CN104329131A - 并网型低温余热发电系统及其启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网型低温余热发电系统及启动控制方法，该系统主要包括膨胀机、永磁同步发电机、背靠背变流器、有机工质朗肯循环热交换系统及相应的控制装置。在系统启动时，膨胀机首先由电驱动达到达到额定转速，节省由有机工质直接推动涡轮机时由于转速低浪费的能量，并且该启动方法系统可以在不需要满足发电机电压与电网电压之间的同步条件下启动低温余热发电系统并网发电，减少传统启动方法时对系统的冲击，本发明的启动方法可以友好的接入电网，实现并网型低温余热发电系统的稳定，可靠，高效运行。

Description

并网型低温余热发电系统及其启动控制方法

技术领域

本发明属于并网型低温余热回收技术领域，尤其涉及一种并网型低温余热发电系统及其启动控制方法。

背景技术

我国目前总体能源利用率只有33％左右，单位GDP能耗是世界平均水平的1.9倍、发达国家的3倍至4倍，约67％的能源以废气、废热、余压等形式在工业生产中被排放。在被排放掉的能源中，有一部分的中高温能源被回收利用，但是有一半低品位的中低温热源，即350℃以下的烟道气和100℃以下的水、乏汽被直接排放，导致能源利用率低。随着国家节能减排政策的推进，电网企业为低温余热发电提供了便捷、高效的接入电网服务，高耗能产业和企业对节能装备和技术利用的越来越重视。低温余热回收发电技术及其设备在此背景下走向了市场。与大中型的火力发电不同，低温余热发电技术是通过回收钢铁、水泥、石化等企业几乎每天都在持续不断的向大气环境中排放的温度低于350℃的中低温的废蒸汽、烟气所含的低品位的热量来发电，它将企业在生产环节产生的低品位的或废弃的热能转化为高级能源——电能，因此它是一项变废为宝的高效节能技术。

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，当需要启动余热发电系统时，需发电机的转速达到同步转速，并且发电机的相序还要与电网一致，还要发电机的激磁电动势应与电网电压大小相等、相位相同。这就需要增加附加的并网指示装置，在满足条件时启动低温余热发电并网系统。由于以上几个条件不能精确满足，并网启动时会产生不可控的过电流，影响设备的使用寿命。

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全功率的背靠背双PWM变流器，通过对变流器的合理控制，可以在不需要满足发电机电压与电网电压之间的同步条件下启动低温余热发电系统并网发电，减少传统启动方法时对系统的冲击，并且膨胀机的转速可以通过变流器控制，在系统启动时，由电驱动带动膨胀机达到最佳捕获功率转速，节省由有机工质直接推动涡轮机时由于转速低浪费的能量，达到启动时最大限度利用能量的目的。

发明内容

本发明是为解决并网型低温余热发电系统的启动控制问题，而提出的并网型低温余热发电系统及启动控制方法。

本发明提供发电系统包括膨胀机、永磁同步发电机、背靠背交流器、有机工质朗肯循环热交换系统及相应的控制装置，有机工质朗肯循环热交换系统连接膨胀机，膨胀机连接永磁同步发电机，再连接背靠背变流器后连入电网。

所述背靠背交流器包括机侧变流器、直流母线电容、直流母线电压传感器、能量转移装置、网侧变流器。

所述控制系统包括人机界面、有机工质朗肯循环控制装置、网侧变流器控制装置、机侧变流器控制装置。网侧变流器控制装置主要对直流母线电压控制，机侧变流器控制装置主要对永磁同步发电机速度进行控制，有机工质朗肯循环控制装置对有机工质朗肯循环热交换系统进行控制，人机界面接受操作人员的控制指令，负责对整个系统进行集中控制。

所述网侧变流器控制装置使用DSP实现。

所述机侧变流器控制装置使用  DSP实现。

所述有机工质朗肯循环控制装置使用PLC。

本发明还涉及一种发电系统的启动控制方法，首先控制网侧变流器使直流母线电压稳定在设定值，然后启动机侧变流器，由电驱动永磁同步发电机进入恒转速运行状态，同时永磁同步发电机带动膨胀机旋转，有机工质朗肯循环热交换系统开启，有机工质在蒸发器中变成气态，推动已高速旋转的膨胀机做功，从而膨胀机一开始就运行在高效区，最大限度的利用了有机工质朗肯循环的能量，并减少了对系统的冲击。

所述启动控制方法网侧变流器采用按电网电压定向的矢量控制算法，将电网电流矢量分解为有功分量和无功分量，并可分别加以控制，不仅实现了直流母线电压的稳定，还可以根据需要对电网注入一定的无功功率。

所述启动控制方法机侧变流器采用按转子磁链定向的高性能矢量控制算法，将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，因而可获得与直流调速系统同样好的控制效果。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明的启动方法与传统方法相比，由于启动时直接对膨胀机的转速进行了控制，不会产生传统方法启动时由于余热发电系统热源不稳定导致膨胀机转速波动，不能快速并入电网的问题。并且膨胀机一直工作在高效率区间，节省了由有机工质直接推动涡轮机时由于转速低浪费的能量，提高了系统的效率。本方法不需要满足传统同步发电机系统的并网条件，并网过程简单。由于网侧变流器的可控性，并网启动时不会产生对电网的过电流冲击而影响设备的使用寿命。网侧变流器采用矢量控制策略，实现了对输入电网的有功和无功独立动态解耦控制，在电网故障时，可以对电网进行无功支持，帮助电网电压的恢复。永磁同步发电机采用高性能矢量控制技术，可以获得与直流电机相当的控制性能，膨胀机速度稳定，对系统的冲击小。

附图说明

图1低温余热发电系统结构图；

图2系统的启动时序流程图；

图3网侧变流器的控制原理图；

图4永磁同步电机矢量控制原理图。

图中1-膨胀机；2-永磁同步发电机；3-机侧变流器；4-直流母线电容；5-直流母线电压传感器；6-能量转移装置；7-网侧变流器；8-滤波器；9-变压器；10-人机界面；11-有机工质朗肯循环控制装置；12-网侧变流器控制装置；13-机侧变流器控制装置；14-有机工质朗肯循环热交换系统。

具体实施方式

下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，他们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1所示，并网型低温余热发电系统由膨胀机1、永磁同步发电机2、机侧变流器3、直流母线电容4、直流母线电压传感器5、能量转移装置6、网侧变流器7、滤波器8、变压器9、人机界面10、有机工质朗肯循环控制装置11、网侧变流器控制装置12、机侧变流器控制装置13、有机工质朗肯循环热交换系统14构成。网侧变流器控制装置12和机侧变流器控制装置13用DSP实现，其中网侧变流器控制装置12主要对直流母线电压控制，机侧变流器控制装置13主要对永磁同步发电机2速度进行控制。有机工质朗肯循环控制装置11用PLC实现，负责对有机工质朗肯循环热交换系统14进行控制。人机界面10接受操作人员的控制指令，负责对整个系统进行集中控制。

如图2所示，系统的具体启动方法如下：人机界面10接收到操作人员的开机指令，则启动网侧变流器7并入电网，抬升并稳定直流母线电压在设定值，然后机侧变流器控制装置13对从直流母线电压传感器5采样的信号进行判断，超过设定值以后，机侧变流器控制装置13启动永磁同步发电机2，由电驱动永磁同步发电机2进入恒转速运行状态，同时永磁同步发电机2带动膨胀机1旋转，这个过程是由电网输入功率驱动永磁同步发电机2和膨胀机1。当永磁同步发电机2转速达到额定转速时，有机工质朗肯循环控制装置11启动有机工质朗肯循热交换系统14，有机工质在蒸发器中变成气态，推动已高速旋转的膨胀机1做功，由于对膨胀机1的速度进行控制，从而膨胀机1一开始就运行在高效区，最大限度的利用了有机工质朗肯循环的能量，并减少了对系统的冲击。当有机工质的动能超过膨胀机1以及永磁同步发电机2的摩擦损耗的能量时，送人电网的电流反向，能量自动送入电网。至此系统的启动过程结束。这样省去了传统设备启动过程需要同步的条件，可以让系统立即投入并网发电，减少了对系统的冲击，提高了系统的效率。若系统接受到关机指令或遇到紧急故障，立即关闭机工质朗肯循环热交换系统14，再停止机侧变流器3的工作，再停止网侧变流器7。

如图3所示为网侧变流器的控制算法：网侧变流器7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，将电网电流矢量分解为有功分量和无功分量，并可分别加以控制，控制过程为：直流电压指令与检测到的直流电压相比较，经过电压控制器的调整，输出有功电流I_d指令信号。同时经过坐标变换，电网反馈的三相电流变为直流I_dI_q，输入电流内环控制器，其中I_q由上位机给定。电流控制器的输出d,q轴电压经坐标变化变为α,β电压，通过SVPWM模块输出六路PWM驱动网侧变流器7中的IGBT，产生所需的三相正弦电流输入电网。这样不仅实现了直流母线电压的稳定，还可以根据需要对电网注入一定的无功功率。坐标变化的公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_U\\ I_V\\ I_W\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]$

在有机工质朗肯循环热交换系统14启动后，若检测到直流母线电压传感器5采样的信号超过设定值时，立即投入能量转移装置6，通过对能量转移装置6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4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。

如图4所示为机侧变流器3的控制算法：机侧变流器3采用按转子磁链定向的高性能矢量控制算法，转子磁链的获取由位置编码器或发电机的无速度传感器算法获得，从而将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，因而可获得与直流调速系统同样好的控制效果。控制过程为：速度信号指令与检测到的速度相比较，经过速度控制器的调整，输出转矩电流I_q指令信号。同时经过坐标变换，定子反馈的三相电流变为直流I_dI_q，给定和反馈电流输入电流控制器，其中I_d给定为0，电流控制器的输出d,q轴电压经坐标变化变为α,β电压，通过SVPWM模块输出六路PWM驱动机侧变流器3中的IGBT，产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子。

本发明由于启动时直接对膨胀机的转速进行了控制，不会产生传统方法启动时由于余热发电系统热源不稳定导致膨胀机转速波动，不能快速并入电网的问题。并且膨胀机一直工作在高效率区间，节省了由有机工质直接推动涡轮机时由于转速低浪费的能量，提高了系统的效率。本方法不需要满足传统同步发电机系统的并网条件，并网过程简单。由于网侧变流器的可控性，并网启动时不会产生对电网的过电流冲击，影响设备的使用寿命。网侧变流器采用矢量控制策略，实现了对输入电网的有功和无功独立动态解耦控制，在电网故障时，可以对电网进行无功支持，帮助电网电压的恢复。永磁同步发电机采用高性能矢量控制技术，可以获得与直流电机相当的控制性能，膨胀机速度稳定，对系统的冲击小。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种发电系统，其特征在于，包括：膨胀机、永磁同步发电机、背靠背变流器、有机工质朗肯循环热交换系统及相应的控制装置，有机工质朗肯循环热交换系统连接膨胀机，膨胀机再连接永磁同步发电机，永磁同步发电机再连接到背靠背交流器，背靠背交流器最终连入电网。

2.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于：背靠背变流器包括机侧变流器、直流母线电容、直流母线电压传感器、能量转移装置、网侧变流器。

3.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于：控制装置包括人机界面、有机工质朗肯循环控制装置、网侧变流器控制装置及机侧变流器控制装置。

4.如权利要求3所述的发电系统，其特征在于：网侧变流器控制装置主要对直流母线电压控制，机侧变流器控制装置主要对永磁同步发电机速度进行控制，有机工质朗肯循环控制装置对有机工质朗肯循环热交换系统进行控制，人机界面接受操作人员的控制指令，负责对整个系统进行集中控制。

5.如权利要求3所述的发电系统，其特征在于：网侧变流器控制装置使用DSP实现。

6.如权利要求3所述的发电系统，其特征在于：机侧变流器控制装置使用DSP实现。

7.如权利要求3所述的发电系统，其特征在于：有机工质朗肯循环控制装置使用PLC。

8.一种发电系统的启动控制方法，其特征在于：首先控制网侧变流器使直流母线电压稳定在设定值，然后启动机侧变流器，由电驱动永磁同步发电机进入恒转速运行状态，同时永磁同步发电机带动膨胀机旋转，有机工质朗肯循环热交换系统开启，有机工质在蒸发器中变成气态，推动已高速旋转的膨胀机做功。

9.如权利要求8所述的发电系统启动控制方法，其特征在于：网侧变流器采用按电网电压定向的矢量控制算法，将电网电流矢量分解为有功分量和无功分量，并分别加以控制。

10.如权利要求8所述的发电系统启动控制方法，其特征在于：机侧变流器采用按转子磁链定向的高性能矢量控制算法，将定子电流矢量分解为励磁电流和转矩电流分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位。