CN113328472A - 一种应用于天然气压差的发电上网装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种应用于天然气压差的发电上网装置，包括：设置于天然气压差发电站，用于采集天然气在降压输送过程中所释放的目标能量的透平膨胀机；用于将目标能量转换为电能的发动机；用于根据透平膨胀机所输出的功率指令对发电机的转速进行调控，以将发电机所输出的能量转换为目标直流电的PWM整流器；用于对目标直流电进行调控，以使目标直流电保持在预设范围之内的泄能电路；用于将目标直流电转换为目标交流电，以使天然气压差发电站与目标电网进行并网的PWM逆变器。显然，通过本申请所提供的发电上网装置就可以对天然气在降压输送过程中的能量进行高效利用，由此就避免了天然气在降压输送过程中的能量浪费。

Description

一种应用于天然气压差的发电上网装置

技术领域

本发明涉及天然气技术领域，特别涉及一种应用于天然气压差的发电上网装置。

背景技术

天然气是一种新型的清洁、低碳化石能源，在日常生活中得到了极为广泛的应用。为了保证天然气在传输过程中的安全性与可靠性，一般会采用逐级降压的方式来对天然气进行输送，也即，通常会将天然气管道网分为国家管道网、省级管道网和城市管道网，然后，依次通过国家管道、省级管道和城市管道将天然气输送至各个地方进行使用。

但是，天然气的此种降压输送方式存在极大的能量浪费，而在现有技术中还未曾开发出一种能够对天然气在输送过程中所产生能量进行利用的装置，该问题有待本领域技术人员解决。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于天然气压差的发电上网装置，以对天然气在降压输送过程中的能量进行高效利用，并避免天然气在降压输送过程中的能量浪费。其具体方案如下：

一种应用于天然气压差的发电上网装置，包括：

透平膨胀机，设置于天然气压差发电站，用于采集天然气在降压输送过程中所释放的目标能量；

发电机，与所述透平膨胀机相连，用于将所述目标能量转换为电能；

PWM整流器，与所述发电机相连，用于根据所述透平膨胀机所输出的功率指令对所述发电机的转速进行调控，以将所述发电机所输出的能量转换为目标直流电；

泄能电路，与所述PWM整流器相连，用于对所述目标直流电进行调控，以使所述目标直流电保持在预设范围之内；

PWM逆变器，与所述PWM整流器相连，用于将所述目标直流电转换为目标交流电，以使所述天然气压差发电站与目标电网进行并网。

优选的，所述PWM整流器和所述PWM逆变器均为三相半桥两电平拓扑结构。

优选的，还包括：

滤波器，与所述PWM逆变器相连，用于滤除所述目标交流电中的高次谐波。

优选的，所述滤波器具体为LC低通滤波器。

优选的，还包括：

软启电路，与所述PWM逆变器相连，用于在所述PWM逆变器将所述目标直流电转换为所述目标交流电时，将所述目标直流电的电压调整至预设电压。

优选的，所述PWM整流器与所述发电机通过硬接点连接，且所述PWM整流器通过Modbus TCP与所述天然气压差发电站进行通讯。

优选的，还包括：

整流器控保模块，用于采集所述PWM整流器的第一运行参数，并根据所述第一运行参数对所述PWM整流器进行保护。

优选的，还包括：

逆变器控保模块，用于采集所述PWM逆变器的第二运行参数，并根据所述第二运行参数对所述PWM逆变器进行保护。

优选的，还包括：

监控系统，与所述整流器控保模块和所述逆变器控保模块相连，用于显示所述第一运行参数和所述第二运行参数，并根据所述第一运行参数和所述第二运行参数对所述PWM整流器和所述PWM逆变器的运行状态进行控制。

可见，在本发明所提供的发电上网装置中，首先是在天然气压差发电站中设置透平膨胀机，以利用透平膨胀机采集天然气在降压输送过程中所释放的目标能量；之后，发电机会将透平膨胀机所采集到的目标能量转换为电能，在此过程中，PWM整流器会根据透平膨胀机所输出的功率指令对发电机的转速进行调控，以将发电机所输出的能量转换为目标直流电；并且，为了保证发电上网装置在运行过程中的稳定性，泄能电路会对PWM整流器所输出的目标直流电进行调控，以使得目标直流电保持在预设范围之内；最后，PWM逆变器会将PWM整流器所输出的目标直流电转换为目标交流电，以使得天然气压差发电站可以与目标电网进行并网。显然，通过本发明所提供的发电上网装置就可以对天然气在降压输送过程中的能量进行高效利用，由此就避免了天然气在降压输送过程中的能量浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种应用于天然气压差的发电上网装置的结构图；

图2为本发明实施例所提供的一种泄能电路的结构图；

图3为本发明实施例所提供的另一种应用于天然气压差的发电上网装置的结构图。

图4为本发明实施例所提供的一种应用于天然气压差的发电上网装置中各模块间的通信示意图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1为本发明实施例所提供的一种应用于天然气压差的发电上网装置的结构图，该发电上网装置包括：

透平膨胀机11，设置于天然气压差发电站，用于采集天然气在降压输送过程中所释放的目标能量；

发电机12，与透平膨胀机11相连，用于将目标能量转换为电能；

PWM整流器13，与发电机12相连，用于根据透平膨胀机11所输出的功率指令对发电机12的转速进行调控，以将发电机12所输出的能量转换为目标直流电；

泄能电路14，与PWM整流器13相连，用于对目标直流电进行调控，以使目标直流电保持在预设范围之内；

PWM逆变器15，与PWM整流器13相连，用于将目标直流电转换为目标交流电，以使天然气压差发电站与目标电网进行并网。

在本实施例中，是提供了一种应用于天然气压差的发电上网装置，通过该发电上网装置可以对天然气在降压输送过程中的能量进行高效利用，并避免天然气在降压输送过程中的能量浪费。

具体的，当透平膨胀机11采集到天然气在降压输送过程中所释放的目标能量时，透平膨胀机11会将采集到的目标能量发送至发电机12，并通过发电机12将目标能量转换为电能。与此同时，PWM整流器13会根据透平膨胀机11所输出的功率指令对发电机12的转速进行调控，并将发电机12所输出的能量转换为目标直流电。当PWM整流器13将发电机12所输出的能量转换为目标直流电之后，泄能电路14会对PWM整流器13所输出的目标直流电进行调控，以使得PWM整流器13所输出的目标直流电保持在预设范围之内，同时，PWM逆变器15会将目标直流电转换为目标交流电。

在该发电上网装置中，泄能电路14可以提升整个发电上网装置在运行过程中的安全性与可靠性，并防止发电上网装置在能量平衡策略发生故障失去平衡功率能力后，将发电机12损坏。也即，在发电上网装置中添加泄能电路14，能够保证在能量平衡控制失效之后控制切入负载，或者是在关闭发电机12时对发电机12进行保护。具体请参见图2，图2为本发明实施例所提供的一种泄能电路的结构图，在图2中，R为泄能电阻，S为泄能控制开关。通过泄能控制开关S对泄能电阻R的反复投切，就可以将系统中多余的冲击功率消耗掉，从而保证该发电上网装置的稳定运行。

能够想到的是，当PWM逆变器15将目标直流电转换为目标交流电之后，目标交流电就可以输入到目标电网当中，在此情况下，天然气压差发电站就实现了与目标电网的并网。相较于现有技术，通过本实施例所提供的发电上网装置，就可以避免天然气在降压输送过程中所出现的能量浪费现象，由此就可以极大的提高对天然气的利用率。

可见，在本实施例所提供的发电上网装置中，首先是在天然气压差发电站中设置透平膨胀机，以利用透平膨胀机采集天然气在降压输送过程中所释放的目标能量；之后，发电机会将透平膨胀机所采集到的目标能量转换为电能，在此过程中，PWM整流器会根据透平膨胀机所输出的功率指令对发电机的转速进行调控，以将发电机所输出的能量转换为目标直流电；并且，为了保证发电上网装置在运行过程中的稳定性，泄能电路会对PWM整流器所输出的目标直流电进行调控，以使得目标直流电保持在预设范围之内；最后，PWM逆变器会将PWM整流器所输出的目标直流电转换为目标交流电，以使得天然气压差发电站可以与目标电网进行并网。显然，通过本实施例所提供的发电上网装置就可以对天然气在降压输送过程中的能量进行高效利用，由此就避免了天然气在降压输送过程中的能量浪费。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，请参见图3，图3为本发明实施例所提供的另一种应用于天然气压差的发电上网装置的结构图。作为一种优选的实施方式，PWM整流器和PWM逆变器均为三相半桥两电平拓扑结构。

具体的，在本实施例中，是将PWM整流器和PWM逆变器均设置为三相半桥两电平拓扑结构，因为三相半桥两电平拓扑结构所使用的开关管数量较少，所以，通过这样的设置方式，就可以相对提高PWM整流器和PWM逆变器在运行过程中的安全性与稳定性。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，请参见图3，图3为本发明实施例所提供的另一种应用于天然气压差的发电上网装置的结构图。作为一种优选的实施方式，上述发电上网装置还包括：

滤波器，与PWM逆变器相连，用于滤除目标交流电中的高次谐波。

可以理解的是，由于该发电上网装置通常是采用PWM脉宽调制的方式来对发电机所输出的能量进行整流，所以，这样就会使得目标交流电中含有较多的高次谐波，而高次谐波不仅会增加发电上网装置的功率损耗，而且，也会对PWM逆变器造成损坏。

因此，在本实施例中，为了避免上述情况的发生，是利用滤波器将目标交流电中的高次谐波进行滤除，并以此来进一步提高该发电上网装置在使用过程中的安全性与可靠性。

作为一种优选的实施方式，滤波器具体为LC低通滤波器。

因为LC低通滤波器相比于其它类型的滤波器而言，具有性能稳定可靠、体积小、重量轻等优点，所以，当将滤波器设置为LC低通滤波器时，就可以相对降低该发电上网装置对于空间体积的占用量。

在设置LC低通滤波器的过程中，需要优先考虑LC低通滤波器的截止频率，因为通过截止频率可以消除PWM逆变器输出电压中高于截止频率的大多数谐波。并且，在设置LC低通滤波器的设计参数时，除了截止频率这一参考因素之外，还需要综合考虑LC低通滤波器的功率容量、体积等参数对发电上网装置功率密度、重量以及性价比的影响。

此外，LC低通滤波器的设计参数还需要综合考虑发电上网装置的功率等级、交流频率以及开关频率等因素。其中，LC低通滤波器中的电感主要由电感电流纹波决定，而电流纹波一般取额定电流的10％～20％。具体的，在本实施例中，LC低通滤波器中的电感与电流纹波存在如下关系：

式中，U_gL-Lmax为目标电网线电压的有效值，f_s为开关频率，Δi_L为交流侧电感纹波电流。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，请参见图3，图3为本发明实施例所提供的另一种应用于天然气压差的发电上网装置的结构图。作为一种优选的实施方式，上述发电上网装置还包括：

软启电路，与PWM逆变器相连，用于在PWM逆变器将目标直流电转换为目标交流电时，将目标直流电的电压调整至预设电压。

可以理解的是，PWM逆变器在将目标直流电充电至额定电压值时，通常会有较大的启动电流，所以，在本实施例中，为了避免启动充电电流过大而产生的跳闸现象，还在该发电上网装置中设置了软启电路，并利用软启电路在PWM逆变器将目标直流电转换为目标交流电时，将目标直流电的电压调整至预设电压。

显然，通过本实施例所提供的技术方案，就可以进一步保证该发电上网装置在使用过程中的安全性。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，PWM整流器与发电机通过硬接点连接，且PWM整流器通过Modbus TCP与天然气压差发电站进行通讯。

具体的，在该发电上网装置中，PWM整流器与发动机是通过硬接点的方式进行连接，因为PWM整流器与发动机间的此种连接方式，不仅可以使得发动机与PWM整流器之间的信号进行稳定、可靠的传输，而且，也可以相对降低故障发生的概率。

此外，PWM整流器是通过Modbus TCP与天然气压差发电站进行通讯，因为ModbusTCP是一个标准、开放的通信协议，在变电站技术领域得到了十分广泛的应用，由此就可以相对提高该发电上网装置在实际应用中的普适性。并且，该通讯协议还具有数据传输格式简单紧凑的优点，所以，当PWM整流器通过Modbus TCP与天然气压差发电站进行通信时，还可以相对提高该发电上网装置在使用过程中的便捷性。

基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，上述发电上网装置还包括：

整流器控保模块，用于采集PWM整流器的第一运行参数，并根据第一运行参数对PWM整流器进行保护。

逆变器控保模块，用于采集PWM逆变器的第二运行参数，并根据第二运行参数对PWM逆变器进行保护。

可以理解的是，在实际应用中，由于发电上网装置中设置有大量的电气设备，这样就会使得PWM整流器和PWM逆变器在运行过程中可能会遇到过压、过流以及浪涌等情况，而当PWM整流器和PWM逆变器遇到上述情形时均会对发电上网装置造成极为严重的损伤。

因此，在本实施例中，为了避免上述情况的发生，是在发电上网中设置了整流器控保装置和逆变器控保装置，并由此来进一步保证发电上网装置在运行过程中的安全性与可靠性。

作为一种优选的实施方式，上述发电上网装置还包括：

监控系统，与整流器控保模块和逆变器控保模块相连，用于显示第一运行参数和第二运行参数，并根据第一运行参数和第二运行参数对PWM整流器和PWM逆变器的运行状态进行控制。

在本实施例中，还在该发电上网装置中设置了监控系统，具体请参见图4，图4为本发明实施例所提供的一种应用于天然气压差的发电上网装置中各模块间的通信示意图。在发电上网装置的运行过程中，监控系统不仅可以显示PMW整流器的第一运行参数以及PMW逆变器的第二运行参数，而且，还能够根据PWM整流器的第一运行参数和PWM逆变器的第二运行参数对PWM整流器和PWM逆变器的运行状态进行控制。

显然，在此设置方式下，工作人员就可以通过监控系统更为清楚、直观地查看到PWM整流器和PM逆变器的运行数据，并且，当PWM整流器和PWM逆变器发生异常或故障时，工作人员还可以通过监控系统对PWM整流器和PMW逆变器的运行状态进行调控与修正，由此就可以进一步提高人们在使用该发电上网装置时的用户体验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种应用于天然气压差的发电上网装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种应用于天然气压差的发电上网装置，其特征在于，包括：

透平膨胀机，设置于天然气压差发电站，用于采集天然气在降压输送过程中所释放的目标能量；

发电机，与所述透平膨胀机相连，用于将所述目标能量转换为电能；

PWM整流器，与所述发电机相连，用于根据所述透平膨胀机所输出的功率指令对所述发电机的转速进行调控，以将所述发电机所输出的能量转换为目标直流电；

泄能电路，与所述PWM整流器相连，用于对所述目标直流电进行调控，以使所述目标直流电保持在预设范围之内；

PWM逆变器，与所述PWM整流器相连，用于将所述目标直流电转换为目标交流电，以使所述天然气压差发电站与目标电网进行并网。

2.根据权利要求1所述的发电上网装置，其特征在于，所述PWM整流器和所述PWM逆变器均为三相半桥两电平拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的发电上网装置，其特征在于，还包括：

滤波器，与所述PWM逆变器相连，用于滤除所述目标交流电中的高次谐波。

4.根据权利要求3所述的发电上网装置，其特征在于，所述滤波器具体为LC低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的发电上网装置，其特征在于，还包括：

软启电路，与所述PWM逆变器相连，用于在所述PWM逆变器将所述目标直流电转换为所述目标交流电时，将所述目标直流电的电压调整至预设电压。

6.根据权利要求1所述的发电上网装置，其特征在于，所述PWM整流器与所述发电机通过硬接点连接，且所述PWM整流器通过Modbus TCP与所述天然气压差发电站进行通讯。

7.根据权利要求1至6任一项所述的发电上网装置，其特征在于，还包括：

整流器控保模块，用于采集所述PWM整流器的第一运行参数，并根据所述第一运行参数对所述PWM整流器进行保护。

8.根据权利要求7所述的发电上网装置，其特征在于，还包括：

逆变器控保模块，用于采集所述PWM逆变器的第二运行参数，并根据所述第二运行参数对所述PWM逆变器进行保护。

9.根据权利要求8所述的发电上网装置，其特征在于，还包括：

监控系统，与所述整流器控保模块和所述逆变器控保模块相连，用于显示所述第一运行参数和所述第二运行参数，并根据所述第一运行参数和所述第二运行参数对所述PWM整流器和所述PWM逆变器的运行状态进行控制。

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