跟隨瞬態電網事件的發電系統控制的制作方法

本文所公開的主題涉及跟隨瞬態電網事件對發電系統的控制。

發電系統包括從其它主能量源產生電力的原動機。示例性原動機——燃氣渦輪是帶有燃氣渦輪軸的旋轉機械裝置，其驅動發電機來為向最終用戶供電的傳輸電網供應電力。另一示例性原動機是蒸汽渦輪。為了無故障運行，渦輪軸速度和產生的電網頻率必須保持在操作范圍內。當電網頻率由于瞬態事件突然變化時，渦輪控制器嘗試通過控制軸速度來恢復發電系統中的平衡。

本發明的簡要描述

根據本發明的一個方面，一種跟隨瞬態電網事件控制發電系統的方法包括：感測發電機端的電頻率的變化率；使用處理器確定軸線加速度的變化率；基于軸線加速度的變化率識別瞬態電網事件；以及在電頻率的變化率超過第一指定值且軸線加速度的變化率超過第二指定值達到指定持續時間時觸發動作以從瞬態電網事件恢復。

根據本發明的另一方面，一種用以跟隨瞬態電網事件控制發電系統的系統包括：包括聯接至發電機的軸線的原動機；構造成向電網供電的發電機；聯接至發電機的勵磁機；以及控制器，其構造成感測發電機端的電頻率的變化率，確定軸線加速度的變化率，基于加速度的變化率識別瞬態電網事件，以及在電頻率的變化率超過第一指定值且加速度的變化率超過第二指定值達到指定持續時間時觸發動作以從瞬態電網事件恢復。

根據本發明的還有另一方面，一種聯接至發電系統中的發電機的控制器包括：輸入接口，其構造成接收測量數據；存儲器裝置，其構造成存儲指令；以及處理器，其構造成基于根據測量數據感測發電機端的電頻率的變化率、確定將原動機線聯接至發電機的軸線的加速度的變化率、基于加速度的變化率識別瞬態電網事件以及在電頻率的變化率超過第一指定值且加速度的變化率超過第二指定值達到指定持續時間時觸發動作以從瞬態電網事件恢復來處理指令以跟隨瞬態電網事件控制發電系統。

這些及其它優點和特征從結合附圖的以下描述將變得更加顯而易見。

附圖的簡要描述

認作是本發明的主題在說明書的結尾處的權利要求中特別指出且明確要求保護。本發明的前述和其它特征與優點從結合附圖的以下詳細描述將顯而易見，在附圖中：

圖1是根據本發明的實施例的包括勵磁機控制器的發電系統的框圖；

圖2是根據本發明的實施例的跟隨電網上的瞬態事件控制燃氣渦輪的方法的流程流；以及

圖3是根據本發明的實施例的計算燃氣渦輪中的軸線加速度的變化率的流程流。

詳細描述通過參照附圖的示例連同優點和特征解釋了本發明的實施例。

本發明的詳細描述

如上文所述，帶有原動機的發電系統包括渦輪控制器以跟隨電網上導致頻率偏差的瞬態事件使系統恢復平衡。作為示例，當檢測到電網中的頻率下降時，由于速度隨電網頻率改變，檢測到速度的下降。基于感測到速度的下降，將增加原動機的燃料吸入，其增加有功功率輸出以補償頻率的下降。這可能造成電功率增加超過系統限制，且因此關閉至燃氣渦輪的燃料(燃燒中斷)。此外，當渦輪控制器嘗試對快速電網頻率瞬變作出反應時，其可潛在地影響燃氣渦輪動態特性。因為沒有識別瞬態電網事件本身而對電網上的瞬態事件的征兆作出反應，出現事件的順序。本文詳細描述的系統和方法的實施例涉及識別瞬態電網事件和相應地控制原動機。具體而言，實施監測時段以確保適當的動作而不是對感知到的情況的過度反應。雖然為了說明目的而具體論述了燃氣渦輪，但本文描述的實施例適用于任何原動機，且不限于示例性系統。

圖1是根據本發明的實施例的包括勵磁機控制器110的發電系統100的框圖。發電系統100包括燃氣渦輪150，燃氣渦輪150聯接至為電網140供電的發電機130。燃氣渦輪150還聯接至渦輪控制器160。發電機130聯接至由勵磁機控制器110控制的勵磁機120。本文詳細描述的實施例為了說明目的而參照勵磁機控制器110論述，但在備選實施例中其可在發電系統100的一個或多個其它子系統中實施。勵磁機控制器110是包括輸入接口112、輸出接口118、一個或多個處理器114以及一個或多個存儲器裝置116的計算系統。如以下詳細描述的那樣，在對發電系統100的控制中，勵磁機控制器110有助于識別瞬態電網事件。在備選實施例中，使用與勵磁機控制器110分開的控制器。即，雖然為了說明目的具體論述了勵磁機控制器110，但可使用監測發電機130且包括參照本發明的實施例論述的勵磁機控制器110的功能的任何控制器。

圖2是根據本發明的實施例的跟隨電網140上的瞬態事件控制燃氣渦輪150的方法的流程流。如上文所述，燃氣渦輪150是根據本文論述的實施例的可控制的原動機的示例性實施例。描述的流程具有促進瞬態電網事件的識別使得可相應地控制原動機的技術效果。瞬態電網事件可造成電網頻率的上升或下降和/或發電機130的有功功率或無功功率上升或下降，并且可能與像電壓、電流、功率因數等的其它發電機參數的其它瞬態變化相關聯。一旦檢測到這些狀況中的一者，則方框210處的流程包括感測發電機130處的電頻率的變化率。在方框220處，計算機械功率(在燃氣渦輪150的情況下在發電系統100的燃氣渦輪150側的合成機械功率)和電功率(在發電系統100的電網140側)的差值參照圖3進一步論述。方框210和方框220處的流程可由勵磁機控制器110執行，或者在備選實施例中，由發電系統100的另一個控制器或子系統執行。在方框240處，確定軸線加速度的變化率是基于機械功率(合成機械功率)和電功率的差值(方框220)，且也參照圖3詳細描述。在方框250處，確定發電系統100的不同步的可能性包括合成與高頻率變化率(在方框210處感測到)相關聯的軸線的加速功率(在方框240處確定)的積分。此確定有助于識別瞬態電網事件，而不僅僅是由燃氣渦輪控制器160對軸速度的變化作出反應。方框260處的流程在下文論述。首先，論述方框230處的流程，其可超馳(override)方框260處的流程。在方框230處，識別短路(例如，利用勵磁機控制器110)包括判斷是否存在端電壓的下降和無功電流的上升。當基于端電壓和無功電流識別出短路時，發出超馳信號270以防止任何動作在方框260處觸發。

在方框260處，判斷是否滿足閾值以觸發動作包括判斷軸線加速度的變化率(方框240)是否超過指定值，以及發電機130端處的電頻率的變化率(方框210)是否大于指定頻率變化率達到指定的時間或周期數。例如，閾值可為軸線加速度的變化率的閾值，其由以下公式給出：

Pm是機械功率，Pe是電功率，且指定值0.1PU是發電機130的滿載(1PU)的百分比。發電機130端處的電頻率的變化率的閾值由以下公式給出：

f是頻率，且指定的頻率變化率以赫茲(Hz)每秒(s)為單位。例如，在動作開始之前，可能必須超過示例性閾值達到3至7個連續周期。例如，在60Hz系統的示例性情況下，周期大約為16毫秒(ms)，且可能必須超過閾值達到5個周期。周期的(閾值)數量可基于燃氣渦輪150(原動機)的構造。例如，在動作開始之前，對于多軸系統來說，相比于單軸系統，可能必須超過軸線加速度的閾值變化率和電頻率的閾值變化率達到較短的持續時間。示例性閾值僅提供用于說明目的。閾值可由電網140管理機構提供或者以其它方式獲得，且示例性閾值不限制可用于確保在燃氣渦輪150中不太快地采取反應(錯誤)動作的閾值。一旦在方框260處滿足閾值要求達到指定的持續時間，則然后勵磁機控制器110、渦輪控制器160、兩者的組合以及發電系統100的其它控制子系統可用于執行多個動作。例如，渦輪控制器160可通過預先定位(preposition)燃料系統(燃料行程基準(FSR)和噴嘴)或者預先定位入口導向導葉(IGV)或燃燒室來預先定位燃氣渦輪150，以避免跳閘或諸如壓縮機喘振的其它重大事件。此外，在備選實施例中，發電機130的其它參數可用于評估瞬態電網事件。例如，可使用無功功率、勵磁電流、定子電流、定子電壓或負載角(包括在上述示例性實施例中)。

圖3是根據本發明的實施例的計算燃氣渦輪150中的軸線加速度的變化率的流程流300。發電機150功率(通常以兆瓦(MW)為單位)301接通已知的處理器303。處理器303包括濾除不關注的高頻瞬態事件的沖失濾波器或低通濾波器、積分塊以及分頻器(通過系統慣量)。具體而言，處理器303輸出310由以下公式給出：

慣量由H給出。

頻率信號305(燃氣渦輪150軸線的速度)接通不同的沖失濾波器(沖失濾波器307)，以獲得燃氣渦輪150的軸線的速度變化(Δω)作為沖失濾波器輸出320。電功率(處理器輸出310)和軸線的速度變化(沖失濾波器輸出320)相加以獲得發電系統100的機械功率(Pm)的表示。具體而言，和數輸出330由以下公式給出：

此和數輸出330接通斜變跟蹤濾波器335以獲得機械功率Pm作為斜變跟蹤濾波器輸出340。獲得機械功率Pm和電功率Pe的差值作為差值輸出350(上文參照圖2的方框220論述)。具體而言，差值輸出350是加速功率(由Pacc表示)的積分，其由以下公式給出：

Pm和Pe的差值有助于燃氣渦輪150中的轉子的加速(或減速)(公式5的結果)。隨時間觀測此加速以確定變化率提供了上文論述的軸線加速功率的變化率。

雖然僅結合有限數量的實施例詳細描述了本發明，但是應當容易理解的是，本發明不限于這些公開的實施例。相反，可修改本發明以結合此前未描述但與本發明的精神和范圍相稱的任何數量的變型、改變、替換或等同布置。另外，雖然已經描述了本發明的各種實施例，但應當理解的是，本發明的方面可包括描述的實施例中的僅一些。因此，本發明不應視為由前述描述限制，而是僅由所附權利要求的范圍限制。