CN214204962U - 一种平抑大负载冲击波动高速机电站 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平抑大负载冲击波动高速机电站，包含柴油发电机组G1、G2、Gn、断路器GB1、GB2、GBn及控制器AGC1、AGC2、AGCn，市电电源进线及控制器AGCm，交流母线，飞轮储能阵列单元，双向变流器单元，控制器ASC，直流母线；大启动负载1、大启动负载i，启动点1及前馈信号1、启动点i及前馈信号i，其他负载线路等。主要优点是：通过飞轮储能系统和柴油发电机组协调控制，平抑大负载启动冲击过程，以较小的电站设计容量实现抗过载性能；采用分段定值检测和启动点开关量前馈控制设计，系统响应速度块、灵敏性和准确可靠性高；具备一定的辅助调频改善电能质量能力，提高电站总体运行控制水平；降低高速机电站设计容量，系统集成安装简单、扩展灵活。

Description

一种平抑大负载冲击波动高速机电站

技术领域

本实用新型属于电站抗过载控制技术领域，具体地说是一种应对大负载启动冲击波动的高速机电站技术。

背景技术

在燃油内燃机组当中，与使用重油发电的中低速机组不同，使用轻柴油发电的高速机组因其启停速度快、操作灵活、便于组站安装等特点，在应急或备用电源方面获得广泛应用。然而同时也存在着机组电站设计容量与大电机负载启动需求的矛盾，如果为了适应大负载启动冲击，就要大幅度增加高速机站容量，但是在长期平稳负载过程中又造成机组容量的大量浪费。

在电站功率管理经济运行的同时，为了提高设计容量利用率，现有的应对启动冲击过载的技术有采用负荷电流电气量前馈方法，通过检测负载启动冲击电流变化率模拟量，将处理的冲击信号前馈至发动机调速系统，提前调控油量，并启动压缩空气对发动机气缸补气，由于电气量比传统机械量反馈更快，对补偿功率缺额和稳定电压频率有良好效果。然而该方法适用范围有限，仅局限于单机应用，但不能用于多机并机电站，而且单机应用也较难得到发动机厂家的支持。为了实现并机电站的抗过载性能，需要利用储能技术。国内有另一种方法提高柴油发电机组抗过载冲击能力，即在柴油机和发电机之间加装同轴大惯量机械飞轮，适合于港口作业场景，但由于启动惯量大而不适合做应急备用电源，此外机组产品为特型集成，推广范围有限。

随着电力电子和储能技术发展，各种场景对储能系统的工程应用日益成熟。负载冲击引起系统波动包括周期性脉冲负载、频繁动力作业、大电机启动等不同情况。有多种储能技术可以利用，包括蓄电池、超级电容器、飞轮储能等等，其中飞轮储能因其有能量密度高、安装及扩展灵活、占地空间小、高效节能环保、维护极少及寿命长等综合优势，更便于高速机电站集成和高效利用。目前飞轮应用针对情形主要有，其一是面向关键负载的不间断UPS电源，多为在线双变换结构特征，储能侧重于故障调峰续航，并能很好地保证电能质量，如电信行业、数据中心、半导体加工、电源车、医疗行业、机场、脉冲负载等领域；其二是面向频繁不定的动力冲击和波动，基本结构多为互动式特征，储能侧重于能量回收利用和电能质量改善，如电力辅助调频、微电网、新能源站、油田钻机、轨道和电动交通、船舶电力推进、大型医疗设备等领域，这种类型又可分为功率型和能量型，以适应不同场景的使用需要。

与上述应用特点不同的是，很多工业矿业电站更着重考虑负载启动操作序列的满足，及电站方案技术经济协调性，特别是大负载启动带来的问题，很多用户根据投资成本和技术经济综合平衡，常常使用电机直接启动方式。这些电站不会像油田钻机等行业那样将充电储能、能量回收和释放经过不同的电气回路和机械途径分开进行，而是全部通过母线系统完成电力操作；在现有的工程应用中，飞轮系统根据电压波动变化进行充放电状态转换，并没有考虑大电机启动过程，为进一步提高飞轮系统响应前置性和判据准确性、更快更好地平抑启动瞬间冲击波动，需要利用操作启动点提供开关量条件信号；需要结合高速机电站功率管理特点，针对负载结构协调配置储能系统、高速机容量，在解决平抑波动问题的同时，使稳态运行容量充分利用，最小化燃油消耗和电站设计规模。

利用飞轮储能实现柴油发电机组抗过载性能有两种方式，一是将飞轮和传统机组集成为一个单元系统，形成抗过载型集成产品，再将多个抗过载型机组单元组成并机电站，但这种方式成本高，电站匹配设计缺乏灵活性，对不同项目和场景变化的产品适应性很差。另一种方式是配合传统机组电站，采用集中式储能阵列与电站匹配及接入系统，这种方式高度灵活，非常有利于产品应用推广、项目方案设计与技术经济协调、系统扩展、电站使用维护、电站技术升级等。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种平抑大负载冲击波动高速机电站及控制方案。

本实用新型的技术方案为：

一种平抑大负载冲击波动高速机电站，包含柴油发电机组G1、G2、Gn、断路器GB1、GB2、GBn及控制器AGC1、AGC2、AGCn，市电电源进线及控制器AGCm，交流母线，飞轮储能阵列单元，双向变流器单元，控制器ASC，直流母线；大启动负载1、大启动负载i，启动点1及前馈信号1、启动点i及前馈信号i，其他负载线路等。

市电电源进线经断路器连接交流母线，控制器AGCm检测市电进线电压电流并控制市电断路器；各柴油发电机组经断路器经交流母线并机连接，机组控制器检测机组主回路电压电流并控制机组断路器和调节机组；飞轮阵列单元经直流母线连接双向变流器直流侧；双向变流器单元交流输出连接交流母线；控制器ASC检测和控制双向变流器单元的交流输出；各大负载启动点输出前馈信号分别经控制线路连接控制器ASC开关量输入点；控制器ASC输出逻辑复位状态信号供用户指示使用；其他负载线路经各自断路器连接交流母线；机组控制器AGC1、AGC2、AGCn及市电控制器AGCm经CANbus通信线路连接，并与控制器ASC通信；双向变流器单元与控制器ASC和飞轮阵列单元通信连接进行控制。

上述部件之间协同控制实现高速机电站稳定运行、功率管理、负载冲击波动快速响应和调节平抑等功能。

高速机电站抗过载配置原则：

柴油发电机组电站为应急/备用电站。根据项目负载表及启动序列方案，对最大方式的启动负载电压降、发电机视在容量、发动机有功功率冲击及稳态额定负载进行计算，确定柴油发电机组规格和数量。设计功率管理方案，对机组额定运行负载、最低运行负载、旋转热备用容量、最小在线台数和启停控制等进行设置。在机组容量方案规划基础上，对飞轮系统及双向变流器系统规格设计方法如下：

应急/备用电站的大负载启动是逐台操作方式，一般原则顺序是先启动大负载、后启动小负载，并考虑电站带载运行过程中会启动某个大负载。因此选取其中最大启动负载参数参与确定飞轮容量规格。大电机启动时，无功功率的最大冲击发生在启动瞬间，而有功功率冲击最大值是在启动之后电机转矩爬升至最大值的附近，因此飞轮对有功和无功的最大补偿点发生在不同时间，启动瞬间无功冲击电压降最大，启动过程有功冲击补偿量最大。这就要求飞轮系统在检测电压降的基础上，通过启动点前馈信号加强前置响应，同时飞轮恒功率放电输出时间与大电机启动时间可靠配合。

在柴油发电机组功率管理系统中，设机组额定功率P，额定功率因数cosφ。在项目负载控制规范分析的基础上，设置机组最小在线台数为k，设置在线单机有功功率降低至Po时按优先级停运一台机组，有功功率增加达到P1时按优先级启动下一台机组，则单机最小旋转热备用容量为P-P1，电站应急运行期间，最小旋转热备用容量为k*（P-P1）。根据项目负载参数，计算最大电机负载启动过程转矩爬升有功峰值Pm，在启动期间Tm内平均有功功率将小于Pm；允许机组发动机过载能力d倍，如无特殊要求，d一般取为1.1倍，则要求飞轮最大补偿有功功率Ps应为式（1）所示：

（1）

飞轮恒功率放电时间应大于Tm。最大电机启动瞬间功率因数最低，设无功冲击峰值为Qi，允许机组发电机容量过载能力g倍，如无特殊要求，g一般取为1.5倍，则要求飞轮最大补偿无功功率为Qs，如式（2）所示：

（2）

根据最大方式下飞轮储能系统所应提供的功率补偿，确定双向变流器单元及隔离变压器容量，且隔离变压器满足电站接入电压等级。

本实用新型针对广泛常用的工矿等应急或备用电站，重点解决大电机负载启动冲击带来的机组性能适应、系统稳定、电站方案及运行经济性等问题；要求市电故障时机组能够快速启动、并机及加载，而对于不间断供电能力一般要求不高，因此飞轮应用功能不考虑续航设计考核；但如果项目有特殊要求，则可以考虑加配蓄电池储能系统辅助续航，或根据关键负载数据核定所选飞轮的续航兼顾能力，并采取市电故障负载线路失压分闸策略。

辅助改善电能质量和稳定性。高速机电站系统正常运行方式下，市电运行带全站负载，柴油发电机组自动模式备用状态。市电电源通过双向储能变流器单元对飞轮系统充电，飞轮系统储能。当系统电压波动和功率冲击，飞轮毫秒级响应短时放电进行补偿，起到平抑电压波动、辅助调频，稳定电能质量，提高了电站运行水平和故障穿越能力。

抗过载控制的功能实现。当市电故障退出运行时，柴油发电机组电自动启动、并机，已并机运行台数达到功率管理设置数量或设置为全部并机时，开始按照用户加载序列规范顺序启动负载，同时由柴油发电机组对飞轮系统充电。由于电站容量和功率管理方案是按照用户加载序列规范设计的，所以此时的在运行机组数量能够满足加载序列操作，包括大负载启动在内。

在柴油发电机组带载运行期间，全部负载稳定运行，并根据生产等需要进行正常的操作投入或退出。稳态运行期间，电站功率管理按照负载水平对机组进行自动启停调整，以保证柴油发电机组运行负荷不小于最低允许限值、不高于启动追加机组的操作定值，从而保持机组燃油优化经济稳定运行和发动机良好运行工况，同时保证在线机组热备用容量满足随机性负载操作波动的需要。所设置的飞轮系统电压降检测定值，需保证在一定小波动范围内不频繁转换充放电模式，且能够在一定的电压降水平内灵敏可靠地判断大负载启动，而不必将电压降动作定值设置较大，从而提高系统稳定控制水平。当飞轮储能系统直流母线电压降波动百分率Vd达到设定值△V1但不超过△V2时，如果检测到有大电机启动点前馈信号，则控制器ASC通信发出自动调度指令信号，使飞轮系统同步地转换为放电模式，在△V1的电压降水平上具备功率补偿条件，而不是等到电压降达到△V2时才响应；当大负载启动接近完成、母线电压降回落至返回值△V0以下时，飞轮系统返回充电运行模式，同时控制器ASC按预设的启动时间将前馈信号进行逻辑复位，同时将复位信号发送监控室指示，辅助用户判断当前状态和进行下一步操作。上述定值满足∣△V0∣＜∣△V1∣＜∣△V2∣绝对值关系。如果大负载前馈信号失败，或者临时紧急集中同时启动较多其他负载等情况，母线电压降幅度达到△V2，则飞轮系统转为放电运行进行补偿平抑波动，起到后备响应作用，确保系统稳定的最低要求。

市电恢复正常时，根据电站等级和负荷性质，市电返回运行和柴油发电机组退出可选择无缝转换或停电转换。

无启动点信号前馈的控制方式。如果对负载波动控制水平要求不高，或者加大系统配置水平以容纳最大加载冲击，则可以取消大负载启动点前馈信号控制环节，电站飞轮储能系统将直接根据单值电压降检测进行控制。

本实用新型的优点在于：

（1）针对大负载启动情形，高速机电站采用飞轮储能配置，整体提高电站抵御负荷加载冲击的抗过载能力，同时降低了柴油发电机组设计容量和规模；

（2）系统电压降采用分段定值检测，配合以大负载启动点信号前馈控制设计，提高平抑大负载操作波动的响应速度、灵敏性和准确可靠性，显著提高电站控制水平；

（3）提高电站燃油优化和功率管理水平，减少稳态运行在线机组数量，以较少的在线机组就能适应大负载启动操作；

（4）兼有一定的辅助调频能力，改善电站运行电能质量和系统稳定性；

（5）采用集中式飞轮储能配置，与单元式飞轮储能机组成套模式相比，具有项目方案和系统扩展等方面的灵活性，有利于产品应用推广、电站使用维护和技术升级等，大大降低了成本；

（6）飞轮储能与蓄电池、超级电容等储能型式相比，更适合工矿应急/备用电站特点，便于高速机电站集成和高效利用，从能量密度、安装及扩展灵活性、占地空间小、高效节能环保、维护极少及寿命长等方面更具综合比较优势。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例的带启动点信号前馈控制的电站主系统结构示意图；图2是电站大负载操作冲击抗过载控制流程图；图3是无启动点信号前馈控制的电站主系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。根据图1和图2说明如下。

一种平抑大负载冲击波动高速机电站，包含柴油发电机组G1、G2、Gn、断路器GB1、GB2、GBn及控制器AGC1、AGC2、AGCn，市电电源进线及控制器AGCm，交流母线，飞轮储能阵列单元，双向变流器单元，控制器ASC，直流母线；大启动负载1、大启动负载i，启动点1及前馈信号1、启动点i及前馈信号i，其他负载线路等。

市电电源进线经断路器连接交流母线，控制器AGCm检测市电进线电压电流并控制市电断路器；各柴油发电机组经断路器经交流母线并机连接，机组控制器检测机组主回路电压电流并控制机组断路器和调节机组；飞轮阵列单元经直流母线连接双向变流器直流侧；双向变流器单元交流输出连接交流母线；控制器ASC检测和控制双向变流器单元的交流输出；各大负载启动点输出前馈信号分别经控制线路连接控制器ASC开关量输入点；控制器ASC输出逻辑复位状态信号供用户指示使用；其他负载线路经各自断路器连接交流母线；机组控制器AGC1、AGC2、AGCn及市电控制器AGCm经CANbus通信线路连接，并与控制器ASC通信；双向变流器单元与控制器ASC和飞轮阵列单元通信连接进行控制。

上述部件之间协同控制实现高速机电站稳定运行、功率管理、负载冲击波动快速响应和调节平抑等功能。

高速机电站抗过载配置原则：柴油发电机组电站为应急/备用电站。根据项目负载表及启动序列方案，对最大方式的启动负载电压降、发电机视在容量、发动机有功功率冲击及稳态额定负载进行计算，确定柴油发电机组规格和数量。设计功率管理方案，对机组额定运行负载、最低运行负载、旋转热备用容量、最小在线台数和启停控制等进行设置。在机组容量方案规划基础上，对飞轮系统及双向变流器系统规格设计方法如下：

应急/备用电站的大负载启动是逐台操作方式，一般原则顺序是先启动大负载、后启动小负载，并考虑电站带载运行过程中会启动某个大负载。因此选取其中最大启动负载参数参与确定飞轮容量规格。大电机启动时，无功功率的最大冲击发生在启动瞬间，而有功功率冲击最大值是在启动之后电机转矩爬升至最大值的附近，因此飞轮对有功和无功的最大补偿点发生在不同时间，启动瞬间无功冲击电压降最大，启动过程有功冲击补偿量最大。这就要求飞轮系统在检测电压降的基础上，通过启动点前馈信号加强前置响应，同时飞轮恒功率放电输出时间与大电机启动时间可靠配合。

在柴油发电机组功率管理系统中，设机组额定功率P（kW），额定功率因数cosφ。在项目负载控制规范分析的基础上，设置机组最小在线台数为k，设置在线单机有功功率降低至Po（kW）时按优先级停运一台机组，有功功率增加达到P1（kW）时按优先级启动下一台机组，则单机最小旋转热备用容量为P-P1（kW），电站应急运行期间，最小旋转热备用容量为k*（P-P1）。根据项目负载参数，计算最大电机负载启动过程转矩爬升有功峰值Pm（kW），在启动期间Tm（秒）内平均有功功率将小于Pm（kW）；允许机组发动机过载能力d倍，如无特殊要求，d一般取为1.1倍，则要求飞轮最大补偿有功功率Ps应为式（1）所示：

（1）

飞轮恒功率放电时间应大于Tm（秒）。最大电机启动瞬间功率因数最低，设无功冲击峰值为Qi（kVar），允许机组发电机容量过载能力g倍，如无特殊要求，g一般取为1.5倍，则要求飞轮最大补偿无功功率为Qs（kVar），如式（2）所示（参量含义如上述）：

（2）

根据最大方式下飞轮储能系统所应提供的功率补偿，确定双向变流器单元及隔离变压器容量，且隔离变压器满足电站接入电压等级。

本实用新型针对广泛常用的工矿等应急或备用电站，重点解决大电机负载启动冲击带来的机组性能适应、系统稳定、电站方案及运行经济性等问题；要求市电故障时机组能够快速启动、并机及加载，而对于不间断供电能力一般要求不高，因此飞轮应用功能不考虑续航设计考核；但如果项目有特殊要求，则可以考虑加配蓄电池储能系统辅助续航，或根据关键负载数据核定所选飞轮的续航兼顾能力，并采取市电故障负载线路失压分闸策略。

根据前述方法，一种电站配置及主要参数情况示例如下：低压柴油发电机组7台并机，单机数据800kW/0.4kV，额定频率50Hz，额定功率因数0.8，要求发动机过载倍数1.1降低为1.05；机组功率管理方式，单机最小功率控制为35%，启动下一台的单机功率整定为75%，根据负荷曲线，要求最小在线机组3台；采取启动点前馈的大电机负载750KW一台，750KW电机为带载启动，直接启动电流倍数7，启动时间95%转速15秒，启动过程有功最大计算值1776KW，飞轮需补偿有功最大值1056KW，平均为815KW、时间15秒。后续的大负载启动是在当前稳态负载水平基础上，结合在线机组数量和热备用容量的变化，按类似方法进行校核。因项目重点考虑发动机抗过载问题，所以飞轮主要补偿有功功率的过载冲击，而无功功率主要由发电机补偿。根据上述参数，选择电力辅助应用类型的飞轮，单台250KW存储能量3500（KW秒），设置恒功率放电200KW，则配置6台飞轮并联组成阵列单元。飞轮阵列供能能力3500（KW秒）*6台=21000（KW秒），设置放电能力为200KW*15秒*6台=18000（KW秒），最大单步加载启动实际需求815KW*15秒=12225（KW秒），由21000＞18000＞12225（KW秒），可知方案具备抗过载能力。根据飞轮阵列规格和项目实际最大冲击负载，可选双向储能变流器选择2台630KW容量。储能变流器自带控制器，或通过独立控制器（如DEIF ASC-4 BATTERY）进行控制，并与机组电站通信。当大负载回路增加，飞轮容量设计根据大负载操作间隔与飞轮快速充电时间配合计算而相应变化。

辅助改善电能质量和稳定性。高速机电站系统正常运行方式下，市电运行带全站负载，柴油发电机组自动模式备用状态。市电电源通过双向储能变流器单元对飞轮系统充电，飞轮系统储能。当系统电压波动和功率冲击，飞轮毫秒级响应短时放电进行补偿，起到平抑电压波动、辅助调频，稳定电能质量，提高了电站运行水平和故障穿越能力。

抗过载控制的功能实现。当市电故障退出运行时，柴油发电机组电自动启动、并机，已并机运行台数达到功率管理设置数量或设置为全部并机时，开始按照用户加载序列规范顺序启动负载，同时由柴油发电机组对飞轮系统充电。由于电站容量和功率管理方案是按照用户加载序列规范设计的，所以此时的在运行机组数量能够满足加载序列操作，包括大负载启动在内。

在柴油发电机组带载运行期间，全部负载稳定运行，并根据生产等需要进行正常的操作投入或退出。稳态运行期间，电站功率管理按照负载水平对机组进行自动启停调整，以保证柴油发电机组运行负荷不小于最低允许限值、不高于启动追加机组的操作定值，从而保持机组燃油优化经济稳定运行和发动机良好运行工况，同时保证在线机组热备用容量满足随机性负载操作波动的需要。所设置的飞轮系统电压降检测定值，需保证在一定小波动范围内不频繁转换充放电模式，且能够在一定的电压降水平内灵敏可靠地判断大负载启动，而不必将电压降动作定值设置较大，从而提高系统稳定控制水平。当飞轮储能系统直流母线电压降波动百分率Vd达到设定值△V1但不超过△V2时，如果检测到有大电机启动点前馈信号，则控制器ASC通信发出自动调度指令信号，使飞轮系统同步地转换为放电模式，在△V1的电压降水平上具备功率补偿条件，而不是等到电压降达到△V2时才响应；当大负载启动接近完成、母线电压降回落至返回值△V0以下时，飞轮系统返回充电运行模式，同时控制器ASC按预设的启动时间将前馈信号进行逻辑复位，同时将复位信号发送监控室指示，辅助用户判断当前状态和进行下一步操作。上述定值满足∣△V0∣＜∣△V1∣＜∣△V2∣绝对值关系，分别取为1%＜2.5%＜5%。如果大负载前馈信号失败，或者临时紧急集中同时启动较多其他负载等情况，母线电压降幅度达到△V2，则飞轮系统转为放电运行进行补偿平抑波动，起到后备响应作用，确保系统稳定的最低要求。

市电恢复正常时，根据电站等级和负荷性质，市电返回运行和柴油发电机组退出可选择无缝转换或停电转换。

无启动点信号前馈的控制方式，如图3所示，如果对负载波动控制水平要求不高，或者加大系统配置水平以容纳最大加载冲击，则可以取消大负载启动点前馈信号控制环节，电站飞轮储能系统将直接根据单值电压降检测进行控制。

Claims (1)

1.一种平抑大负载冲击波动高速机电站，其特征在于：市电电源进线经断路器连接交流母线，控制器AGCm检测市电进线电压电流并控制市电断路器；各柴油发电机组经断路器经交流母线并机连接，机组控制器检测机组主回路电压电流并控制机组断路器和调节机组；飞轮阵列单元经直流母线连接双向变流器直流侧；双向变流器单元交流输出连接交流母线；控制器ASC检测和控制双向变流器单元的交流输出；各大负载启动点输出前馈信号分别经控制线路连接控制器ASC开关量输入点；控制器ASC输出逻辑复位状态信号供用户指示使用；其他负载线路经各自断路器连接交流母线；机组控制器AGC1、AGC2、AGCn及市电控制器AGCm经CANbus通信线路连接，并与控制器ASC通信；双向变流器单元与控制器ASC和飞轮阵列单元通信连接进行控制。

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