CN110999014A - 燃气涡轮电力系统和用于限制反向功率关断的控制策略 - Google Patents

Abstract

一种用于防止电力系统(10)中电力供应中断的控制系统(12)，包括电子控制单元(14)，所述电子控制单元被构造成接收功率信号，所述功率信号指示响应于所述电力总线(40)的电负载变化而在发电机(34)中产生的无功功率。所述电子控制单元(14)还被构造成基于所述功率信号确定电压命令，并且非线性地改变发电机(34)的输出电压使得无功功率关断条件的发生被抑制。

Description

燃气涡轮电力系统和用于限制反向功率关断的控制策略

技术领域

本公开大体上涉及限制AC电力系统中电力供应中断，且更具体地涉及非线性地改变发电机输出电压以抑制无功功率关断。

背景技术

采用由内燃机、蒸汽或其它方式供电的发电机组的电力系统是在全世界使用的众所周知的设施。这样的系统可以包括一个或多个发电机组，其目的是向地方电网(例如用于自治市或工厂)提供电力或者向更大的设施提供电力以为整个城市供电。发电机通常与电力总线并联联接，电力总线通常可以连接到地方电网和区域电网。无论规模如何，通常期望功率不中断且干扰尽可能小地操作电力系统。

当发电机针对并联操作连接时，常见的是，发电机中的一个或多个发电机以所称的下垂操作模式(droop mode)操作，使得电力总线上的负载变化使发电机的速度和/或输出电压改变到通常可由操作员选择的程度，例如5％下垂、10％下垂等。同一系统中的另一发电机通常也以等时模式操作，使得频率充当响应于负载变化的控制基础。

工程师已在几十年内对在并联发电机的操作中如何最佳控制速度、电压、频率和其它变量进行了实验。当负载需求相对稳定且一致时，发电机速度和功率输出将变化相对较小。然而，许多电力系统是动态的，因为电负载被连接和断开。在使用多个基本上相同的发电机组的设施中，在瞬态负载变化或“瞬态”期间控制多个发电机可相对简单，因为类似地定位的机器的响应和行为是相对可预测的。然而，许多系统具有多样性的机器，其中，例如，来自不同制造商或具有不同设计和/或额定值的多个燃气涡轮发动机供电的发电机、与往复式发动机供电的发电机并联的燃气涡轮供电的发电机、具有蒸汽涡轮机的燃气涡轮机或另外其它组合。在这些较不一致的系统中，可引入关于不同机器的控制特性和响应的额外复杂性。Kawabata Yasahara等人的JP2014029736(A)涉及一种示例性反向功率流控制器，其明显限制在某些电力系统中供电的不稳定性。

发明内容

一方面，一种用于防止电力系统中电力供应中断的控制系统，所述电力系统具有与电力总线电连接的多个发电机组，所述控制系统包括功率监测器。所述功率监测器被构造成输出功率信号，所述功率信号指示响应于所述电力总线的电负载变化而在所述多个发电机组中的一个发电机组中的发电机中产生的无功功率。所述控制系统还包括电子控制单元，所述电子控制单元被构造成将电压控制命令输出到电压调节机构以改变发电机的输出电压。所述电子控制单元还被构造成接收所述功率信号；基于所述功率信号确定所述电压控制命令；以及基于所述功率信号，用所述电压控制命令非线性地改变所述发电机的输出电压，使得抑制无功功率关断条件的发生。

另一方面，一种电力系统，包括：电力总线，所述电力总线被构造成与多个电感负载连接；以及发电机组，所述发电机组连接到所述电力总线，并包括内燃机和发电机。所述电力系统还包括保护机构，所述保护机构被构造成响应于无功功率关断条件发生而关闭所述发电机。所述电力系统还包括控制系统，所述控制系统具有电压调节机构，所述电压调节机构控制所述发电机的输出电压、功率监测器和电子控制单元。所述功率监测器被构造成输出功率信号，所述功率信号指示响应于所述电力总线上的负载变化在所述发电机中产生的无功功率。所述电子控制单元被构造成基于所述功率信号控制所述电压调节机构，使得所述发电机的输出电压以补偿所述无功功率的非线性方式被改变。

在又一方面，一种操作具有连接到公共电力总线的多个发电机组的电力系统的方法，所述方法包括：操作所述多个发电机组以将电力提供到所述公共电力总线；以及接收功率信号，所述功率信号指示响应于所述电力总线上的负载变化，在所述多个发电机组中的一个发电机组中的发电机中产生的无功功率。所述方法还包括响应于所述功率信号，命令改变所述发电机的输出电压；以及控制所述输出电压的改变，使得所述输出电压的变化率是非线性的，以便抑制无功功率关断条件的发生。

附图说明

图1是根据一个实施例的电力系统的图解说明；

图2是说明在负载变化期间电力系统中的电特性的图形；

图3是说明在第一组无功功率条件期间电力系统中的电特性的图形；

图4是说明在第二组无功功率条件期间电力系统中的电特性的图形；

图5是说明在第三组无功功率条件期间电力系统中的电特性的图形；以及

图6是说明根据一个实施例的控制逻辑流的流程图。

具体实施方式

参考图1，示出了根据一个实施例的交流(AC)电力系统10。电力系统10(下文称为“系统10”)可以包括与电力总线40电连接的多个发电机组25、50、75。提供控制系统12以用于操作发电机组25、50、75中的一个或多个发电机组，以及用于防止系统10中的电力供应中断。在所图示的实施例中，电力总线40被构造成与多个负载54、56、58电连接。多个开关60、62、64分别将负载54、56、58与电力总线40电连接。负载54、56、58可包括电感负载，例如电动旋转式机械、电网，或许多其它装置或系统中的任一种。所属领域的技术人员将了解，与电力总线40电连接的各种部件之间的功率流可相对复杂且不可预测。所属领域的技术人员还将了解，包括电感负载的负载之间的功率流可不仅涉及视在功率或工作功率，还涉及无功功率。当开关60、62或64中的一个被打开或关闭以将对应的负载电连接到电力总线40或从所述电力总线断开时，无功功率可以在系统10中且特别是在连接到电力总线40的电动或发电设备中产生。

已经观察到，多个不同发电机组中的任一个发电机组关于无功功率的响应可以是高度不可预测的。发电机组25、50、75中的每一个发电机组包括发电机，例如显示为通过原动机36与燃气涡轮发动机26联接的发电机34。按大体上常规的方式，燃气涡轮发动机26可以包括压缩机28、涡轮机30和燃烧器32。燃气涡轮发动机26工作以使原动机36以大体上常规方式旋转以操作发电机34。在如上所述的电力总线40上的电力负载变化期间或响应于所述变化，在发电机34中观察到无功功率。发电机34中产生的无功功率的程度和特性可以基于发电机组50、75的行为以及电连接到电力总线40的这些其它发电机组和其它负载而变化。如果无功功率不被控制，那么可以产生反向功率流条件，其中电力将流入发电机34中并可能损坏设备。

发电机组25以及电连接到电力总线40的其它发电机组可以配备有如本文进一步讨论的各种保护或关断机构，其可以关断主题发电机组和/或与电力总线40电气断开。出于此类目的，在发电机34和电力总线40之间示出开关柜46。通常期望避免关断发电机组或启动开关柜，因为可以由发电机组产生的电力变得不可用，并且重新启动发电机组可能需要大量停机时间和人工干预。发电机组25、50、75还可以包括控制机构，以用于调节相关联发电机的操作或状态以从无功功率条件恢复，而无需关断或启动开关柜。已观察到，防止反向功率关断条件的控制系统具有各种缺点，这可至少部分地由在同一电力系统中使用多种发电机组而产生。在一些实施例中，可以根据TT3控制策略控制发电机组50，而可以通过自动化电压调节器(AVR)策略来控制发电机组75，并且电力系统10中还有其它发电机组(未示出)可以由另一策略诸如无功功率保护继电器控制。发电机组25可以由如上所述的控制系统12控制，所述控制系统可以包括电子控制单元14。在实际实施策略中，电子控制单元14可包括或集成到组合式发电机控制模块或“CGCM”中。从以下描述将进一步显而易见，电子控制单元14被唯一地配置成通过使发电机组25能够从响应于负载变化而产生的无功功率恢复，从而抑制无功功率关断条件的发生来防止电力供应中断。

电子控制单元14可包括处理器16，所述处理器可包括任何合适的计算机处理器，例如微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)等。电子控制单元14还包括输入/输出接口17，所述输入/输出接口能够将控制命令或信号输出到如本文进一步论述的控制系统12和电力系统10的各种受控部件，以及从各种感测机构接收电数据。总线传感器52可以通过输入/输出接口17提供并与处理器16通信，并且被构造成感测电力总线40的电压、电流或两者。开关柜46还可以通过输入/输出接口17与处理器16通信。在控制系统12中还包括功率监测器42，所述功率监测器包括传感器43，并且被构造成输出功率信号，所述功率信号指示响应于电力总线40的电负载变化而在发电机34中产生的无功功率。功率监测器42可以包括传感器43以及单独的处理器(未示出)或处理器16本身。传感器43可包括电压探头、电流探头或这两者，使得电子控制单元14能够根据已知技术在任何给定的瞬间收集用于计算无功功率的数据。因此，应了解，如本文中所使用，术语“功率信号”考虑了指示无功功率的原始传感器数据以及由处理器16或另一处理器响应于基于所接收的原始传感器数据执行的计算而产生的信号。

控制系统12还包括电压调节机构44，所述电压调节机构被构造成与发电机34中的励磁机(未示出)联接，以控制发电机34的励磁电压，所述励磁电压继而用于控制发电机34的输出电压。在一种实施方式中，电子控制单元14被构造成将电压控制命令输出到电压调节机构44以改变发电机34的输出电压。电子控制单元14还被构造成接收功率信号，基于功率信号确定电压控制命令，并且基于功率信号用电压控制命令改变发电机的输出电压。以非线性方式改变发电机的输出电压可补偿无功功率，使得抑制无功功率关断条件的发生，这在本文中进一步描述。

在所图示的实施例中，电子控制单元14通过存储在计算机可读存储器18上的计算机软件被构造成执行这些和其它各种功能。存储器18可包括任何合适的存储器，例如RAM、ROM、DRAM、SDRAM、闪存、硬盘驱动器或其他。存储器18可存储许多不同软件模块，例如操作系统、燃气涡轮发动机加燃料控制软件等。在所图示的实施例中，存储器18存储电压控制模块22，由此在正常操作期间电子控制单元14通过送至电压调节机构44的控制命令控制发电机34的输出电压。存储器18还存储关断模块20，由此电子控制单元14可关闭发电机组25的运行和/或将发电机34从电力总线40电断开。用于燃气涡轮发动机26的加燃料控制元件45在图1中示出，并且可以包括燃料输送阀等，其状态通过关断模块20被调节到关闭状态。反向功率保护模块24也存储在存储器18上，且可如本文中进一步论述的那样执行，以在可预期发电机组25的正常操作会导致触发关断的情况下覆盖电压控制模块22的操作。了解存储在存储器18上且可由处理器16执行的各种控制部件的功能和相互作用的另一方式是可以在大部分时间执行用于电压控制的正常操作策略，但在某些条件下，如果没有反向功率保护部件或模块24会导致触发关断。在一种实施方式中，电子控制单元14还可被构造成基于无功功率或无功功率变化中的至少一者来确定满足电压控制覆盖标准。换句话说，可以建立覆盖正常输出电压控制策略的标准，其包括无功功率的水平(伏安无功或Var)、无功功率变化或无功功率的变化率，或者控制逻辑在正常输出电压控制策略和反向功率保护策略之间切换必须满足的另外其它因素。还应了解，图1中的描绘是简化说明，且不是对具有子例程的一个电压控制算法或多个单独电压控制算法的限制，在任一情况下，需要某种形式的逻辑切换，或任何其它限制都通过本说明表示。鉴于本文中阐述的教导，所属领域的技术人员将了解可配置控制系统12的各种不同方式。

要记得，改变发电机34的输出电压以抑制无功功率关断条件的发生可包括非线性地改变输出电压。在一种实施方式中，如本文所讨论的正常电压控制可以包括线性地且与电力总线40上的电力负载成比例地控制电压。本公开反映了这一发现：非线性地改变输出电压，且在实际实施中非线性地增大输出电压可抑制无功功率关断条件的发生。无功功率关断条件可包括若干不同因素或视若干不同因素而定，例如无功功率变化率、无功功率水平、无功功率水平的持续时间或另外其它因素。在一种实施方式中，无功功率关断条件包括反向功率流条件，但是要了解，本公开考虑了记录故障并在功率流实际反向或其它关断标准，诸如最小涡轮机转速或最小输出电压或频率发生的时刻之前应对无功功率。

通常期望操作电力系统10以便在电力总线40上产生一致的电压。同样，供给电力总线40的发电机的输出被理想地维持基本上恒定。电力总线40上的负载变化可导致总线电压变化，在这种情况下，需要至少暂时改变发电机(包括发电机34)的输出电压。如上所述，在正常操作条件期间，可以与电力总线40的电负载或电负载变化成比例地线性调节发电机输出电压。在本文中论述的无功功率产生出现无功功率关断条件的明显风险的情况下，可根据如本文中所描述的反向功率保护模块或策略24来改变发电机输出电压。电子控制单元14可以被构造成基于电力总线40的电负载或电负载变化并且还基于功率信号来确定用于电压调节机构44的电压控制命令。因此，应了解，可增大电压以适应或响应于电负载变化，且电子控制单元14可理解为基于所监测的无功功率水平的增大而加速已经发生的输出电压的增大。

现在参考图2，示出图形100，其说明若干信号迹线，包括总线电压106、第一发电机电压102和第二发电机电压104。发电机电压102可以包括可在根据本公开控制的发电机(例如发电机34)中观察到的发电机电压。发电机电压104可以包括根据另一策略(例如本文提到的其它控制策略)控制的发电机中的发电机电压。在附图标记114处，可看到所有三个电压开始增加。图2中还描绘了说明无功功率的迹线，包括可在一个发电机中观察到的无功功率108、可在另一发电机中观察到的无功功率110和可在又一发电机中观察到的无功功率112。无功功率112可包括在根据本公开控制的发电机中的无功功率，而无功功率108和无功功率110可包括在根据其它策略控制的发电机中的无功功率。无功功率110可以是例如通过无功功率继电器控制的发电机中的无功功率。无功功率108可以是根据TT3控制或AVR控制而控制的发电机中的无功功率。然而，应当领会，图2仅是示例性的，并且无功功率的符号、图案或其它特性可能根据发电机配置、控制策略和主题电力系统的架构表现得相当不同。可以注意到，无功功率110和无功功率112在电力总线上的负载变化之后减小，其中无功功率110在位置118处降至最低点，无功功率112在位置116处降至最低点。无功功率112、无功功率110和无功功率108全部朝如在附图标记120处所示的标称值恢复和稳定。在没有本公开益处的其它策略(例如，CGCM控制)中，无功功率112可能预期不会恢复，最终导致反向功率流并且可能损坏相关联的发电机和/或相关联的内燃机，或者在产生其它故障时更可能全部关断并与电力总线40断开。通过非线性地增加发电机34的发电机输出电压，关断条件可被抑制，发电机34能够恢复。理解工作原理的另一种方式是，虽然发电机34的发电机输出电压将响应于电力总线40上的负载变化而增加，但是本公开允许更快地增大发电机输出电压，以便补偿无功功率。在一种实施方式中，随着无功功率水平的增加，发电机输出电压可以更快地增加以保持超前无功功率电平的上升。电子控制单元14可被构造成产生电压控制命令，使得例如发电机34的输出电压的瞬时增加速率与无功功率的水平正相关。

现在参考图3，示出了另一图形200，其说明在根据本公开控制的电力系统中的电特性，包括发电机输出电压202、无功功率204、在208处发电机的功率输出和在206处的控制信号。可以注意到，无功功率204在更正信号206之前不久开始减少变为负。无功功率变化的开始可以理解为大体上对应于在相关联的电力总线上发生负载变化的情况下可能观察到的情况。可以看到，发电机输出电压202增加，并且根据本公开将非线性增大，以补偿无功功率，从而避免无功功率关断条件。在图3中，可以观察到这样的电特性，其中正常发电机输出为350VAC和1,000KW，并且其中无功功率处于5％，换句话说为-50KVAR。

现在参考图4，示出了图形300，其说明在KVAR为10％的情况下观察到的，诸如在350VAC和1,000KW，发电机输出中为-100KVAR。在302处示出发电机输出电压，在304处示出无功功率，在306处示出控制信号，在308处示出发电机功率输出。参考图5，示出了图形400，其说明可以在KVAR处于20％水平时观察到的电特性。在402处示出发电机输出电压，在404处示出无功功率，在406处示出控制信号，在408处示出发电机输出。在图3的情况下，要求发电机输出电压从350V增加到405V以用于恢复。在图4的实例中，观察到发电机输出电压增加至444V以用于恢复。在图5的情况中，观察到发电机电压增加至485V以用于恢复。

工业适用性

参考图6，示出了根据一个实施例的流程图，其说明示例性控制逻辑流。在流程图500中，在框520处，确定条件允许测量和控制无功功率。逻辑可以从框520前进到框530查询KVAR反向功率是否为20％？如果是，那么逻辑可以前进到框560，其中发电机电压增加正常速率的四倍。如果否，逻辑可以前进到框540查询KVAR反向功率是否为10％？如果是，那么逻辑可以前进到框570，其中发电机电压增加正常速率的三倍。如果否，逻辑可以前进到框550查询KVAR反向功率是否为5％？如果是，那么逻辑可以前进到框580，其中发电机电压增加正常速率的两倍。如果否，那么逻辑可以前进到框590，其中利用选择的速率调节发电机电压。在框600处，以正常速率控制发电机电压。要理解，如果框550处的条件不是真的，则发电机电压的调节速率可以是如本文所讨论的正常调节速率。要记得，在普通电压控制条件下，换句话说，在不满足电压控制覆盖标准的情况下，可以标准方式维持或改变发电机输出电压。

本说明书仅用于说明目的，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围。因此，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的完整和合理范围和精神的情况下，可对本文公开的实施例进行各种修改。通过查看附图和所附权利要求书，其它方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所使用，冠词“一(a)”和“一(an)”旨在包括一个或多个物品，且可与“一个或多个”互换使用。在想要表示仅有一个物品时，使用术语“一个(one)”或类似语言。此外，如本文中所使用，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在为开放式术语。此外，短语“基于”意图表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。

Claims (10)

1.一种用于防止AC电力系统(10)中电力供应中断的控制系统(12)，所述AC电力系统具有与电力总线(40)电连接的多个发电机组(25、50、75)，所述控制系统(12)包括：

功率监测器(42)，所述功率监测器被构造成输出功率信号，所述功率信号指示响应于所述电力总线(40)的电负载变化而在所述多个发电机组(25)中的一个发电机组中的发电机(34)中产生的无功功率；

电子控制单元(14)，所述电子控制单元被构造成：

将电压控制命令输出到电压调节机构(44)以改变所述发电机(34)的输出电压；

接收所述功率信号；

基于所述功率信号确定所述电压控制命令；以及

基于所述功率信号，用所述电压控制命令非线性地改变所述发电机(34)的输出电压，使得无功功率关断条件的发生被抑制。

2.根据权利要求1所述的控制系统(12)，其中，所述电子控制单元(14)还被构造成还基于所述电力总线(40)的电负载或电负载变化来确定所述电压控制命令；以及

所述电子控制单元(14)还被构造成用所述电压控制命令增大所述输出电压；

所述电子控制单元(14)还被构造成基于所述无功功率或所述无功功率变化中的至少一者来确定电压控制覆盖标准的满足，并且在所述电压控制覆盖标准被满足时基于所述功率信号确定所述电压控制命令。

3.根据权利要求2所述的控制系统(12)，其中，所述无功功率关断条件包括反向功率流条件；

其中，所述电子控制单元(14)还被构造成监测所述无功功率的水平，并且确定所述电压控制命令，以便基于所监测的无功功率水平的增加加速所述输出电压的增加；并且

其中，所监测的无功功率水平包括作为真实功率的一部分的无功功率的相对水平。

4.根据权利要求1所述的控制系统(12)，其还包括电压调节机构(44)，所述电压调节机构被构造成与所述发电机(34)中的励磁机联接，并且接收所述电压控制命令；并且

其中，所述功率监测器(42)包括电探头，所述电探头被构造成感测所述发电机(34)或所述电力总线(40)中的至少一者的电特性。

5.一种电力系统(10)，其包括：

电力总线(40)，所述电力总线被构造成与多个电感负载(54、56、58、25、50、75)连接；

发电机组(25、50、75)，所述发电机组连接到所述电力总线(40)，并且包括内燃机(26)和发电机(34)；

保护机构(48)，所述保护机构被构造成响应于无功功率关断条件的发生而关闭所述发电机(34)；

控制系统(12)，所述控制系统包括电压调节机构(44)、功率监测器(42)和电子控制单元(14)，所述电压调节机构控制所述发电机(34)的输出电压；

所述功率监测器(42)被构造成输出功率信号，所述功率信号指示响应于所述电力总线(40)上的负载变化在所述发电机(34)中产生的无功功率；以及

所述电子控制单元(14)被构造成基于所述功率信号控制所述电压调节机构(44)，使得所述发电机(34)的输出电压以补偿所述无功功率的非线性方式被改变。

6.根据权利要求5所述的系统(10)，其中，所述发电机组(25、50、75)是第一发电机组，并且还包括第二发电机组，所述第二发电机组连接到所述电力总线(40)，并且包括第二内燃机和第二发电机，所述第一内燃机和所述第二内燃机中的每一个包括燃气涡轮发动机(26)。

7.根据权利要求5所述的系统(10)，其中，所述电子控制单元(14)还被构造成监测所述无功功率的水平，并且确定所述电压控制命令使得所述发电机(34)的输出电压的瞬时增加速率与所述无功功率的水平正相关；

其中，所述电子控制单元(14)还被构造成基于所监测的无功功率水平的增加而加速所述输出电压的增加；并且

其中，所述电子控制单元(14)还被构造成还基于所述电力总线(40)的电负载或电负载变化来控制所述电压调节机构(44)。

8.一种操作具有连接到公共电力总线(40)的多个发电机组(25、50、75)的电力系统(10)的方法，所述方法包括：

操作所述多个发电机组(25、50、75)以将电力提供到所述公共电力总线(40)；

接收功率信号，所述功率信号指示响应于所述电力总线(40)上的负载变化而在所述多个发电机组(25、50、75)中的一个发电机组中的发电机(34)中产生的无功功率；

响应于所述功率信号，命令改变所述发电机(34)的输出电压；以及

控制所述输出电压的改变，使得所述输出电压的变化率是非线性的，以便抑制无功功率关断条件的发生。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，控制所述输出电压的改变还包括控制增加所述输出电压；

其中，控制所述输出电压的改变包括基于所述无功功率水平的增加来控制增加所述输出电压；

所述方法还包括命令与所述电力总线(40)上的负载成比例地改变所述发电机(34)的输出电压；并且

其中，操作所述多个发电机组(25、50、75)包括操作在所述多个发电机组(25、50、75)中的每一个发电机组中的燃气涡轮发动机(26)。

10.根据权利要求9所述的方法，其还包括接收指示满足电压控制覆盖标准的数据，并且其中响应于指示电压覆盖标准满足的数据而发起响应于所述功率信号的所述输出电压的改变。

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