CN103982256B - 一种并网型低温余热发电系统的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网型低温余热发电系统的控制装置，该控制装置包括有机工质朗肯循环系统的控制装置、变流器控制装置和人机界面；人机界面与变流器控制装置相连，控制整个系统的运行和显示状态；有机工质朗肯循环系统的控制装置包括有机工质液位的闭环控制模块，对有机工质朗肯循环进行控制；变流器控制装置包括时序控制模块、机侧网侧控制模块、最大功率捕获模块、低电压穿越模块。本发明能够友好的接入电网，实现并网型低温余热发电系统的安全，可靠，高效运行。具有余热利用效率高的优点。

Description

一种并网型低温余热发电系统的控制装置

技术领域

本发明属于并网型低温余热回收技术领域，涉及并网型低温余热发电系统的控制装置，通过对有机工质朗肯循环系统的控制装置、变流器控制装置的配合设计，可以实现低温余热发电系统的持续、稳定、高效并网发电。

背景技术

我国地域辽阔，地热资源丰富，虽然现在部分地热资源得到初步利用，但是只停留在直接利用层面（温泉等日常生活用），存在着能源利用效率低的缺点。与此同时，硫酸、水泥、玻璃、钢铁等制造工厂排放出大量废热、废气、废烟等余热资源丰富，大约占到工业总能耗量的20%。如能把这些能量回收利用，能产生很高的环境效益和经济效益。对于低温余热方面的回收利用，各国政府和能源公司投入了大量的人力和物力，旨在研发余热发电的新技术。“十二五”期间我国政府特别明确了节能减排的十项重点工程，其中余热余压资源的利用在节能改造工程中被重点提及。2012年12月7日，国家电监会出台《关于规范水泥窑低温余热发电机组并网运营的意见》，并明确钢铁、玻璃、化工等其他行业类似的低温余热余压发电机组，可参照执行，也表明工业余热发电机组并网问题正逐步明朗化。为我国低温余热发电技术的研究和广泛应用提供了有利条件。

传统的余热发电系统采用恒速恒频发电方式，发电机与电网直接相连，由于只能固定运行在某一转速上才能达到最高运行效率，当热源条件改变时发电机和膨胀机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降。当电网电压故障时，故障会直接传送至发电机，造成发电机的故障。发电机定子与电网连接处通常接有无功补偿用的电容器组,其电容量一般按补偿发电机空载时吸收的无功功率来设计，所以发电系统还要从电网吸收额外的无功。

若系统采用的变速恒频发电并网，在发电机和电网之间加入背靠背双PWM变流器，变流器将发电机与电网通过直流环节隔离开来，通过对变流器的合理控制，可以实现低电压穿越和三相电网电压不对称下的运行，并对电网提供无功支持。此变流器的能量可以控制，现实发电机速度的实时调节，达到最大功率跟踪的目的，并且发电机的速度可以在不增加齿轮箱的情况下，根据膨胀机的特性配合设计，提高系统的运行效率。

发明内容

本发明是为解决并网型低温余热发电系统的并网控制问题，而提出的一种并网型低温余热发电系统的控制装置。本发明的目的是通过下述技术方案实现的；

1.该控制装置包括有机工质朗肯循环系统的控制装置、变流器控制装置和人机界面，上述控制装置分别与有机工质朗肯循环系统和背靠背变流器相连，同时控制装置之间通过通信对整个系统进行协调控制，人机界面与变流器控制装置相连，控制整个系统的运行和显示状态；有机工质朗肯循环系统的控制装置包括有机工质液位的闭环控制模块，对有机工质朗肯循环进行控制；变流器控制装置包括时序控制模块、机侧网侧控制模块、最大功率捕获模块、低电压穿越模块，对变流器并网状态进行控制；

2.工质液位的闭环控制模块，由液位传感器、冷凝器的压力传感器、蒸发器的压力传感器、工质泵组成，介质液位的闭环控制算法是根据当前的液位差和冷凝器的压力、蒸发器的压力，在模糊自适应PID的控制下，实时修改PID参数，控制工质泵的工作状态；

3.时序控制模块，接收人机界面的控制指令，对整个系统的开关机、紧急停车进行控制；

4.机侧网侧控制模块，其中网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制稳定直流母线的电压，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制算法，控制发电机的转速，转速给定由最大功率捕获模块提供，转子磁链的获取由发电机的无速度传感器算法获得，无需安装发电机位置传感器；

5．最大功率捕获模块由一种优化的爬山搜寻法算法自动找出发电机的最大功率点的速度，在传统爬山算法流程中增加存储与输出环节,对结果进行预测和经验累积,能够根据环境的不同不断改进,无须人为调试，同时利用功率反馈控制对系统进行最大功率控制，无需知道热水温度、流量、膨胀机功率特性等参数；

6.低电压穿越模块在检测到直流电压高于设定值时，立即投入能量转移装置，消耗多余的能量来维持直流母线电压的稳定，实现电网低电压下的不脱网运行，并控制网侧变流器向电网注入一定的无功功率，帮助电网电压的恢复。

本发明与现有技术相比，具有如下优点；

1.本控制装置及其方法的使用，可以对有机工质朗肯循环系统和发电机变速恒频并网部分进行协调控制，系统的操作方便，简单，稳定性和安全系数高；

2.本发明可以对发电机的速度进行实时调节，在无需知道热水温度、流量、膨胀机功率特性的情况下，实现系统的最大功率跟踪输出；并且可以在发电机与膨胀机之间不增加齿轮箱的情况下，设计发电机的转速与膨胀机的功率特性配合，实现发电机在高速下的运行，减少发电机的重量；

3.由于变流系统采用并列的背靠背双PWM结构，所以容错能力强，当一台变流器故障时，另一台变流器仍能继续运行，方便维护，并且能量能够四象限流动；

4.本发明的变流器采用矢量控制策略，实现了机侧和网侧有功和无功的独立动态解耦控制，并且省去了发电机的容易出故障的位置传感器，增加了系统的可靠性；

5.本发明可以使并网型低温余热发电系统无需从电网吸收无功功率，并且在电网发生故障时，能够保持不脱网下的连续运行，对电网的冲击小，并可以向电网提供一定的无功功率，帮助电网电压的恢复。

附图说明

图1并网型低温余热发电系统控制装置连接图；

图2有机工质朗肯循环装置及变流器结构图；

图3系统的起停时序流程图；

图4工质的液位控制图；

图5机侧变流器的控制原理图；

图6网侧变流器的控制原理图；

图7优化爬山算法实现最大功率捕获流程图；

图中：变流器控制装置1、有机工质朗肯循环控制装置2、人机界面3、发电机4、蒸发器5、冷凝器6、膨胀机7、热水泵8、工质泵9、冷水泵10、工质阀11、热水阀12、蒸发器压力传感器13、冷凝器压力传感器14、液位传感器15、网侧变流器Ⅰ16、网侧变流器Ⅱ17、机侧变流器Ⅱ18、机侧变流器Ⅰ19、直流母线电容Ⅰ20、直流母线电容Ⅱ21、直流母线电压传感器Ⅰ22、直流母线电压传感器Ⅱ23、能量转移装置Ⅰ24、能量转移装置Ⅱ25、滤波器Ⅰ26、滤波器Ⅱ27、变压器28。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参阅附图1所示，并网型低温余热发电系统由变流器控制装置1、有机工质朗肯循环控制装置2、人机界面3、发电机4、有机工质朗肯循环装置和变流器构成。变流器控制装置1用DSP实现，有机工质朗肯循环控制装置2用PLC实现。其中变流器控制装置1主要包括电信号采集电路，时序控制模块，网侧、机侧变流器控制模块，最大功率捕获模块，低电压穿越模块。有机工质朗肯循环控制装置2主要包括温度、压力信号采集模块，液位闭环控制模块，泵、阀控制模块。

参略附图2所示，系统的具体工作原理如下：温度在60°以上的热水以水的形式进入蒸发器5后加热液态低沸点的介质，介质在受热后变成气态，经管道推动膨胀机7做功，同时带动发电机4旋转发电，推动完膨胀机7的气态介质经管道回到冷凝器6，在冷水带走气态介质的热量后，气态介质变成液态，液态介质再在工质泵9作用下回到蒸发器5中继续循环。同时发电机4产生的交流电能经过机侧变流器Ⅱ18和机侧变流器Ⅰ19将交流电能变换成直流电能，然后经过网侧变流器Ⅰ16和网侧变流器Ⅱ17逆变成与电网同频率交流电能，经过LCL滤波器Ⅰ26和滤波器Ⅱ27滤除高次谐波，再经过变压器28隔离升压，变成与电网同幅值、同频率的交流电能馈入电网。

系统的控制过程如下：

参略附图3所示，人机界面3接收到操作人员的开机或停机指令，若为开机指令，则启动网侧变流器Ⅰ16和网侧变流器Ⅱ17并入电网，抬升并稳定直流母线电压，然后变流器控制装置1对从直流母线电压传感器Ⅰ22和直流母线电压传感器Ⅱ23采样的信号进行判断，超过设定值以后，变流器控制装置1发送开机信号给有机工质朗肯循环控制装置2，该装置控制工质阀11、热水阀12、热水泵8、工质泵9、冷水泵10工作，从而对蒸发器5的介质加热，介质由液态变为气态，推动膨胀机7对其做功，热能转变为动能，带动发电机4发电；变流器控制装置1根据机侧电流和电压的信号，计算出发电机4的速度，判断速度达到并网条件后，投入机侧变流器Ⅱ18和机侧变流器Ⅰ19，同时最大功率捕获模块投入，机侧变流器Ⅰ19实时对发电机速度的控制，以便实时调整速度，捕获系统的最大功率输出。机侧变流器Ⅱ18的功率给定与机侧变流器Ⅰ19的相等。若系统的输出功率超过额定功率，有机工质朗肯循环控制装置对热水泵8进行控制，减少热水的流入量，使系统保持在额定功率点运行。控制若集中控制系统接受到关机指令或遇到紧急故障，立即关断工质阀11、热水阀12、热水泵8，发电机4的转速下降都脱网转速以下，先停止机侧变流器Ⅱ18和机侧变流器Ⅰ19的工作，再停止网侧变流器Ⅰ16和网侧变流器Ⅱ17的工作。

液位控制模块对冷凝器6的液位进行闭环控制，其原理如附图4所示，控制模块程序通过液位传感器15采集冷凝器6的液位信号，与通过程序设定的最优液位比较，利用PID控制器计算出工质泵9驱动速度值，给带动工质泵9的变频电机；由于工质泵9的执行效果与冷凝器6和蒸发器5的压力差有关，所以应用常规PID控制器对于此液位控制系统，无法达到理想的控制效果；本发明采用模糊自适应PID控制器，通过冷凝器6的冷凝器压力传感器14、蒸发器5的蒸发器压力传感器13对冷凝器6和蒸发器5的压力进行采集，根据冷凝器6和蒸发器5的压力差，实时更改P、I、D控制参数；PID算法的计算公式如下：

为比例增益，为计算周期，为积分时间，为微分时间，e为液位的偏差，u为工质泵的速度给定；为比例增益，为积分时间、为微分时间由模糊自适应算法根据压力差得出。

双PWM变流器的控制算法参照附图5、6，网侧变流器Ⅰ16和网侧变流器Ⅱ17采用基于电网电压定向的矢量控制稳定直流母线的电压，由网侧电压传感器采集电网电压，通过锁相环获得电网电压的矢量角度，控制环的外环控制直流母线电压，内环控制注入电网的有功和无功电流，电流通过网侧电流传感器采集得到。机侧变流器Ⅱ18和机侧变流器Ⅰ19采用基于转子磁链定向的矢量控制算法，转子磁链的获取由发电机的无速度传感器算法获得，省去了价格昂贵、安装不便的位置传感器，增加了系统的稳定性。通常情况下，由机侧变流器Ⅰ19控制发电机的转速，机侧变流器Ⅱ18的功率给定与机侧变流器Ⅰ19相等，保证两个变流器的功率的合理分配。

本发明的爬山搜索算法无需对热水的温度和流速进行测量，也不需要事先知道具体膨胀机3的功率特性，而是通过测量功率的变化来自动搜索发电机4的最优转速点；具体思路如附图7所示：为了方便数据储存与比较,本发明先对电机转速以0.1rad/s为最小单元进行取整,(转速表的最小刻度为0.1rad/s能满足高速发电精度要求)；由于发电机4的运行转速一般不会超过1000rad/s，即转速数值不超过10000，转速大于此则应对其进行热水流量的控制进入恒功率模式，因而表中的数值也是有限的，大大加快了查表速度；当最大功率工作表中有该转速的最大功率时，比较此刻的功率与所记录的最大功率大小：当时，查表输出最大功率；当时，进行右侧的爬山算法求功率指令Pload，当表中没有该转速的记录时,判断是否 ，当斜率为零时认定此刻为最大功率,为最大功率工作表增添一组新数据,并输出最大功率指令；当斜率时需要计算斜率求功率指令Pload，然后返回再次计算功率指令；不断对转速进行扰动,随着时间推移最终形成一组可供执行的工作表,覆盖额定转速下的最佳转速与最大功率，当检测到电机转速属于工作表中时不需要再进行爬山算法,而直接以作为指令结合最大功率反馈控制来实现最大功率捕获。

低电压穿越模块在检测到直流母线电压传感器Ⅰ22和直流母线电压传感器Ⅱ23的采样信号超过设定值时，立即投入能量转移装置Ⅰ24和能量转移装置Ⅱ25，通过对能量转移装置Ⅰ24和能量转移装置Ⅱ25的IGBT的占空比进行PWM调制，消耗多余的能量来维持直流母线电容Ⅰ20和直流母线电容Ⅱ21电压的稳定，实现电网低电压下的不脱网运行。同时并控制网侧变流器向电网注入一定的无功功率，帮助电网电压的恢复。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含与本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种并网型低温余热发电系统的控制装置，其特征在于：该控制装置包括有机工质朗肯循环系统的控制装置（2）、变流器控制装置（1）和人机界面（3）；人机界面（3）与变流器控制装置（1）相连，控制整个系统的运行和显示状态；有机工质朗肯循环系统的控制装置（2）包括有机工质液位的闭环控制模块，对有机工质朗肯循环进行控制；变流器控制装置（1）包括时序控制模块、机侧网侧控制模块、最大功率捕获模块、低电压穿越模块，对变流器并网状态进行控制。

2.根据权利要求1所述一种并网型低温余热发电系统的控制装置，其特征在于：所述有机工质液位的闭环控制模块包括液位传感器（15）、冷凝器（6）的压力传感器(14)、蒸发器（5）的压力传感器(13)和工质泵（9），有机介质液位的闭环控制算法是根据当前的液位差和冷凝器（6）的压力、蒸发器（5）的压力，在模糊自适应PID的控制下，实时修改PID参数，控制工质泵（9）的工作状态。

3.根据权利要求1所述一种并网型低温余热发电系统的控制装置，其特征在于：所述时序控制模块，接收人机界面(3)的控制指令，对整个系统的开关机、紧急停车进行控制。

4.根据权利要求1所述一种并网型低温余热发电系统的控制装置，其特征在于：所述的机侧网侧控制模块，其中网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制稳定直流母线的电压，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制算法，控制发电机(4)的转速，转速给定由最大功率捕获模块提供，转子磁链的获取由发电机(4)的无速度传感器算法获得，无需安装发电机(4)位置传感器。

5.根据权利要求1所述一种并网型低温余热发电系统的控制装置，其特征在于：所述最大功率捕获模块由一种优化的爬山搜寻法算法自动找出发电机的最大功率点的速度，在传统爬山算法流程中增加存储与输出环节,对结果进行预测和经验累积,能够根据环境的不同改进，同时利用功率反馈控制对系统进行最大功率控制。

6.根据权利要求1所述一种并网型低温余热发电系统的控制装置，其特征在于：采用模糊自适应PID控制器，通过冷凝器（6）的压力传感器（14）、蒸发器（5）的压力传感器（13）对冷凝器（6）和蒸发器（5）的压力进行采集，根据冷凝器（6）和蒸发器（5）的压力差，实时更改P、I、D控制参数。

7.根据权利要求1所述一种并网型低温余热发电系统的控制装置，其特征在于：所述低电压穿越模块，在检测到直流电压高于设定值时，立即投入能量转移装置，消耗多余的能量来维持直流母线电压的稳定，实现电网低电压下的不脱网运行，并控制网侧变流器向电网注入一定的无功功率，帮助电网电压的恢复。