CN106664046B - 跟随瞬态电网事件的发电系统控制 - Google Patents

跟随瞬态电网事件的发电系统控制 Download PDF

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Abstract

描述了一种跟随瞬态电网事件控制发电系统的方法以及控制发电系统的系统和控制器。该方法包括感测发电机端处的电频率的变化率，确定轴线加速度的变化率，以及基于轴线加速度的变化率识别瞬态电网事件。该方法还包括在电频率的变化率超过第一指定值且轴线加速度的变化率超过第二指定值达到指定持续时间时触发动作以从瞬态电网事件恢复。

Description

跟随瞬态电网事件的发电系统控制
本发明的背景
本文所公开的主题涉及跟随瞬态电网事件对发电系统的控制。
发电系统包括从其它主能量源产生电力的原动机。示例性原动机——燃气涡轮是带有燃气涡轮轴的旋转机械装置，其驱动发电机来为向最终用户供电的传输电网供应电力。另一示例性原动机是蒸汽涡轮。为了无故障运行，涡轮轴速度和产生的电网频率必须保持在操作范围内。当电网频率由于瞬态事件突然变化时，涡轮控制器尝试通过控制轴速度来恢复发电系统中的平衡。
本发明的简要描述
根据本发明的一个方面，一种跟随瞬态电网事件控制发电系统的方法包括：感测发电机端的电频率的变化率；使用处理器确定轴线加速度的变化率；基于轴线加速度的变化率识别瞬态电网事件；以及在电频率的变化率超过第一指定值且轴线加速度的变化率超过第二指定值达到指定持续时间时触发动作以从瞬态电网事件恢复。
根据本发明的另一方面，一种用以跟随瞬态电网事件控制发电系统的系统包括：包括联接至发电机的轴线的原动机；构造成向电网供电的发电机；联接至发电机的励磁机；以及控制器，其构造成感测发电机端的电频率的变化率，确定轴线加速度的变化率，基于加速度的变化率识别瞬态电网事件，以及在电频率的变化率超过第一指定值且加速度的变化率超过第二指定值达到指定持续时间时触发动作以从瞬态电网事件恢复。
根据本发明的还有另一方面，一种联接至发电系统中的发电机的控制器包括：输入接口，其构造成接收测量数据；存储器装置，其构造成存储指令；以及处理器，其构造成基于根据测量数据感测发电机端的电频率的变化率、确定将原动机线联接至发电机的轴线的加速度的变化率、基于加速度的变化率识别瞬态电网事件以及在电频率的变化率超过第一指定值且加速度的变化率超过第二指定值达到指定持续时间时触发动作以从瞬态电网事件恢复来处理指令以跟随瞬态电网事件控制发电系统。
这些及其它优点和特征从结合附图的以下描述将变得更加显而易见。
附图的简要描述
认作是本发明的主题在说明书的结尾处的权利要求中特别指出且明确要求保护。本发明的前述和其它特征与优点从结合附图的以下详细描述将显而易见，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的包括励磁机控制器的发电系统的框图；
图2是根据本发明的实施例的跟随电网上的瞬态事件控制燃气涡轮的方法的流程流；以及
图3是根据本发明的实施例的计算燃气涡轮中的轴线加速度的变化率的流程流。
详细描述通过参照附图的示例连同优点和特征解释了本发明的实施例。
本发明的详细描述
如上文所述，带有原动机的发电系统包括涡轮控制器以跟随电网上导致频率偏差的瞬态事件使系统恢复平衡。作为示例，当检测到电网中的频率下降时，由于速度随电网频率改变，检测到速度的下降。基于感测到速度的下降，将增加原动机的燃料吸入，其增加有功功率输出以补偿频率的下降。这可能造成电功率增加超过系统限制，且因此关闭至燃气涡轮的燃料(燃烧中断)。此外，当涡轮控制器尝试对快速电网频率瞬变作出反应时，其可潜在地影响燃气涡轮动态特性。因为没有识别瞬态电网事件本身而对电网上的瞬态事件的征兆作出反应，出现事件的顺序。本文详细描述的系统和方法的实施例涉及识别瞬态电网事件和相应地控制原动机。具体而言，实施监测时段以确保适当的动作而不是对感知到的情况的过度反应。虽然为了说明目的而具体论述了燃气涡轮，但本文描述的实施例适用于任何原动机，且不限于示例性系统。
图1是根据本发明的实施例的包括励磁机控制器110的发电系统100的框图。发电系统100包括燃气涡轮150，燃气涡轮150联接至为电网140供电的发电机130。燃气涡轮150还联接至涡轮控制器160。发电机130联接至由励磁机控制器110控制的励磁机120。本文详细描述的实施例为了说明目的而参照励磁机控制器110论述，但在备选实施例中其可在发电系统100的一个或多个其它子系统中实施。励磁机控制器110是包括输入接口112、输出接口118、一个或多个处理器114以及一个或多个存储器装置116的计算系统。如以下详细描述的那样，在对发电系统100的控制中，励磁机控制器110有助于识别瞬态电网事件。在备选实施例中，使用与励磁机控制器110分开的控制器。即，虽然为了说明目的具体论述了励磁机控制器110，但可使用监测发电机130且包括参照本发明的实施例论述的励磁机控制器110的功能的任何控制器。
图2是根据本发明的实施例的跟随电网140上的瞬态事件控制燃气涡轮150的方法的流程流。如上文所述，燃气涡轮150是根据本文论述的实施例的可控制的原动机的示例性实施例。描述的流程具有促进瞬态电网事件的识别使得可相应地控制原动机的技术效果。瞬态电网事件可造成电网频率的上升或下降和/或发电机130的有功功率或无功功率上升或下降，并且可能与像电压、电流、功率因数等的其它发电机参数的其它瞬态变化相关联。一旦检测到这些状况中的一者，则方框210处的流程包括感测发电机130处的电频率的变化率。在方框220处，计算机械功率(在燃气涡轮150的情况下在发电系统100的燃气涡轮150侧的合成机械功率)和电功率(在发电系统100的电网140侧)的差值参照图3进一步论述。方框210和方框220处的流程可由励磁机控制器110执行，或者在备选实施例中，由发电系统100的另一个控制器或子系统执行。在方框240处，确定轴线加速度的变化率是基于机械功率(合成机械功率)和电功率的差值(方框220)，且也参照图3详细描述。在方框250处，确定发电系统100的不同步的可能性包括合成与高频率变化率(在方框210处感测到)相关联的轴线的加速功率(在方框240处确定)的积分。此确定有助于识别瞬态电网事件，而不仅仅是由燃气涡轮控制器160对轴速度的变化作出反应。方框260处的流程在下文论述。首先，论述方框230处的流程，其可超驰(override)方框260处的流程。在方框230处，识别短路(例如，利用励磁机控制器110)包括判断是否存在端电压的下降和无功电流的上升。当基于端电压和无功电流识别出短路时，发出超驰信号270以防止任何动作在方框260处触发。
在方框260处，判断是否满足阈值以触发动作包括判断轴线加速度的变化率(方框240)是否超过指定值，以及发电机130端处的电频率的变化率(方框210)是否大于指定频率变化率达到指定的时间或周期数。例如，阈值可为轴线加速度的变化率的阈值，其由以下公式给出：
Pm是机械功率，Pe是电功率，且指定值0.1PU是发电机130的满载(1PU)的百分比。发电机130端处的电频率的变化率的阈值由以下公式给出：
f是频率，且指定的频率变化率以赫兹(Hz)每秒(s)为单位。例如，在动作开始之前，可能必须超过示例性阈值达到3至7个连续周期。例如，在60Hz系统的示例性情况下，周期大约为16毫秒(ms)，且可能必须超过阈值达到5个周期。周期的(阈值)数量可基于燃气涡轮150(原动机)的构造。例如，在动作开始之前，对于多轴系统来说，相比于单轴系统，可能必须超过轴线加速度的阈值变化率和电频率的阈值变化率达到较短的持续时间。示例性阈值仅提供用于说明目的。阈值可由电网140管理机构提供或者以其它方式获得，且示例性阈值不限制可用于确保在燃气涡轮150中不太快地采取反应(错误)动作的阈值。一旦在方框260处满足阈值要求达到指定的持续时间，则然后励磁机控制器110、涡轮控制器160、两者的组合以及发电系统100的其它控制子系统可用于执行多个动作。例如，涡轮控制器160可通过预先定位(preposition)燃料系统(燃料行程基准(FSR)和喷嘴)或者预先定位入口导向导叶(IGV)或燃烧室来预先定位燃气涡轮150，以避免跳闸或诸如压缩机喘振的其它重大事件。此外，在备选实施例中，发电机130的其它参数可用于评估瞬态电网事件。例如，可使用无功功率、励磁电流、定子电流、定子电压或负载角(包括在上述示例性实施例中)。
图3是根据本发明的实施例的计算燃气涡轮150中的轴线加速度的变化率的流程流300。发电机150功率(通常以兆瓦(MW)为单位)301接通已知的处理器303。处理器303包括滤除不关注的高频瞬态事件的冲失滤波器或低通滤波器、积分块以及分频器(通过系统惯量)。具体而言，处理器303输出310由以下公式给出：
惯量由H给出。
频率信号305(燃气涡轮150轴线的速度)接通不同的冲失滤波器(冲失滤波器307)，以获得燃气涡轮150的轴线的速度变化(Δω)作为冲失滤波器输出320。电功率(处理器输出310)和轴线的速度变化(冲失滤波器输出320)相加以获得发电系统100的机械功率(Pm)的表示。具体而言，和数输出330由以下公式给出：
此和数输出330接通斜变跟踪滤波器335以获得机械功率Pm作为斜变跟踪滤波器输出340。获得机械功率Pm和电功率Pe的差值作为差值输出350(上文参照图2的方框220论述)。具体而言，差值输出350是加速功率(由Pacc表示)的积分，其由以下公式给出：
Pm和Pe的差值有助于燃气涡轮150中的转子的加速(或减速)(公式5的结果)。随时间观测此加速以确定变化率提供了上文论述的轴线加速功率的变化率。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解的是，本发明不限于这些公开的实施例。相反，可修改本发明以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改变、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应当理解的是，本发明的方面可包括描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (13)

1.一种跟随瞬态电网事件控制发电系统的方法，所述方法包括：
感测发电机端处的电频率的变化率；
使用处理器确定轴线加速度的变化率；
基于轴线加速度的变化率识别所述瞬态电网事件；以及
在电频率的变化率超过第一指定值且轴线加速度的变化率超过第二指定值达到指定持续时间时触发动作以从所述瞬态电网事件恢复；
其中，所述确定轴线加速度的变化率基于处理所述发电机处的功率和频率信号；以及
其中，所述处理包括处理所述发电机处的功率和所述频率信号中的每一者以获得处理后的值以及进一步过滤所述处理后的值的和。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理所述发电机处的功率提供电功率的积分且所述进一步过滤所述和提供机械功率的积分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于机械功率的积分和电功率的积分之间的差值来确定轴线加速度的变化率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括识别短路。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在识别出短路时超驰触发所述动作。
6.一种跟随瞬态电网事件控制发电系统的系统，所述系统包括：
原动机，其包括联接至发电机的轴线；
所述发电机，其构造成向电网供电；
励磁机，其联接至所述发电机；以及
控制器，其构造成感测所述发电机端处的电频率的变化率，确定所述轴线加速度的变化率，基于加速度的变化率识别所述瞬态电网事件，以及在电频率的变化率超过第一指定值且加速度的变化率超过第二指定值达到指定持续时间时触发动作以从所述瞬态电网事件恢复；其中，所述控制器构造成基于处理所述发电机处的功率和频率信号来确定所述轴线的加速度的变化率；以及
其中，所述控制器处理所述发电机处的功率和所述频率信号中的每一者以获得处理后的值且进一步过滤所述处理后的值的和。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器基于处理所述发电机处的功率来确定电功率的积分，且基于过滤所述和来确定机械功率的积分。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制器基于机械功率的积分和电功率的积分之间的差值来确定所述轴线的加速度的变化率。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步构造成识别短路。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，当识别出短路时，所述控制器输出超驰信号以超驰触发所述动作。
11.一种联接至发电系统中的发电机的控制器，所述控制器包括：
输入接口，其构造成接收测量数据；
存储器装置，其构造成存储指令；以及
处理器，其构造成基于根据所述测量数据感测所述发电机端处的电频率的变化率、确定将原动机线联接至所述发电机的轴线的加速度的变化率、基于加速度的变化率识别瞬态电网事件以及在电频率的变化率超过第一指定值且加速度的变化率超过第二指定值达到指定持续时间时触发动作以从所述瞬态电网事件恢复来处理所述指令以跟随所述瞬态电网事件控制所述发电系统；
其中，所述处理器构造成基于处理所述发电机处的功率和频率信号来确定所述轴线的加速度的变化率；以及
其中，所述处理器构造成处理所述发电机处的功率和所述频率信号中的每一者以获得处理后的值且进一步过滤所述处理后的值的和。
12.根据权利要求11所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成识别短路。
13.根据权利要求12所述的控制器，其特征在于，当识别出短路时，所述处理器发出超驰信号以超驰触发所述动作。
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