專利名稱：一種微型燃氣輪機發電集成控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及到一種微型燃氣輪機發電集成式控制系統，屬于燃氣輪機控制技術領域。
背景技術：
微型燃氣輪機是一種熱機，能夠將燃料的熱能轉化成機械能，微型燃氣輪機工作時，連續不斷地吸入空氣，空氣在燃氣輪機中經過壓縮、燃燒和膨脹等過程產生高溫高壓燃氣(即后文提到的排氣)并從尾噴管噴出。微型燃氣輪機中的回熱器能夠利用排氣的余熱加熱壓縮空氣，因此大大節約了能源成本。微型燃氣輪機發電站是一種實用性強、低污染、低維護的發電系統。實際應用中，傳統的微型燃氣輪機控制系統所采用的方法往往是根據輸出功率和給定的目標功率計算欲達到目標功率燃氣輪機所需的轉速，記為目標轉速，發送給電機控制模塊，以實現對燃氣輪機轉速的控制，控制系統根據燃氣輪機的目標轉速產生目標燃料量發送給燃料控制模塊，以實現對燃氣輪機燃料供應量的控制。然而傳統的技術方案僅僅將微型燃氣輪機輸出功率與轉速建立關系，同時燃料供應量視為與轉速的關系，這種控制系統使得微型燃氣輪機發電系統的輸出功率一旦變化即可導致微型燃氣輪機的轉速的變化，從而燃料供應量隨之改變，導致微型燃氣輪機工作不穩定。當負載變化較劇烈時，燃氣輪機的工作狀態將產生嚴重的變化。具體來說，當大負載突然加載時，微型燃氣輪機轉子立即感受到強大的負載阻力，微型燃氣輪機的轉子轉速因此立即有急劇減速的趨勢，而負載的增加往往要求微型燃氣輪機盡快加速，以維持負載功率，這就往往導致微型燃氣輪機“喘振”乃至熄火；當大負載突然卸載時,此時燃氣輪機由于負載壓力突然降低,有超轉速的趨勢,此時燃氣輪機不但要減緩或克服由于功率降低導致的轉速增加，而且還要使得轉速減小，若控制不當則可能導致燃氣輪機超轉，最終導致發動機損壞。可見現有燃氣輪機控制技術不能夠適應突加突卸負載的極端情況，往往導致微型燃氣輪機的頻繁熄火，其核心部件乃至整個微型燃氣輪機壽命大大縮短。
發明內容
有鑒于此，本發明提出了一種微型燃氣輪機的控制系統，能夠適應微型燃氣輪機發電系統帶載的大負載變換，保證了微型燃氣輪機發電系統的穩定性。為達到上述目的，本發明的技術方案為—種微型燃氣輪機發電集成控制系統，包括微型燃氣輪機發電子系統和集成控制子系統；微型燃氣輪機發電子系統包括微型燃氣輪機、整流逆變控制模塊、逆變并網控制模塊和直流母線電壓控制模塊；微型燃氣輪機產生電力傳輸給整流逆變控制模塊，整流逆變控制模塊進行電能變化通過直流母線傳輸給逆變并網控制模塊，逆變并網控制模塊連接用戶電網，直流母線電壓控制模塊實時檢測直流母線電壓值；集成控制子系統包括中央控制模塊、電機控制模塊和燃料控制模塊。該集成控制子系統進一步包括蓄電池控制模塊，微型燃氣輪機發電集成控制系統進一步包括蓄電池組和剎車電阻；蓄電池組連接直流母線；剎車電阻通過開關接在直流母線的正負端之間，剎車電阻接有開關，通過控制開關的開合來控制剎車電阻的啟用與否。中央控制模塊，獲得逆變并網控制模塊的實際輸出功率以及燃氣輪機的實際轉速，根據控制策略產生燃氣輪機的目標轉速發送給電機控制模塊，產生目標燃料量發送給燃料控制模塊。中央控制模塊實時監測來自直流母線電壓控制模塊的直流母線電壓值；當直流母線電壓值單位時間的降低量大于限定值時，發送信號至蓄電池控制模塊，控制蓄電池放電，檢測到實際轉速達到設定的平穩值范圍內，則停止放電；當直流母線電壓值單位時間的升高量大于限定值時，發送信號至蓄電池控制模塊，控制蓄電池充電，如果直流母線電壓依舊高于電壓限定，則啟用剎車電阻，檢測到實際轉速達到設定的平穩值范圍內，則停止充電并斷開剎車電阻。電機控制模塊，根據目標轉速和燃氣輪機的反饋轉速，產生電機驅動信號發送給微型燃氣輪機。燃料控制模塊，根據目標燃料量控制微型燃氣輪機的燃料輸入量。進一步地，中央控制模塊采用的控制策略為中央控制模塊接收逆變并網控制模塊傳輸的輸出功率，記為反饋功率，根據反饋功率和給定的目標功率計算轉速，記為目標轉速，發送給電機控制模塊；中央控制模塊獲取燃氣輪機的實際轉速，記為反饋轉速，根據所述反饋轉速通過排氣溫度與反饋轉速的設定關系計算燃氣輪機所需的排氣溫度，記為目標排氣溫度；獲取微型燃氣輪機的實際排氣溫度，記為反饋排氣溫度，將目標排氣溫度與反饋排氣溫度作差后通過排氣溫度和燃料供應量的設定關系計算目標燃料量，發送給燃料控制模塊。進一步地，中央控制模塊具有外部目標排氣溫度輸入端；當中央控制模塊檢測到用戶通過外部目標排氣溫度輸入端輸入設定排氣溫度時，則使用設定排氣溫度代替目標排氣溫度參與目標燃料量的計算。有益效果1、本發明加入了蓄電池，當大負載突加時，由蓄電池輔助供電，從而維持直流母線電壓，使燃氣輪機發電系統能夠維持負載功率，則負載對于微型燃氣輪機轉子的阻力減小，因此轉子轉速不再有急劇減速的趨勢，則在控制系統控制轉子加速的過程中，燃氣輪機不會產生“喘振”乃至熄火的情況；當大負載突卸時，通過蓄電池充電降低直流母線電壓，同時通過剎車電阻的分擔一部分功率，則微型燃氣輪機的轉子不會因負載阻力的急劇減小而超速轉動，則控制系統無需大量減少燃料供應量，微型燃氣輪機的排氣溫度依舊維持在較穩定狀態，避免了微型燃氣輪機熄火的現象。2、本發明在對微型燃氣輪機發電系統進行控制的時候，加入了對排氣溫度的考慮，基于反饋轉速計算維持該反饋轉速的給定排氣溫度，并根據給定排氣溫度和反饋排氣溫度計算目標燃料量，則無論系統的轉速變化率大小如何，目標燃料量均為緩慢變化，則可以實現系統的穩定工作。這進一步保證了本發明能夠適應大負載突加、突卸等極端工作條件。
3、本發明具有外部排氣溫度輸入端口，可以通過該端口實現用戶對于系統的直接控制，當用戶發現轉速變化率較大時，可以根據經驗人為輸入一個排氣溫度值，以調節燃料供應量，使系統能夠維持正常排氣溫度，避免出現系統工作不穩定的情況。
圖1為本發明中微型燃氣輪機發電子系統和集成控制子系統結構圖。圖2為本發明中功率、轉速、排氣溫度控制結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。本發明提供了一種微型燃氣輪機發電系統的集成控制系統，包括微型燃氣輪機發電子系統和集成控制子系統。如圖1為本發明的一個實施例。本實施例所提供的一種微型燃氣輪機發電集成控制系統，包括微型燃氣輪機發電子系統和集成控制子系統。其中，微型燃氣輪機發電子系統與傳統的微型燃氣輪機發電系統相比，都包括微型燃氣輪機、整流逆變控制模塊、逆變并網控制模塊和直流母線電壓控制模塊；微型燃氣輪機產生電力傳輸給整流逆變控制模塊，整流逆變控制模塊進行電能變化通過直流母線傳輸給逆變并網控制模塊，逆變并網控制模塊連接用戶電網，直流母線電壓控制模塊實時檢測直流母線電壓值。其中整流逆變控制模塊將發電機傳輸來的三相交流電整流逆變為直流電，由直流母線輸入至逆變并網控制模塊，并由逆變并網控制模塊將直流電逆變為三相交流電輸入到用戶電網，直流母線電壓控制模塊可在正常的負載功率跳變范圍內維持直流母線電壓的穩定。其中與現有的微型燃氣輪機發電系統控制系統相比，該集成控制子系統同樣包括中央控制模塊、電機控制模塊和燃料控制模塊。電機控制模塊與微型燃氣輪機發電子系統的電機驅動信號輸入端連接，燃料控制模塊通過油氣管路與微型燃氣輪機發電子系統燃料輸入端連接。中央控制模塊與整流逆變控制模塊、逆變并網控制模塊、電機控制模塊通訊，中央控制模塊接收來自整流逆變控制模塊的實際轉速，記為反饋轉速；中央控制模塊接收逆變并網控制模塊傳輸的輸出功率，記為反饋功率。本實施例中的微型燃氣輪機發電集成控制系統進一步包括蓄電池組和剎車電阻，集成控制子系統進一步包括蓄電池控制模塊；蓄電池組連接直流母線；剎車電阻通過開關接在直流母線的正負端之間，剎車電阻接有開關，通過控制開關的開合來控制剎車電阻的啟用與否；其中中央控制模塊，獲得逆變并網控制模塊的實際輸出功率以及燃氣輪機的實際轉速，根據控制策略產生燃氣輪機的目標轉速發送給電機控制模塊，產生目標燃料量發送給燃料控制模塊；電機控制模塊根據燃氣輪機目標轉速與反饋轉速的偏差實時計算并輸出電機驅動信號，電機驅動信號輸入到微型燃氣輪機發電子系統。燃料控制模塊，根據目標燃料量控制微型燃氣輪機的燃料輸入量。中央控制模塊與直流母線電壓控制模塊進行實時通訊，并實時監測來自直流母線電壓控制模塊的直流母線電壓值，并對以下兩種情況進行控制1、當直流母線電壓值單位時間的降低量大于限定值時，中央控制模塊發送信號至蓄電池控制模塊，控制蓄電池放電，中央控制模塊實時檢測實際轉速，并預先設定轉速的平穩值范圍，在轉速達到平穩值范圍后停止放電；則在此期間內，本系統通過蓄電池放電的形式維持直流母線電壓，能夠暫時保證外接負載的用電功率。2、當直流母線電壓值單位時間的升高量大于限定值時，中央控制模塊發送信號至蓄電池控制模塊，控制蓄電池充電，如果直流母線電壓依舊高于電壓限定，則啟用剎車電阻，中央控制模塊實時檢測實際轉速，在轉速達到平穩值范圍后停止充電并斷開剎車電阻;則在該設定時間內，本系統可通過蓄電池充電的形式暫時降低直流母線電壓，如果蓄電池充電還不足以降低直流母線電壓，則閉合剎車電阻的開關，剎車電阻在直流母線端起到分流作用，使通過逆變并網控制模塊的電流降低，從而達到短時間內降低微型燃氣輪機發電子系統的輸出功率的目的，符合突卸負載的要求。針對第I種情況，此時即為突加大負載的極端情況，此時直流母線電壓瞬時降低，由于本實施例中由蓄電池輔助供電，從而能夠使直流母線電壓維持在一個穩定的值，使燃氣輪機發電系統能夠維持負載功率，則負載對于微型燃氣輪機轉子的阻力減小，因此轉子轉速不再有急劇減速的趨勢，則在控制系統控制轉子加速的過程中，燃氣輪機不會產生“喘振”乃至熄火的情況；針對第2種情況，此時即為突卸大負載的極端情況，此時直流母線電壓瞬時提高，由于本實施例中通過蓄電池充電降低直流母線電壓，同時通過剎車電阻的分擔一部分功率，則微型燃氣輪機的轉子不會因負載阻力的急劇減小而超速轉動，則控制系統無需大量減少燃料供應量，微型燃氣輪機的排氣溫度依舊維持在較穩定狀態，避免了微型燃氣輪機熄火的現象。以上為本實施例中集成控制系統針對突加突卸負載的極端工作條件進行的相應設計以及控制方案。為使該系統在正常的工作條件下也能夠處于較穩定的狀態，本實施例進一步地進行了以下設計本實施例改進了集成控制系統中中央控制模塊所使用的控制策略，如圖2所示，改進后的控制策略具體如下中央控制模塊接收逆變并網控制模塊傳輸的輸出功率，即反饋功率，根據反饋功率和給定的目標功率計算轉速，記為目標轉速，發送給電機控制模塊；中央控制模塊獲取燃氣輪機的實際轉速，記為反饋轉速，根據反饋轉速通過排氣溫度與反饋轉速的設定關系計算燃氣輪機所需的排氣溫度，記為目標排氣溫度；其中排氣溫度與反饋轉速的設定關系的得出方式如下通過實驗檢測在不同反饋轉速下，微型燃氣輪機的不同排氣溫度數據，對實驗數據進行曲線擬合，得到排氣溫度與反饋轉速的設定關系O獲取微型燃氣輪機的實際排氣溫度，記為反饋排氣溫度，將目標排氣溫度與反饋排氣溫度作差后通過排氣溫度差值和燃料供應量的設定關系計算目標燃料量，發送給燃料控制模塊。其中排氣溫度和燃料供應量的設定關系的得出方式如下通過實驗檢測在不同反饋排氣溫度和目標排氣溫度下，為使微型燃氣輪機達到目標排氣溫度，所使用的不同燃料供應量數據，對實驗數據進行曲線擬合，得到排氣溫度差值與燃料供應量的設定關系。
由以上控制策略可以看出，本控制系統在對微型燃氣輪機發電系統進行控制的時候，加入了對排氣溫度的考慮，基于反饋轉速計算維持該反饋轉速的給定排氣溫度，并根據給定排氣溫度和反饋排氣溫度計算目標燃料量，則無論系統的轉速變化率大小如何，目標燃料量均為緩慢變化，則可以實現系統的穩定工作。這進一步保證了本發明能夠適應大負載突加、突卸等極端工作條件。本實施例所提出的集成控制系統同時具有具有外部排氣溫度輸入端口，可以通過該端口實現用戶對于系統的直接控制，用戶為中央控制模塊輸入一個目標功率，中央控制模塊根據反饋功率、目標功率以及功率控制策略計算欲達到目標功率燃氣輪機的目標轉速。該設計可以使用戶在發現轉速變化率較大的時候，根據經驗人為輸入一個排氣溫度值，以調節燃料供應量，使系統能夠維持正常排氣溫度，避免出現系統工作不穩定的情況。綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種微型燃氣輪機發電集成控制系統，包括微型燃氣輪機發電子系統和集成控制子系統；所述的微型燃氣輪機發電子系統包括微型燃氣輪機、整流逆變控制模塊、逆變并網控制模塊和直流母線電壓控制模塊；所述的微型燃氣輪機產生電力傳輸給整流逆變控制模塊，整流逆變控制模塊進行電能變化通過直流母線傳輸給逆變并網控制模塊，逆變并網控制模塊連接用戶電網，直流母線電壓控制模塊實時檢測直流母線電壓值；集成控制子系統包括中央控制模塊、電機控制模塊和燃料控制模塊，其特征在于，該集成控制子系統進一步包括蓄電池控制模塊，微型燃氣輪機發電集成控制系統進一步包括蓄電池組和剎車電阻；蓄電池組連接直流母線；剎車電阻通過開關接在直流母線的正負端之間，剎車電阻接有開關，通過控制開關的開合來控制剎車電阻的啟用與否； 所述中央控制模塊，獲得逆變并網控制模塊的實際輸出功率以及燃氣輪機的實際轉速，根據控制策略產生燃氣輪機的目標轉速發送給電機控制模塊，產生目標燃料量發送給燃料控制模塊； 中央控制模塊實時監測來自直流母線電壓控制模塊的直流母線電壓值和實際轉速；當直流母線電壓值單位時間的降低量大于限定值時，發送信號至蓄電池控制模塊，控制蓄電池放電，檢測到實際轉速達到設定的平穩值范圍內，則停止放電；當直流母線電壓值單位時間的升高量大于限定值時，發送信號至蓄電池控制模塊，控制蓄電池充電，如果直流母線電壓依舊高于電壓限定，則啟用剎車電阻，檢測到實際轉速達到設定的平穩值范圍內，則停止充電并斷開剎車電阻； 電機控制模塊，根據目標轉速和燃氣輪機的反饋轉速，產生電機驅動信號發送給微型燃氣輪機； 燃料控制模塊，根據目標燃料量控制微型燃氣輪機的燃料輸入量。
2.如權利要求1所述的一種微型燃氣輪機發電集成控制系統，其特征在于，所述中央控制模塊采用的控制策略為 中央控制模塊接收逆變并網控制模塊傳輸的輸出功率，記為反饋功率，根據反饋功率和給定的目標功率計算轉速，記為目標轉速，發送給電機控制模塊； 中央控制模塊獲取燃氣輪機的實際轉速，記為反饋轉速，根據所述反饋轉速通過排氣溫度與反饋轉速的設定關系計算燃氣輪機所需的排氣溫度，記為目標排氣溫度；獲取微型燃氣輪機的實際排氣溫度，記為反饋排氣溫度，將目標排氣溫度與反饋排氣溫度作差后通過排氣溫度和燃料供應量的設定關系計算目標燃料量，發送給燃料控制模塊。
3.如權利要求1所述的一種微型燃氣輪機發電集成控制系統，其特征在于， 所述中央控制模塊目標排氣溫度輸入端；當中央控制模塊檢測到用戶通過外部目標排氣溫度輸入端輸入設定排氣溫度時，則使用設定排氣溫度代替目標排氣溫度參與目標燃料量的計算。
全文摘要
本發明公開了一種微型燃氣輪機發電集成控制系統，屬于燃氣輪機控制技術領域。本系統包括微型燃氣輪機發電子系統和集成控制子系統；其中微型燃氣輪機發電子系統在傳統技術的基礎上增加了蓄電池組和剎車電阻；集成控制子系統則由中央控制模塊、電機控制模塊、蓄電池控制模塊和燃料控制模塊組成。突加突卸負載時，則控制蓄電池組快速放電或者放電，控制直流母線電壓，必要時，啟動剎車電阻。中央控制模塊進行以下計算根據反饋功率、目標功率計算目標轉速；根據反饋轉速、目標轉速計算目標排氣溫度；根據目標排氣溫度與反饋排氣溫度計算目標燃料量。通過以上計算得出值對燃氣輪機轉速和燃料輸入量進行控制。本發明適用于微型燃氣輪機的集成控制。
文檔編號H02P9/04GK103051268SQ20121053717
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月12日 優先權日2012年12月12日
發明者趙燕, 俞凱, 吳曉玲, 李一凡, 秦秀娟, 朱明星 申請人:北京動力機械研究所