是根据输出功率和给定的目标功率计算欲达到目标功率燃气轮机所需的转速，记为目标转速，发送给电机控制模块，以实现对燃气轮机转速的控制，控制***根据燃气轮机的目标转速产生目标燃料量发送给燃料控制模块，以实现对燃气轮机燃料供应量的控制。
然而传统的技术方案仅仅将微型燃气轮机输出功率与转速建立关系，同时燃料供应量视为与转速的关系，这种控制***使得微型燃气轮机发电***的输出功率一旦变化即可导致微型燃气轮机的转速的变化，从而燃料供应量随之改变，导致微型燃气轮机工作不稳定。当负载变化较剧烈时，燃气轮机的工作状态将产生严重的变化。
具体来说，当大负载突然加载时，微型燃气轮机转子立即感受到强大的负载阻力，微型燃气轮机的转子转速因此立即有急剧减速的趋势，而负载的增加往往要求微型燃气轮机尽快加速，以维持负载功率，这就往往导致微型燃气轮机“喘振”乃至熄火；
当大负载突然卸载时，此时燃气轮机由于负载压力突然降低，有超转速的趋势，此时燃气轮机不但要减缓或克服由于功率降低导致的转速增加，而且还要使得转速减小，若控制不当则可能导致燃气轮机超转，最终导致发动机损坏。
可见现有燃气轮机控制技术不能够适应突加突卸负载的极端情况，往往导致微型燃气轮机的频繁熄火，其核心部件乃至整个微型燃气轮机寿命大大缩短。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种微型燃气轮机的控制***，能够适应微型燃气轮机发电***带载的大负载变换，保证了微型燃气轮机发电***的稳定性。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种微型燃气轮机发电集成控制***，包括微型燃气轮机发电子***和集成控制子***；微型燃气轮机发电子***包括微型燃气轮机、整流逆变控制模块、逆变并网控制模块和直流母线电压控制模块；微型燃气轮机产生电力传输给整流逆变控制模块，整流逆变控制模块进行电能变化通过直流母线传输给逆变并网控制模块，逆变并网控制模块连接用户电网，直流母线电压控制模块实时检测直流母线电压值；集成控制子***包括中央控制模块、电机控制模块和燃料控制模块。
该集成控制子***进一步包括蓄电池控制模块，微型燃气轮机发电集成控制***进一步包括蓄电池组和刹车电阻；蓄电池组连接直流母线；刹车电阻通过开关接在直流母线的正负端之间，刹车电阻接有开关，通过控制开关的开合来控制刹车电阻的启用与否。
中央控制模块，获得逆变并网控制模块的实际输出功率以及燃气轮机的实际转速，根据控制策略产生燃气轮机的目标转速发送给电机控制模块，产生目标燃料量发送给燃料控制模块。
中央控制模块实时监测来自直流母线电压控制模块的直流母线电压值；当直流母线电压值单位时间的降低量大于限定值时，发送信号至蓄电池控制模块，控制蓄电池放电，检测到实际转速达到设定的平稳值范围内，则停止放电；当直流母线电压值单位时间的升高量大于限定值时，发送信号至蓄电池控制模块，控制蓄电池充电，如果直流母线电压依旧高于电压限定，则启用刹车电阻，检测到实际转速达到设定的平稳值范围内，则停止充电并断开刹车电阻。
电机控制模块，根据目标转速和燃气轮机的反馈转速，产生电机驱动信号发送给微型燃气轮机。
燃料控制模块，根据目标燃料量控制微型燃气轮机的燃料输入量。
进一步地，中央控制模块采用的控制策略为：
中央控制模块接收逆变并网控制模块传输的输出功率，记为反馈功率，根据反馈功率和给定的目标功率计算转速，记为目标转速，发送给电机控制模块；
中央控制模块获取燃气轮机的实际转速，记为反馈转速，根据所述反馈转速通过排气温度与反馈转速的设定关系计算燃气轮机所需的排气温度，记为目标排气温度；获取微型燃气轮机的实际排气温度，记为反馈排气温度，将目标排气温度与反馈排气温度作差后通过排气温度和燃料供应量的设定关系计算目标燃料量，发送给燃料控制模块。
进一步地，中央控制模块具有外部目标排气温度输入端；当中央控制模块检测到用户通过外部目标排气温度输入端输入设定排气温度时，则使用设定排气温度代替目标排气温度参与目标燃料量的计算。
有益效果：
1、本发明加入了蓄电池，当大负载突加时，由蓄电池辅助供电，从而维持直流母线电压，使燃气轮机发电***能够维持负载功率，则负载对于微型燃气轮机转子的阻力减小，因此转子转速不再有急剧减速的趋势，则在控制***控制转子加速的过程中，燃气轮机不会产生“喘振”乃至熄火的情况；当大负载突卸时，通过蓄电池充电降低直流母线电压，同时通过刹车电阻的分担一部分功率，则微型燃气轮机的转子不会因负载阻力的急剧减小而超速转动，则控制***无需大量减少燃料供应量，微型燃气轮机的排气温度依旧维持在较稳定状态，避免了微型燃气轮机熄火的现象。
2、本发明在对微型燃气轮机发电***进行控制的时候，加入了对排气温度的考虑，基于反馈转速计算维持该反馈转速的给定排气温度，并根据给定排气温度和反馈排气温度计算目标燃料量，则无论***的转速变化率大小如何，目标燃料量均为缓慢变化，则可以实现***的稳定工作。这进一步保证了本发明能够适应大负载突加、突卸等极端工作条件。
3、本发明具有外部排气温度输入端口，可以通过该端口实现用户对于***的直接控制，当用户发现转速变化率较大时，可以根据经验人为输入一个排气温度值，以调节燃料供应量，使***能够维持正常排气温度，避免出现***工作不稳定的情况。
附图说明
图1为本发明中微型燃气轮机发电子***和集成控制子***结构图。
图2为本发明中功率、转速、排气温度控制结构图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种微型燃气轮机发电***的集成控制***，包括微型燃气轮机发电子***和集成控制子***。如图1为本发明的一个实施例。
本实施例所提供的一种微型燃气轮机发电集成控制***，包括微型燃气轮机发电子***和集成控制子***。
其中，微型燃气轮机发电子***与传统的微型燃气轮机发电***相比，都包括微型燃气轮机、整流逆变控制模块、逆变并网控制模块和直流母线电压控制模块；微型燃气轮机产生电力传输给整流逆变控制模块，整流逆变控制模块进行电能变化通过直流母线传输给逆变并网控制模块，逆变并网控制模块连接用户电网，直流母线电压控制模块实时检测直流母线电压值。
其中整流逆变控制模块将发电机传输来的三相交流电整流逆变为直流电，由直流母线输入至逆变并网控制模块，并由逆变并网控制模块将直流电逆变为三相交流电输入到用户电网，直流母线电压控制模块可在正常的负载功率跳变范围内维持直流母线电压的稳定。
其中与现有的微型燃气轮机发电***控制***相比，该集成控制子***同样包括中央控制模块、电机控制模块和燃料控制模块。电机控制模块与微型燃气轮机发电子***的电机驱动信号输入端连接，燃料控制模块通过油气管路与微型燃气轮机发电子***燃料输入端连接。中央控制模块与整流逆变控制模块、逆变并网控制模块、电机控制模块通讯，中央控制模块接收来自整流逆变控制模块的实际转速，记为反馈转速；中央控制模块接收逆变并网控制模块传输的输出功率，记为反馈功率。
本实施例中的微型燃气轮机发电集成控制***进一步包括蓄电池组和刹车电阻，集成控制子***进一步包括蓄电池控制模块；蓄电池组连接直流母线；刹车电阻通过开关接在直流母线的正负端之间，刹车电阻接有开关，通过控制开关的开合来控制刹车电阻的启用与否；
其中中央控制模块，获得逆变并网控制模块的实际输出功率以及燃气轮机的实际转速，根据控制策略产生燃气轮机的目标转速发送给电机控制模块，产生目标燃料量发送给燃料控制模块；电机控制模块根据燃气轮机目标转速与反馈转速的偏差实时计算并输出电机驱动信号，电机驱动信号输入到微型燃气轮机发电子***。燃料控制模块，根据目标燃料量控制微型燃气轮机的燃料输入量。
中央控制模块与直流母线电压控制模块进行实时通讯，并实时监测来自直流母线电压控制模块的直流母线电压值，并对以下两种情况进行控制：
1、当直流母线电压值单位时间的降低量大于限定值时，中央控制模块发送信号至蓄电池控制模块，控制蓄电池放电，中央控制模块实时检测实际转速，并预先设定转速的平稳值范围，在转速达到平稳值范围后停止放电；则在此期间内，本***通过蓄电池放电的形式维持直流母线电压，能够暂时保证外接负载的用电功率。
2、当直流母线电压值单位时间的升高量大于限定值时，中央控制模块发送信号至蓄电池控制模块，控制蓄电池充电，如果直流母线电压依旧高于电压限定，则启用刹车电阻，中央控制模块实时检测实际转速，在转速达到平稳值范围后停止充电并断开刹车电阻；则在该设定时间内，本***可通过蓄电池充电的形式暂时降低直流母线电压，如果蓄电池充电还不足以降低直流母线电压，则闭合刹车电阻的开关，刹车电阻在直流母线端起到分流作用，使通过逆变并网控制模块的电流降低，从而达到短时间内降低微型燃气轮机发电子***的输出功率的目的，符合突卸负载的要求。
针对第1种情况，此时即为突加大负载的极端情况，此时直流母线电压瞬时降低，由于本实施例中由蓄电池辅助供电，从而能够使直流母线电压维持在一个稳定的值，使燃气轮机发电***能够维持负载功率，则负载对于微型燃气轮机转子的阻力减小，因此转子转速不再有急剧减速的趋势，则在控制***控制转子加速的过程中，燃气轮机不会产生“喘振”乃至熄火的情况；
针对第2种情况，此时即为突卸大负载的极端情况，此时直流母线电压瞬时提高，由于本实施例中通过蓄电池充电降低直流母线电压，同时通过刹车电阻的分担一部分功率，则微型燃气轮机的转子不会因负载阻力的急剧减小而超速转动，则控制***无需大量减少燃料供应量，微型燃气轮机的排气温度依旧维持在较稳定状态，避免了微型燃气轮机熄火的现象。
以上为本实施例中集成控制***针对突加突卸负载的极端工作条件进行的相应设计以及控制方案。为使该***在正常的工作条件下也能够处于较稳定的状态，本实施例进一步地进行了以下设计：
本实施例改进了集成控制***中中央控制模块所使用的控制策略，如图2所示，改进后的控制策略具体如下：
中央控制模块接收逆变并网控制模块传输的输出功率，即反馈功率，根据反馈功率和给定的目标功率计算转速，记为目标转速，发送给电机控制模块；
中央控制模块获取燃气轮机的实际转速，记为反馈转速，根据反馈转速通过排气温度与反馈转速的设定关系计算燃气轮机所需的排气温度，记为目标排气温度；其中排气温度与反馈转速的设定关系的得出方式如下：通过实验检测在不同反馈转速下，微型燃气轮机的不同排气温度数据，对实验数据进行曲线拟合，得到排气温度与反馈转速的设定关系。
获取微型燃气轮机的实际排气温度，记为反馈排气温度，将目标排气温度与反馈排气温度作差后通过排气温度差值和燃料供应量的设定关系计算目标燃料量，发送给燃料控制模块。其中排气温度和燃料供应量的设定关系的得出方式如下：通过实验检测在不同反馈排气温度和目标排气温度下，为使微型燃气轮机达到目标排气温度，所使用的不同燃料供应量数据，对实验数据进行曲线拟合，得到排气温度差值与燃料供应量的设定关系。
由以上控制策略可以看出，本控制***在对微型燃气轮机发电***进行控制的时候，加入了对排气温度的考虑，基于反馈转速计算维持该反馈转速的给定排气温度，并根据给定排气温度和反馈排气温度计算目标燃料量，则无论***的转速变化率大小如何，目标燃料量均为缓慢变化，则可以实现***的稳定工作。这进一步保证了本发明能够适应大负载突加、突卸等极端工作条件。
本实施例所提出的集成控制***同时具有具有外部排气温度输入端口，可以通过该端口实现用户对于***的直接控制，用户为中央控制模块输入一个目标功率，中央控制模块根据反馈功率、目标功率以及功率控制策略计算欲达到目标功率燃气轮机的目标转速。
该设计可以使用户在发现转速变化率较大的时候，根据经验人为输入一个排气温度值，以调节燃料供应量，使***能够维持正常排气温度，避免出现***工作不稳定的情况。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种微型燃气轮机发电集成控制***，包括微型燃气轮机发电子***和集成控制子***；所述的微型燃气轮机发电子***包括微型燃气轮机、整流逆变控制模块、逆变并网控制模块和直流母线电压控制模块；所述的微型燃气轮机产生电力传输给整流逆变控制模块，整流逆变控制模块进行电能变化通过直流母线传输给逆变并网控制模块，逆变并网控制模块连接用户电网，直流母线电压控制模块实时检测直流母线电压值；集成控制子***包括中央控制模块、电机控制模块和燃料控制模块，其特征在于，该集成控制子***进一步包括蓄电池控制模块，微型燃气轮机发电集成控制***进一步包括蓄电池组和刹车电阻；蓄电池组连接直流母线；刹车电阻通过开关接在直流母线的正负端之间，刹车电阻接有开关，通过控制开关的开合来控制刹车电阻的启用与否；
所述中央控制模块，获得逆变并网控制模块的实际输出功率以及燃气轮机的实际转速，根据控制策略产生燃气轮机的目标转速发送给电机控制模块，产生目标燃料量发送给燃料控制模块；
中央控制模块实时监测来自直流母线电压控制模块的直流母线电压值和实际转速；当直流母线电压值单位时间的降低量大于限定值时，发送信号至蓄电池控制模块，控制蓄电池放电，检测到实际转速达到设定的平稳值范围内，则停止放电；当直流母线电压值单位时间的升高量大于限定值时，发送信号至蓄电池控制模块，控制蓄电池充电，如果直流母线电压依旧高于电压限定，则启用刹车电阻，检测到实际转速达到设定的平稳值范围内，则停止充电并断开刹车电阻；
电机控制模块，根据目标转速和燃气轮机的反馈转速，产生电机驱动信号发送给微型燃气轮机；
燃料控制模块，根据目标燃料量控制微型燃气轮机的燃料输入量。
2.如权利要求1所述的一种微型燃气轮机发电集成控制***，其特征在于，所述中央控制模块采用的控制策略为：
中央控制模块接收逆变并网控制模块传输的输出功率，记为反馈功率，根据反馈功率和给定的目标功率计算转速，记为目标转速，发送给电机控制模块；
中央控制模块获取燃气轮机的实际转速，记为反馈转速，根据所述反馈转速通过排气温度与反馈转速的设定关系计算燃气轮机所需的排气温度，记为目标排气温度；获取微型燃气轮机的实际排气温度，记为反馈排气温度，将目标排气温度与反馈排气温度作差后通过排气温度和燃料供应量的设定关系计算目标燃料量，发送给燃料控制模块。
3.如权利要求1所述的一种微型燃气轮机发电集成控制***，其特征在于，
所述中央控制模块目标排气温度输入端；当中央控制模块检测到用户通过外部目标排气温度输入端输入设定排气温度时，则使用设定排气温度代替目标排气温度参与目标燃料量的计算。
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