CN112377270A - 一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，它包括手动改变膨胀发电机组入口进气调节门开度，得到转速与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线；冲转指令下达后设定转速目标值和升速率；生成当前时刻的转速给定值；对转速原始信号进行处理得到膨胀发电机组实际转速，测取末级膨胀机级组入口压力实测值和实际转速得到当前实际转速下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值；接收实际转速与转速给定值，进入PID进行运算得x_a；当实际转速小于转速目标值的97％时x_a直接作为进气调节门的开度指令y；当实际转速ω_i≥转速目标值的97％时投入转速快速调节回路控制进气调节门开度；实现膨胀发电机组转速的精细调节和快速调节。

Description

一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法

技术领域

本发明属于压缩空气储能发电设备控制领域，尤其涉及一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法。

背景技术

随着能源结构多元化，储能技术得到蓬勃发展。在储能技术中，压缩空气储能是一项具有光明前景的技术，可以起到削峰填谷的作用，在用电低谷时储存多余的电能，在用电高峰期将电能释放。

压缩空气储能系统的工作分为储能和释能两个阶段。储能阶段，利用电网多余的电能带动电动机，进而驱动压缩机将空气压缩至高压状态，储存于储气室，压缩产生的热量收集保存在高温储热罐中；释能阶段，高压空气从储气室释放，先在换热器中被加热，再进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电。

压缩空气储能系统的膨胀机组一般由多个级组构成。由于压缩空气在膨胀后温度下降较大，为了保证各级膨胀机的进气温度，必须在每级膨胀机前都设置一台加热器，用以提升压缩空气温度。加热器体积较大，必须单独布置，加热器与膨胀机级组之间通过管道连接。

在释能过程中，首先需要启动膨胀发电机组，将膨胀发电机组的转速从零提升到额定转速，然后并网发电。膨胀机组的转速通过布置在第一级加热器前的进气调节门控制。

目前，膨胀发电机组的转速控制主要存在以下问题：1、由于加热器的气侧容积及进气管道的存在，导致各级膨胀机之间的中间容积非常大，给膨胀发电机组的转速控制带来影响，转速控制响应慢、超调大，难以实现转速的精细调节和快速调节控制，不利于机组快速启动和并网；2、传统转速控制，只接受实际转速作为反馈，转速变化是转子驱动力与阻力之间关系的最终体现，因此，只接受转速将造成响应滞后。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，能够实现膨胀发电机组转速的精细调节和快速调节，解决目前转速控制响应慢、超调大的问题。

本发明的技术方案：

一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，它包括：

步骤1、手动改变膨胀发电机组入口进气调节门开度，令发电机转速升高直至到达额定转速，得到转速与末级膨胀机级组入口压力的关系表；

步骤2、对转速与末级膨胀机级组入口压力关系表的数据按照二次多项式进行拟合，得到转速与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P＝f(ω)；

步骤3、将曲线P＝f(ω)录入末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块；

步骤4、冲转指令下达后，由运行人员在控制系统中设定转速目标值ω₀和升速率δω；

步骤5、控制系统中的转速给定值生成模块按照升速率δω自动计算生成当前时刻的转速给定值ω_i0；

步骤6、转速测量模块连续测取发电机的转速原始信号并进行处理和运算，得到膨胀发电机组实际转速ω_i，并送入控制系统的转速精细调节回路和末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块；

步骤7、使用高精度压力变送器，连续测取末级膨胀机级组入口压力实测值P_i；

步骤8、末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块实时接收末级膨胀机级组入口压力实测值P_i和转速测量模块传来的实际转速ω_i；得到当前实际转速ω_i下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0；

步骤9、转速精细调节回路接收实际转速ω_i与转速给定值ω_i0，进入转速精细调节PID进行运算，输出x_a；

步骤10、当实际转速ω_i小于转速目标值ω₀的97％时，转速精细调节PID的输出x_a直接作为进气调节门的开度指令y，控制进气调节门开度。

步骤11、当实际转速ω_i≥转速目标值ω₀的97％时，投入转速快速调节回路控制进气调节门开度。

所述转速测量模块包括转速探头和转速卡，转速探头采用电涡流传感器及配套的前置放大器；

转速卡的采样频率至少是发电机转速原始信号频率的5倍，转速卡的运算周期≤50ms。

末级膨胀机级组入口压力实测值P_i通过高精度压力变送器测取，高精度压力变送器专门用于转速控制，当机组并网后即退出；末级膨胀机级组入口压力变送器的原始量程按照额定转速时末级膨胀机级组入口压力的1.5倍选择，精度达到0.075％以上，控制系统对末级膨胀机级组入口压力信号的扫描周期≤50ms。

转速精细调节回路、转速快速调节回路和末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块的运算周期均≤100ms。

步骤1所述手动改变膨胀发电机组入口进气调节门开度，令发电机转速升高直至到达额定转速，得到转速与末级膨胀机级组入口压力的关系表的方法为：

手动改变膨胀发电机组入口进气调节门开度，令发电机转速升高，发电机转速每提升100r/min，稳定至少5min，待转速和末级膨胀机级组入口压力均不再变化后记录转速和末级膨胀机级组入口压力，然后继续提升转速，直至到达额定转速，得到转速与末级膨胀机级组入口压力的关系表，如下表：

在上述过程中，如果面临制造厂规定的临界转速区，则按照制造厂的要求提升转速，无需停留和记录参数。

所述得到当前实际转速ω_i下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0的方法为：将实际转速ω_i代入转速与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P＝f(ω)获取。

步骤11所述当实际转速ω_i≥转速目标值ω₀的97％时，投入转速快速调节回路控制进气调节门开度的方法为：末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0与末级膨胀机级组入口压力实测值P_i进入减法器，减法器的输出在除法器中除以末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0，输出y_a；x_a和y_a进入加法器做加权求和计算，加法器的输出作为进气调节门的开度指令y。

本发明有益效果：

本发明将冲转过程分为快速调节区和精细调节区，在转速目标值的97％以下区间，通过引入膨胀机入口压力应达值，设计快速调节回路，实现转速的快速调节；当实际转速大于目标值的97％后，通过精细调节回路，实现转速的精细调节，从而实现了转速“又快又准”的调节和控制。

只要按照本发明的要求配置转速探头、转速卡及高精度压力变送器等测量元件，控制系统的扫描周期和运算周期均达到本发明提出的要求，并按本发明的控制逻辑进行，就可以实现膨胀发电机组转速的快速调节和精细调节，可以有效解决中间容积大带来的转速控制响应慢、超调大的问题，可以实现机组快速启动和顺利并网。

解决了1、由于加热器的气侧容积及进气管道的存在，导致各级膨胀机之间的中间容积非常大，给膨胀发电机组的转速控制带来影响，转速控制响应慢、超调大，难以实现转速的精细调节和快速调节控制，不利于机组快速启动和并网；2、传统转速控制，只接受实际转速作为反馈，转速变化是转子驱动力与阻力之间关系的最终体现，因此，只接受转速将造成响应滞后等技术缺陷。

附图说明：

图1为本发明所涉及装置和设备组成示意图；

图2为本发明的控制逻辑示意图。

在图1和图2中，1.转速测量模块；2.转速精细调节回路；3.转速快速调节回路；4.末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块；5.控制系统；6.高精度压力变送器；7.进气调节门；8.加热器；9.储气罐；10.减速箱；11.发电机；12.第一级膨胀机级组；13.第二级膨胀机级组；14.末级膨胀机级组；15.转速给定值生成模块；16.转速精细调节PID；17.转速快速调节PID。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，包括转速测量模块、转速精细调节回路、转速快速调节回路和末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块。

发明实施前的设备准备：

在本实施例中，发电机额定转速为3000r/min，发电机测速齿轮的齿数为60个，发电机转速原始信号的频率为50Hz。转速测量模块包括转速探头及配套的前置放大器和转速卡两部分，转速探头采用本特利3500电涡流传感器及配套的前置放大器；转速卡的采样频率为1000Hz，转速卡的运算周期为50ms。

使用罗斯蒙特3051绝对压力变送器，作为专用高精度压力变送器，测取末级膨胀机级组入口压力实测值P_i。该压力变送器专门用于转速控制，当机组并网后即退出。该压力变送器的原始量程为150kPa，精度0.075％，控制系统对末级膨胀机级组入口压力信号的扫描周期为50ms。

控制系统中转速精细调节回路、转速快速调节回路和末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块的运算周期均为100ms。

发明实施前的准备：

本发明实施前，现场安装和调试工作已全部完成、膨胀机和发电机已经连接，已具备启动发电条件，在手动方式下完成膨胀发电机组首次冲转。准备步骤1：手动改变膨胀发电机组入口进气调节门开度，令发电机转速升高。发电机转速每提升100r/min，稳定5min，待转速和末级膨胀机级组入口压力均不再变化后，记录转速和末级膨胀机级组入口压力，然后继续手动改变膨胀发电机组入口进气调节门开度，提升转速，直至到达额定转速，得到本实施案例中，转速与末级膨胀机级组入口压力的关系表。如下表：

在上述过程中，1300r/min～2000r/min之间有多个临界转速区，不允许停留，没有记录参数。

准备步骤2：对转速与末级膨胀机级组入口压力关系表的数据按照二次多项式进行拟合，得到本实施案例中，转速与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P＝f(ω)：P＝a₁ω²+a₂ω+0.83，其中，a₁＝-8×10^-7，a₂＝0.0061。

准备步骤3：将曲线P＝f(ω)录入末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块。

发明实施步骤：

步骤1：由运行人员在控制系统中设定转速目标值ω₀为3000r/min，升速率δω为100r/min/min，控制系统采用自动的方式。

步骤2：控制系统按照升速率δω自动计算，生成当前时刻转速给定值ω_i0。

步骤3：转速测量模块从发电机处连续测取转速原始信号并进行处理和运算，得到膨胀发电机组实际转速ω_i，并送入控制系统的转速精细调节回路和末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块。

步骤4：专用高精度压力变送器连续测取末级膨胀机级组入口压力实测值P_i。

步骤5：末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块实时接收末级膨胀机级组入口压力实测值P_i和转速测量模块传来的实际转速ω_i。将当前实际转速ω_i代入转速与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P＝f(ω)，得到当前实际转速ω_i下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0。

步骤6：转速精细调节回路接收实际转速ω_i与转速给定值ω_i0，进入转速精细调节PID进行运算，输出x_a。

步骤7：当实际转速ω_i小于转速目标值ω₀的97％时，转速精细调节PID的输出x_a直接作为进气调节门的开度指令y，控制进气调节门开度。

步骤8：当实际转速ω_i≥转速目标值ω₀的97％时，投入转速快速调节回路，末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0与末级膨胀机级组入口压力实测值P_i进入减法器，减法器的输出在除法器中除以末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0，输出y_a。x_a和y_a进入加法器，做加权求和计算，加法器的输出作为进气调节门的开度指令y，控制进气调节门开度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式实例，本发明的保护范围并不局限于此。熟悉该技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易找到变化或替换方式，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。为此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，它包括：

步骤1、手动改变膨胀发电机组入口进气调节门(7)开度，令发电机转速升高直至到达额定转速，得到转速与末级膨胀机级组入口压力的关系表；

步骤2、对转速与末级膨胀机级组入口压力关系表的数据按照二次多项式进行拟合，得到转速与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P＝f(ω)；

步骤3、将曲线P＝f(ω)录入末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(4)；

步骤4、冲转指令下达后，由运行人员在控制系统(5)中设定转速目标值ω₀和升速率δω；

步骤5、控制系统(5)中的转速给定值生成模块(15)按照升速率δω自动计算生成当前时刻的转速给定值ω_i0；

步骤6、转速测量模块(1)连续测取发电机(11)的转速原始信号并进行处理和运算，得到膨胀发电机组实际转速ω_i，并送入控制系统(5)的转速精细调节回路(2)和末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(4)；

步骤7、使用高精度压力变送器(6)，连续测取末级膨胀机级组入口压力实测值P_i；

步骤8、末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(4)实时接收末级膨胀机级组入口压力实测值P_i和转速测量模块(1)传来的实际转速ω_i；得到当前实际转速ω_i下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0；

步骤9、转速精细调节回路(2)接收实际转速ω_i与转速给定值ω_i0，进入转速精细调节PID(16)进行运算，输出x_a；

步骤10、当实际转速ω_i小于转速目标值ω₀的97％时，转速精细调节PID(16)的输出x_a直接作为进气调节门(7)的开度指令y，控制进气调节门(7)开度；

步骤11、当实际转速ω_i≥转速目标值ω₀的97％时，投入转速快速调节回路(3)控制进气调节门(7)开度。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，其特征在于：所述转速测量模块(1)包括转速探头和转速卡，转速探头采用电涡流传感器及配套的前置放大器。

3.根据权利要求2所述的一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，其特征在于：转速卡的采样频率至少是发电机转速原始信号频率的5倍，转速卡的运算周期≤50ms。

4.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，其特征在于：末级膨胀机级组入口压力实测值P_i通过高精度压力变送器(6)测取，高精度压力变送器(6)专门用于转速控制，当机组并网后即退出；末级膨胀机级组入口压力变送器的原始量程按照额定转速时末级膨胀机级组入口压力的1.5倍选择，精度达到0.075％以上，控制系统(5)对末级膨胀机级组入口压力信号的扫描周期≤50ms。

5.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，其特征在于：转速精细调节回路(2)、转速快速调节回路(3)和末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(4)的运算周期均≤100ms。

6.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，其特征在于：步骤1所述手动改变膨胀发电机组入口进气调节门(7)开度，令发电机转速升高直至到达额定转速，得到转速与末级膨胀机级组入口压力的关系表的方法为：

手动改变膨胀发电机组入口进气调节门(7)开度，令发电机转速升高，发电机转速每提升100r/min，稳定至少5min，待转速和末级膨胀机级组入口压力均不再变化后记录转速和末级膨胀机级组入口压力，然后继续提升转速，直至到达额定转速，得到转速与末级膨胀机级组入口压力的关系表，如下表：

在上述过程中，如果面临制造厂规定的临界转速区，则按照制造厂的要求提升转速，无需停留和记录参数。

7.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，其特征在于：所述得到当前实际转速ω_i下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0的方法为：将实际转速ω_i代入转速与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P＝f(ω)获取。

8.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组冲转过程中快速稳定转速的方法，其特征在于：步骤11所述当实际转速ω_i≥转速目标值ω₀的97％时，投入转速快速调节回路(3)控制进气调节门(7)开度的方法为：末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0与末级膨胀机级组入口压力实测值P_i进入减法器(17)，减法器(17)的输出在除法器(18)中除以末级膨胀机级组入口压力应达值P_i0，输出y_a；x_a和y_a进入加法器做加权求和计算，加法器的输出作为进气调节门(7)的开度指令y。

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