CN113497458A - 一种基于透平变转速的trt并网发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于透平变转速的TRT并网发电系统，包括：缓冲单元、LCL滤波单元、网侧PWM变流单元、制动单元、机侧PWM变流单元、控制单元、多极永磁发电机以及透平机，缓冲单元接入电网，控制单元分别与网侧PWM变流单元及机侧PWM变流单元电性连接。本发明通过控制单元控制机侧PWM变流单元和网侧PWM变流单元的能量的双向流动，以及对多极永磁发电机输出的电能进行调频调幅，使之符合电网并网质量标准，同时，拓宽了发电范围，在压力较高时可增加发电量，从而取得更好的节能发电效果，并节省系统的设计成本。

Description

一种基于透平变转速的TRT并网发电系统
技术领域
本发明涉及TRT发电技术领域，尤其涉及一种基于透平变转速的TRT并网发电系统。
背景技术
TRT——(Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit,以下简称TRT)高炉煤气余压透平发电装置(即TRT)是高炉冶炼的附加装置。TRT是利用高炉煤气所具有的压力能、热能，通过透平膨胀做功，驱动发电机发电，进行能量回收的一种节能装置。
未加装TRT的高炉煤气通过洗涤和除尘，再经过减压阀组，将高压的煤气压力减弱到合适水平送至用户，这个过程使高炉煤气余压白白消耗掉。加装TRT的高炉煤气，可以将煤气余压转换成电能，然后再送至最终用户，把原本没有用的余压转换成了电能，可以获得良好的经济效益。现有的TRT装置主要由：透平主机(含可调静叶)，大型阀门系统，润滑油系统，电液伺服系统，发电机，高/低配电系统，自动控制系统等组成。在透平恒转速控制过程中，透平的转速和静叶的角度成一定的比例关系，通过电液伺服控制静叶的开度位置，就可以控制透平的流量和压力，从而控制透平的输出功率、转矩和转速。当高炉煤气压力在一定的范围内发生变化时，电液伺服控制通过动态调节静叶的开度位置，实现透平的恒转速控制。当给定速度信号，与反馈速度信号进行比较，经过透平转速PID调节器输出电液伺服的位置给定信号，经过电液伺服PID调节器与油缸的实际位置信号进行比较，放大后送入到电液伺服阀，伺服阀按一定的比例将电信号转换成液压油的压力推动油缸运动，位置传感器发出的反馈信号也随之变化，当给定转速与透平转子转速相等时，油缸停止运行并停在特定的位置，此时透平静叶稳定在特定的开度上。控制系统通过双PID动态调节，最终将透平转速稳定在给定值上。
但是，因为目前市面上基于透平恒转速控制的TRT发电技术基本是通过控制透平机的转速控制其发电量，因此存在以下弊端：
(1)当高炉煤气气压正常时，有相当大一部分压力损失在调速阀和静叶叶片上，导致能量转换率低，发电效率低；
(2)当高炉煤气气压较低时，存在一定范围的发电死区，即低于某一个气压值，无法进行发电；
(3)当高炉煤气气压较高时，需要通过泄压阀泄压，能量浪费严重；
(4)电液伺服控制系统调节复杂，成本较高。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于透平变转速的TRT并网发电系统。
本发明的技术方案如下：提供一种基于透平变转速的TRT并网发电系统，包括：缓冲单元、LCL滤波单元、网侧PWM变流单元、制动单元、机侧PWM变流单元、控制单元、多极永磁发电机以及透平机，所述透平机与多极永磁发电机的一端同轴连接，所述多极永磁发电机的另一端与机侧PWM变流单元的一端连接，所述机侧PWM变流单元的另一端与所述制动单元的一端电性连接，所述制动单元的另一端与网侧PWM变流单元的一端电性连接，所述网侧PWM变流单元的另一端与所述LCL滤波单元的一端连接，所述LCL滤波单元的另一端与所述缓冲单元的一端电性连接，所述缓冲单元的另一端用于接入电网，所述分别于网侧PWM变流单元及机侧PWM变流单元电性连接。
进一步地，所述缓冲单元与电网之间连接有断路器QF1，所述多极永磁发电机与机侧PWM变流单元之间连接有断路器QF2，所述断路器QF1和断路器QF2均与控制单元电性连接。
进一步地，所述缓冲单元采用三相接触器。
进一步地，所述缓冲单元包括开关KM1、开关KM2、开关KM3、电阻R1、电阻R2以及电阻R3，所述电阻R1与开关KM1并联连接，所述电阻R2与开关KM3并联连接，所述电阻R3与开关KM3并联连接。
进一步地，所述网侧PWM变流单元采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为主开关器件。
进一步地，所述机侧PWM变流单元采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为主开关器件。
进一步地，所述控制单元包括：PLL锁相环、速度环调节器ASR1、电流环调节器ACR、速度环调节器ASR2、比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3、电流控制单元、第一PI调节器、第二PI调节器、坐标变换模块、PWM控制信号模块、三相电流检测信号模块、转子估算单元、以及MPPT控制算法单元，所述速度环调节器ASR1的第一输入端接收回馈电压指令，所述速度环调节器ASR1的第二输入端接收稳压滤波单元的直流母线电压Vdc，所述速度环调节器ASR1的输出端连接电流环调节器ACR的第一输入端，所述电流环调节器ACR的第二输入端接收LCL滤波单元与网侧PWM变流单元之间的输出电流Iof，所述电流环调节器ACR的输出端连接PLL锁相环的一端以及网侧PWM变流单元，所述PLL锁相环的另一端连接断路器QF1，所述电流环调节器ACR向网侧PWM变流单元输出PWM驱动信号1，所述MPPT控制算法单元的第一输入端接收断路器QF2与机侧PWM变流单元之间的发电机输出电压Vgo，所述MPPT控制算法单元的第二输入端接收断路器QF2与机侧PWM变流单元之间的发电机输出电流Igo，所述MPPT控制算法单元的输出端连接比较器COMP1的负极，所述比较器COMP1的正极接收MPPT给定指令，所述比较器COMP1的输出端连接速度环调节器ASR2的第一输入端，所述速度环调节器ASR2的输出端连接电流控制单元，所述电流控制单元的第一输出端连接比较器COMP2的正极，所述电流控制单元的第二输出端连接比较器COMP3的正极，所述比较器COMP2的输出端连接第一PI调节器的输入端，所述比较器COMP3的输出端连接第二PI调节器的输入端，所述坐标变换模块连接第一PI调节器的输出端、第二PI调节器的输出端、PWM控制信号模块、三相电流检测信号模块、转子估算单元的第一输入端以及第二输入端，所述PWM控制信号模块向机侧PWM变流单元输出PWM驱动信号2，所述转子估算单元的第一输出端连接坐标变换模块，所述转子估算单元的第二输出端连接速度环调节器ASR2，所述三相电流检测信号模块接收断路器QF2与机侧PWM变流单元之间的发电机输出电流Igo。
进一步地，所述控制单元连接有UPS单元。
进一步地，所述网侧PWM变流单元与制动单元之间连接有稳压滤波单元。
进一步地，所述稳压滤波单元为电解电容。
采用上述方案，本发明通过控制单元控制机侧PWM变流单元和网侧PWM变流单元的能量的双向流动，以及对多极永磁发电机输出的电能进行调频调幅，使之符合电网并网质量标准，同时，拓宽了发电范围，在压力较高时可增加发电量，从而取得更好的节能发电效果，并节省系统的设计成本。
附图说明
图1为本发明的连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种基于透平变转速的TRT并网发电系统，包括：缓冲单元、LCL滤波单元、网侧PWM变流单元、制动单元、机侧PWM变流单元、控制单元、多极永磁发电机以及透平机。所述透平机与多极永磁发电机的一端同轴连接，所述多极永磁发电机的另一端与机侧PWM变流单元的一端连接，所述机侧PWM变流单元的另一端与所述制动单元的一端电性连接，所述制动单元的另一端与网侧PWM变流单元的一端电性连接，所述网侧PWM变流单元的另一端与所述LCL滤波单元的一端连接，所述LCL滤波单元的另一端与所述缓冲单元的一端电性连接，所述缓冲单元的另一端用于接入电网。所述控制单元分别与网侧PWM变流单元及机侧PWM变流单元电性连接。
工作时，从电网输入电压，依次经过缓冲单元、LCL滤波单元、网侧PWM变流单元、制动单元、以及机侧PWM变流单元，最终输入到透平机中，透平机通电启动。通入高炉煤气后，高炉煤气的气压驱动透平机转动，将气压的压力转化为机械动能，使得透平机从用电状态转变为发电状态。多极永磁发电机将透平机所传递的机械能转化为电能，并送入机侧PWM变流单元，将永磁发电机所产生的交流电转换为直流电，然后送入网侧PWM变流单元，将直流电转换为满足电网电压要求的交流电，最终将电能送入电网中进行供电。在本发明中，控制单元控制网侧PWM变流单元以及机侧PWM变流单元的工作状态。当检测到多极永磁发电机有电能送入机侧PWM变流单元时，将交流电转换为直流电再转换为满足电网需求电压范围的交流电并送入电网，以实现供电。
当高炉煤气的气压处于正常范围时，不需要控制透平机的转速恒定，大大减少了透平机的调速阀以及静叶上的压力损失，因此可以提高电能的转换效率；当高炉煤气的气压低于正常范围时，透平机的转速降低，发电量较低，但是因为由控制单元控制网侧PWM变流单元以及机侧PWM变流单元，因此发电死区阈值较小，可以进行发电的气压范围值更宽，保证持续进行发电；当高炉煤气的气压高于正常范围时，透平机的转速提高，发电量增加，节能效果更理想。
所述缓冲单元与电网之间连接有断路器QF1，所述多极永磁发电机与机侧PWM变流单元之间连接有断路器QF2，所述断路器QF1和断路器QF2均与控制单元电性连接。
所述缓冲单元采用三相接触器。通过采用三相接触器，减少电路中接入的电路元器件的数量，简化电路，节约成本，同时满足防止启动瞬时电流过大而损坏稳压滤波单元以及为系统正常供电的需求。所述缓冲单元包括开关KM1、开关KM2、开关KM3、电阻R1、电阻R2以及电阻R3，所述电阻R1与开关KM1并联连接，所述电阻R2与开关KM3并联连接，所述电阻R3与开关KM3并联连接。初始上电后的一段时间内，三相接触器断开，使电流经过电阻，从而限制稳压滤波单元的充电电流大小，防止启动瞬时电流过大而损坏稳压滤波单元。当充电一定时间后，三相接触器吸合短路掉电阻，进入正常工作状态，为系统进行正常供电。
所述网侧PWM变流单元采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为主开关器件，通过控制单元的调控，从而实现能量的双向流动。当检测到母线电压高于设定值时，将母线的电能回馈给电网，并实时检测电网电压的相序和相位，使回馈电压与电网电压相序、相位、频率和幅值保持一致。
所述机侧PWM变流单元采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为主开关器件，将发电输出的频率和幅值变化的交流电整成直流电，并实现了透平发电的最大功率点跟踪。
LCL滤波单元可以将机侧PWM变流单元回馈的电能进行滤波处理，使其符合电网并网质量标准。
当检测到直流回路母线电压高于危险值时，接通制动单元内的电阻，消耗多余电能，以便使直流回路控制在合适的电压范围之内，防止稳压滤波单元以及其他元器件因过压而损坏。
所述控制单元包括：PLL锁相环、速度环调节器ASR1、电流环调节器ACR、速度环调节器ASR2、比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3、电流控制单元、第一PI调节器、第二PI调节器、坐标变换模块、PWM控制信号模块、三相电流检测信号模块、转子估算单元、以及MPPT控制算法单元。所述速度环调节器ASR1的第一输入端接收回馈电压指令，所述速度环调节器ASR1的第二输入端接收稳压滤波单元的直流母线电压Vdc，所述速度环调节器ASR1的输出端连接电流环调节器ACR的第一输入端。所述电流环调节器ACR的第二输入端接收LCL滤波单元与网侧PWM变流单元之间的输出电流Iof。所述电流环调节器ACR的输出端连接PLL锁相环的一端以及网侧PWM变流单元，所述PLL锁相环的另一端连接断路器QF1。所述电流环调节器ACR向网侧PWM变流单元输出PWM驱动信号1。所述MPPT控制算法单元的第一输入端接收断路器QF2与机侧PWM变流单元之间的发电机输出电压Vgo，所述MPPT控制算法单元的第二输入端接收断路器QF2与机侧PWM变流单元之间的发电机输出电流Igo。所述MPPT控制算法单元的输出端连接比较器COMP1的负极，所述比较器COMP1的正极接收MPPT给定指令，所述比较器COMP1的输出端连接速度环调节器ASR2的第一输入端。所述速度环调节器ASR2的输出端连接电流控制单元，所述电流控制单元的第一输出端连接比较器COMP2的正极，所述电流控制单元的第二输出端连接比较器COMP3的正极。所述比较器COMP2的输出端连接第一PI调节器的输入端，所述比较器COMP3的输出端连接第二PI调节器的输入端，所述坐标变换模块连接第一PI调节器的输出端、第二PI调节器的输出端、PWM控制信号模块、三相电流检测信号模块、转子估算单元的第一输入端以及第二输入端。所述PWM控制信号模块向机侧PWM变流单元输出PWM驱动信号2。所述转子估算单元的第一输出端连接坐标变换模块，所述转子估算单元的第二输出端连接速度环调节器ASR2。所述三相电流检测信号模块接收断路器QF2与机侧PWM变流单元之间的发电机输出电流Igo。
在本发明中，透平机的转速是根据气压的压力大小而进行变化的，多极永磁发电机的转速也随之变化，因此多极永磁发电机的输出电压的幅值和频率都是变化的，而电网的电压幅值和频率都处于恒定值。通过控制单元控制机侧PWM变流单元，将多极永磁发电机的输出电压的频率和幅值变化的交流电整流成直流电，并实现最大功率点跟踪和压力能效的最大利用。控制单元控制网侧PWM变流单元将直流电逆变成与电网同频率、同幅值、同相位、同相序的交流电并入电网。控制单元可以控制机侧PWM变流单元和网侧PWM变流单元的能量的双向流动，并可动态调整变流单元的功率因数，从而实现无功功率和有功功率的解耦控制。
所述控制单元连接有UPS单元。与控制单元连接的UPS单元可以为控制单元提供后备电源保障，确保系统出现故障或电网断电的情况下，控制单元可以保持正常的工作状态。
所述网侧PWM变流单元与制动单元之间连接有稳压滤波单元。所述稳压滤波单元为电解电容。电解电容的电容量远大于其他种类电容的电容量，避免因为电网的电流较大而损坏稳压滤波单元，从而提高系统的稳定性。
综上所述，本发明通过控制单元控制机侧PWM变流单元和网侧PWM变流单元的能量的双向流动，以及对多极永磁发电机输出的电能进行调频调幅，使之符合电网并网质量标准，同时，拓宽了发电范围，在压力较高时可增加发电量，从而取得更好的节能发电效果，并节省系统的设计成本。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，包括：缓冲单元、LCL滤波单元、网侧PWM变流单元、制动单元、机侧PWM变流单元、控制单元、多极永磁发电机以及透平机，所述透平机与多极永磁发电机的一端同轴连接，所述多极永磁发电机的另一端与机侧PWM变流单元的一端连接，所述机侧PWM变流单元的另一端与所述制动单元的一端电性连接，所述制动单元的另一端与网侧PWM变流单元的一端电性连接，所述网侧PWM变流单元的另一端与所述LCL滤波单元的一端连接，所述LCL滤波单元的另一端与所述缓冲单元的一端电性连接，所述缓冲单元的另一端用于接入电网，所述控制单元分别与网侧PWM变流单元及机侧PWM变流单元电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，所述缓冲单元与电网之间连接有断路器QF1，所述多极永磁发电机与机侧PWM变流单元之间连接有断路器QF2，所述断路器QF1和断路器QF2均与控制单元电性连接。
3.根据权利要求1所述的基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，所述缓冲单元采用三相接触器。
4.根据权利要求3所述的基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，所述缓冲单元包括开关KM1、开关KM2、开关KM3、电阻R1、电阻R2以及电阻R3，所述电阻R1与开关KM1并联连接，所述电阻R2与开关KM3并联连接，所述电阻R3与开关KM3并联连接。
5.根据权利要求1所述的基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，所述网侧PWM变流单元采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为主开关器件。
6.根据权利要求1所述的基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，所述机侧PWM变流单元采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为主开关器件。
7.根据权利要求1所述的基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，所述控制单元包括：PLL锁相环、速度环调节器ASR1、电流环调节器ACR、速度环调节器ASR2、比较器COMP1、比较器COMP2、比较器COMP3、电流控制单元、第一PI调节器、第二PI调节器、坐标变换模块、PWM控制信号模块、三相电流检测信号模块、转子估算单元、以及MPPT控制算法单元，所述速度环调节器ASR1的第一输入端接收回馈电压指令，所述速度环调节器ASR1的第二输入端接收稳压滤波单元的直流母线电压Vdc，所述速度环调节器ASR1的输出端连接电流环调节器ACR的第一输入端，所述电流环调节器ACR的第二输入端接收LCL滤波单元与网侧PWM变流单元之间的输出电流Iof，所述电流环调节器ACR的输出端连接PLL锁相环的一端以及网侧PWM变流单元，所述PLL锁相环的另一端连接断路器QF1，所述电流环调节器ACR向网侧PWM变流单元输出PWM驱动信号1，所述MPPT控制算法单元的第一输入端接收断路器QF2与机侧PWM变流单元之间的发电机输出电压Vgo，所述MPPT控制算法单元的第二输入端接收断路器QF2与机侧PWM变流单元之间的发电机输出电流Igo，所述MPPT控制算法单元的输出端连接比较器COMP1的负极，所述比较器COMP1的正极接收MPPT给定指令，所述比较器COMP1的输出端连接速度环调节器ASR2的第一输入端，所述速度环调节器ASR2的输出端连接电流控制单元，所述电流控制单元的第一输出端连接比较器COMP2的正极，所述电流控制单元的第二输出端连接比较器COMP3的正极，所述比较器COMP2的输出端连接第一PI调节器的输入端，所述比较器COMP3的输出端连接第二PI调节器的输入端，所述坐标变换模块连接第一PI调节器的输出端、第二PI调节器的输出端、PWM控制信号模块、三相电流检测信号模块、转子估算单元的第一输入端以及第二输入端，所述PWM控制信号模块向机侧PWM变流单元输出PWM驱动信号2，所述转子估算单元的第一输出端连接坐标变换模块，所述转子估算单元的第二输出端连接速度环调节器ASR2，所述三相电流检测信号模块接收断路器QF2与机侧PWM变流单元之间的发电机输出电流Igo。
8.根据权利要求1所述的基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，所述控制单元连接有UPS单元。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，所述网侧PWM变流单元与制动单元之间连接有稳压滤波单元。
10.根据权利要求8所述的基于透平变转速的TRT并网发电系统，其特征在于，所述稳压滤波单元为电解电容。
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