CN1822464A - 带功率电网的整体压缩机－涡轮机－电机链的控制 - Google Patents

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Abstract

一种控制压缩机涡轮机电机链(10)的方法，它包括：接收一个来自生产过程控制器的控制信号；接收一个指示出电网(22)状态的反馈信号并且调整压缩机涡轮机电机链(10)的工作参数，来稳定电网(22)的频率和电压中的至少一个。

Description

带功率电网的整体压缩机-涡轮机-电机链的控制
背景技术
压缩机涡轮机电机链为公知的技术。在一个典型的压缩机涡轮机电机链中，压缩机从共用一个传动轴的电机和涡轮机中得到动力。压缩机的动力来源于涡轮机和电机的净输出。电机通过一个传动系统和电网相连。在电接口中通过电力连接与电网交换有用功功率(real power)和无用功功率(reactive power)。电网的电压和频率是传动系统吸引的有用功功率和无用功功率的函数。如果涡轮机的能力超出了涡轮机的负载，那么电机也可以充当一个发电机将动力传递到电网中。
在正常工作时：一个生产过程控制器提供一个命令给压缩机控制系统，通过调整涡轮机控制的速度参考来保持一定的压力比。涡轮机的速度的调节是通过涡轮机控制系统来完成的。当涡轮机运转时，调整燃料流来改变涡轮机的动力和调节速度。传动系统发出命令使电机补偿一个与涡轮机不相匹配的转矩差。当涡轮机不运转的时候，传动系统利用从涡轮机控制系统传递而来的速度命令来执行调节速度的功能。一般的情况是，由涡轮机控制系统来管理协调并且向传动控制系统发出命令。
当前的系统中，负载的大小由压缩机和涡轮机运行情况来决定，而没有来自电网操作系统或其它装置的反馈控制或自动控制来帮助稳定电网。压缩机涡轮机电机链系统不能对电网的变化进行快速响应，而这些变化是由于电力故障、甩负荷或动力突然缺失而产生的。
因此，我们所需是一个用于压缩机涡轮机电机链的控制系统，其中通过自动控制来调整与电网的电接口，由此辅助功率电网的操作。这样一个控制系统能够用来对涡轮机和压缩机负荷之间的有用功功率的平衡的任何微小的变化进行杠杆调节(leverage)，从而帮助调节电网频率，同时也可以利用电机传动的反应式控制(reactive control)能力来辅助调节电网电压。
发明内容
本发明实施例包括一种控制压缩机涡轮机电机链的方法，该方法包括：接收一个来自生产过程控制器的控制信号；接收一个与电网控制器相关的功率参考信号；接收一个指示电网状态的反馈信号；以及调整压缩机涡轮机电机链的工作参数，来稳定电网的频率和电压中的至少一个。
本发明实施例还包括一个压缩机涡轮机电机链的控制系统，该系统包括：一个电网管理系统，运用来接收一个与电网相关的功率参考信号，接收一个指示电网状态的反馈信号，并且输出一个或者多个命令信号；该系统还包括一个压缩机控制系统，其中，压缩机控制系统接收来自生产过程控制器的控制信号，接收一个或者多个命令信号，并且输出一个速度控制信号；该系统还包括一个涡轮机控制系统，所述涡轮机控制系统接收速度控制信号，接收一个或者多个命令信号，并且输出传动命令信号；该系统还包括一个传动控制系统，其中传动控制系统接收传动命令信号和接收一个或者多个所述命令信号。
本发明的实施例包括一种控制压缩机涡轮机电机链的方法，该方法包括接收一个来自生产过程控制器的控制信号的装置；接收一个与电网相关的功率参考信号装置；接收一个指示电网状态的反馈信号的装置；以及调整压缩机涡轮机电机链的工作参数，来稳定电网的频率和电压中的至少一个的装置。
附图说明
参考附图阅读以下对发明的具体描叙，将更容易理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：
图1为一个压缩机涡轮机电机链的结构方块图；
图2为一个压缩机涡轮机电机链控制系统的一个具体实施例的控制图；
图3为一个涡轮机控制系统的一个具体实施例的方块图；
图4为一个传动转矩逻辑控制模块的一个具体实施例的方块图；
图5为一个频率和电压控制模块的一个具体实施例的方块图；
图6为一个电压控制模块的一个具体实施例的方块图；
图7是与具有图2所示的控制系统以及不具有所述系统的压缩机涡轮机电机链相对应的一组示例性的波型；
图8是与具有图2所示的控制系统的压缩机涡轮机电机链在具有和不具有负载调节功能的情况下相对应的一组示例性波形型。
具体实施方式
图1为一个压缩机涡轮机电机链10的一个具体实施例结构的方块图，其中压缩机涡轮机电机链的控制系统30控制压缩机涡轮机电机链，图2描叙了所述控制系统的具体方式。压缩机涡轮机电机链10包括：一个压缩机12，一个电机14，一个涡轮机16，一个传动装置18，一个轴20。涡轮机16和电机14通过轴20相连。压缩机12也通过轴20和电机14相连。电机14通过传动装置18和电网22相连。传动装置18在电网22和电机14之间交换有用功功率或无用功功率。电网22的电压和频率是传动装置18所吸收或者提供的有用功功率和无用功功率的函数。压缩机涡轮机电机链10针对频率和电压的快速和稳态调节来稳定电网。然而应该知道，利用压缩机涡轮机电机链10，可以具有到该过程的耦合。理想的是，这种耦合能够防止断裂并且将对装置的生产率的影响限制到可以接受的范围内。
在一个实施例中，压缩机涡轮机电机链10系统中不同的部件的运行用来方便的控制稳定电网22。也就是说，对涡轮机和压缩机负载间的有用功功率的任何微小变化进行杠杆调节，以加强电网频率的调整，同时也利用电机传动的反馈控制能力来提高电网电压的调节。调节压缩机涡轮机电机链10的工作参数可以影响电网22的运行，这些参数包括(但是不限于)进入涡轮机16的燃料流、涡轮机16的存储能量、压缩机12的存储能量和由压缩机12供应给该过程的能量。例如，在一个实施例中，压缩机涡轮机电机链控制系统30对电网22电压和/或频率的改变作出反应，可以调节燃料流，从而调节涡轮机16的功率输出，同时保持轴20的旋转转速几乎不变。在可选的另一个实施例中，压缩机涡轮机电机链控制系统30对电网22电压和/或频率的改变作出反应，可以改变压缩机12的速度，以及对涡轮机16和压缩机12存储的能量进行杠杆调节。
在实施例中，如图2所示，一个压缩机涡轮机电机链控制系统30可以包括(但不限于)：一个压缩机控制系统40，一个涡轮机控制系统50，一个传动控制系统60，电网管理系统90。压缩机控制系统40接收一个或多个来自生产过程控制器和电网管理系统90的输入信号。压缩机控制系统40作为输出产生理想速度命令。涡轮机控制系统50接收一个或者多个来自压缩机控制系统40和电网管理系统90的输入信号。涡轮机控制系统50作为输出产生直接到达传动控制系统60的理想速度和转矩命令。传动控制系统60接收一个或多个来自涡轮机控制系统50和电网管理系统90的输入信号。电网管理系统90接收一个或多个来自电网控制器和电网转换器92的输入信号。电网管理系统90作为输出产生理想有用功功率和无用功功率的命令。
在实施例中，压缩机控制系统40包括压力比调整器功能块42，用来通过调节压缩机12的速度来改变压缩机12的压力比。更进一步，在另外一个实施例中，压缩机控制系统40还可以包括负载调制器功能块44，用来根据功率控制命令来改变压缩机12的速度。压缩机控制系统40响应负载调制器功能块44而传递一个或多个信号到涡轮机控制系统50中，来设置或调节涡轮机16的速度。
在一个实施例中，压缩机控制系统40接收来自生产过程控制器的一个压力比参考信号45(以下称为Pressure_Ratio_Ref 45)，该信号45表示压缩机12的理想压力比。压缩机控制系统40产生并传递一个速度参考信号41(以下称为Spd_Ref信号41)到涡轮机控制系统50中，该信号41表示涡轮机16的理想速度。另外，压缩机控制系统40还可以产生并传递速度改变信号43(以下称为dSpdPC 43)来命令调整涡轮机16的速度，该信号43表示涡轮机16的理想速度变量。压缩机控制系统40也可以接受一个功率改变控制命令信号71(以下称为dPC_Cmd 71)，该信号71表示压缩机功率的改变量。负载调制器功能块44通过dSpdPC信号43和Spd_Ref信号41的使用，响应dPC_Cmmd信号71来保持所要求的涡轮机的速度。
继续参看图3，实施例中，涡轮机控制系统50包括速度调节器功能块52，用来设置或调整涡轮机16的速度。涡轮机控制系统50也包括一个功率前馈功能块54，用来调节涡轮机16的功率输出而无需改变轴20的旋转速度。涡轮机控制系统50也可以接收一个或者多个来自压缩机控制系统40的信号，该信号表示涡轮机16速度。涡轮机控制系统50可以传递一个或者多个信号到传动控制系统60中，该信号表示驱动装置18的理想速度或者转矩和运转模式。在另外一个实施例中，当涡轮机16运转在其极限上时，涡轮机控制系统50也可以传递一个速度命令信号到传动控制系统60中，当涡轮机16的运转不在其极限上时，涡轮机控制系统50发出一个转矩命令信号。
图3描叙了涡轮机控制系统50的实施例。速度调节器功能块52接收指示出涡轮机16的理想额定速度的Spd_Ref信号41，和接受一个指示出涡轮机16的理想调整量的dSpdPC 43信号，所述调整是从额定速度Spd_Ref信号41而来的。功率前馈功能块44响应一个有用功功率命令信号73(以下称Pe_Cmd信号73)，发出命令调节涡轮机16的功率输出而无需改变轴20的旋转速度。涡轮机控制系统50通过功率前馈功能块54和速度调节功能块52产生并传递一个或多个传动命令信号。传动命令信号包括(并不局限于)：指示出电机14速度的一个速度命令信号51(以下称Spd_Cmd信号51)，指示出传动装置18和电机14理想的转矩的一个转矩命令信号53(以下称Trq_Cmd信号53)，指示出传动装置18的模式的一个传动模式信号55(以下称Drv_Mode信号55)。
现在参看图4，为一个传动转矩逻辑控制模块56的具体实施例结构块状图。传动转矩控制模块接收速度误差信号55(以下称为Spd_Err信号55)、Spd_Ref信号41、Pe_Cmd信号73和涡轮机状态信号57。传动转矩逻辑控制模块响应Spd_Err信号55、Spd_Ref信号41、Pe_Cmd信号73和涡轮机状态信号57，形成并传递Trq_Cmd信号53，该信号指示出传动装置18和电机14的理想转矩。
继续参看图2，在实施例中，传动控制系统60包括一个反应电流调节器功能块66，它能够调节与电网22交换的无用功功率。传动控制系统60还包括一个速度调节器功能块62，能够基于Spd_Cmd信号51调节电机14的速度，和一个转矩调节器功能块64，能够基于Trq_Cmd信号53调节电机14的转矩。传动控制系统60可以利用无用功功率命令信号81(以下称为Qe_Cmd信号81)，来控制反应电流调节器功能块66。传动控制系统60接收一个或多个包括Spd_Cmd信号51、Trq_Cmd信号53、Drv_Mode信号55的输入信号，它们分别用来控制传动装置18的速度、转矩、工作模式。传动控制系统60响应Drv_Mode信号55，来实现传动装置18的工作模式。
压缩机涡轮机电机链控制系统30包括一个电网管理系统90，该电网管理系统90使压缩机控制模块30、涡轮机控制模块50、传动控制系统60与电网22交互。在一个实施例中，电网管理系统90可以包括一个频率和功率控制模块70、～个电压控制模块80和一个或多个电网转换器92。电网转换器92与电网22相连并能传递一个或多个反馈信号。电网转换器92监视电网22的电压和频率。此外，电网转换器92可以监视与电网22交换的有用功功率和无用功功率的大小。频率和功率控制模块70和电压控制模块80将在以下进行详细讨论。
在一个电网管理系统90的实施例中，电网转换器92传递一个或多个反馈信号，这些反馈信号包括Pe_Fbk 77、一个频率反馈信号79(以下称为Freq_Fbk信号79)、一个无用功功率反馈信号85(以下称为Qe_Fbk信号85)、一个电压反馈信号87(以下称为V_Fbk信号87)。Pe_Fbk 77信号表示压缩机涡轮机电机链10与电网22之间所交换有用功功率，Freq_Fbk信号79表示电网22频率，Qe_Fbk信号85用来指示出压缩机涡轮机电机链10与电网22之间所交换的无用功功率，V_Fbk信号87用来指示出电网22电压。
现在参考图5，为一个频率和功率控制模块70，其为电网管理系统90的一部分。频率和功率控制模块70接收一个有用功功率参考信号75(以下称为Pe_Ref信号75)、Pe_Fbk信号77、Freq_Fbk信号79。频率和功率控制模块70通过利用一个频率调节器功能块72和一个压缩机涡轮机分配功能块76的功能，发出命令用于与电网22进行有用功功率的交换。频率和功率控制模块70响应压缩机涡轮机分配功能块76，形成并传递dPC_Cmd信号71，并且响应Pe_Ref信号75和dPC_Cmd信号71形成并传递Pe_Cmd信号73。
现在参考图6，它示出了电网管理系统90的电压控制模块80的示例性实施例。电压控制模块80接收一个无用功功率参考信号83(以下称为Qe_Ref信号83)、Qe_Fbk信号85、V_Fbk信号87。电压控制模块80通过利用一个快速电压调整器模块84和一个无用功功率调整器82，产生命令用于和电网22之间的无用功功率交换。电压控制模块80响应快速电压调整功能块84和无用功功率调整器82传递Oe_Cmd信号81。继续利用电压控制模块80，无用功功率调整器82可以调整电网22中的无用功功率，调节器82用来将电网22中的无用功功率改变成由电网级控制器通过快速电压调节器功能块84和反应电流调节器66或传动控制系统66所确定的功率。
很容易理解和意识到，在电网22和传动装置18之间可以交换的电力功率大小有限定值。这个限定值取决于压缩机负荷、环境温度和其他一些因素。限定值的大小由涡轮机控制系统50实时计算出来。此外，传动转矩的极限值也影响到这个限定值的大小，在实时计算时也被考虑到。交换的无用功功率是工作状况的函数，它也存在限定值。有用功功率和无用功功率的限定值可以结合起来，因此它们优选地一起计算出来。
在一个实施例中，电网管理系统90接收Pe_Ref信号75和Qe_Ref信号83。Pe_Ref信号75和Qe_Ref信号83由一个稳态值所推导出来，该稳态值来自于高层电网控制器或操纵者。任意的，一个或多个积分器可以保存Pe_Ref信号75和Qe_Ref信号83，如果涡轮机16工作在极限值上，那么，Pe_Ref信号75和Qe_Ref信号83将被调整用来跟踪实际功率。通过来自频率和功率控制模块70的命令来调制Pe_Ref信号75。同样的，通过来自电压控制模块80的命令来调整Qe_Ref信号83。
在另外一个可选的实施例中，电网管理系统90不接收来自高层电网控制器的Pe_Ref信号75或Qe_Ref信号83。相反的，电网管理系统90操纵涡轮机在一个预先设定的额定程度内，例如使压缩机涡轮机电机链10在正常情况下的输出值最大化，同时保持从电网转换器92所接收的局部检测信号来使电网22稳定的能力。为了使输出最大化，在所公开的方案中可以通过将Pe_Ref信号75设定为一个高于涡轮机16能力的值，这样涡轮机控制系统50就使涡轮机16一直在极限值上连续工作了。这会造成涡轮机状态信号57迫使转矩逻辑模块(如图4所示)计算出驱动转矩53来快速满足速度命令，因此允许负载调制器功能块44的操作根据电网频率信号79来调节速度。同样，对于无用功功率而言，Qe_Ref信号83可能被设定为零来建立一个稳态点，同时快速电压调整器功能块84仍然运转，以通过电压反馈信号87保证对电网22上的扰动进行快速响应。在这个实施例中，压缩机涡轮机电机链控制系统30不必接收来自高层电网控制器的Pe_Ref信号75或Qe_Ref信号83，就能够提供稳定电网22。
例如，在一个系统中，三个压缩机涡轮机电机链10与一个电网22相连接。每个压缩机涡轮机电机链都带有一台115MW涡轮机16、一台98MW压缩机12和一台60MW电机14。两台发电机以额定40MW功率向电网22提供动力。电网22有一个40MW的负荷并且额定频率为50Hz。电网22工作在稳定的状态下，直到两台40MW发电机的中的一台由于内部原因故障了，只剩下一台40MW发电机在电网线上运转。图7显示了在有和没有压缩机涡轮机电机链控制系统30的情况下，电网22作出反应的对比。
如图7所示，在没有压缩机涡轮机电机链控制系统30的情况下，电网22的频率将会快速下降，导致电网的22的瘫痪。然而，在使用示例实施例的压缩机涡轮机电机链控制系统30的情况下，电网22的频率下降被限制在48Hz并在几秒钟内恢复到49Hz。压缩机涡轮机电机链控制系统30的反应速度使电网22得到恢复，并避免了造成瘫痪。在这台电机故障后，压缩机涡轮机电机链控制系统30在几秒钟内就作出了反应。现有的高层电网控制器也不能足够快的作出反应来获得这种恢复。图7也示出了压缩机涡轮机电机链控制系统30包含负载调制器44的响应和通过频率调节器功能块72进入涡轮机燃料的增加。dPC_Cmd信号71的改变示出了负载调制器功能块44的作用。
图8显示了压缩机涡轮机电机链控制系统30在有和没有负载调制器功能块44的条件下的对比。如图8所示，在没有负载调制器功能块44条件下，压缩机12的速度几乎保持为常数，而涡轮机16的响应有利于电网22。在没有负载调制器44功能块条件下，电网22的频率下降到小于46Hz，而与之对比，在有负载调制器功能块44条件下电网22的频率下降到48Hz。电网多出来的下降频率可能导致电网22的瘫痪。
应该知道，一个或多个压缩机涡轮机电机链10可以与单个电网22相连。这些压缩机涡轮机电机链10可以完全或部分地共同使用一个压缩机涡轮机电机链控制系统30。在一个实施例中，压缩机涡轮机电机链10可以共同使用单个电网管理系统90，并且每个压缩机涡轮机电机链10可以有一个压缩机控制系统40，一个涡轮机控制系统50和一个传动控制系统60。
尽管本发明是参考一个实施例来描叙的，但本领域的技术人员知道在不偏离本发明范围的情况下，这些元素可以进行各种改变或等同替换。此外，在不脱离本发明实施范围的情况下，根据本发明的教导，可以进行许多变形来适应特殊情况或者材料。因此本发明不局限于作为实施本发明所预期的最佳模式而公开的特殊实施例，本发明包括落入附加权利要求范围内的所有实施例。部件列表：
10 压缩机涡轮机电机链
  12   压缩机
  14   电机
  16   涡轮机
  18   传动装置
  20   轴
  22   电网
  30   压缩机涡轮机电机链控制系统
  40   压缩机控制系统
  41   速度参考信号
  42   压力比调整器功能块
  43   速度改变信号
  44   负载调制器功能块
  45   压力比参考信号
  50   涡轮机控制系统
  51   速度命令信号
  52   速度调制器功能块
  53   转矩命令信号
  54   功率前馈功能块
  55   传动模式信号
  56   传动转矩逻辑控制模块
  57   涡轮机状态信号
  58   速度误差信号
  60   传动控制系统
  62   速度调节器功能块
  64   转矩调节器功能块
  66   反应电流调节器功能块
  70   频率和功率控制模块
  71   功率改变控制命令信号
  72   频率调节器功能块
  73   有用功功率命令信号
  75   有用功功率参考信号
  76   压缩机涡轮机分配功能块
  77   Pe_Fbk信号
  79   频率反馈信号
  80   电压控制模块
  81   无用功功率命令信号
  82   无用功功率调整器
  83   无用功功率参考信号
  84   快速电压调整器模块
  85   无用功功率反馈信号
  87   电压反馈信号
  90   电网管理系统
  92   电网转换器

Claims (10)

1.一种控制压缩机涡轮机电机链(10)的方法，它包括：
接收一个来自生产过程控制器的控制信号；
接收一个反馈信号；并且
调整压缩机涡轮机电机链(10)的工作参数来稳定电网(22)频率和电压中的至少一个。
2.如权利要求1所述的方法，该方法还包括接收一个与电网控制器相关的功率参考信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述工作参数包括下面这些中的至少一个：
压缩机涡轮机电机链(10)中的压缩机(12)的速度和负荷，及
进入到压缩机涡轮机电机链(10)中的涡轮机(10)的燃料流。
4.如权利要求1所述的方法，其中，响应所述控制信号来调整压缩机涡轮机电机链(10)的工作参数。
5.一个压缩机涡轮机电机链(10)控制系统，它包括：
一个电网(22)管理系统，它用来接收一个反馈信号和输出一个或多个命令信号；
一个压缩机控制系统(40)，其中所述压缩机控制系统(40)接收一个来自生产过程控制器的控制信号，接收一个或多个所述命令信号，和输出一个速度控制信号；
一个涡轮机控制系统(50)，其中所述涡轮机控制系统(50)接收所述速度控制信号，接收一个或多个所述命令信号，和输出一个传动命令信号；
一个传动控制系统(60)，其中所述传动控制系统(60)接收所述传动命令信号和一个或多个所述命令信号。
6.如权利要求5所述的压缩机涡轮机电机链(10)控制系统，其中，所述电网(22)管理系统用来接收一个与电网(22)相关的功率参考信号。
7。如权利要求5所述的压缩机涡轮机电机链(10)控制系统，其中，所述反馈信号包括下面中的至少一个：
一个有用功功率信号；
一个无用功率信号；
一个频率信号；和
一个电压信号。
8.如权利要求6所述的压缩机涡轮机电机链(10)控制系统，其中，所述功率参考信号包括下面至少其中之一：
一个有用功功率参考信号(75)和一个无用功功率参考信号(83)。
9.如权利要求5所述的压缩机涡轮机电机链(10)控制系统，其中，所述电网(22)管理系统包括：
一个或多个电网转换器(92)；
一个频率和功率控制模块(70)；和
一个电压控制模块(80)。
10.如权利要求5所述的压缩机涡轮机电机链(10)控制系统，其中，所述涡轮机控制系统(50)包括一个速度调节器功能块(52，62)和一个功率前馈功能块(54)中的至少一个。
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