CN104579068B - 一种提高发电机组加载能力的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高发电机组加载能力的方法和系统，其中方法应用于发电机组以及与所述发电机组连接的至少一个通过变频器控制的负载，包括：当与所述发电机组连接的负载增加时，降低所述变频器的运行频率，其中增加的负载通过软启动器控制启动和关闭。该方法通过对变频器的运行频率进行控制，可以在保证变频器控制的设备不影响系统正常运行的前提下，启动其他设备(如负载)的同时降低变频器的运行频率，以此方式来提高发电机组的加载能力，优化发电机组的加载性能，甚至可以减小发电机组选型，减少系统初期投资和运行费用。同时本发明还提供了一种提高发电机组加载能力的系统。

Description

一种提高发电机组加载能力的方法和系统

技术领域

本发明涉及冷热电联供系统控制领域，尤其涉及一种利用变频器来提高发电机组加载能力的方法和系统。

背景技术

冷热电联供系统是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机发电机等燃气发电设备运行，产生的电力供应用户的电力需求，系统发电后排出的余热通过余热回收利用设备(余热锅炉或者余热直燃机等)向用户供热、供冷。

冷热电联供系统是一种能够同时生产电力和冷热的联合系统，可以提高一次能源利用率，实现能源的梯级利用。其中的燃气内热发电机组在其脱离电网，没有任何周边支援的情况下，完全依靠发电机组自身(即孤岛运行状态)，处于一种极度不稳定的状态，一旦发电机组出现故障，将导致全部区域电网瓦解，在孤岛运行状态初期发电机组的加载能力一般为15％～30％，但是随着发电机组负载的增加，到达后期时发电机组的加载能力会降低到10％左右。

因此发电机组在孤岛运行时如果加载大型设备，时常会出现加载能力不足的情况。尤其时目前国内的冷热电联供系统中发电机组在孤岛运行状态下工作的情况较多，都会或多或少的存在发电机组加载能力不足的情况。

发明内容

为了克服现有技术中当冷热电联供系统中孤岛运行时容易出现加载能力不足的情况，本发明提供了一种利用变频器提高发电机组加载能力的方法和系统，在保证系统正常运行的情况下，能够通过控制变频器频率来提高发电机组的加载能力。

本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而得知。

一方面，

本发明提供了一种提高发电机组加载能力的方法应用于发电机组以及与所述发电机组连接的至少一个通过变频器控制的第一负载，包括：

当与所述发电机组连接的第二负载增加时，降低所述变频器的运行频率，其中第二负载通过软启动器控制启动和关闭。

根据本发明的另一个实施例，所述降低所述变频器的运行频率包括：

通过控制器对所述变频器的运行频率进行控制，将所述变频器的减速电流曲线调整为与所述软启动器的启动电流曲线相反；

其中所述控制器为可编程逻辑控制器。

根据本发明的另一个实施例，所述软启动器为限流型软启动器、电压控制型软启动器或转矩控制型软启动器。

根据本发明的另一个实施例，所述软起启动器采用恒转矩启动方式进行启动。

根据本发明的另一个实施例，当与所述发电机组连接的第二负载增加时，发电机组负载增加的电流的计算公式为：

ΔI＝I_r-(I₁-I₂)，

其中ΔI为所述发电机组负载增加的电流，I_r为所述软启动器上的启动电流，I₁为所述第一负载的额定电流，I₂为所述变频器的减速电流。

另一方面，

本发明还提供了一种提高发电机组加载能力的系统，包括：

发电机组，用于为与所述发电机组连接的至少一个第一负载提供工作电源，其中所述第一负载通过变频器来控制开启和关闭；

控制器，用于检测到有第二负载加载到所述发电机组时，降低所述变频器的运行频率，其中所述控制器与所述发电机组、所述第一负载和所述第二负载均连接，所述第二负载通过软启动器控制启动和关闭。

根据本发明的一个实施例，所述降低所述变频器的运行频率包括：

通过控制器对所述变频器的运行频率进行控制，将所述变频器的减速电流曲线调整为与所述软启动器的启动电流曲线相反；

其中所述控制器为可编程逻辑控制器。

根据本发明的另一个实施例，所述软启动器为限流型软启动器、电压控制型软启动器或转矩控制型软启动器。

根据本发明的另一个实施例，所述软起启动器采用恒转矩启动方式进行启动。

根据本发明的另一个实施例，当有第二负载加载到发电机组时，饭店机组发电机组负载增加的电流的计算公式为：

ΔI＝I_r-(I₁-I₂)，

其中ΔI为所述发电机组负载增加的电流，I_r为所述软启动器上的启动电流，I₁为所述第一负载的额定电流，I₂为所述变频器的减速电流。

本发明提供的提高发电机组加载能力的方法，通过对变频器的运行频率进行控制，可以在保证变频器控制的设备不影响系统正常运行的前提下，启动其他设备(如负载)的同时降低变频器运行频率，以此方式来提高发电机组的加载能力，优化发电机组的加载性能，甚至可以减小发电机组选型，减少系统初期投资和运行费用。

附图说明

图1为发电机组的加载性能变化曲线图；

图2为本发明实施例一提供的一种提高发电机组加载能力的方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例一中直接启动方式与限流型软启动、电压控制型软启动和转矩控制型软启动在电流、转矩以及转速方面进行对比的曲线图；

图4为本发明实施例一中最大频率与时间呈线性关系的示意图；

图5为本发明实施例一中最大频率与时间呈曲线变化关系的示意图；

图6为本发明实施例一中变频器线性转速的加速电流曲线图；

图7为本发明实施例一中变频器线性转速的减速电流曲线图；

图8为本发明实施例一中软启动器启动电流及变频器减速电流曲线图；

图9为本发明实施例一中发电机组负载增加的电流曲线图；

图10为本发明实施例二中提供的一种提高发电机组加载能力的系统的组成示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。

如果以三菱1500kW燃气内燃发电机组为例，发电机组的加载性能变化曲线如图1所示，其中横坐标的时间指的是发电机组加载的间隔时间，纵坐标指的是发电机组在不同负载情况下的加载性能，可见随着发电机组所带负载的增加，发电机组的加载能力逐渐减小，从图1中可以直观看出在后期发电机组负载的增加量较前期有所下降。以下实施例一和实施例二提供的方法及系统均是以燃气内燃发电机组为例进行说明的，但是同样也适用于其它发电机组。

实施例一

基于上述，本实施例中提供了一种提高发电机组加载能力的方法，应用于发电机组以及与发电机组连接的至少一个通过变频器控制的负载，该方法的步骤流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤S101、提供发电机组以及至少一个与发电机组连接的第一负载，其中第一负载中通过变频器来控制开启和关闭，也可以说第一负载就是变频器负载。

步骤S102、当与发电机组连接的第二负载增加时，降低变频器的运行频率，其中第二负载通过软启动器控制启动和关闭，也可以说第二负载就是发电机组负载，而且是通过软启动器进行控制的发电机组负载。发电机组负载就是所有加载在发电机组上的负载，包括变频器负载和软启动器负载，也就是包括第一负载和第二负载。

需要说明的是，与发电机组连接的负载一般是指电机，也就是说，在发电机组孤岛运行时增加一台电机运行就是增加一个负载。这些电机可以使直接启动的，还可以是通过变频器或软启动器进行控制的电机。其中变频器的作用是能够调速，并降低启动电流，该方法在发电机组中使用变频器的理由如下：

1)电机直接启动(即硬启动)对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，还可以节省设备的维护费用。

2)从理论上讲，变频器可以用在所有带有电机的机械设备中，电动机在启动时，电流会比额定高5-6倍的，不但会影响电机的使用寿命而且消耗较多的电量，设计系统时在电机选型上一般会留有一定的余量，电机的速度是固定不变，但在实际使用过程中，有时要以较低或者较高的速度运行，因此进行变频改造是非常有必要的，变频器可实现电机软启动、补偿功率因素。

根据本发明的另一个实施例，步骤S102中降低变频器的运行频率包括：

通过控制器对变频器的运行频率进行控制，将变频器的减速电流曲线调整为与软启动器的启动电流曲线相反，以此来消除软启动器的部分启动电流。

软启动器一般采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电机定子之间，选用的电路结构如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

根据本发明的另一个实施例，上述步骤S102中的控制器为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)。在结构上本实施例采用软启动器作为控制输出执行元件，控制逻辑用PLC实现，使得系统结构简单明了，采用数字监控和数字设定，提高了控制系统的可靠性，也便于维护。同时具有外控功能，可根据使用情况进行连接，方便控制。软启动器对电动机提供平滑渐进的启动过程，还能减少启动电流对电网或发电设备的冲击，将启动电流控制在安全范围内，改善了原控制系统因启动电流较大冲击场用电源而影响其它设备正常运行的状况。

当然，本实施例中是以可编程逻辑控制器对变频器进行控制为例进行说明，但是并不限定控制器仅为可编程逻辑控制器，还可以是其他控制器，此处不再一一列举。

根据本发明的另一个实施例，上述步骤S102中的软启动器为限流型软启动器、电压控制型软启动器或转矩控制型软启动器。

根据本发明的另一个实施例，软起启动器优选的采用恒转矩启动方式进行启动。

根据本发明的另一个实施例，当与发电机组上连接的第二负载增加时，会对发电机组上的所有负载产生影响，因此发电机组负载增加的电流的计算公式为：

ΔI＝I_r-(I₁-I₂)，

其中ΔI为发电机组负载增加的电流，I_r为软启动器上的启动电流，I₁为第一负载的额定电流，I₂为变频器的减速电流。

由于设备启动包括直接启动和各类软启动等启动方式，常用的软启动包括限流型软启动、电压控制型软启动和转矩控制型软启动，每种软启动方式分别对应相应的启动器，将这三种软启动方式与直接启动方式在电流、转矩以及转速方面进行对比，得到的曲线图如图3所示。其中在电流方面，直接启动的电流在启动瞬间上升到一个较高值，之后再下降至工作电流(例如工作电流I＝300％I_n)；而限流型软启动器在启动瞬间也上升，但是不需要达到直接启动那么高的瞬间值，电压控制型软启动器和转矩控制型软启动器均是在启动后一段时间内缓慢上升到工作电流，之后再缓慢下降。在转矩方面，直接启动的转矩在启动后很短时间内转矩有突变，之后稳定在100％C_n，限流型软启动器和电压控制型软启动器均是启动后较长一段时间后才有突变，之后也稳定在100％C_n，而转矩控制型软启动器没有发生突变，从启动开始缓慢上升至100％C_n。在转速方面，直接启动是从启动瞬间从0开始几乎呈线性上升，在较短时间内达到100％n_n(即rpm)并保持，限流型软启动器、电压控制型软启动器和转矩型软启动器则是在从启动瞬间到一段较长时间内从0上升至100％n_n(即rpm)并保持。

如果增加变频器，则变频器的输出频率与随时间上升的关系(即加速方式)变化曲线图分别如图4和图5所示。图4和图5中横坐标表示时间，纵坐标表示变频器的输出频率，A是加速时间，B是曲线形状。图4为线性加速方式的曲线示意图，其中线性是指变频器线性加速方式，加速时间为A，由于没有曲线形状，因此B＝0；而图5为曲线加速方式的曲线示意图，曲线是指变频器呈S形加速方式，在加速时间A内呈线性变换，之后呈曲线形状B变化。由于电机功率与水泵的转速之间呈立方关系，即N/N1＝(n/n1)³，公式中N表示转速为n时水泵的功率，N1表示转速为n1时水泵的功率。

如果按照图4中的线性加载，则得到的变频器线性转速的加速电流曲线、减速电流曲线分别如图6和图7所示，其中变频器线性转速加速的电流曲线为从0％～100％曲线上升，而变频器线性转速减速的电流曲线为从100％～0％曲线下降。

根据上述曲线可以总结出，发电机组一次加载电机能力是有限的，发电机组在孤岛运行时，负载增加一台电机时，电机启动电流不能超过发电机组既有负载时，一次性加载性能曲线显示的最大值。比如，当发电机组的空载(即既有负荷为0)时，一次加载最大可能性为30％，即1500kW*30％＝450kW；当发电机组的既有负荷为20％时，一次加载最大可能性为26％，即1500kW*26％＝390kW。如果负载电机为软启动器启动，启动电流按照3.5倍额定电流计算，则发电机组在空载时最大可能启动的电机功率为450/3.5＝128.6kW，发电机组在20％负载时最大可能启动的电机功率为390/3.5＝111.4kW。

在系统中如果具备较大功率的变频器，则可以在保证变频器控制的设备不影响系统正常运行的前提下，启动其他设备的同时降低变频器运行频率，以此方式来提高发电机组的加载能力，优化发电机组的加载性能。如果在多台同功率水泵并联的系统中，其中一台水泵为变频控制，则可使用本实施例提供的方法对发电机组的加载能力进行提高。

通过PLC或其他控制器对变频器的控制，可将变频器的减速曲线调整为与软启动器启动曲线相反，以此抵消软启动器的部分启动电流，我们以软启动器恒转矩启动方式为例，可得软启动器启动电流曲线、变频减速电流曲线和发电机组负载增加电流曲线，其中图8为软启动器启动电流及变频器减速电流曲线图，图9为发电机组负载增加的电流曲线图。

其中负载增加的电流的计算公式为：

发电机组负载增加的电流＝软启动器启动电流-(第一负载的额定电流-变频器减速电流)。

通过图8和图9的曲线可以看出，通过本发明提供的方法，可以减少约0.9～1倍In的启动电流，提高了发电机组的加载能力。根据上述可知，发电机组所带的负载可以由变频器进行控制，还可以是由软启动器进行控制。当与发电机组连接的负载中有通过变频器进行控制的负载正在运行时，如果再有负载加载至该发电机组，并且由软启动器控制这个增加的负载，则软启动器将该负载的信息(包括启动所需的电流以及工作功率等)反馈给控制器，控制器就根据该反馈信息以及发电机组加载前的使用情况控制变频器进行频率调整。还需要说明的是，发电机组会按照预设周期实时向控制器上报其使用情况，例如发电机组目前已经加载的负载占用50％，如果继续加载负载，则要判断该负载能否直接加载，如果超过发电机组所能承受的加载能力，则需要通过控制变频器降低运行频率，从而能够提高发电机组的加载能力。

综上所述，通过本实施例提供的方法，可以大大提高发电机组的加载能力，优化发电机组的加载性能，甚至可以减小发电机组选型，减少系统初期投资和运行费用。

实施例二

基于实施例一，本实施例还提供了一种实现提高发电机组加载能力的方法的系统，即提高发电机组加载能力的系统，组成示意图如图10所示，包括：

发电机组10，用于为与发电机组10连接的至少一个第一负载21提供工作电源，其中第一负载21通过变频器(图中未示出)来控制开启和关闭。

控制器30，用于检测到有第二负载22加载到发电机组10时，降低变频器的运行频率，其中控制器与发电机组10、第一负载21和第二负载22均连接，第二负载22通过软启动器(图中未示出)控制启动和关闭。

根据本发明的一个实施例，降低变频器的运行频率包括：

通过控制器30对变频器的运行频率进行控制，将变频器的减速电流曲线调整为与软启动器的启动电流曲线相反；

其中控制器30为可编程逻辑控制器。

根据本发明的另一个实施例，软启动器为限流型软启动器、电压控制型软启动器或转矩控制型软启动器。

根据本发明的另一个实施例，软起启动器采用恒转矩启动方式进行启动。

根据本发明的另一个实施例，当有第二负载加载到发电机组时，发电机组负载增加的电流的计算公式为：

ΔI＝I_r-(I₁-I₂)，

其中ΔI为发电机组负载增加的电流，I_r为软启动器上的启动电流，I₁为第一负载的额定电流，I₂为变频器的减速电流。

同理，本实施例能够同样能够实现实施例一的有益效果，此处不再赘述。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种提高发电机组加载能力的方法，应用于发电机组，其特征在于：

使至少一个通过变频器控制的第一负载与所述发电机组连接；

使第二负载与所述发电机组连接，所述第二负载通过软启动器控制启动和关闭；

当所述第二负载增加时，降低所述变频器的运行频率；

其中，所述降低所述变频器的运行频率包括：

通过控制器对所述变频器的运行频率进行控制，将所述变频器的减速电流曲线调整为与所述软启动器的启动电流曲线相反；

其中所述控制器为可编程逻辑控制器。

2.如权利要求1所述的提高发电机组加载能力的方法，其特征在于，所述软启动器为限流型软启动器、电压控制型软启动器或转矩控制型软启动器。

3.如权利要求2所述的提高发电机组加载能力的方法，其特征在于，所述软起启动器采用恒转矩启动方式进行启动。

4.如权利要求1所述的提高发电机组加载能力的方法，其特征在于，当与所述发电机组连接的第二负载增加时，发电机组负载增加的电流的计算公式为：

ΔI＝I_r-(I₁-I₂)，

其中ΔI为所述发电机组负载增加的电流，I_r为所述软启动器上的启动电流，I₁为所述第一负载的额定电流，I₂为所述变频器的减速电流。

5.一种提高发电机组加载能力的系统，其特征在于，包括：

发电机组，用于为与所述发电机组连接的至少一个第一负载提供工作电源，其中所述第一负载通过变频器来控制开启和关闭；

控制器，用于检测到有第二负载加载到所述发电机组时，降低所述变频器的运行频率，其中所述控制器与所述发电机组、所述第一负载和所述第二负载均连接，所述第二负载通过软启动器控制启动和关闭；

所述降低所述变频器的运行频率包括：

通过控制器对所述变频器的运行频率进行控制，将所述变频器的减速电流曲线调整为与所述软启动器的启动电流曲线相反；

其中所述控制器为可编程逻辑控制器。

6.如权利要求5所述的提高发电机组加载能力的系统，其特征在于，所述软启动器为限流型软启动器、电压控制型软启动器或转矩控制型软启动器。

7.如权利要求6所述的提高发电机组加载能力的系统，其特征在于，所述软起启动器采用恒转矩启动方式进行启动。

8.如权利要求5所述的提高发电机组加载能力的系统，其特征在于，当有第二负载加载到发电机组时，发电机组负载增加的电流的计算公式为：

ΔI＝I_r-(I₁-I₂)，

其中ΔI为所述发电机组负载增加的电流，I_r为所述软启动器上的启动电流，I₁为所述第一负载的额定电流，I₂为所述变频器的减速电流。