CN102684587A - 一种离网式斯特林发电机组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离网式斯特林发电机组及其控制方法，该发电机组包括发电机、斯特林发动机、辅助系统、机侧变频器、贮能装置、负载侧变频器、控制系统。该控制方法包括以下步骤：启动时，机侧变频器将贮能装置的能量逆变成发电机需要的交流电，使发电机处于电动机运行模式，拖动斯特林发动机运行；启动后，随着斯特林发动机输出功率的增加，发电机由电动机运行模式转变为发电机运行模式，机侧变频器由逆变状态转变为整流状态，向贮能装置和负载侧变频器输出能量，负载侧变频器逆变输出向负载提供能量。本发明充分利用电机和变频器的特性，用简单的控制策略，实现斯特林发电机组的自起动和脱离电网的孤岛运行。

Description

一种离网式斯特林发电机组及其控制方法

技术领域

本发明涉及斯特林发电机组控制领域，特别涉及一种离网式斯特林发电机组及其控制方法。

背景技术

斯特林发动机是一种外部供热（或燃烧）的活塞式发动机，它以气体做工质，按闭式回路热循环的方式进行工作。斯特林发动机最早发明与1816年，比内燃机发明早几十年，但由于受当时材料及制造水平的限制，没有得到进一步发展。20世纪70年代爆发中东石油危机后，人们搞到了能源危机，同时污染环境的严重危害也日益显现。基于斯特林发动机对能源的广泛适应性和优异的环境特性，人们恢复了对斯特林发动机的兴趣，给斯特林带来了新的生命和发展空间。

由于其自身不具备自启动功能和无法空载运行等缺陷，目前各国所研究的斯特林发电机组全部采用外加专用启动装置来完成启动，接入调功器来保证其始终不在空载运行状态；没有电网的支撑，发电机组的输出电压和频率的控制难度大；这些都是限制离网式斯特林发电机组发展的瓶颈。但是由于斯特林发电机组容量相对比较小，而各国对小功率并网的要求比较严格，限制了并网型斯特林机组的发展；而离网式斯特林发电机组的应用范围却是极为广阔，发展前景看好。可以预计，离网式斯特林发电机组可能成为未来斯特林发电机组发展的主要方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种离网式斯特林发电机组及其控制方法，充分利用电机和变频器的特性，用简单的控制策略，实现了斯特林发电机的自起动和脱离电网的孤岛运行。

为达到上述目的，本发明提供的离网式斯特林发电机组控制方法，应用于包括发电机、斯特林发动机、辅助系统、机侧变频器、贮能装置、负载侧变频器、控制系统的离网式斯特林发电机组，包括以下步骤：

启动时，所述机侧变频器将所述贮能装置的能量逆变成所述发电机需要的交流电，使所述发电机处于电动机运行模式，拖动所述斯特林发动机运行；

启动后，随着所述斯特林发动机输出功率的增加，所述发电机由电动机运行模式转变为发电机运行模式，所述机侧变频器由逆变状态转变为整流状态，向所述贮能装置和所述负载侧变频器输出能量，所述负载侧变频器逆变输出向负载提供能量。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，还包括：启动前对所述辅助系统进行自检的步骤。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，启动后，所述负载侧变频器根据所述负载的变化自动调节输出功率。

上述所述离网式斯特林发电机组控制方法，所述机侧变频器在所述发电机的电动机运行模式时逆变所述贮能装置的能量提供满足机组启动要求的电源；在所述发电机的发电机运行模式时，所述机侧变频器通过负载和贮能装置控制所述发电机的电磁转矩及所述斯特林发电机组的运行转速。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，所述贮能装置在所述斯特林发电机组运行过程中根据负载的变化充放电，以维系所述机侧变频器和所述负载变频器之间的功率平衡。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，启动后，所述斯特林发动机的输出功率大于所述发电机的空载损耗时，所述发电机由电动机运行模式转变为发电机运行模式。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述贮能装置为蓄电池或者超级电容，其容量为机组容量的3倍以上。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述贮能装置可以通过外部供电装置补充电量。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，所述发电机为永磁同步发电机或者电励磁同步发电机。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，所述发电机为交流发电机或者直流发电机。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，所述贮能装置和所述负载侧变频器组成UPS根据负载的变化输送一定时间的电量，以提供机组短时故障所需的电量。

上述离网式斯特林发电机组控制方法，所述发电机有电动机运行模式转变为发电机运行模式是自动完成的。

更进一步的，本发明还提供了一种采用上述控制方法的离网式斯特林发电机组，包括发电机、斯特林发动机、辅助系统、机侧变频器、贮能装置、负载侧变频器及控制系统，所述控制系统控制所述机侧变频器在启动时将所述贮能装置的能量逆变成所述发电机所需要的交流电，使所述发电机处于电动机运行模式，拖动所述斯特林发动机运行；启动后，控制所述发电机由电动机运行模式转变为发电机运行模式，所述机侧变频器由逆变状态转变为整流状态，向所述贮能装置和所述负载侧变频器输出能量，所述负载侧变频器逆变输出向负载提供能量。

上述离网式斯特林发电机组，所述机侧变频器在所述发电机的电动机运行模式时逆变所述贮能装置的能量提供满足机组启动要求的电源；在所述发电机的发电机运行模式时，所述机侧变频器通过负载和贮能装置控制所述发电机的电磁转矩及所述斯特林发电机组的运行转速。

上述离网式斯特林发电机组，所述负载侧变频器根据所述负载的变化自动调节输出功率。

上述离网式斯特林发电机组，所述贮能装置在所述斯特林发电机组运行过程中根据负载的变化充放电，以维系所述机侧变频器和所述负载变频器之间的功率平衡。

上述离网式斯特林发电机组，所述贮能装置为蓄电池或者超级电容，其容量为机组容量的3倍以上。

上述离网式斯特林发电机组，所述贮能装置可以通过外部供电装置补充电量。

上述离网式斯特林发电机组，所述发电机为永磁同步发电机或者电励磁同步发电机。

上述离网式斯特林发电机组，所述发电机为交流发电机或者直流发电机。

本发明进一步提供了一种电网系统，包括多台上述的离网式斯特林发电机组。

与现有技术相比，本发明的斯特林发动机组控制方法充分利用发电机和变频器的双向可逆特性不使用独立启动设备实现机组的自起动；不依靠电网和功耗器实现离网运行；并兼具有UPS功能，保证用户负载的用电安全。克服了机组不能自起动，不能由其本身控制运行转速，不能空载运行，且输出电压波形和频率及带负载能力差的缺陷。

本发明以下附图的结合仅为说明性的实施方式，并不为本发明的限制。

附图说明

图1为应用本发明斯特林发电机组的电力生产系统框图；

图2为本发明斯特林发电机组的控制方法流程图；

图3为本发明中同步电机的功角特性示意图；

图4为支持本发明中的斯特林发电机组功率控制调节系统框图；

图5为本发明中机侧变频器、贮能装置和负载侧变频器的拓扑图。

具体实施方式

藉由以下较佳实施例的详细描述，将可进一步了解本发明所述的方法、构造的特征及好处，但并不作为对本发明的限制。

图1为应用本发明斯特林发电机组的电力生产系统框图，参考图1，本发明的离网式斯特林发电机组1包括辅助系统10、斯特林发动机11、发电机12、机侧变频器13、贮能装置14、负载侧变频器15、及控制系统16。其中辅助系统10包括燃烧（加热）系统、冷却系统、工质系统、润滑系统等部分，辅助系统10驱动斯特林发动机11运行，带动发电机12运行，使发电机12经机侧变频器13整流后向贮能装置14和负载侧变频器15提供能量，负载侧变频器15逆变后对负载2供电，贮能装置14调整系统之间的功率平衡，控制系统16对各部分协调统一控制保证斯特林发电机组1的正常运行。

图2为本发明斯特林发电机组的控制方法流程图，如图2所示，本发明的斯特林发电机组的控制方法应用于上述图1所示系统，该控制方法包括但不限制为以下步骤：

S1：启动前，对各辅助系统进行自检；

S2：启动时，机侧变频器将所述贮能装置的能量逆变成发电机所需要的交流电，使发电机处于电动机运行模式，拖动斯特林发动机运行；

在步骤S2中，当辅助系统工作正常后，发电机侧变频器将贮能装置的能量逆变成发电机所需要的交流电，使发电机处于电动机运行模式，拖动斯特林发动机运行，由于这时的转矩较小，机组消耗的功率较底小，给斯特林发动机起动力矩，使机组克服机械死点运行起来，省去了专用的启动装置；

S3：启动后，随着斯特林发动机输出功率的增加，发电机由电动机运行模式转变为发电机运行模式，机侧变频器由逆变状态转变为整流状态，向贮能装置和负载侧变频器输出能量，负载侧变频器逆变输出向负载提供能量。

运行中，随着加热系统的输入功率的提高，工质的温度和压力逐渐提高，工质膨胀做功，旋转轴来传递转动力矩，使轴输出功率逐渐增加，并与电机的电磁转矩方向一致，随着工质做功能力的增强，当斯特林发动机轴输出功率大于发电机的空载损耗时，发电机改为发电机运行，机侧变频器由逆变功能转变为整流功能，向贮能装置和负载侧变频器提供电能，同时调整发电机的电磁转矩控制斯特林发动机组的转速；该系统采用并行负载结构，发电机同时给贮能装置和交流负载供电，或者发电机和贮能装置同时给交流负载供电。由于发电机的双向运行，克服了斯特林发动机不能空载运行的缺陷；负载侧变频器逆变输出向负载提供能量，并根据负载的变化自动调节输出功率，省去了调功器辅助设备；当负载侧变频器出现故障时能迅速关闭解列；当斯特林发电机组出现故障时直流贮能装置和负载侧变频器组成UPS，根据负载的变化提供UPS等级的高品质电流持续供电，保证用户负载的用电安全。负载侧变频器应具备60HZ/50HZ的输出能力和组成微网系统的能力。

本发明中，采用的贮能装置具备如下功能：

（1）足够发电机逆功率（电动机运行模式）运行10分钟以上的能力。

（2）在斯特林发电机组出现故障时能独立运行保障外界负载3分钟的供电能力。

（3）在斯特林发电机组运行过程中根据负载变化充放电，保证输出功率的平稳，维系机组内部的功率平衡。

（4）可以从公共电网侧直接充电，保证斯特林发电机组的起动性能。

本发明由于采用了变频器与负载之间隔离，使其保护功能得以实现，具有电压异常保护、电机电压异常保护、防雷保护、过欠速保护、直流过欠压保护、直流过充压保护、短路保护、电机过流保护、接地故障保护、过湿保护、通讯故障保护、过载保护、过热保护等；同时对变频器的逆变效率提出了要求：25%负载90%，50%负载93%，75%负载95%，100%负载97%。变频器的过载能力要求120%时1分钟、150%时30秒；由于变频器的存在斯特林发电机组具备了组网的能力；同时可以进行无功功率调节保证用电负载特性。

当负载增加时贮能装置向负载补充一定的能量支持负载变频器的输出，控制系统迅速增加斯特林发动机组的输入功率，发电机输出功率增加，弥补负载变化需要增加的功率，补充贮能装置释放出的能量；当负载减小时，贮能装置吸收多余的能量，保证输入输出之间的功率平衡，控制系统减小输入能量，减小发电机的输出。由于发电机可以变速进行，降低了的整套控制系统的复杂程度。

由加热系统与工质系统实现串级控制保证输出功率的稳定，加热系统保证工质温度、工质系统确保工质压力的稳定，该系统以温度控制为主控制回路，以压力调节为副控制回路。主控制回路为定值控制系统，控制目标是加热管壁温度；利用副控对象压力的快速响应和控制精度，可以保证在操作条件和负荷的变化的情况下，调节系统仍具有较好的品质，对负荷和操作条件的变化具有较强的适应能力。本发明中的控制系统还包括辅助系统中PID控制回路，因涉及本发明的发明点，在此不详细描述。

本发明的重要特征是充分利用了电机和变频器的双向可逆性能实现了机组的起动、运行的全过程。从而克服了机组下列不足：a.不能自起动；b.不能由其本身控制运行转速；c.不能空载运行；d.输出电压波形和频率较差；e.带负载能力差。

图3表示本发明中同步电机的功角特性示意图，启动时发电机运行于电动机运行模式，在图中的第三象限所示的直线段；运行过程随着与电磁转矩方向一致的机械转矩逐渐增加，发电机的运行工作点沿着曲线直线段一点点的上升，最终通过原点，进入第一象限，即发电机运行模式，机侧变频器处于整流模式；运行过程中，发电机在第一象限中曲线的直线段变速运行，与此同时发电机的电磁转矩变成制动转矩，当机械转矩增大时，发电机的转速增大，发电机向负载输出电量增大，反之亦然。

图4为支持本发明中的斯特林发电机组功率控制调节系统框图。

斯特林发电机组由部的功率控制由一个前馈控制系统组成。当负载侧发生波动时，控制器控制负载侧变频器的输出，实现快速响应和调节，同时控制斯特林发动机部分的功率输入保证系统的平衡。此方案克服了斯特林发电机组功率控制滞后时间长、时间常数大、干扰幅度大的缺点。功率控制的方法还有很多种，前馈控制方案只是其中的一种。

图5为本发明中机侧变频器、贮能装置和负载侧变频器的拓扑图。

图中的变频器是一种可以四象限运行的变频器，这种变频器采用背靠背结构方案，机侧变频器和负载变频器全部采有IGBT功率元件组成；直流环节由多个蓄电池组或超级电容组成；控制系统采用载波移相控制与SPWM调制相结合的方法，实现变频器的四象限运行。其中机侧变频器13逆变贮能装置16的能量，提供发电机12的电动运行模式时满足整机起动要求的电源；发电机12在发电机运行模式时，机侧变频器13通过负载2和贮能装置16控制发电机12的电磁转矩及控制斯特林发电机组的运行转速；贮能装置16起到在机侧变频器13和负载变频器15之间的功率平衡作用，实现了负载变化过程中的快速响应作用；负载侧变频器15逆变输出向负载2提供能量，并根据负载2的变化自动调节有功输出功率和无功输出功率，实现斯特林发电机组与负载之间的能量缓冲，克服没有大电网的支撑不稳定的缺点。由于机侧变频器和贮能装置的作用，斯特林发动机的有功功率输出不受外界负载变化的影响。发电机可以实现变速运行。

发电机运行状态分为发电机运行模式和电动机运行模式。由于机侧变频器的逆变作用，起到了电动运行时所需要的软起动的作用，发电机起动瞬间对机组的冲击和机械振动较小，使发电机的功率范围进一步扩大，扩宽了离网式发电机组大功率运行的可行性。电动机运行模式时起动时间不应超过60s，起动电流小于发电机额定电流的3倍。

本发明并不限于离网式斯特林发电机组，也可以用在并网运行状态，并通过变频器输出电压与电流的相位角调节实现无功功率的补偿，丰富了机组的适用范围。本发明中的斯特林发电机组可以由多台组成一套微型电网系统或单机并入电网中运行。

本说明书虽然已通过举例方式在附图中描述了本发明的具体实施方式，并在本文中对其作了详细的说明，但是本发明还允许有各种修改和替换形式。本发明的附图内容可为不等比例，附图及其详细的描述仅为特定型式的揭露，并不为本发明的限制，相反的，依据权利要求保护范围的精神和范围内进行修改、均等构件及其置换皆为本发明所涵盖的范围。

Claims (21)

1.一种离网式斯特林发电机组控制方法，应用于包括发电机、斯特林发动机、辅助系统、机侧变频器、贮能装置、负载侧变频器、控制系统的离网式斯特林发电机组，其特征在于，包括以下步骤：

启动时，所述机侧变频器将所述贮能装置的能量逆变成所述发电机需要的交流电，使所述发电机处于电动机运行模式，拖动所述斯特林发动机运行；

启动后，随着所述斯特林发动机输出功率的增加，所述发电机由电动机运行模式转变为发电机运行模式，所述机侧变频器由逆变状态转变为整流状态，向所述贮能装置和所述负载侧变频器输出能量，所述负载侧变频器逆变输出向负载提供能量。

2.根据权利要求1所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，还包括：启动前对所述辅助系统进行自检的步骤。

3.根据权利要求2所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，启动后，所述负载侧变频器根据所述负载的变化自动调节输出功率。

4.根据权利要求1－3之任一项所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述机侧变频器在所述发电机的电动机运行模式时逆变所述贮能装置的能量提供满足机组启动要求的电源；在所述发电机的发电机运行模式时，所述机侧变频器通过负载和贮能装置调整所述发电机的电磁转矩控制所述斯特林发电机组的运行转速。

5.根据权利要求1－3之任一项所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述贮能装置在所述斯特林发电机组运行过程中根据负载的变化充放电，以维系所述机侧变频器和所述负载变频器之间的功率平衡。

6.根据权利要求1之任一项所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，启动后，所述斯特林发动机的输出功率大于所述发电机的空载损耗时，所述发电机由电动机运行模式转变为发电机运行模式。

7.根据权利要求1所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述贮能装置为蓄电池或者超级电容，其容量为机组容量的3倍以上。

8.根据权利要求7所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述贮能装置可以通过外部供电装置补充电量。

9.根据权利要求1所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述发电机为永磁同步发电机或者电励磁同步发电机。

10.根据权利要求1所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述发电机为交流发电机或者直流发电机。

11.根据权利要求1所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述贮能装置和所述负载侧变频器组成UPS根据负载的变化输送一定时间的电量，以提供机组短时故障所需的电量。

12.根据权利要求1所述的离网式斯特林发电机组控制方法，其特征在于，所述发电机有电动机运行模式转变为发电机运行模式是自动完成的。

13.一种采用上述权利要求1－12中任一项所述的离网式斯特林发电机组控制方法的离网式斯特林发电机组，其特征在于，包括发电机、斯特林发动机、辅助系统、机侧变频器、贮能装置、负载侧变频器及控制系统，所述控制系统控制所述机侧变频器在启动时将所述贮能装置的能量逆变成所述发电机所需要的交流电，使所述发电机处于电动机运行模式，拖动所述斯特林发动机运行；启动后，控制所述发电机由电动机运行模式转变为发电机运行模式，所述机侧变频器由逆变状态转变为整流状态，向所述贮能装置和所述负载侧变频器输出能量，所述负载侧变频器逆变输出向负载提供能量。

14.根据权利要求13所述的离网式斯特林发电机组，其特征在于，所述机侧变频器在所述发电机的电动机运行模式时逆变所述贮能装置的能量提供满足机组启动要求的电源；在所述发电机的发电机运行模式时，所述机侧变频器通过负载和贮能装置调整所述发电机的电磁转矩控制所述斯特林发电机组的运行转速。

15.根据权利要求13所述的离网式斯特林发电机组，其特征在于，所述负载侧变频器根据所述负载的变化自动调节输出功率。

16.根据权利要求13所述的离网式斯特林发电机组，其特征在于，所述贮能装置在所述斯特林发电机组运行过程中根据负载的变化充放电，以维系所述机侧变频器和所述负载变频器之间的功率平衡。

17.根据权利要求13所述的离网式斯特林发电机组，其特征在于，所述贮能装置为蓄电池或者超级电容，其容量为机组容量的3倍以上。

18.根据权利要求17所述的离网式斯特林发电机组，其特征在于，所述贮能装置可以通过外部供电装置补充电量。

19.根据权利要求13所述的离网式斯特林发电机组，其特征在于，所述发电机为永磁同步发电机或者电励磁同步发电机。

20.根据权利要求13所述的离网式斯特林发电机组，其特征在于，所述发电机为交流发电机或者直流发电机。

21.一种电网系统，其特征在于，包括多组上述权利要求13-20中任一项所述的离网式斯特林发电机组。

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