CN113964871A - 一种余热利用透平发电并网系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种余热利用透平发电并网系统及控制方法，发电机通过变频启动减小启动转矩对透平和发电机冲击，透平发电系统损耗小，设备成本低，保证发电质量的前提下且能灵活控制并网与脱网。包括透平，所述透平的进口端连接透平进口调节阀，所述透平的进口端、出口端之间并联有透平旁通开关阀，透平旁通开关阀位于透平进口调节阀的下游端，所述透平的输出端依次连接发电机、变频器、隔离变压器、电网，所述发电机具有电动机功能，用于以电机运行方式启动透平，所述变频器具有双向传输电能的功能，发电机处于发电状态时转速受变频器抑制，发电机处于电动状态时转速受变频器控制，所述隔离变压器用于消除变频器产生的共模电压。
Description
技术领域
本发明涉及透平发电技术领域，特别是涉及一种余热利用透平发电并网系统及控制方法。
背景技术
透平发电系统通过回收利用工厂废气余热加热有机介质，加热后的有机介质进入透平并带动透平旋转，透平驱动发电机发电，发出的电直接并上电网。与燃汽轮机发电系统相比，余热利用透平发电系统属于分布式能源利用，具有功率小，转速高，热源不稳定等特点。因此要求余热利用透平发电系统损耗小，设备成本低，保证发电质量的前提下且能灵活控制并网与脱网。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种余热利用透平发电并网系统及控制方法，发电机通过变频启动减小启动转矩对透平和发电机冲击，透平发电系统损耗小，设备成本低，保证发电质量的前提下且能灵活控制并网与脱网。
本发明的目的是这样实现的：
一种余热利用透平发电并网系统，包括透平，所述透平的进口端连接透平进口调节阀，所述透平的进口端、出口端之间并联有透平旁通开关阀，透平旁通开关阀位于透平进口调节阀的下游端，透平旁通开关阀用于与透平进口调节阀配合调节透平的进气量，所述透平的输出端依次连接发电机、变频器、隔离变压器、电网，所述发电机具有电动机功能，用于以电机运行方式启动透平，所述变频器具有双向传输电能的功能，发电机处于发电状态时转速受变频器抑制，发电机处于电动状态时转速受变频器控制，所述隔离变压器用于消除变频器产生的共模电压。
优选地，所述透平进口调节阀为电动调节阀，透平旁通开关阀为快开型开关阀。
优选地，所述变频器采用四象限变频器，所述变频器包括AFE单元、IGBT单元，且AFE单元、IGBT单元通过直流母线连接，实现双向传输电能；
通过变频器IGBT单元将发电机出口电压整流为直流电，直流电经过AFE单元逆变为与电网频率相同的交流电，通过变频器回馈电能至电网；
透平进气越多，发电机通过变频器回馈给电网的电能越多，发电机向外输出电磁功率抵消透平增加的转矩，发电机不会超速；
当透平端气源不足时，电网电能经AFE单元流入，通过IGBT单元输送至发电机，拖动发电机运行，由于变频器调节作用发电机转速保持不会掉转速。
优选地，变频器AFE单元里面放置有LCL滤波器。
优选地，所述发电机采用高速永磁同步发电机。
一种余热利用透平发电并网系统的控制方法，包括一种余热利用透平发电并网系统，控制方法为：
透平进工质前，先启动变频器，设置变频器频率至变频器IGBT单元，通过提升变频器输出频率，从电网取电，将发电机拖动至额定转速，此时发电机驱动透平以额定转速运行，发电机通过变频启动减小启动转矩对透平和发电机冲击；
逐步增加透平进口调节阀开度，工质进入透平，以变频器AFE单元功率为判断依据，AFE单元从电网取电时功率为正，AFE单元向电网回馈电能时功率为负，AFE单元功率由正变为负时，发电机开始向电网输送电能，负值越大输送的电能越多，直至达到发电机额定输出功率；
保持AFE单元电功率为负值，通过改变透平进口调节阀开度改变发电机输出的功率。
优选地，变频器发生故障或者甩负荷时，关闭透平进口调阀的同时打开透平旁通开关阀，进口调节阀的关断时间较慢，让透平进口处的工质通过旁路流通而不进入透平，确保透平转速不会急剧上升，切断透平进口工质后透平将失去动力源而最终停止转动。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明结合现代工业技术，与传统汽轮机发电系统相比，本发明系统升级替代各组成部件，针对新的部件提出新的控制方法。发电机通过变频启动减小启动转矩对透平和发电机冲击，透平发电系统损耗小，设备成本低，保证发电质量的前提下且能灵活控制并网与脱网。
附图说明
图1为余热利用透平发电系统示意图；
图2为控制原理流程图。
附图标记
附图中，1.透平进口调节阀，2.透平旁通开关阀，3.透平，4.发电机，5.变频器，6.隔离电抗器，7.电网。
具体实施方式
如图1所示，为一种余热利用透平发电并网系统的实施例，系统省去了余热换热器等设备，换热器等设备对所述内容不造成影响。
透平进口调节阀1为普通电动调节阀，透平旁通开关阀2为快开型开关阀。
透平3是透平膨胀机，常见的透平旋转机械，一定温度和压力的介质进入透平3里面，经过透平膨胀之后变成温度和压力都降低的介质，介质所携带的能量转换为透平旋转机械能。
发电机4采用高速永磁同步发电机。
变频器5采用四象限变频器，主要由AFE单元和IGBT单元组成，与传统两象限变频器相比，整流单元由AFE单元替代，且AFE单元和IGBT单元通过直流母线连接可以实现双向传输电能。
隔离变压器6的作用消除变频器产生的共模电压，避免该共模电压对电网上其他用电设备产生电磁干扰。
电网7指的是国家电力系统网，由许多发电及用电设备组成。
由于功率在几百千瓦级别，发电机用高速永磁同步发电机，可省去减速齿轮箱结构，减少齿轮箱机械摩擦功率损耗，透平机械能更高效的传递给发电机。采用永磁体励磁，减少发电机励磁系统，且发电机即可以当发电机发电运行，也可以当电机拖动运行。以电机运行方式启动透平，通过变频启动减小启动转矩对透平和发电机冲击。
由于发电机转速高，发电频率不同，通过变频器IGBT单元将发电机出口电压整流为直流电，直流电经过AFE单元逆变为与电网频率相同的交流电，通过变频器回馈电能至电网。透平进气越多，发电机通过变频器回馈给电网的电能越多，发电机向外输出电磁功率抵消透平增加的转矩，发电机将不会超速。当透平端气源不足时，电网电能经AFE单元流入，通过IGBT单元输送至发电机，拖动发电机运行，由于变频器调节作用发电机转速将保持不会掉转速。变频器连通了发电机与电网，替代同期装置和并网装置，减少系统设备，同时变频器控制简单使整个并网系统控制更加简单。变频器AFE单元里面放置有LCL滤波器，保证变频器回馈给电网的电能质量满足国家标准相关要求。
发电机处于发电状态时转速受变频器抑制，发电机处于电动状态时转速受变频器控制，透平进口调节阀只用于调节透平进气量多少，不需要精确的控制透平的转速，选择普通的电动调节阀即可，取消了高精度、高动态响应的调节机构，减少系统的成本。
如图2所示，考虑进入透平的有机工质供应正常情况下，控制方法如下，透平不进工质，先启动变频器，设置变频器频率至变频器IGBT单元，通过提升变频器输出频率，将发电机拖动至额定转速，此时发电机驱动透平以额定转速运行。逐步增加透平进口调节阀开度，工质进入透平，以变频器AFE单元功率为判断依据，AFE单元从电网取电时功率为正，AFE单元向电网回馈电能时功率为负，AFE单元功率由正变为负时发电机开始向电网输送电能，负值越大输送的电能越多，直至达到发电机额定输出功率。保持AFE单元电功率为负值，通过改变透平进口调节阀开度即可改变发电机输出的功率。变频器发生故障或者甩负荷等原因导致变频器须快速脱离电网，可能会引起透平飞车，此时关闭透平进口调阀的同时打开透平旁通开关阀，进口调节阀的关断时间较慢，让透平进口处的工质通过旁路流通而不进入透平，确保透平转速不会急剧上升，切断透平进口工质后透平将失去动力源而最终停止转动。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种余热利用透平发电并网系统，其特征在于：包括透平，所述透平的进口端连接透平进口调节阀，所述透平的进口端、出口端之间并联有透平旁通开关阀，透平旁通开关阀位于透平进口调节阀的下游端，透平旁通开关阀用于与透平进口调节阀配合调节透平的进气量，所述透平的输出端依次连接发电机、变频器、隔离变压器、电网，所述发电机具有电动机功能，用于以电机运行方式启动透平，所述变频器具有双向传输电能的功能，发电机处于发电状态时转速受变频器抑制，发电机处于电动状态时转速受变频器控制，所述隔离变压器用于消除变频器产生的共模电压。
2.根据权利要求1所述的一种余热利用透平发电并网系统，其特征在于：所述透平进口调节阀为电动调节阀，透平旁通开关阀为快开型开关阀。
3.根据权利要求1所述的一种余热利用透平发电并网系统，其特征在于：所述变频器采用四象限变频器，所述变频器包括AFE单元、IGBT单元，且AFE单元、IGBT单元通过直流母线连接，实现双向传输电能；
通过变频器IGBT单元将发电机出口电压整流为直流电，直流电经过AFE单元逆变为与电网频率相同的交流电，通过变频器回馈电能至电网；
透平进气越多，发电机通过变频器回馈给电网的电能越多，发电机向外输出电磁功率抵消透平增加的转矩，发电机不会超速；
当透平端气源不足时，电网电能经AFE单元流入，通过IGBT单元输送至发电机，拖动发电机运行，由于变频器调节作用发电机转速保持不会掉转速。
4.根据权利要求3所述的一种余热利用透平发电并网系统，其特征在于：变频器AFE单元里面放置有LCL滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种余热利用透平发电并网系统，其特征在于：所述发电机采用高速永磁同步发电机。
6.一种余热利用透平发电并网系统的控制方法，其特征在于：
透平进工质前，先启动变频器，设置变频器频率至变频器IGBT单元，通过提升变频器输出频率，从电网取电，将发电机拖动至额定转速，此时发电机驱动透平以额定转速运行，发电机通过变频启动减小启动转矩对透平和发电机冲击；
逐步增加透平进口调节阀开度，工质进入透平，以变频器AFE单元功率为判断依据，AFE单元从电网取电时功率为正，AFE单元向电网回馈电能时功率为负，AFE单元功率由正变为负时，发电机开始向电网输送电能，负值越大输送的电能越多，直至达到发电机额定输出功率；
保持AFE单元电功率为负值，通过改变透平进口调节阀开度改变发电机输出的功率。
7.根据权利要求6所述的一种余热利用透平发电并网系统的控制方法，其特征在于：变频器发生故障或者甩负荷时，关闭透平进口调阀的同时打开透平旁通开关阀，进口调节阀的关断时间较慢，让透平进口处的工质通过旁路流通而不进入透平，确保透平转速不会急剧上升，切断透平进口工质后透平将失去动力源而最终停止转动。
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