CN116181487A - 基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法 - Google Patents

基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法 Download PDF

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CN116181487A CN202310473548.7A CN202310473548A CN116181487A CN 116181487 A CN116181487 A CN 116181487A CN 202310473548 A CN202310473548 A CN 202310473548A CN 116181487 A CN116181487 A CN 116181487A
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Abstract

本发明公开了一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法，该系统包括：燃气轮机单元、永磁同步发电机单元、飞轮储能单元、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元和中央控制器，中央控制器用于获取所述永磁同步发电机单元的实时转速，并根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动，在燃气轮机发电系统完成启动，并进入发电状态时，永磁同步发电机单元接收燃气轮机单元输出的有功功率进行发电，并通过飞轮储能单元对永磁同步发电机单元的发电功率进行功率补偿，如此，可以复用启动机组和发电机组，即只使用一个永磁同步发电机，节省了额外的启动机组，节约了设备占地面积。

Description

基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机发电技术领域，尤其是涉及一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法。
背景技术
近年来，经济的快速发展促进了电力需求的不断增长，化石燃料不断消耗所导致的能源危机和环境污染问题也日益凸显，发展新能源和分布式发电技术正日益受到人们的关注。但以风电、光伏为代表的分布式电源具有较强的间歇性和不稳定性，使得分布式新能源电站的电能质量较差且弃光率较高，造成资源的浪费。微型燃气轮机发电系统具有响应速度快、排放低、综合效率高的优点，而传统微型燃气轮机在负载小范围变化时通常依靠直流母线电压上的储能蓄电池进行调节，但传统电池储能体积大、成本高、能量转换率有限且寿命周期短；此外，传统的微型燃气轮机系统里通过蓄电池的装置来完成微型燃机的启动运行，但由于蓄电池本身对充放电功率的约束，无法作为应对冲击性负载的储能机构。
传统的微型燃气轮机系统中包含蓄电池模块，但其主要在微型燃机启动过程中向永磁同步电机提供能量的作用，以拖动微型燃机启动。但蓄电池由于受其自身面对充放电响应速度以及能量转换等影响，其无法作为补偿功率装置对电网或者冲击性负载功率进行充放电工作。而传统微型燃气轮机工作过程中其发电机的功率为直接提供给负载一侧，其负载侧的功率完全由微型燃气轮机给与提供。但微型燃机燃烧能量转化为输出功率时，具有一定的延缓性，这就会导致在负载在阶跃性变化时，微型燃机调整到输出功率与负载功率相等的过程中，直流侧电压会由于发电机输出功率与负载侧功率不匹配的问题产生电压波动，造成输出电能质量的下降。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法。
本发明提出的一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，包括：燃气轮机单元、永磁同步发电机单元、飞轮储能单元、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元和中央控制器；其中，所述燃气轮机单元用于在所述燃气轮机发电系统处于发电状态时，根据负载变化调节燃料流量，以通过所述燃料燃烧输出有功功率；所述永磁同步发电机单元与所述燃气轮机单元连接，用于拖动所述燃气轮机单元启动，或者，在所述燃气轮机发电系统处于发电状态时，接收所述燃气轮机单元输出的有功功率，以进行发电；所述飞轮储能单元与所述永磁同步发电机单元连接，用于对所述永磁同步发电机单元的发电功率进行功率补偿；所述机侧换流器单元分别与所述永磁同步发电机单元和所述直流母线连接，用于控制所述直流母线的电压；所述逆变器单元与所述直流母线连接，用于控制负载的电压及电流；所述中央控制器分别与所述燃气轮机单元、所述永磁同步发电机单元、所述飞轮储能单元和所述逆变器单元连接，用于获取所述永磁同步发电机单元的实时转速，并根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动。
另外，根据本发明实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述飞轮储能单元包括：功率补偿控制器和飞轮；其中，所述功率补偿控制器，用于输出调节所述飞轮转速的信号；所述飞轮与所述功率补偿控制器连接，用于接收所述功率补偿控制器输出的飞轮转速信号，并根据所述飞轮转速信号运转以对需求功率进行功率补偿。
进一步地，所述永磁同步发电机单元包括：永磁同步发电机控制器和永磁同步发电机；其中，所述永磁同步发电机控制器与所述永磁同步发电机连接，用于采集所述永磁同步发电机的输出电压、输出电流和转速，并输出所述输出电压、所述输出电流和所述转速至所述中央控制器；所述永磁同步发电机，与所述燃气轮机单元连接，用于接收所述燃气轮机单元输出的有功功率，以进行发电。
进一步地，根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动时，所述中央控制器用于：当所述实时转速达到最小工作转速之前，对所述飞轮进行恒转矩控制；当所述实时转速达到所述最小工作转速时，对所述飞轮进行恒功率控制；当所述飞轮的转速达到第一预设转速时，采用转速电流双闭环控制策略控制所述永磁同步发电机的转速，以使所述永磁同步发电机的转速达到第二预设转速，其中，所述转速电流双闭环中的转速环用于控制所述飞轮的转速，所述转速电流双闭环中的电流环用于控制所述永磁同步发电机的电流。
进一步地，所述电流环具体为：
Figure SMS_1
；
其中，ud，uq为机侧换流器单元的输出电压，
Figure SMS_2
为所述永磁同步发电机的电角频率，Kip，Kii参考所述永磁同步发电机电流环参数设计，分别取0.835与4.5，iq *，id *为所述永磁同步发电机直交轴电流参考值，iq，id为所述永磁同步发电机实际的直交轴电流值，Ld，Lq为所述永磁同步发电机直交轴的电感，/>
Figure SMS_3
为所述永磁同步发电机的磁链，s为所述永磁同步发电机直交轴电流参考值与实际的直交轴电流值之间差值的积分。
进一步地，在所述永磁同步发电机的转速达到第二预设转速之后，所述中央控制器还用于：当所述永磁同步发电机的转速达到第三预设转速时，燃气轮机单元完成启动，并进入发电状态，其中，所述第二预设转速小于所述第三预设转速。
进一步地，所述中央控制器还用于：在根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动之后，实时获取负载需求功率和所述永磁同步发电机的发电功率；根据所述负载需求功率和所述发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对所述负载需求功率进行功率补偿。
进一步地，根据所述负载需求功率和所述发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对所述负载需求功率进行功率补偿时，所述中央控制器用于：计算所述负载需求功率和所述发电功率的差值，并输出所述差值至所述功率补偿控制器；所述功率补偿控制器通过电压电流双闭环控制策略进行直流母线电压的控制，其中，所述电压电流双闭环中的电流环使用转子磁链定向的矢量控制方法，所述电压电流双闭环中的电压环使用所述直流母线电压作为参考值，以产生指令电流。
进一步地，所述电压环具体为：
Figure SMS_4
；
其中，
Figure SMS_5
为永磁同步发电机直交轴电流参考值，/>
Figure SMS_6
为直流母线的正常工作电压，
Figure SMS_7
为所述直流母线的实际工作电压，s1为所述直流母线的正常工作电压与实际工作电压之间差值的积分，Kup，Kui参考PWM整流器电压环参数设计，分别取0.2与0.8。
根据本发明实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，该燃气轮机发电系统包括燃气轮机单元、永磁同步发电机单元、飞轮储能单元、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元和中央控制器，中央控制器用于获取永磁同步发电机单元的实时转速，并根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动；进一步的，在燃气轮机发电系统完成启动，并进入发电状态时，永磁同步发电机单元接收燃气轮机单元输出的有功功率进行发电，并通过飞轮储能单元对永磁同步发电机单元的发电功率进行功率补偿，如此，可以复用启动机组和发电机组，即只使用一个永磁同步发电机，节省了额外的启动机组，节约了设备占地面积。由于燃气轮机发电系统在发电状态时，利用了飞轮储能单元的快速响应特性，减小了运行负载突变的过冲，节省了常规离线微电网的储能电池，使得体积能量成本均有所减小，增加了系统的便携性，进一步实现了能量一体化。进一步的，为了防止永磁同步发电机的转速达到第二预设转速附近时，受到外界干扰，引起转速的波动，使燃气轮机发电系统在启动和发电模式间频繁切换，导致工作状态异常，本发明实施例设置第三预设转速，即当永磁同步发电机的转速进一步增大，达到第三预设转速时，控制燃气轮机发电系统从启动状态进入发电状态，以提高系统运行的稳定性。
针对上述存在的问题，本发明还提出一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的控制方法，用于如上述任一实施例所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，所述方法包括：获取永磁同步发电机单元的实时转速；根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动。
根据本发明实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的控制方法，中央控制器获取永磁同步发电机单元的实时转速，并根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动；进一步的，在燃气轮机发电系统完成启动，并进入发电状态时，永磁同步发电机单元接收燃气轮机单元输出的有功功率进行发电，并通过飞轮储能单元对永磁同步发电机单元的发电功率进行功率补偿，如此，可以复用启动机组和发电机组，即只使用一个永磁同步发电机，节省了额外的启动机组，节约了设备占地面积。由于燃气轮机发电系统在发电状态时，利用了飞轮储能单元的快速响应特性，减小了运行负载突变的过冲，节省了常规离线微电网的储能电池，使得体积能量成本均有所减小，增加了系统的便携性，进一步实现了能量一体化。进一步的，为了防止永磁同步发电机的转速达到第二预设转速附近时，受到外界干扰，引起转速的波动，使燃气轮机发电系统在启动和发电模式间频繁切换，导致工作状态异常，本发明实施例设置第三预设转速，即当永磁同步发电机的转速进一步增大，达到第三预设转速时，控制燃气轮机发电系统从启动状态进入发电状态，以提高系统运行的稳定性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的转速电流双闭环的控制框图；
图3是根据本发明一个实施例的电压电流双闭环中的电压环的控制框图；
图4是根据本发明一个实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
下面参考图1-图4描述根据本发明实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法。
图1是根据本发明一个实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的结构示意图，如图1所示，一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，包括：燃气轮机单元10、永磁同步发电机单元20、飞轮储能单元30、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元40和中央控制器。其中，燃气轮机单元10用于在燃气轮机发电系统处于发电状态时，根据负载变化调节燃料流量，以通过燃料燃烧输出有功功率；永磁同步发电机单元20与燃气轮机单元10连接，用于拖动燃气轮机单元10启动，或者，在燃气轮机发电系统处于发电状态时，接收燃气轮机单元10输出的有功功率，以进行发电；飞轮储能单元30与永磁同步发电机单元20连接，用于对永磁同步发电机单元20的发电功率进行功率补偿；机侧换流器单元分别与永磁同步发电机单元20和直流母线连接，用于控制直流母线的电压；逆变器单元40与直流母线连接，用于控制负载的电压及电流；中央控制器分别与燃气轮机单元10、永磁同步发电机单元20、飞轮储能单元30和逆变器单元40连接，用于获取永磁同步发电机单元20的实时转速，并根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动。
具体而言，如图1所示，燃气轮机单元10包括微燃机控制器和微燃机。燃气轮机发电系统在启动时，微燃机需要加速至启动转速才能点火，进一步加速至工作转速时才能对外发电。永磁同步发电机单元20可以拖动飞轮储能单元30加速旋转，飞轮转子和永磁同步发电机转子的转动惯量可视为一体，由永磁同步发电机拖动燃气轮机进行启动，因此，本发明实施例通过获取永磁同步发电机单元20的实时转速，并根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动；进一步的，在燃气轮机发电系统完成启动，并进入发电状态时，永磁同步发电机单元20接收燃气轮机单元10输出的有功功率进行发电，并通过飞轮储能单元30对永磁同步发电机单元20的发电功率进行功率补偿，如此，可以复用启动机组和发电机组，即只使用一个永磁同步发电机，节省了额外的启动机组，节约了设备占地面积。由于燃气轮机发电系统在发电状态时，利用了飞轮储能单元30的快速响应特性，减小了运行负载突变的过冲，节省了常规离线微电网的储能电池，使得体积能量成本均有所减小，增加了系统的便携性，进一步实现了能量一体化。
在本发明的一个实施例中，飞轮储能单元30包括：功率补偿控制器和飞轮。其中，功率补偿控制器用于输出调节飞轮转速的信号；飞轮与功率补偿控制器连接，用于接收功率补偿控制器输出的飞轮转速信号，并根据飞轮转速信号运转以对需求功率进行功率补偿。
具体而言，如图1所示，当燃气轮机发电系统处于发电状态时，功率补偿控制器接收中央控制器输出的功率补偿值，并根据该功率补偿值输出调节飞轮转速的信号，以控制飞轮的转速，实现对需求功率的补偿，使得燃气轮机发电系统的功率传输稳定，且直流侧电压无较大波动，避免出现功率不平配的问题。
在本发明的一个实施例中，永磁同步发电机单元20包括：永磁同步发电机控制器和永磁同步发电机。其中，永磁同步发电机控制器与永磁同步发电机连接，用于采集永磁同步发电机的输出电压、输出电流和转速，并输出电压、输出电流和转速至中央控制器；永磁同步发电机，与燃气轮机单元10连接，用于接收燃气轮机单元10输出的有功功率，以进行发电。
具体而言，当燃气轮机发电系统处于启动状态时，永磁同步发电机控制器实时采集永磁同步发电机的输出电压、输出电流和转速，中央控制器根据转速控制燃气轮机发电系统启动；当燃气轮机发电系统启动完成，进入状态时，永磁同步发电机接收燃气轮机单元10输出的有功功率，以进行发电。
在本发明的一个实施例中，根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动时，中央控制器用于：当实时转速达到最小工作转速之前，对飞轮进行恒转矩控制；当实时转速达到最小工作转速时，对飞轮进行恒功率控制；当飞轮的转速达到第一预设转速时，采用转速电流双闭环控制策略控制永磁同步发电机的转速，以使永磁同步发电机的转速达到第二预设转速，其中，转速电流双闭环中的转速环用于控制飞轮的转速，转速电流双闭环中的电流环用于控制永磁同步发电机的电流。具体的，转速电流双闭环的控制框图如图2所示，q轴实际电流值和永磁同步发电机的实际转速有关，根据永磁同步发电机的给定转速来调节q轴实际电流，
Figure SMS_8
是通过转速环计算得到的参考电流值，以通过负反馈形式减少实际电流和参考电流值的偏差，使q轴实际电流达到参考电流值，从而使永磁同步发电机的实际转速达到给定转速。
具体而言，永磁同步发电机和飞轮同轴设置，因此，飞轮转子的转速和永磁同步发电机的转速相同，永磁同步发电机的转速持续上升，飞轮转速也持续上升。在燃气轮机发电系统启动的过程中，当永磁同步发电机的实时转速达到最小工作转速之前，对飞轮进行恒转矩控制，且恒转矩控制时对应的转矩为飞轮的最大工作转矩，具体的，最大工作转矩为飞轮额定转矩的3倍。当永磁同步发电机的实时转速达到最小工作转速时，对飞轮进行恒功率控制，即控制飞轮进行恒功率充电，充电功率例如为5kW。在飞轮充电的过程中，飞轮的工作转速会继续增加，当飞轮的转速达到第一预设转速时，采用转速电流双闭环控制策略控制永磁同步发电机的转速，直至永磁同步发电机的转速达到第二预设转速。需要说明的是，当永磁同步发电机的转速达到第二预设转速时，说明燃气轮机发电系统启动完成。如此，在飞轮充电的过程中，采用低速恒转矩、高速恒功率，最后采用转速电流双闭环的控制策略，使电机和中央控制器的性能得到了提高，同时降低了永磁同步发电机的功率容量。
在具体实施例中，飞轮开始工作的转速为
Figure SMS_9
，第一预设转速例如为2800r/min，则当飞轮转速达到/>
Figure SMS_10
时切换为转速电流双闭环控制。
在具体实施例中，通过转速环得到永磁同步发电机的转矩参考分量，可表示为：
Figure SMS_11
；
其中，iq *为永磁同步发电机直交轴电流参考值，nref为永磁同步发电机的参考转速，n为永磁同步发电机的实时转速，s3为永磁同步发电机的参考转速与实时转速之间差值的积分，参数Knp，Kni参考同等飞轮转速稳定控制的机械参数设计，本实施例中分别取2与10。具体的，
Figure SMS_12
。
在本发明的一个实施例中，电流环具体为：
Figure SMS_13
；
其中，ud，uq为机侧换流器单元的输出电压，
Figure SMS_14
为永磁同步发电机的电角频率，Kip，Kii参考永磁同步发电机电流环参数设计，分别取0.835与4.5，iq *，id *为永磁同步发电机直交轴电流参考值，iq，id为永磁同步发电机实际的直交轴电流值，Ld，Lq为永磁同步发电机直交轴的电感，/>
Figure SMS_15
为永磁同步发电机的磁链，s为永磁同步发电机直交轴电流参考值与实际的直交轴电流值之间差值的积分。
具体而言，通过永磁同步发电机控制器采集永磁同步发电机的输出电压例如ea，eb，ec和输出电流例如ia，ib，ic后，可以通过dq坐标变换单元获得永磁同步发电机输出电压的eq，ed分量以及输出电流的iq，id分量，经过
Figure SMS_16
的转子磁链定向控制，可以得到机侧换流器的输出电压ud，uq，再经过SVPWM产生整流器调制信号对应的电流环节控制器，即本发明实施例中的电流环。在具体实施例中，/>
Figure SMS_17
，永磁同步发电机的磁链为0.04278Wb。
在本发明的一个实施例中，在永磁同步发电机的转速达到第二预设转速之后，中央控制器还用于：当永磁同步发电机的转速达到第三预设转速时，燃气轮机单元10完成启动，并进入发电状态，其中，第二预设转速小于第三预设转速。
具体而言，本发明实施例根据永磁同步发电机的实时转速判断燃气轮机发电系统处于启动状态或发电状态，如前所述，当永磁同步发电机的转速达到第二预设转速时，燃气轮机发电系统启动完成，并进入发电状态。为了防止永磁同步发电机的转速达到第二预设转速附近时，受到外界干扰，引起转速的波动，使燃气轮机发电系统在启动和发电模式间频繁切换，导致工作状态异常，本发明实施例设置第三预设转速，即当永磁同步发电机的转速进一步增大，达到第三预设转速时，控制燃气轮机发电系统从启动状态进入发电状态，以提高系统运行的稳定性。
在本发明的一个实施例中，中央控制器还用于：在根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动之后，实时获取负载需求功率和永磁同步发电机的发电功率；根据负载需求功率和发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对负载需求功率进行功率补偿。
具体而言，燃气轮机发电系统启动之后，若发生负载突变，其信号输入至中央控制器，中央控制器控制微型燃气轮机对负载的变化做出相应改变，调节燃料流量注入，进入燃气轮机燃烧室燃烧做功。同时，中央控制器根据负载需求功率和永磁同步发电机的发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对负载需求功率进行功率补偿，即通过飞轮充电或放电补偿负载需求功率，以减小运行负载突变的过冲，节省常规离线微电网的储能电池，使得体积能量成本均有所减小，进一步实现了能量一体化，并提高系统的动态性能。在具体实施例中，当发生负载突增时，将飞轮上储存的对应功率释放到永磁同步电机中，以在冲击负载抵达的瞬间，按照负载侧的功率进行补偿，避免出现功率不平配的问题。
在本发明的一个实施例中，根据负载需求功率和发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对负载需求功率进行功率补偿时，中央控制器用于：计算负载需求功率和发电功率的差值，并输出差值至功率补偿控制器；功率补偿控制器通过电压电流双闭环控制策略进行直流母线电压的控制。其中，电压电流双闭环中的电流环使用转子磁链定向的矢量控制方法，用于维持直流母线电压；电压电流双闭环中的电压环使用直流母线电压作为参考值，以产生指令电流，用于控制电机电流。
在具体实施例中，中央控制器通过对永磁同步发电机的发电功率进行预测，以及对负载功率进行辨识，然后计算负载需求功率和发电功率的差值，并输出差值至功率补偿控制器，功率补偿控制器通过电压电流双闭环控制策略进行直流母线电压的控制以及瞬时功率的调节，以对直流侧的功率进行补偿，使得燃气轮机发电系统的功率传输稳定，且直流侧电压无较大波动，提高系统的动态性能。
在本发明的一个实施例中，电压环具体为：
Figure SMS_18
；
其中，
Figure SMS_19
为永磁同步发电机直交轴电流参考值，/>
Figure SMS_20
为直流母线的正常工作电压，
Figure SMS_21
为直流母线的实际工作电压，s1为直流母线的正常工作电压与实际工作电压之间差值的积分，Kup，Kui参考PWM整流器电压环参数设计，分别取0.2与0.8。
具体而言，如图3所示，燃气轮机发电系统处于发电状态时，燃气轮机拖动永磁同步发电机发电，机侧换流器此时工作在整流状态，逆变器单元40工作在无源逆变状态，使用SPWM方式进行调制。PWM整流状态时，电压电流双闭环中的电流环仍然工作在
Figure SMS_22
的转子磁链定向状态。其中q轴电流参考信号由直流电压产生。
根据本发明实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，该燃气轮机发电系统包括燃气轮机单元10、永磁同步发电机单元20、飞轮储能单元30、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元40和中央控制器，中央控制器用于获取永磁同步发电机单元20的实时转速，并根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动；进一步的，在燃气轮机发电系统完成启动，并进入发电状态时，永磁同步发电机单元20接收燃气轮机单元输出的有功功率进行发电，并通过飞轮储能单元30对永磁同步发电机单元20的发电功率进行功率补偿，如此，可以复用启动机组和发电机组，即只使用一个永磁同步发电机，节省了额外的启动机组，节约了设备占地面积。由于燃气轮机发电系统在发电状态时，利用了飞轮储能单元30的快速响应特性，减小了运行负载突变的过冲，节省了常规离线微电网的储能电池，使得体积能量成本均有所减小，增加了系统的便携性，进一步实现了能量一体化。进一步的，为了防止永磁同步发电机的转速达到第二预设转速附近时，受到外界干扰，引起转速的波动，使燃气轮机发电系统在启动和发电模式间频繁切换，导致工作状态异常，本发明实施例设置第三预设转速，即当永磁同步发电机的转速进一步增大，达到第三预设转速时，控制燃气轮机发电系统从启动状态进入发电状态，以提高系统运行的稳定性。
本发明的进一步实施例还公开了一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的控制方法，用于如上述任一实施例所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，如图4所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S1:获取永磁同步发电机单元的实时转速。
步骤S2:根据永磁同步发电机单元的实时转速控制燃气轮机发电系统启动。
在本发明的一个实施例中，所述飞轮储能单元包括：功率补偿控制器和飞轮；其中，功率补偿控制器，用于输出调节飞轮转速的信号；飞轮与功率补偿控制器连接，用于接收功率补偿控制器输出的飞轮转速信号，并根据飞轮转速信号运转以对需求功率进行功率补偿。
在本发明的一个实施例中，永磁同步发电机单元包括：永磁同步发电机控制器和永磁同步发电机。其中，永磁同步发电机控制器与永磁同步发电机连接，用于采集永磁同步发电机的输出电压、输出电流和转速，并输出电压、输出电流和转速至中央控制器；永磁同步发电机，与燃气轮机单元连接，用于接收燃气轮机单元输出的有功功率，以进行发电。
在本发明的一个实施例中，根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动，包括：当实时转速达到最小工作转速之前，对飞轮进行恒转矩控制；当实时转速达到最小工作转速时，对飞轮进行恒功率控制；当飞轮的转速达到第一预设转速时，采用转速电流双闭环控制策略控制永磁同步发电机的转速，以使永磁同步发电机的转速达到第二预设转速，其中，转速电流双闭环中的转速环用于控制飞轮的转速，转速电流双闭环中的电流环用于控制永磁同步发电机的电流。
在本发明的一个实施例中，电流环具体为：
Figure SMS_23
；
其中，ud，uq为机侧换流器单元的输出电压，
Figure SMS_24
为永磁同步发电机的电角频率，Kip，Kii参考永磁同步发电机电流环参数设计，分别取0.835与4.5，iq *，id *为永磁同步发电机直交轴电流参考值，iq，id为永磁同步发电机实际的直交轴电流值，Ld，Lq为永磁同步发电机直交轴的电感，/>
Figure SMS_25
为永磁同步发电机的磁链，s为永磁同步发电机直交轴电流参考值与实际的直交轴电流值之间差值的积分。
在本发明的一个实施例中，在永磁同步发电机的转速达到第二预设转速之后，该方法还包括：当永磁同步发电机的转速达到第三预设转速时，燃气轮机单元完成启动，并进入发电状态，其中，第二预设转速小于第三预设转速。
在本发明的一个实施例中，该方法还包括：在根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动之后，实时获取负载需求功率和永磁同步发电机的发电功率；根据负载需求功率和发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对负载需求功率进行功率补偿。
在本发明的一个实施例中，根据负载需求功率和发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对负载需求功率进行功率补偿，包括：计算负载需求功率和发电功率的差值，并输出差值至功率补偿控制器；功率补偿控制器通过电压电流双闭环控制策略进行直流母线电压的控制。其中，电压电流双闭环中的电流环使用转子磁链定向的矢量控制方法，用于维持直流母线电压；电压电流双闭环中的电压环使用直流母线电压作为参考值，以产生指令电流，用于控制电机电流。
在本发明的一个实施例中，电压环具体为：
Figure SMS_26
；
其中，
Figure SMS_27
为永磁同步发电机直交轴电流参考值，/>
Figure SMS_28
为直流母线的正常工作电压，
Figure SMS_29
为直流母线的实际工作电压，s1为直流母线的正常工作电压与实际工作电压之间差值的积分，Kup，Kui参考PWM整流器电压环参数设计，分别取0.2与0.8。
需要说明的是，本发明实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的控制方法在进行发电控制时，其具体实现方式与本发明实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的具体实现方式类似，具体请参见系统部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。
根据本发明实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的控制方法，中央控制器获取永磁同步发电机单元的实时转速，并根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动；进一步的，在燃气轮机发电系统完成启动，并进入发电状态时，永磁同步发电机单元接收燃气轮机单元输出的有功功率进行发电，并通过飞轮储能单元对永磁同步发电机单元的发电功率进行功率补偿，如此，可以复用启动机组和发电机组，即只使用一个永磁同步发电机，节省了额外的启动机组，节约了设备占地面积。由于燃气轮机发电系统在发电状态时，利用了飞轮储能单元的快速响应特性，减小了运行负载突变的过冲，节省了常规离线微电网的储能电池，使得体积能量成本均有所减小，增加了系统的便携性，进一步实现了能量一体化。进一步的，为了防止永磁同步发电机的转速达到第二预设转速附近时，受到外界干扰，引起转速的波动，使燃气轮机发电系统在启动和发电模式间频繁切换，导致工作状态异常，本发明实施例设置第三预设转速，即当永磁同步发电机的转速进一步增大，达到第三预设转速时，控制燃气轮机发电系统从启动状态进入发电状态，以提高系统运行的稳定性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，包括：燃气轮机单元、永磁同步发电机单元、飞轮储能单元、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元和中央控制器；其中，
所述燃气轮机单元用于在所述燃气轮机发电系统处于发电状态时，根据负载变化调节燃料流量，以通过所述燃料燃烧输出有功功率；
所述永磁同步发电机单元与所述燃气轮机单元连接，用于拖动所述燃气轮机单元启动，或者，在所述燃气轮机发电系统处于发电状态时，接收所述燃气轮机单元输出的有功功率，以进行发电；
所述飞轮储能单元与所述永磁同步发电机单元连接，用于对所述永磁同步发电机单元的发电功率进行功率补偿；
所述机侧换流器单元分别与所述永磁同步发电机单元和所述直流母线连接，用于控制所述直流母线的电压；
所述逆变器单元与所述直流母线连接，用于控制负载的电压及电流；
所述中央控制器分别与所述燃气轮机单元、所述永磁同步发电机单元、所述飞轮储能单元和所述逆变器单元连接，用于获取所述永磁同步发电机单元的实时转速，并根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动。
2.根据权利要求1所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述飞轮储能单元包括：功率补偿控制器和飞轮；其中，
所述功率补偿控制器，用于输出调节所述飞轮转速的信号；
所述飞轮与所述功率补偿控制器连接，用于接收所述功率补偿控制器输出的飞轮转速信号，并根据所述飞轮转速信号运转以对需求功率进行功率补偿。
3.根据权利要求2所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述永磁同步发电机单元包括：永磁同步发电机控制器和永磁同步发电机；其中，
所述永磁同步发电机控制器与所述永磁同步发电机连接，用于采集所述永磁同步发电机的输出电压、输出电流和转速，并输出所述输出电压、所述输出电流和所述转速至所述中央控制器；
所述永磁同步发电机，与所述燃气轮机单元连接，用于接收所述燃气轮机单元输出的有功功率，以进行发电。
4.根据权利要求3所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动时，所述中央控制器用于：
当所述实时转速达到最小工作转速之前，对所述飞轮进行恒转矩控制；
当所述实时转速达到所述最小工作转速时，对所述飞轮进行恒功率控制；
当所述飞轮的转速达到第一预设转速时，采用转速电流双闭环控制策略控制所述永磁同步发电机的转速，以使所述永磁同步发电机的转速达到第二预设转速，其中，所述转速电流双闭环中的转速环用于控制所述飞轮的转速，所述转速电流双闭环中的电流环用于控制所述永磁同步发电机的电流。
5.根据权利要求4所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述电流环具体为：
Figure QLYQS_1
；
其中，ud，uq为机侧换流器单元的输出电压，
Figure QLYQS_2
为所述永磁同步发电机的电角频率，Kip，Kii参考所述永磁同步发电机电流环参数设计，分别取0.835与4.5，iq *，id *为所述永磁同步发电机直交轴电流参考值，iq，id为所述永磁同步发电机实际的直交轴电流值，Ld，Lq为所述永磁同步发电机直交轴的电感，/>
Figure QLYQS_3
为所述永磁同步发电机的磁链，s为所述永磁同步发电机直交轴电流参考值与实际的直交轴电流值之间差值的积分。
6.根据权利要求4所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，在所述永磁同步发电机的转速达到第二预设转速之后，所述中央控制器还用于：
当所述永磁同步发电机的转速达到第三预设转速时，燃气轮机单元完成启动，并进入发电状态，其中，所述第二预设转速小于所述第三预设转速。
7.根据权利要求6所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述中央控制器还用于：
在根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动之后，实时获取负载需求功率和所述永磁同步发电机的发电功率；
根据所述负载需求功率和所述发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对所述负载需求功率进行功率补偿。
8.根据权利要求7所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，根据所述负载需求功率和所述发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对所述负载需求功率进行功率补偿时，所述中央控制器用于：
计算所述负载需求功率和所述发电功率的差值，并输出所述差值至所述功率补偿控制器；
所述功率补偿控制器通过电压电流双闭环控制策略进行直流母线电压的控制，其中，所述电压电流双闭环中的电流环使用转子磁链定向的矢量控制方法，所述电压电流双闭环中的电压环使用所述直流母线电压作为参考值，以产生指令电流。
9.根据权利要求8所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述电压环具体为：
Figure QLYQS_4
；
其中，
Figure QLYQS_5
为永磁同步发电机直交轴电流参考值，/>
Figure QLYQS_6
为直流母线的正常工作电压，/>
Figure QLYQS_7
为所述直流母线的实际工作电压，s1为所述直流母线的正常工作电压与实际工作电压之间差值的积分，Kup，Kui参考PWM整流器电压环参数设计，分别取0.2与0.8。
10.一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统的控制方法，其特征在于，用于如权利要求1-9任一项所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，所述方法包括：
获取永磁同步发电机单元的实时转速；
根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动。
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