CN107834575B - 压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置及方法，其中，装置包括：附加励磁阻尼控制器用于采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号；机端次同步阻尼控制器用于采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号动态生成补偿电流参考值；协调器用于控制附加励磁阻尼控制器和机端次同步阻尼控制器协调工作，以共同实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的。该装置可以采用组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，并实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的，从而可以有效解决压缩空气储能系统并网运行可能出现的轴系扭振问题，有效提高压缩空气储能系统并网运行的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及压缩空气储能技术领域，特别涉及一种压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置及方法。
背景技术
目前，CAES(Compressed Air Energy Storage，压缩空气储能)系统具有储能容量大、使用寿命长、响应速度快等优点，是解决弃风弃光问题、实现电网“削峰填谷”、支撑我国能源结构清洁化转型和推动智能电网技术创新的重要手段。
压缩空气储能系统释能过程包含传热、释气、膨胀发电及并网等环节，涉及热动、气动、机械传动和电动等多个时间尺度的动态过程，能量转化过程复杂。由于做功工质(空气)的良好可压缩性，压缩空气储能系统的功率调节响应速度受到一定影响，其能流和运行特性不同于常规汽轮发电机组。MW(million watt，兆瓦)级压缩空气储能系统中采用组合式空气透平膨胀机作为原动机，组合式空气透平膨胀机采用带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，网侧扰动对柔性轴系的影响比对传统火电机组刚性轴系的影响要大很多。压缩空气储能系统并网后，当处于正常运行时，传动系统轴系处于动态平衡状态。
然而，一旦电网侧发生扰动(如短路故障或线路投切)，传动系统轴系的动态平衡就会受到破坏，将会引起轴系各个质块之间的相互摆动，产生扭振。特别地，当组合透平—发电机组轴系固有扭振频率与电气系统扰动引起产生的脉动转矩接近互补时，机组和电网将容易处于共振状态，可能激发暂态过程中的强烈扭振。这种扭应力会导致发电机及空气透平轴系的疲劳或损伤，减少大轴的疲劳寿命，严重时甚至会扭断大轴。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置，该装置可以有效解决压缩空气储能系统并网运行可能出现的轴系扭振问题，有效提高压缩空气储能系统并网运行的安全性。
本发明的另一个目的在于提出一种压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置，包括：附加励磁阻尼控制器，用于采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号，并且得到与组合透平—发电机组轴系扭振模态相对应的振荡分量，且得到各模态的控制电压信号，以及相加后经预设限幅形成总的控制输出，叠加在励磁调节器的原控制信号上；机端次同步阻尼控制器，用于采用所述组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号动态生成补偿电流参考值，并且在机组内部激发出与扭振模态对应的阻尼转矩，以通过所述反馈信号调制输出电流，在组合透平—发电机组内部产生合适的电磁转矩增量；协调器，用于控制所述附加励磁阻尼控制器和所述机端次同步阻尼控制器协调工作，以共同实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的。
本发明实施例的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置，可以通过附加励磁阻尼控制器通过适当调节励磁信号，可以同时提高多个扭振的模态阻尼，有效较少额外投资成，并且机端次同步阻尼控制相比于附加励磁控制具有更快的响应速度，可以有效调节范围不受机组励磁系统容量的限制，对暂态力矩放大有很强的抑制能力，作为并联设备接入电网，不会对系统的正常运行产生干扰，且两者协调控制可以在增加有限投资的前提下，从而有效解决压缩空气储能系统并网运行可能出现的轴系扭振问题，有效提高压缩空气储能系统并网运行的安全性。
另外，根据本发明上述实施例的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，采用所述组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，其中，所述组合式透平膨胀机根据需要解列部分透平，以保证工作状态的透平始终处于最优的工作压力区间。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当初始状态时，高压缸处于最优先进气压力范围，两个离合器全部结合，三个进气缸均处于工作状态；当进气压力降低时，中压缸处于最优进气范围，所述高压缸解列，第一个离合器断开，储气进入所述中压缸，所述高压缸不工作，所述中压缸和低压缸仍保持较高的通流效率；若进气压力持续下降到至所述低压缸的最优进气范围，将所述中压缸解列，使所述低压缸保持较高的通流效率。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述附加励磁阻尼控制器包括：第一前置信号处理单元，用于滤除量测转速信号中的低频信号和高频噪声，以仅保留扭振模态频率范围内的信号；第一模态滤波器，用于分离扭振模态信号，以便实现解耦控制；第一比例移相环节，用于提供信号增益和相位补偿角度，同时为适应组合透平的变工况运行，对比例增益进行调整；限幅环节，用于对所述励磁调节器的输出信号进行限幅，以免影响励磁系统的正常工作。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述机端次同步阻尼控制器包括：次同步阻尼控制器，用于采用所述组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为所述反馈信号动态生成所述补偿电流参考值；电力电子变流器，用于输出电流的频率范围能覆盖所有扭振模态频率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述次同步阻尼控制器包括：第二前置信号处理单元，用于滤除量测转速信号中的低频信号和高频噪声，以仅保留扭振模态频率范围内的信号；第二模态滤波器，用于分离扭振模态信号，以便实现解耦控制；第二比例移相环节，用于提供信号增益和相位补偿角度，同时为适应组合透平的变工况运行，对比例增益进行调整；补偿电流计算环节，用于将模态控制信号转换为变流器三相电流参考信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电力电子变流器采用PWM调制方法。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法，包括以下步骤：通过附加励磁阻尼控制器采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号，并且得到与组合透平—发电机组轴系扭振模态相对应的振荡分量，且得到各模态的控制电压信号，以及相加后经预设限幅形成总的控制输出，叠加在励磁调节器的原控制信号上；通过机端次同步阻尼控制器采用所述组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号动态生成补偿电流参考值，并且在机组内部激发出与扭振模态对应的阻尼转矩，以通过所述反馈信号调制输出电流，在组合透平—发电机组内部产生合适的电磁转矩增量；通过协调器控制所述附加励磁阻尼控制器和所述机端次同步阻尼控制器协调工作，以共同实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的。
本发明实施例的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法，可以通过附加励磁阻尼控制器通过适当调节励磁信号，可以同时提高多个扭振的模态阻尼，有效较少额外投资成，并且机端次同步阻尼控制相比于附加励磁控制具有更快的响应速度，可以有效调节范围不受机组励磁系统容量的限制，对暂态力矩放大有很强的抑制能力，作为并联设备接入电网，不会对系统的正常运行产生干扰，且两者协调控制可以在增加有限投资的前提下，从而有效解决压缩空气储能系统并网运行可能出现的轴系扭振问题，有效提高压缩空气储能系统并网运行的安全性。
另外，根据本发明上述实施例的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，采用所述组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，其中，所述组合式透平膨胀机根据需要解列部分透平，以保证工作状态的透平始终处于最优的工作压力区间。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当初始状态时，高压缸处于最优先进气压力范围，两个离合器全部结合，三个进气缸均处于工作状态；当进气压力降低时，中压缸处于最优进气范围，所述高压缸解列，第一个离合器断开，储气进入所述中压缸，所述高压缸不工作，所述中压缸和低压缸仍保持较高的通流效率；若进气压力持续下降到至所述低压缸的最优进气范围，将所述中压缸解列，使所述低压缸保持较高的通流效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的组合式空气透平膨胀机工作原理的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的附加励磁阻尼控制器的模型的示意图；
图4为根据本发明一个实施例的前置信号处理方法的示意图；
图5为根据本发明一个实施例的次同步阻尼控制器模型的示意图；
图6为根据本发明一个实施例的补偿电流计算环节控制结构示意图；
图7为根据本发明一个实施例的定、转子协调控制系统原理图；
图8为根据本发明一个实施例的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法的流程图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置。
图1是本发明一个实施例的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置的结构示意图。
如图1所示，该压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置10包括：附加励磁阻尼控制器100、机端次同步阻尼控制器200和协调器300。
其中，附加励磁阻尼控制器100用于采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号，并且得到与组合透平—发电机组轴系扭振模态相对应的振荡分量，且得到各模态的控制电压信号，以及相加后经预设限幅形成总的控制输出，叠加在励磁调节器的原控制信号上。机端次同步阻尼控制器200用于采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号动态生成补偿电流参考值，并且在机组内部激发出与扭振模态对应的阻尼转矩，以通过反馈信号调制输出电流，在组合透平—发电机组内部产生合适的电磁转矩增量。协调器300用于控制附加励磁阻尼控制器100和机端次同步阻尼控制器200协调工作，以共同实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的。本发明实施例的装置10可以采用组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的，从而可以有效解决压缩空气储能系统并网运行可能出现的轴系扭振问题，有效提高压缩空气储能系统并网运行的安全性。
可以理解的是，SEDC(Supplementary Excitation Damping Control，附加励磁阻尼控制器100)采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号ω作为反馈信号，通过模态滤波器得到与组合透平—发电机组轴系扭振模态相对应的振荡分量，再经过比例移相环节得到各模态的控制电压信号，相加后经适当限幅形成总的控制输出，叠加在励磁调节器的原控制信号上。GTSDC(Generator Terminal Sub-synchronous Damping Control，机端次同步阻尼控制器200)可以采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号ω作为反馈信号动态生成补偿电流参考值，进而在机组内部激发出与扭振模态对应的阻尼转矩，其实质是通过反馈信号调制变流器输出电流，进而在组合透平—发电机组内部产生合适的电磁转矩增量。SEDC和GTSDC协调工作，共同实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的。需要说明的是，本发明实施例可以为同时应对多模态次同步谐振和严重故障引起的暂态力矩放大问题，并基于定、转子协调控制的思想，采用附加励磁阻尼控制和机端次同步阻尼控制相结合的控制方法，为解决压缩空气储能系统并网后可能存在的轴系扭振问题提供一种全新的解决方案。
进一步地，在本发明的一个实施例中，采用组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，其中，组合式透平膨胀机根据需要解列部分透平，以保证工作状态的透平始终处于最优的工作压力区间。
可以理解的是，本发明实施例可以采用组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，组合式透平膨胀机可以根据需要解列部分透平，保证工作状态的透平始终处于最优的工作压力区间。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当初始状态时，高压缸处于最优先进气压力范围，两个离合器全部结合，三个进气缸均处于工作状态；当进气压力降低时，中压缸处于最优进气范围，高压缸解列，第一个离合器断开，储气进入中压缸，高压缸不工作，中压缸和低压缸仍保持较高的通流效率；若进气压力持续下降到至低压缸的最优进气范围，将中压缸解列，使低压缸保持较高的通流效率。
可以理解的是，如图2所示，组合式空气透平膨胀机工作原理为：(1)在初始状态时，高压缸处于最优先进气压力范围，两个离合器全部结合，三个进气缸均处于工作状态；(2)当进气压力降低时，中压缸处于最优进气范围，高压缸解列，第一个离合器断开，储气进入中压缸，高压缸不工作，中压缸和低压缸仍保持较高的通流效率；(3)若进气压力持续下降到至低压缸最优进气范围，将中压缸解列，使低压缸保持较高的通流效率。
具体而言，组合透平—发电机组轴系存在高压缸-中压缸、中压缸-低压缸、低压缸-发电机等三个固有扭振模态，带通滤波器需将这三个扭振模态信号分离出来，以便于实现解耦控制。带通滤波器的传递函数为：
其中，ω为扭振模态中心频率，ξ为阻尼比。
同时为了避免扭振模态频率之间的相互干扰，在带通滤波器通道上串联两个带阻滤波器，带阻滤波器的传递函数为：
为避免超前-滞后环节移相角度和放大倍数相互耦合，参数不易整定的问题，采用如下所示的移相方法：
其中，移相角度由参数T确定，由于上式在任意频率下的幅值响应恒为1，所以修改移相角度不会对放大环节造成影响。
对于某一扭振模态，由于比例系数越大，附加励磁控制器所能提供的电气阻尼越大，抑制该模态扭振的效果就越好。但比例系数也不宜过大，以免在正常扰动下的输出被限幅后影响附加励磁阻尼控制器100的正常工作。为充分利用机组励磁系统的容量，结合组合空气透平膨胀机的特性，设置三组比例系数k1、k2、k3，k’1、k’2、0，k”1、0、0，分别对应初始运行状态、高压缸解列、高压缸和低压缸解列的工况，其中有k”1>k’1>k1，k’2>k2，进一步可以采用自适应算法对以上参数进行在线调整。
由于附加励磁阻尼控制器100的输出是叠加在晶闸管励磁调节器的触发角控制信号上，为不影响励磁系统的正常工作，本发明设置限幅为±0.1p.u。
通过以上分析，并考虑各个环节具体的传递函数，附加励磁阻尼控制器100的模型如附图3所示。
进一步地，在本发明的一个实施例中，附加励磁阻尼控制器100包括：第一前置信号处理单元、第一模态滤波器、第一比例移相环节和限幅环节。
其中，第一前置信号处理单元用于滤除量测转速信号中的低频信号和高频噪声，以仅保留扭振模态频率范围内的信号。第一模态滤波器用于分离扭振模态信号，以便实现解耦控制。第一比例移相环节用于提供信号增益和相位补偿角度，同时为适应组合透平的变工况运行，对比例增益进行调整。限幅环节用于对励磁调节器的输出信号进行限幅，以免影响励磁系统的正常工作。
可以理解的是，附加励磁阻尼控制器100可以由第一前置信号处理单元、第一模态滤波器、第一比例移相环节和限幅环节四部分组成，产生的控制信号叠加在励磁调节器原控制信号上。具体地，第一前置信号处理单元可以用以滤除量测转速信号中的低频信号和高频噪声，并且仅保留扭振模态频率范围内的信号；第一模态滤波器可以用以分离扭振模态信号，从而以便实现解耦控制；第一比例移相环节可以用以提供信号增益和相位补偿角度，从而同时为适应组合透平的变工况运行，并且需要对比例增益进行调整；限幅环节旨在对附加励磁调节器的输出信号进行限幅，以免对励磁系统的正常工作造成影响。
具体而言，附加励磁阻尼控制器100可以由第一前置信号处理单元、第一模态滤波器、第一比例移相环节和限幅环节等四部分组成。输入信号选择组合空气透平膨胀机低压缸转速信号，量测的转速信号中不仅包含扭振模态对应的次同步信号，而且还包含直流(或低频)信号及高频噪声信号，前置信号处理方法如图4所示。其中，图4中所示的前置信号处理单元由一阶低通滤波器和一阶高通滤波器级联构成，T1、T2为相应的滤波时间常数，其数值可由理论分析或参照工程经验获知。
进一步地，在本发明的一个实施例中，机端次同步阻尼控制器200包括：次同步阻尼控制器和电力电子变流器。
其中，次同步阻尼控制器用于采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号动态生成补偿电流参考值。电力电子变流器用于输出电流的频率范围能覆盖所有扭振模态频率。
可以理解的是，机端次同步阻尼控制器200包括次同步阻尼控制器和电力电子变流器两部分，通过反馈信号动态调节变流器输出电流，进而在机组轴系激发出合适的电磁阻尼转矩。机端次同步阻尼控制器200并联在升压变压器的低压侧，包括SSDC(Sub-synchronous Damping Controller，次同步阻尼控制器)和电力电子变流器两部分，其效果等效为一个幅值和相位均可控的电流源，其中次同步阻尼控制器是核心部分，用来产生电力电子变流器的补偿电流信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，次同步阻尼控制器包括：第二前置信号处理单元、第二模态滤波器、第二比例移相环节和补偿电流计算环节。
其中，第二前置信号处理单元用于滤除量测转速信号中的低频信号和高频噪声，以仅保留扭振模态频率范围内的信号。第二模态滤波器用于分离扭振模态信号，以便实现解耦控制。第二比例移相环节用于提供信号增益和相位补偿角度，同时为适应组合透平的变工况运行，对比例增益进行调整。补偿电流计算环节，用于将模态控制信号转换为变流器三相电流参考信号。
可以理解的是，次同步阻尼控制器是核心控制环节，包括第二前置信号处理单元、第二模态滤波器、第二比例移相环节和补偿电流计算环节等四个部分。具体地，第二前置信号处理单元可以用以滤除量测转速信号中的低频信号和高频噪声，从而仅保留扭振模态频率范围内的信号；第二模态滤波器可以用以分离扭振模态信号，从而以便实现解耦控制；第二比例移相环节可以用以提供信号增益和相位补偿角度，同时为适应组合透平的变工况运行，并且需要对比例增益进行调整；补偿电流计算环节用以将模态控制信号转换为变流器三相电流参考信号。
举例而言，次同步阻尼控制器包括第二前置信号处理单元、第二模态滤波器、第二比例移相环节和补偿电流计算环节等四个部分。其中，次同步阻尼控制器模型如图5所示，输入信号选择组合空气透平膨胀机低压缸转速信号，第二前置信号处理单元由一阶低通滤波器和一阶高通滤波器级联构成，旨在滤除量测信号中的低频信号和高频噪声，仅保留扭振模态频率范围内的信号。前置信号处理单元的传递函数为：
第二模态滤波器的功能是：将扭振模态信号分离出来，以便于实现解耦控制，并使扭振模态信号具有良好的鲁棒性。考虑组合透平—发电机组轴系存在高压缸-中压缸、中压缸-低压缸、低压缸-发电机等三个固有扭振模态，模态滤波器由1个二阶带通滤波器和2个二阶带阻滤波器级联构成。以扭振模态1为例，其模态滤波器的传递函数为：
第二比例移相环节的功能是：提供信号增益和相位补偿角度。同样地，为避免超前-滞后环节移相角度和放大倍数相互耦合，参数不易整定的问题，采用如下所示的移相方法：
通过调节参数T可以改变移相角度，为进一步增大移相角的调节范围，本发明采用2个上述移相环节级联实现相位补偿的功能。
对于某一扭振模态，由于比例系数越大，次同步阻尼控制器所产生的补偿电流参考信信号通过变流器向机组注入的模态电流越大，进而在机组内部激发出与扭振模态对应的阻尼转矩越大，抑制该模态扭振的效果就越好。结合组合空气膨胀机的特性，本发明实施例可以设置三组比例系数k1、k2、k3，k’1、k’2、0，k”1、0、0，分别对应初始运行状态、高压缸解列、高压缸和低压缸解列的工况，其中有k”1>k’1>k1，k’2>k2，进一步可以采用自适应算法对以上参数进行在线调整。
补偿电流计算环节的功能是：将模态控制信号Δλi(i＝1，2，3)转换为变流器三相补偿电流参考信号其控制结构如图6所示，其中，由电网电压ea,b,c提供锁相角θ；σi为补偿相位调节偏差，是需要整定的控制参数；T为电流变换矩阵，具体表达式为：T＝-[sinθisin(θi-2π/3)sin(θi+2π/3)]T。
本发明实施例可以采用链式H桥变流器实时跟踪次同步阻尼控制器的补偿电流参考值。考虑到H桥变流器是并联接入电网，受系统阻抗的影响，注入组合透平-发电机组轴系的补偿电流的幅值和相位会随系统运行方式发生变化。实际进入发电机的电流如下所示：
其中，Zg为GTSDC接入点发电机侧等值阻抗，Zg为GTSDC接入点系统侧等值阻抗，为H桥变流器输出电流向量。
可选地，在本发明的一个实施例中，电力电子变流器可以采用PWM调制方法。
可以理解的是，电力电子变流器要求输出电流的频率范围能够覆盖所有扭振模态频率，并且要求采用PWM调制技术。
在本发明的一个具体实施例中，如附图7所示，本发明实施例可以采用定、转子协调控制的方法实现对压缩空气储能系统轴系扭振的抑制。具体实施时，SEDC和GTSDC连续工作，实时反映组合透平-发电机组轴系动态和电网动态，分别在励磁系统和发电机定子侧产生扭振模态电流，进而激发出与扭振模态对应的电磁阻尼转矩。本发明实施例可以有效解决压缩空气储能系统可能出现的轴系扭振问题，在一定程度上提高了压缩空气储能系统并网运行的安全性。
综上而言，本发明实施例可以采用组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，其中，采用的技术方案是：基于定、转子协调控制的思想，采用附加励磁阻尼控制和机端次同步阻尼控制相结合的控制方法，共同实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的。一方面，附加励磁阻尼控制器100可以通过在原励磁信号上叠加一组与扭振模态对应的次同步控制信号，在转子上产生次同步电流，进而产生相应的阻尼扭矩；另一方面，机端次同步阻尼控制器200可以通过反馈信号动态调制变流器输出电流，进而在组合透平—发电机组内部产生合适的电磁转矩增量；二者协调工作，可以在增加有限投资的前提下有效解决压缩空气储能系统并网运行可能出现的轴系扭振问题，在一定程度上提高压缩空气储能系统并网运行的安全性。
根据本发明实施例提出的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置，可以通过附加励磁阻尼控制器通过适当调节励磁信号，可以同时提高多个扭振的模态阻尼，有效较少额外投资成，并且机端次同步阻尼控制相比于附加励磁控制具有更快的响应速度，可以有效调节范围不受机组励磁系统容量的限制，对暂态力矩放大有很强的抑制能力，作为并联设备接入电网，不会对系统的正常运行产生干扰，且两者协调控制可以在增加有限投资的前提下，从而有效解决压缩空气储能系统并网运行可能出现的轴系扭振问题，有效提高压缩空气储能系统并网运行的安全性。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法。
图8是本发明一个实施例的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法的流程图。
如图8所示，该压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法包括以下步骤：
在步骤S801中，通过附加励磁阻尼控制器采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号，并且得到与组合透平—发电机组轴系扭振模态相对应的振荡分量，且得到各模态的控制电压信号，以及相加后经预设限幅形成总的控制输出，叠加在励磁调节器的原控制信号上。
在步骤S802中，通过机端次同步阻尼控制器采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号动态生成补偿电流参考值，并且在机组内部激发出与扭振模态对应的阻尼转矩，以通过反馈信号调制输出电流，在组合透平—发电机组内部产生合适的电磁转矩增量。
在步骤S803中，通过协调器控制附加励磁阻尼控制器和机端次同步阻尼控制器协调工作，以共同实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的。
进一步地，在本发明的一个实施例中，采用组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，其中，组合式透平膨胀机根据需要解列部分透平，以保证工作状态的透平始终处于最优的工作压力区间。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当初始状态时，高压缸处于最优先进气压力范围，两个离合器全部结合，三个进气缸均处于工作状态；当进气压力降低时，中压缸处于最优进气范围，高压缸解列，第一个离合器断开，储气进入中压缸，高压缸不工作，中压缸和低压缸仍保持较高的通流效率；若进气压力持续下降到至低压缸的最优进气范围，将中压缸解列，使低压缸保持较高的通流效率。
需要说明的是，前述对压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置实施例的解释说明也适用于该实施例的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法，可以通过附加励磁阻尼控制器通过适当调节励磁信号，可以同时提高多个扭振的模态阻尼，有效较少额外投资成，并且机端次同步阻尼控制相比于附加励磁控制具有更快的响应速度，可以有效调节范围不受机组励磁系统容量的限制，对暂态力矩放大有很强的抑制能力，作为并联设备接入电网，不会对系统的正常运行产生干扰，且两者协调控制可以在增加有限投资的前提下，从而有效解决压缩空气储能系统并网运行可能出现的轴系扭振问题，有效提高压缩空气储能系统并网运行的安全性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置，其特征在于，包括：
附加励磁阻尼控制器，用于采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号，并且得到与组合透平—发电机组轴系扭振模态相对应的振荡分量，且得到各模态的控制电压信号，以及相加后经预设限幅形成总的控制输出，叠加在励磁调节器的原控制信号上；
机端次同步阻尼控制器，用于采用所述组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号动态生成补偿电流参考值，并且在机组内部激发出与扭振模态对应的阻尼转矩，以通过所述反馈信号调制输出电流，在组合透平—发电机组内部产生合适的电磁转矩增量；以及
协调器，用于控制所述附加励磁阻尼控制器和所述机端次同步阻尼控制器协调工作，以共同实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的，其中，采用所述组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，其中，所述组合式透平膨胀机根据需要解列部分透平，以保证工作状态的透平始终处于最优的工作压力区间；当初始状态时，高压缸处于最优先进气压力范围，两个离合器全部结合，三个进气缸均处于工作状态；当进气压力降低时，中压缸处于最优进气范围，所述高压缸解列，第一个离合器断开，储气进入所述中压缸，所述高压缸不工作，所述中压缸和低压缸仍保持较高的通流效率；若进气压力持续下降到至所述低压缸的最优进气范围，将所述中压缸解列，使所述低压缸保持较高的通流效率。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置，其特征在于，所述附加励磁阻尼控制器包括：
第一前置信号处理单元，用于滤除量测转速信号中的低频信号和高频噪声，以仅保留扭振模态频率范围内的信号；
第一模态滤波器，用于分离扭振模态信号，以便实现解耦控制；
第一比例移相环节，用于提供信号增益和相位补偿角度，同时为适应组合透平的变工况运行，对比例增益进行调整；
限幅环节，用于对所述励磁调节器的输出信号进行限幅，以免影响励磁系统的正常工作。
3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置，其特征在于，所述机端次同步阻尼控制器包括：
次同步阻尼控制器，用于采用所述组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为所述反馈信号动态生成所述补偿电流参考值；
电力电子变流器，用于输出电流的频率范围能覆盖所有扭振模态频率。
4.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置，其特征在于，所述次同步阻尼控制器包括：
第二前置信号处理单元，用于滤除量测转速信号中的低频信号和高频噪声，以仅保留扭振模态频率范围内的信号；
第二模态滤波器，用于分离扭振模态信号，以便实现解耦控制；
第二比例移相环节，用于提供信号增益和相位补偿角度，同时为适应组合透平的变工况运行，对比例增益进行调整；
补偿电流计算环节，用于将模态控制信号转换为变流器三相电流参考信号。
5.根据权利要求3或4所述的压缩空气储能系统轴系扭振的抑制装置，其特征在于，所述电力电子变流器采用PWM调制方法。
6.一种压缩空气储能系统轴系扭振的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过附加励磁阻尼控制器采用组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号，并且得到与组合透平—发电机组轴系扭振模态相对应的振荡分量，且得到各模态的控制电压信号，以及相加后经预设限幅形成总的控制输出，叠加在励磁调节器的原控制信号上；
通过机端次同步阻尼控制器采用所述组合式空气透平膨胀机的低压缸转速信号作为反馈信号动态生成补偿电流参考值，并且在机组内部激发出与扭振模态对应的阻尼转矩，以通过所述反馈信号调制输出电流，在组合透平—发电机组内部产生合适的电磁转矩增量；以及
通过协调器控制所述附加励磁阻尼控制器和所述机端次同步阻尼控制器协调工作，以共同实现抑制压缩空气储能系统轴系扭振的目的，其中，采用所述组合式空气透平膨胀机带多个离合器的柔性轴系实现变工况运行，其中，所述组合式透平膨胀机根据需要解列部分透平，以保证工作状态的透平始终处于最优的工作压力区间；当初始状态时，高压缸处于最优先进气压力范围，两个离合器全部结合，三个进气缸均处于工作状态；当进气压力降低时，中压缸处于最优进气范围，所述高压缸解列，第一个离合器断开，储气进入所述中压缸，所述高压缸不工作，所述中压缸和低压缸仍保持较高的通流效率；若进气压力持续下降到至所述低压缸的最优进气范围，将所述中压缸解列，使所述低压缸保持较高的通流效率。
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