CN107968604A - 一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法 - Google Patents

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宋满存
王毅
胡小飞
赵卓伟
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/15—Special adaptation of control arrangements for generators for wind-driven turbines

Abstract

本发明属于透平发电及其控制应用技术领域，具体涉及一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法。本发明系统，包括超高速涡轮发电机、三相桥式整流电路、滤波电容、Buck变换电路、能耗匹配电路；超高速涡轮发电机与三相桥式整流电路的一端连接，三相桥式整流电路的另一端分别与滤波电容、Buck变换电路、能耗匹配电路并联构成总并联电路；本发明方法包括：步骤一、运行超高速涡轮发电机；步骤二、启动Buck变换电路；步骤三、启动能耗匹配电路；步骤四、实现超高速涡轮发电机的稳定的电压输出与转速运行。本发明能够实现超高速涡轮发电机的稳定运行与输出，并避免其工作在一阶临界转速附近。

Description

一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于透平发电及其控制应用技术领域，具体涉及一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法。
背景技术
超高速涡轮发电机是一种高比功率、超高转速的能源转换装置，将气体能量转化为高频交流电能，但高频交流电无法被负载直接利用，因此需要相应的方法与设备将其转化为可用的直流电，这是超高速涡轮发电机设计及其实用化中的关键技术。
超高速涡轮发电机在工作过程中，为了保证足够的电能输出，输入的气源能量相对充足，而负载对电能的需求与消耗则是不断变化甚至剧烈波动的，必然会存在输入与输出功率不匹配的情况(输入功率大于输出功率)，这将极大影响到涡轮发电机的实际应用。因此，除了单纯完成超高速涡轮发电机大功率高频电能整流变换之外，还需解决三个问题方可满足其实用化。其一，控制其电能变换后的输出直流电压值稳定，始终满足负载对电压值的要求；其二，保证涡轮发电机转速稳定，不随输入输出的功率匹配变化而大幅波动；其三，由于超高速涡轮发电机可运行与一阶临界转速之上，要避免其运行于一阶临界转速附近的共振危险范围内。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提供一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法，能够实现超高速涡轮发电机的稳定运行与输出，并避免其工作在一阶临界转速附近。
本发明采用的技术方案：
一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，包括超高速涡轮发电机、三相桥式整流电路、滤波电容、Buck变换电路、能耗匹配电路；超高速涡轮发电机与三相桥式整流电路的一端连接，三相桥式整流电路的另一端分别与滤波电容、Buck变换电路、能耗匹配电路并联构成总并联电路。
所述三相桥式整流电路包括6个IGBT模块一，IGBT模块一起高频二极管作用，6个IGBT模块一俩俩并联，每一个并联为一相，高速涡轮发电机发出三相高频交流电，每一相交流电与上述一相相连。
所述Buck变换电路包括IGBT模块控制开关一、IGBT模块二、电感、电容、负载电阻；IGBT模块控制开关、IGBT模块二串联后与总并联电路连接，电感一端与IGBT模块控制开关一和IGBT模块二之间电路连接，IGBT模块二起续流二极管作用，另一端分别与电容和负载电阻串联后与总并联电路连接，电容和负载电阻并联。
所述能耗匹配电路包括IGBT模块控制开关二、能耗匹配电阻、IGBT模块三；IGBT模块控制开关二与能耗匹配电阻串联后与总并联电路连接，IGBT模块三一端与IGBT模块控制开关和能耗匹配电阻之间的串联电路连接，另一端与总并联电路连接。
一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，包括如下步骤：
步骤一、运行超高速涡轮发电机：
超高速涡轮发电机运行并发出三相高频交流电，通过三相桥式整流电路后，交流电压整流为直流电压，假设此时三相桥式整流电路后的直流电压值为U1，对应的涡轮发电机转速为ω1；
步骤二、Buck变换电路5启动：
设定负载电阻所需的直流电压值为U2，对应的涡轮发电机的转速为ω2,当U1＞U2(即ω1＞ω2)时，Buck变换电路启动，通过系统控制IGBT开关一的占空比，保证输出给负载电阻的直流电压值恒定为U2；
步骤三、能耗匹配电路11启动：
Buck变换电路启动且涡轮发电机的前端气源功率不变，系统会存在剩余能量而导致涡轮发电机迅速升速，此时通过设计系统目标转速ω3且启动能耗匹配电路，通过控制IGBT开关二的占空比，保证超高速涡轮发电机稳定运行于目标转速ω3，对应的直流电压值为U3；
步骤四、实现超高速涡轮发电机的稳定的电压输出与转速运行。
所述步骤二中，IGBT模块控制开关一的占空比D1＝ω3/ω2。
所述步骤三中，IGBT模块控制开关二的占空比根据整个系统的输入输出能量匹配关系而进行自动反馈调节，在忽略空载运行损失时，占空比D2＝(P1－U2 2/RL)/(U3 2/RN)；其中P1为气源输入功率，RL为负载电阻阻值，RN为能耗匹配电阻阻值。
假设超高速涡轮发电机的一阶临界转速为ω0，则需要避开的危险转速范围为[0.7ω0，1.3ω0]；则设置Buck变换电路启动转速于此范围内，将实际的运行额定转速设置于高于此危险范围，并使能耗匹配电路控制转速处于额定转速范围内。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法，能够根据需求控制超高速涡轮发电机输出目标电压并运行于目标转速，保证其有效应用；
(2)本发明提供的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法，能够防止超高速涡轮发电机运行于一阶临界转速附近，保证其可靠工作；
(3)本发明提供的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法，填补了一体化超高速涡轮发电机产品和对其电能进行变换与控制的国内空白，并且能够应用于其它透平发电及直流用电的领域，实现系统的有效与稳定工作。
附图说明
图1为本发明实现超高速涡轮发电机稳定输出与运行原理图；
图2为本发明避开一阶临界转速运行的原理图；
图中：1-超高速涡轮发电机、2-三相桥式整流电路、3-IGBT模块一、4-滤波电容、5-Buck变换电路、6-IGBT模块控制开关一、7-IGBT模块二、8-电感、9-电容、10-负载电阻、11-能耗匹配电路、12-IGBT模块控制开关二、13-能耗匹配电阻、14-IGBT模块三、15-安全转速范围、16-超速范围、17-危险转速范围(一阶临界转速附近)、18-额定转速、19-Buck变换电路启动转速、20-能耗匹配电路控制转速。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，包括超高速涡轮发电机1、三相桥式整流电路2、滤波电容4、Buck变换电路5、能耗匹配电路11；超高速涡轮发电机1与三相桥式整流电路2的一端连接，三相桥式整流电路2的另一端分别与滤波电容4、Buck变换电路5、能耗匹配电路11并联构成总并联电路；
三相桥式整流电路2包括6个IGBT模块一3，IGBT模块一3起高频二极管作用，6个IGBT模块一3俩俩并联，每一个并联为一相，高速涡轮发电机1发出三相高频交流电，每一相交流电与上述一相相连；
Buck变换电路5包括IGBT模块控制开关一6、IGBT模块二7、电感8、电容9、负载电阻10；IGBT模块控制开关6、IGBT模块二7串联后与总并联电路连接，电感8一端与IGBT模块控制开关一6和IGBT模块二7之间电路连接，IGBT模块二7起续流二极管作用，另一端分别与电容9和负载电阻10串联后与总并联电路连接，电容9和负载电阻10并联；
能耗匹配电路11包括IGBT模块控制开关二12、能耗匹配电阻13、IGBT模块三14；IGBT模块控制开关二12与能耗匹配电阻13串联后与总并联电路连接，IGBT模块三14一端与IGBT模块控制开关12和能耗匹配电阻13之间的串联电路连接，另一端与总并联电路连接。
实施例1
本发明提供的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，包括如下步骤：
步骤一、运行超高速涡轮发电机1：
超高速涡轮发电机1运行并发出三相高频交流电，通过三相桥式整流电路2后，交流电压整流为直流电压，假设此时三相桥式整流电路2后的直流电压值为U1，对应的涡轮发电机转速为ω1；
步骤二、Buck变换电路5启动：
设定负载电阻10所需的直流电压值为U2，对应的涡轮发电机1的转速为ω2,当U1＞U2(即ω1＞ω2)时，Buck变换电路5启动，通过系统控制IGBT开关一6的占空比，保证输出给负载电阻10的直流电压值恒定为U2；
步骤三、能耗匹配电路11启动：
此时由于Buck变换电路5启动且涡轮发电机1的前端气源功率不变，系统会存在剩余能量而导致涡轮发电机1迅速升速，甚至存在失速的危险，此时通过设计系统目标转速ω3且启动能耗匹配电路11，通过控制IGBT开关二12的占空比，使得能耗匹配电阻13按策略介入电路，适应性的消耗掉剩余功率，保证超高速涡轮发电机1稳定运行于目标转速ω3，对应的直流电压值为U3；
步骤四、实现超高速涡轮发电机1的稳定的电压输出与转速运行。
其中IGBT模块控制开关一6的占空比D1＝ω3/ω2；而IGBT模块控制开关二12的占空比则根据整个系统的输入输出能量匹配关系而进行自动反馈调节，在忽略空载运行损失时，占空比D2＝(P1－U2 2/RL)/(U3 2/RN)。其中P1为气源输入功率，RL为负载电阻阻值，RN为能耗匹配电阻阻值。
实施例2
如图2所示，本发明避开一阶临界转速运行的原理图，假设超高速涡轮发电机1的一阶临界转速为ω0，则需要避开的危险转速范围17通常为[0.7ω0，1.3ω0]，通常是较宽的范围，为了保证超高速涡轮发电机1可以避开此区间可靠运行，同时也不浪费如此宽的转速范围所提供的电压值，可以将Buck变换电路5启动转速19设置于此范围内，而将实际的运行额定转速18设置于高于此危险范围17，并使能耗匹配电路11控制转速20处于额定转速18范围内，此可以有效的防止临界转速运行，同时保证开关一6具有良好的控制占空比。如此设计，既可有效的避免一阶临界转速附近危险运行，以可保证IGBT模块控制开关一6工作于良好的占空比区间，使本发明具有最优的控制策略。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作纤细面上的内容均可以采用现有技术。

Claims (8)

1.一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，其特征在于：包括超高速涡轮发电机(1)、三相桥式整流电路(2)、滤波电容(4)、Buck变换电路(5)、能耗匹配电路(11)；超高速涡轮发电机(1)与三相桥式整流电路(2)的一端连接，三相桥式整流电路(2)的另一端分别与滤波电容(4)、Buck变换电路(5)、能耗匹配电路(11)并联构成总并联电路。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，其特征在于：所述三相桥式整流电路(2)包括6个IGBT模块一(3)，IGBT模块一(3)起高频二极管作用，6个IGBT模块一(3)俩俩并联，每一个并联为一相，高速涡轮发电机(1)发出三相高频交流电，每一相交流电与上述一相相连。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，其特征在于：所述Buck变换电路(5)包括IGBT模块控制开关一(6)、IGBT模块二(7)、电感(8)、电容(9)、负载电阻(10)；IGBT模块控制开关(6)、IGBT模块二(7)串联后与总并联电路连接，电感(8)一端与IGBT模块控制开关一(6)和IGBT模块二(7)之间电路连接，IGBT模块二(7)起续流二极管作用，另一端分别与电容(9)和负载电阻(10)串联后与总并联电路连接，电容(9)和负载电阻(10)并联。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，其特征在于：所述能耗匹配电路(11)包括IGBT模块控制开关二(12)、能耗匹配电阻(13)、IGBT模块三(14)；IGBT模块控制开关二(12)与能耗匹配电阻(13)串联后与总并联电路连接，IGBT模块三(14)一端与IGBT模块控制开关(12)和能耗匹配电阻(13)之间的串联电路连接，另一端与总并联电路连接。
5.一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、运行超高速涡轮发电机(1)：
超高速涡轮发电机(1)运行并发出三相高频交流电，通过三相桥式整流电路(2)后，交流电压整流为直流电压，假设此时三相桥式整流电路(2)后的直流电压值为U1，对应的涡轮发电机转速为ω1；
步骤二、Buck变换电路5启动：
设定负载电阻(10)所需的直流电压值为U2，对应的涡轮发电机(1)的转速为ω2,当U1＞U2(即ω1＞ω2)时，Buck变换电路(5)启动，通过系统控制IGBT开关一(6)的占空比，保证输出给负载电阻(10)的直流电压值恒定为U2；
步骤三、能耗匹配电路11启动：
Buck变换电路(5)启动且涡轮发电机(1)的前端气源功率不变，系统会存在剩余能量而导致涡轮发电机(1)迅速升速，此时通过设计系统目标转速ω3且启动能耗匹配电路(11)，通过控制IGBT开关二(12)的占空比，保证超高速涡轮发电机(1)稳定运行于目标转速ω3，对应的直流电压值为U3；
步骤四、实现超高速涡轮发电机(1)的稳定的电压输出与转速运行。
6.根据权利要求5所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，其特征在于：所述步骤二中，IGBT模块控制开关一(6)的占空比D1＝ω3/ω2。
7.根据权利要求5所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，其特征在于：所述步骤三中，IGBT模块控制开关二(12)的占空比根据整个系统的输入输出能量匹配关系而进行自动反馈调节，在忽略空载运行损失时，占空比D2＝(P1－U2 2/RL)/(U3 2/RN)；其中P1为气源输入功率，RL为负载电阻阻值，RN为能耗匹配电阻阻值。
8.根据权利要求5所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，其特征在于：假设超高速涡轮发电机(1)的一阶临界转速为ω0，则需要避开的危险转速范围为[0.7ω0，1.3ω0]；则设置Buck变换电路(5)启动转速于此范围内，将实际的运行额定转速设置于高于此危险范围，并使能耗匹配电路(11)控制转速处于额定转速范围内。
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