CN113217184B - 适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电机组技术领域，公开了一种适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统，包括燃气发电机组、模态切换开关、电压源变换器、LCL滤波单元、超级电容能量管理系统、超级电容组、总控制器单元、交流电压检测、直流电压检测，补偿电流检测、负载电流检测及总线协议转换单元，本发明针对当前存在的油气钻探领域对燃气发电技术的巨大需求和燃气发电技术难以适应油气钻探领域特殊要求的矛盾，提出了高性能燃气发电新技术，使燃气发电机组具有抗冲击能力强、可靠性高、环境适应能力强和污染小的特性，将燃气发电技术成功应用于油气钻探领域。
Description
技术领域
本发明涉及发电机组技术领域，尤其涉及一种适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统。
背景技术
燃气发电机可以替代柴油机进行各种工况的钻井作业，可以充分利用天然气资源，起到降耗、减排的功效，能够大幅降低钻井燃料成本，经济效益显著。同时燃气发电机比柴油机噪声小，因此燃气发电机组构成的油田钻井供电系统越来越显示巨大优势和强有力的竞争力。
但是，燃气发电机组的输出特性较软，在用于油气田钻井动力时，由于井下工况复杂，会出现非周期性的冲击性负载，造成输出电压质量恶化，严重时造成并网发电机组解列，这也是燃气发电技术应用于具有负载突变特性的钻探领域的瓶颈问题。现有方案中通过增加燃气发电机发电容量的方式来解决这一问题，虽然其发电容量增加，但其动态响应慢的特性仍然没有解决，同时带来成本、占地、运输、维护、燃料供应等一系列的问题。其次，由于绝大多数负载是感性负载，功率因数很低，严重影响发电机组的效率；另外，钻井动力属于极端环境状态工况，高温、低温，强碱、强盐，强电磁干扰等都给供电系统带来了问题。
另外，利用电能变换技术来改善发电机组的电能质量时，与公共大电网时的情况不同，还需要考虑冲击性负载的动态补偿和再生能量的回馈等问题。现有文献中，有针对柴油发电机组和风力发电系统的相关问题的优化方案。现有技术中，一种方案是在柴油发电机组中增加蓄电池或采用飞轮储能技术与功率变换器组合，以实现瞬时功率补偿功能。还有方案采用分布式无功补偿器，以改善柴油发电机组的供电电源质量。上述技术均针对发电机组的单一电能指标进行质量优化，优化效果有限，而且没有解决负载再生能量的回馈问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统，包括燃气发电机组、模态切换开关、电压源变换器、LCL滤波单元、超级电容能量管理系统、超级电容组、总控制器单元、交流电压检测、直流电压检测，补偿电流检测、负载电流检测及总线协议转换单元；
燃气发电机组、模态切换开关、电压源变换器、LCL滤波单元、超级电容能量管理系统和超级电容组构成了燃气发电机组能量动态调节系统主电路拓扑；
交流电压检测电路检测发电机侧的电压，转化为弱电量信号以后与控制单元相连；
直流电压检测电路、补偿电流检测电路和负载电流检测电路分别检测直流电压、补偿电流和负载电流，并与控制单元相连。
优选的，利用负载电流检测电路和交流电压检测电路将负载电流进行解耦得到有功电流和无功电流分量；
将负载无功电流作为功率调节器的理想指令电流给定，采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制；
电压源变换器输出的电流经过LCL滤波单元处理后提供给系统需补偿负载。
优选的，计算有功电流变化率，利用其判断是否出现冲击性负载；在判断出存在冲击性负载时，将计算得到的负载有功电流变化率作为功率调节器的有功电流给定，执行有功电流变化率闭环控制策略；在燃气发电机的输出功率与负载功率相一致时，有功电流变化率等于零，此时电压源变换器自动退出有功功率补偿，避免其长时间输出有功功率；在判断出没有冲击性负载时，通过超级电容能量管理系统为超级电容组充电；超级电容能量管理系统用于直流母线电压的恒定控制，此时电压源变换器吸收功率。
优选的，根据负载有功电流的极性来判断系统是否处于再生状态，若极性为负则说明系统负载侧有能量回馈给超级电容组，超级电容能量管理系统工作在直流母线电压闭环工作状态，保持直流母线电压恒定；超级电容能量管理系统中的双向直流变换器作为降压电路，将直流侧的高电压转换为超级电容侧的低电压，使负载回馈的能量流入超级电容，给超级电容充电。
优选的，总线协议转换器包括总线控制器以及MODBUS，PROFIBUS和CANOPEN三种总线的选择与硬件接口电路，三种总线的硬件接口电路分别与总线控制器相连；总线控制器负责将多种总线协议转换为内部的一种通讯协议，并根据总控制器下传的总线类型参数控制数据选择器选通其中一种总线。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对当前存在的油气钻探领域对燃气发电技术的巨大需求和燃气发电技术难以适应油气钻探领域特殊要求的矛盾，提出了高性能燃气发电新技术，使燃气发电机组具有抗冲击能力强、可靠性高、环境适应能力强和污染小的特性，将燃气发电技术成功应用于油气钻探领域。
2、本发明根据负载有功电流的极性来判断系统是否处于再生状态，若极性为负则说明系统负载侧有能量回馈给超级电容组，超级电容能量管理系统工作在直流母线电压闭环工作状态，保持直流母线电压恒定；超级电容能量管理系统中的双向直流变换器作为降压电路，将直流侧的高电压转换为超级电容侧的低电压，使负载回馈的能量流入超级电容，给超级电容充电，从而解决负载再生能量的回馈。
附图说明
图1为本发明提出的适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统的结构框图；
图2为本发明提出的适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统中主电路原理图；
图3为本发明提出的适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统中控制原理框图；
图4为实施例中负载电流有功、无功分量解耦原理图；
图5为实施例中的直流母线电压恒定控制策略原理图；
图6为实施例的总线协议转换工作流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
具体实施方式一：
参照图1-6，适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统，其组成包括，燃气发电机组1、模态切换开关2、电压源变换器3、LCL滤波单元4、超级电容能量管理系统5、超级电容组6、总控制器单元12、交流电压检测7、直流电压检测8、补偿电流检测9、负载电流检测10及总线协议转换单元11；
如图2所示，燃气发电机组1、模态切换开关2、电压源变换器3、LCL滤波单元4、超级电容能量管理系统5、超级电容组6构成了燃气发电机组能量动态调节系统主电路拓扑；LCL滤波单元4既可以是电感，也可以是电感－电容，也可以是电感－电容－电感结构(本实施例采用电感－电容－电感结构)。电压源变换器3模块采用全控型功率器件，每个模块可以是集成在一起的IPM模块，也可以是六个分离的功率器件。本实施例只给出了采用六个分离的功率器件的情况。超级电容组6可以是超级电容、电化学电池、燃料电池或者光电模块等储存装置(本实施例只给出了采用超级电容的情况)。其中超级电容能量管理系统5包括超级电容电压均衡控制系统、双向直流变换器和充放电控制系统。
另外，交流电压检测电路7检测发电机侧的电压，转化为弱电量信号以后与控制单元12相连；直流电压检测电路8、补偿电流检测电路9和负载电流检测电路10分别检测直流电压、补偿电流和负载电流，并与控制单元12相连。
总线协议转换器12包括总线控制器以及MODBUS，PROFIBUS和CANOPEN三种总线的选择与硬件接口电路。三种总线的硬件接口电路分别与总线控制器相连。总线控制器负责将多种总线协议转换为内部的一种通讯协议，并根据总控制器12下传的总线类型参数控制数据选择器选通其中一种总线。
具体实施方式二
如图3所示，首先需要对负载进行瞬时功率解耦，具体实施例如图4所示，由负载电流检测电路10得到瞬时负载电流，把它们变换到两相正交的坐标系可以得到两相瞬时电流。即：
由一个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到与燃气发电机组a相电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号。其中PLL主要起同步作用，当检测到过零上升的时启动正、余弦表，使其形成一个矩阵C，其中
进而可得瞬时有功电流和无功电流：
通过计算由公式二得到的有功电流变化率判断是否出现冲击性负载，冲击性负载识别技术的快速性和准确性直接决定了电能补偿单元的有功功率补偿效果，也就决定了在出现冲击性负载时，交流母线的电压跌落的暂态过程。如果冲击性负载的识别速度过慢，将造成交流母线电压出现较大幅度跌落，仍然会对交流母线上其他负载产生不良影响，也就失去了冲击性负载补偿的意义。如果冲击性负载识别的准确度不够，则会造成在出现冲击性负载时，交流母线电压产生稳态误差，也会影响供电质量。另外，还要考虑在燃气发电机组的输出功率能够跟随上负载功率时，需要将电能补偿单元的输出有功功率降低到零。因此需要为电能补偿单元停止持续有功功率输出的时机提供判据。
冲击性负载的快速识别技术的具体实施方法是在获得瞬时有功、无功电流的基础上，计算其有功电流变化率，在有功电流变化率大于燃气发电机的额定电流变化率时，说明产生了冲击性负载。这种方法可以在一个采样周期内检测出是否产生冲击性负载，进而为实现冲击性负载的快速补偿奠定基础。在有功电流的变化率降低到某一个范围时，说明燃气发电机组的输出功率已经能够跟随上负载的输出功率，此时即可作为停止电能补偿单元停止持续有功功率输出的依据。
而当负载侧产生再生能量时，为了保证系统的安全性和提高电能的利用率，利用超级电容的电能存储能力，将负载侧产生的再生能量存储在超级电容中。在负载处于电动状态时，再将电能释放出去，进而保证超级电容的电压维持在某一个合理范围，维持系统正常运行。本项目采用的方法为，通过检测负载有功电流的极性来判断是否处于再生状态。若在实际系统运行中检测出有功电流小于零，则说明系统负载侧有能量回馈给发电侧，需要进行能量回馈。
具体实施方式三
如图3所示，该系统主要完成瞬时有功电流和无功电流的给定指令的计算和瞬时输出功率控制。利用具体实施方式二判断是否出现冲击性负载，在判断出产生冲击性负载时，则执行有功电流变化率闭环控制策略，以保证燃气发电机的输出功率变化率小于其极限值，在燃气发电机的输出功率与负载功率相一致时，有功电流变化率等于零，此时功率调节器自动退出有功功率补偿，避免其长时间输出有功功率。在未产生冲击性负载时，应为超级电容充电，通过双向直流变换器和充放电控制系统来实现，此时电压源变换器3吸收功率。在负载有功功率小于零时，即需要吸收再生能量时，电压源变换器3的有功电流变为负值，则由超级电容吸收能量，进而减少燃料的消耗，达到节能效果。对于无功功率补偿，直接将负载无功电流作为电压源变换器3的给定，则其无功功率输出将自动实现与负载所需功率相平衡。为了能够实现对系统功率的实时调节，需要电压源变换器3的输出电流能够自动跟踪计算所得到的参考电流。本系统采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制。
该系统在进行无功、有功功率补偿和能量回馈存储时需要保证直流母线电压恒定。如图5所示给出了直流母线电压的控制逻辑，具体实施方式是：在冲击性负载补偿过程中，由于电压源变换器3需要保证交流侧的功率平衡，因此超级电容能量管理系统5工作在直流母线电压闭环工作状态，保持直流母线电压恒定；双向直流变换器作为升压电路，将超级电容侧的低电压变换为功率调节侧母线的高电压，将超级电容的电能提供给负载；另一方面，在能量回馈的过程中，超级电容充放电控制系统同样工作在直流母线电压闭环工作状态，保持直流母线电压恒定；双向直流变换器作为降压电路，将直流侧的高电压转换为超级电容侧的低电压，使负载回馈的能量流入超级电容，给超级电容充电；在超级电容需要充电时，电压源变换器3工作于直流母线电压闭环工作状态，超级电容组的充放电控制系统通过对超级电容组的充电电压、电流进行闭环控制，实现超级电容组的安全快速充电控制，以实现系统的持续冲击性负载补偿能力。
具体实施方式四
总线协议转换器的工作流程如图6所示，总线协议转换单元11根据用户下达的总线类型参数选通其中一种总线，并将多种总线协议转换为内部的一种通讯协议，传送给总控制器单元12，这样无论哪种总线对总控制器单元12来说都是相同的通讯协议，大大降低了总控制器单元12的信息处理量。在使能总线的情况下，总控制器单元12通过总线协议转换单元11与总线进行数据传送，在总线异常时，总控制器单元12发出总线故障报警信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统，包括燃气发电机组(1)、模态切换开关(2)、电压源变换器(3)、LCL滤波单元(4)、超级电容能量管理系统(5)、超级电容组(6)、总控制器单元(12)、交流电压检测电路(7)、直流电压检测电路(8)，补偿电流检测电路(9)、负载电流检测电路(10)及总线协议转换单元(11)，其特征在于：
燃气发电机组(1)、模态切换开关(2)、电压源变换器(3)、LCL滤波单元(4)、超级电容能量管理系统(5)和超级电容组(6)构成了燃气发电机组能量动态调节系统主电路拓扑；
交流电压检测电路(7)检测发电机侧的电压，转化为弱电量信号以后与总控制器单元(12)相连；
直流电压检测电路(8)、补偿电流检测电路(9)和负载电流检测电路(10)分别检测直流电压、补偿电流和负载电流，并与总控制器单元(12)相连；
利用负载电流检测电路(10)和交流电压检测电路(7)将负载电流进行解耦得到有功电流和无功电流分量，将负载无功电流作为功率调节器的理想指令电流给定，采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，电压源变换器(3)输出的电流经过LCL滤波单元(4)处理后提供给系统需补偿负载；
计算得到负载有功电流变化率，利用其判断是否出现冲击性负载；在判断出存在冲击性负载时，将计算得到的负载有功电流变化率作为功率调节器的有功电流给定，执行有功电流变化率闭环控制策略，在燃气发电机组的输出功率与负载功率相一致时，负载有功电流变化率等于零，此时电压源变换器(3)自动退出有功功率补偿，避免其长时间输出有功功率；在判断出没有冲击性负载时，通过超级电容能量管理系统(5)为超级电容组(6)充电；超级电容能量管理系统(5)用于直流母线电压的恒定控制，此时电压源变换器(3)吸收功率。
2.根据权利要求1所述的适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统，其特征在于，根据负载有功电流的极性来判断系统是否处于再生状态，若极性为负则说明系统负载侧有能量回馈给超级电容组(6)，超级电容能量管理系统(5)工作在直流母线电压闭环工作状态，保持直流母线电压恒定；超级电容能量管理系统(5)中的双向直流变换器作为降压电路，将直流侧的高电压转换为超级电容侧的低电压，使负载回馈的能量流入超级电容，给超级电容充电。
3.根据权利要求1所述的适应于冲击性负载的燃气发电机组能量动态调节系统，其特征在于，总线协议转换单元(11)包括总线控制器以及MODBUS，PROFIBUS和CANOPEN三种总线的选择与硬件接口电路，三种总线的硬件接口电路分别与总线控制器相连；总线控制器负责将多种总线协议转换为内部的一种通讯协议，并根据总控制器单元(12)下传的总线类型参数控制数据选择器选通其中一种总线。
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