CN106533268A - 一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法，包括以下步骤：步骤一、针对负载类型为电机型且参数已知的负载，用户在上位机输入负载参数，上位机计算出软启动参数并发送至微型燃气轮机发电站中的数字功率控制器，然后执行步骤二，所述负载参数包括负载的额定电压V_m、额定频率f_m、额定功率P_m和额定电流I_m，所述软启动参数包括输出电压初始值V₀、输出频率初始值f₀、输出电压变化率V_slew和输出频率变化率f_slew；步骤二、数字功率控制器接收软启动参数并根据软启动参数带动负载启动；本发明能够在满足现有电力输出功能的基础上，提升微燃机电站带载能力，特别是对于异步电机负载有显著效果。

Description

一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法

技术领域

本发明属于分布式发电的技术领域，具体涉及一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法。

背景技术

微型燃气轮机发电站是一种适应性强、低排放和免维护的分布式发电系统。燃气轮机驱动高速永磁发电机，经过电力电子变换后输出高品质的电能。微型燃气轮机发电站输出端可以连接电网，作为电流源并网发电，也可以作为独立电源应用在离网环境中带载运行。作为独立电源带载运行时，微型燃气轮机发电站一般直接输出恒压恒频的工频交流电供用户使用。其中，电力电子变换和输出电压控制由微燃机电站内部数字功率控制器实现。

异步电机直接启动时，启动电流一般高出电机额定电流3～7倍，最高可达额定电流的15倍。这样大的电流大大加重了供电电源的负荷，使得前级电源容量要求很高，造成容量配置的浪费。当微型燃气轮机发电站带异步电机型负载时，经过试验验证，直接启动功率范围只能达到额定功率的10％左右。在微燃机电站和负载之间选用变频器或专用的软启动器可以解决该问题，但是需要额外投入硬件，增加了系统复杂性和成本投入。

异步电机参数与其启动性能存在联系，在设置软启动参数时，如果配合得当，可以尽可能减小启动的冲击。

综上，在分布式发电系统中，对于异步电机型负载，微型燃气轮机发电站带载范围很小，通常只有其额定功率的10％左右，使得微型燃气轮机发电站应用范围和利用率受到很大的限制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法，能够在满足现有电力输出功能的基础上，提升微燃机电站带载能力，特别是对于异步电机负载有显著效果。

实现本发明的技术方案如下：

一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法，包括以下步骤：

步骤一、针对负载类型为电机型且参数已知的负载，用户在上位机输入负载参数，上位机根据公式(6)计算出软启动参数并发送至微型燃气轮机发电站中的数字功率控制器，然后执行步骤二，所述负载参数包括负载的额定电压V_m、额定频率f_m、额定功率P_m和额定电流I_m，所述软启动参数包括输出电压初始值V₀、输出频率初始值f₀、输出电压变化率V_slew和输出频率变化率f_slew，

步骤二、数字功率控制器接收软启动参数并根据软启动参数带动负载启动。

进一步地，针对负载类型为非电机型的负载，上位机将预存的软启动参数发送至数字功率控制器，然后执行所述步骤二；其中，预存的软启动参数根据公式(7)确定；

其中，T_C为数字功率控制器的控制周期。

进一步地，针对负载类型为电机型，且负载参数未知或用户想自主控制启动参数的负载，用户在上位机输入自选的软启动参数，上位机将软启动参数发送至数字功率控制器，然后执行所述步骤二；其中，所输入的软启动参数范围根据公式(8)确定；

其中，T_C为数字功率控制器的控制周期。

有益效果：

(1)本发明方法可以实现微型燃气轮机发电站电力输出的软启动，在带异步电机负载时可以根据电机参数配置软启动参数，减小电机启动电流，从而增加微燃机电站带异步电机负载的能力，在不使用软启动方法的情况下，微燃机电站直接带异步电机负载功率最大为为3kW，经过试验验证，通过本方法微型燃机电站带异步电机的功率范围可以扩大到7.5kW。

(2)本发明方法也可以方便得通过一键设置实现正常快速启动，提升微型燃气轮机发电站带载能力。

附图说明

图1为本发明软启动方法流程图。

图2为微燃机电站直接启动带3kW异步电机电流波形图

图3为微燃机电站直接启动带7.5kW异步电机时的电压波形图。

图4为微燃机电站带载7.5kW异步电机软启动电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法，包括以下步骤：

步骤一、针对负载类型为电机型且参数已知的负载，用户在上位机输入负载参数，上位机根据公式(6)计算出软启动参数并发送至微型燃气轮机发电站中的数字功率控制器，然后执行步骤二，所述负载参数包括负载的额定电压V_m、额定频率f_m、额定功率P_m和额定电流I_m，所述软启动参数包括输出电压初始值V₀、输出频率初始值f₀、输出电压变化率V_slew和输出频率变化率f_slew，

公式(6)的推导过程如下：

为了充分地利用铁心，而又不致于磁路过饱和，就必须要保持异步电机中每极磁通量φ_m为恒定值不变。由公式(1)可知，只要同时协调控制气隙磁通在定子每相中的感应电动势的有效值E_g和定子频率f₁，便可达到控制每极气隙磁通φ_m的目的。

对于发电设备来说，可以通过控制输出电压的幅值和频率，使用恒压频比启动方式，实现异步电机的软启动。要实现恒压频比控制，需要控制输出电压的幅值和频率成比例实时变化，这就需要对电压和频率的变化率进行控制。同时，在频率较低的时候，定子阻抗的压降不能忽略，需要人为地加入一个定子电压补偿，即存在一个初始启动电压值，此时根据恒压频比的要求，也存在一个成比例的初始启动频率值。

异步电机在低频启动时，由于此时直流电阻不可忽略，所以要对定子电阻压降进行补偿，由于真实的补偿量和电机运行特性有关，不易寻找规律，为了方便，本发明只进行近似计算补偿。一般来说，同等结构的电机，功率越大，绕线越粗，定子电阻越小，假设以电机的额定功率P_m(单位为kW)、电机额定电流I_m(单位为A)启动电机时，电机的定子电流近似等于额定电流，此时补偿电压即启动时刻电压初始值可以近似表达为：

其中，A为常数，根据工程经验，可以选择4.44。

由于电压和频率比值为恒定值，假设电机额定电压为V_m，额定频率为f_m，应有(C为常数)，则频率初始值应为：

异步电机启动电流的大小和软启动时间有很大关系。在一定范围内，软启动时间越长，启动电流就越小，但是，启动时间过长，电机容易发热，且由于迟迟达不到额定工况而造成能源的浪费，所以，必须合理设置软启动时间。对于30kW以下电机来说，一般软启动时间经验值选取1.5s/kW，故对于额定功率为P_m的异步电机，软启动时间设置为1.5×P_m，故输出电压变化率及输出频率变化率分别为：

根据公式(2)～(5)，可以得到软启动参数和电机参数的关系如公式(6)所示：

步骤二、数字功率控制器接收软启动参数，当上位机向数字功率控制器发出启动指令后，数字功率控制器将软启动参数通过坐标变换、限幅处理和积分耦合计算得到交变的电压信号，该电压信号作为输出电压控制信号，该控制信号经过PID闭环、PWM调制和电力电子变换后产生交变的输出电压，进而带动负载启动。

针对负载类型为非电机型的负载(电阻型、电容型、整流型)，上位机将预存的软启动参数发送至数字功率控制器，然后执行所述步骤二；其中，预存的软启动参数根据公式(7)确定；

其中，T_C为数字功率控制器的控制周期。预存的软启动参数中输出电压初始值为输出电压目标值(即负载的额定电压)，输出频率初始值为输出频率目标值(即负载的额定频率)，输出电压变化率为数字功率控制器的控制周期的倒数，输出频率变化率为输出电压变化率的倍。

针对负载类型为电机型，且负载参数未知或用户想自主控制启动参数的负载，用户在上位机输入自选的软启动参数，上位机将软启动参数发送至数字功率控制器，然后执行所述步骤二；其中，所输入的软启动参数范围根据公式(8)确定；若输入的软启动参数超过上限值则令其等于上限值。

其中，T_C为数字功率控制器的控制周期。

微型燃机电站直接带异步电机负载启动时，冲击电流很大，不加入软启动方法时，只能成功带载3kW异步电机启动。这也就限制了微型燃机电站异步电机的带载能力。图2给出了微型燃机电站直接带3kW异步电机负载启动时，冲击电流的情况。

当微型燃机电站直接带超过3kW异步电机负载启动时，由于能力不足会导致微型燃机电站输出电压、电流紊乱。图3给出了微型燃机电站带载7.5kW电机直接启动时的电流波形，因为远远超过其直接带电机负载启动的能力，所以微型燃机电站无法正常带载启动。

加入本发明的软启动方法后，微型燃机电站成功实现带载7.5kW异步电机启动。做好电缆连接等准备工作后，操作步骤如下：

a.微型燃机电站上电；

b.在上位机选择“根据电机参数软启动模式”，输入电机参数分别为：V_m＝220V，f_m＝50Hz，P_m＝7.5kW，I_m＝14.9A，根据公式(6)可以计算出四个软启动参数分别为V₀＝8.8V、f₀＝2Hz、V_slew＝18.7V/s、f_slew＝4.27Hz²；

c.设置完成后，通过上位机发送微燃机电站启动指令，成功完成电机软启动，启动电压和电流波形如图4所示。图4中，启动电压(即微型燃气轮机发电站的输出电压)逐渐增大，直至稳定在负载的额定电压，负载电流始终在一个较小的范围内波动，实现了负载的平稳启动。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、针对负载类型为电机型且参数已知的负载，用户在上位机输入负载参数，上位机根据公式(6)计算出软启动参数并发送至微型燃气轮机发电站中的数字功率控制器，然后执行步骤二，所述负载参数包括负载的额定电压V_m、额定频率f_m、额定功率P_m和额定电流I_m，所述软启动参数包括输出电压初始值V₀、输出频率初始值f₀、输出电压变化率V_slew和输出频率变化率f_slew，

$\left\{\begin{array}{c}{V}_0=4.44\×\frac{I_m}{P_m}\\ f_0=\frac{4.44\×I_m\×f_m}{V_m\×P_m}\\ V_{slew}=\frac{V_m\×P_m-4.44\×I_m}{1.5\×P_m^2}\\ f_{slew}=\frac{f_m\×V_m\×P_m-4.44\×I_m}{1.5\×V_m\×P_m^2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

步骤二、数字功率控制器接收软启动参数并根据软启动参数带动负载启动。

2.如权利要求1所述的一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法，其特征在于，针对负载类型为非电机型的负载，上位机将预存的软启动参数发送至数字功率控制器，然后执行所述步骤二；其中，预存的软启动参数根据公式(7)确定；

$\left\{\begin{array}{c}{V}_0=V_m\\ f_0=f_m\\ V_{slew}=\frac{1}{T_C}\\ f_{slew}=\frac{1}{T_C}\×\frac{f_m}{V_m}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，T_C为数字功率控制器的控制周期。

3.如权利要求1所述的一种微型燃气轮机发电站电力输出的软启动方法，其特征在于，针对负载类型为电机型，且负载参数未知或用户想自主控制启动参数的负载，用户在上位机输入自选的软启动参数，上位机将软启动参数发送至数字功率控制器，然后执行所述步骤二；其中，所输入的软启动参数范围根据公式(8)确定；

$\left\{\begin{array}{c}0\≤V_0\≤V_m\\ 0\≤f_0\≤f_m\\ 0\≤V_{slew}\≤\frac{1}{T_C}\\ 0\≤f_{slew}\≤\frac{1}{T_C}\×\frac{f_m}{V_m}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，T_C为数字功率控制器的控制周期。