本發(fā)明涉及燃氣發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種燃機輪機啟動變頻器功率因數(shù)最優(yōu)控制方法。

背景技術(shù)：

目前，隨著國家能源消耗的快速增長以及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以燃氣、風電、光伏為代表的清潔能源在所占能源比例逐步提高。而風電、光伏的出力具有一定的隨機性、波動性、不穩(wěn)定性，當電網(wǎng)故障時，風電/光伏對電網(wǎng)的支撐不夠，甚至會成為電網(wǎng)中的不穩(wěn)定因素。燃氣發(fā)電作為一種穩(wěn)定的能源輸出，具有輸出功率穩(wěn)定、響應速度快等特點，在電網(wǎng)中能夠具備一定的調(diào)峰的能力。在燃氣電站自動控制系統(tǒng)及成套設(shè)備中，燃機啟動變頻器LCI作為其中的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，對于保證燃氣機組的快速、可靠啟動和燃氣電站的穩(wěn)定運行具有重要意義。同時，作為燃氣電站中重要的設(shè)備，燃機啟動變頻器的性能高低，決定了燃氣輪機的啟動成功率、動態(tài)響應速率、啟動時的功率因數(shù)等性能參數(shù)。當前國際形勢下，我國大型燃氣輪機及其自動化設(shè)備，包含啟動變頻器，主要的以國外進口為主，且國際上對我國的技術(shù)隔離比較嚴重。隨著近些年來，我國在中小型燃氣輪機上取得的進步，燃機啟動變頻器也有一定的技術(shù)突破，但在燃氣電站啟動變頻器功率因數(shù)控制方面，國內(nèi)對此的研究文獻較少。

在燃機啟動過程中，機組啟動控制策略影響著變頻器的功率因數(shù)，燃機點火之后典型的燃機啟動過程，采用調(diào)整整流橋控制角的方法進行機組速度控制，逆變橋一般采用定角度控制方法。該方法使得變頻器系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，啟動加速慢，進入同期時間相對較長。變頻器功率因數(shù)較低，一般在0.5-0.7左右。

因此，為克服上述技術(shù)的不足而設(shè)計出一款可實現(xiàn)不同頻率范圍時的調(diào)速控制，有效提高燃氣電站啟動變頻器功率因數(shù)，減小機組轉(zhuǎn)動脈動，并改善機組啟動速率的一種燃機輪機啟動變頻器功率因數(shù)最優(yōu)控制方法，正是發(fā)明人所 要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種燃機輪機啟動變頻器功率因數(shù)最優(yōu)控制方法，可實現(xiàn)不同頻率范圍時的調(diào)速控制，有效提高燃氣電站啟動變頻器功率因數(shù)，減小機組轉(zhuǎn)動脈動，并改善機組啟動速率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種燃機輪機啟動變頻器功率因數(shù)最優(yōu)控制方法，其包括燃機，所述燃機的啟動過程包含了以下幾種工況：

1)水洗工況，所述燃機機組工作頻率為8Hz；

2)吹掃工況，所述燃機機組工作頻率為13.5Hz；

3)正常啟動工況，所述燃機機組工作頻率為0Hz-30Hz；

4)快冷工況，所述燃機機組工作頻率為2.5Hz-50Hz；

根據(jù)每種所述工況的實際啟動情況，即所述燃機機組工作頻率區(qū)間，所述燃機機組的控制系統(tǒng)設(shè)計出具體的啟動變頻器控制方法，具體的如下：

1)選擇控制對象

結(jié)合系統(tǒng)中的功率因數(shù)的整定公式(1)，系功率因數(shù)PF主要的受α、γ影響，

α——整流橋控制角

γ——逆變橋換相超前角

THD——諧波含量

其中，α、γ這兩個控制參數(shù)影響著系統(tǒng)的啟動速率；

2)控制方式頻率轉(zhuǎn)換點計算

根據(jù)公式(2)，發(fā)電機的極對數(shù)恒定，勵磁電流、換相重疊角在機組啟動過程中變化范圍較小，忽略其調(diào)速特性，忽略直流回路總電阻、凸極電磁轉(zhuǎn)矩及變頻器系統(tǒng)損耗，燃機啟動變頻器對機組轉(zhuǎn)速的控制參數(shù)為：α、γ，得出：

n——機組轉(zhuǎn)速

U_l——系統(tǒng)側(cè)線電壓

P——發(fā)電機極對數(shù)

μ——換相重疊角，一般取15°

C_e——含有氣隙每極磁通量的系數(shù)

當機組頻率小于等于f₀時，控制對象采用α，對機組進行速度控制；當機組頻率大于f₀時，控制對象采用γ，對機組進行速度控制；f₀的計算按照公式(3)計算：

其中：γ₀在上式中，取值范圍為30°～60°；

此時的f₀意義：在換相超前角為γ₀時，為對應機組轉(zhuǎn)速增加到該值時，整流側(cè)的控制角度為零度，即此時的變頻器系統(tǒng)功率因數(shù)最大，K為裕度系數(shù)；

3)當機組頻率小于f₀時，采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制機組轉(zhuǎn)速，逆變橋采用定角度控制，γ角度恒定不變，將轉(zhuǎn)速給定值NG與實際轉(zhuǎn)速NC之差產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速偏差信號送至轉(zhuǎn)速PI控制器中，轉(zhuǎn)速偏差信號通過轉(zhuǎn)速PI控制器計算輸出電流控制信號IG，再由IG與實際電流IC產(chǎn)生的偏差信號送到電流PI控制器的輸入端，再經(jīng)過電流PI控制器計算出整流橋控制角的輸出角度指令，送給整流裝置，從而對機組實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制，逆變橋的換相超前角為固定值，此時機組實際轉(zhuǎn)速NC逐漸接近給定NG的值；

當機組的頻率達到f₀時，將此時整流控制角記為α₀，然后轉(zhuǎn)到下一種控制方式；

4)當機組頻率大于f₀時，整流側(cè)采用定角度控制，逆變側(cè)換相超前角作為控制參數(shù)，進行閉環(huán)控制，即轉(zhuǎn)速給定值NG與實際轉(zhuǎn)速NC之差產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速 偏差信號送至轉(zhuǎn)速PI控制器中，通過PI控制器計算輸出換相超前角γ₀命令信號，該信號送給逆變橋控制裝置，整流橋控制角為固定值α₀，此時機組實際轉(zhuǎn)速NC將繼續(xù)逐漸接近給定NG的值；

5)當機組頻率大于30Hz時，所述燃機啟動變頻器退出，控制系統(tǒng)封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖，燃機啟動變頻器進入待機狀態(tài)，進行熱備用。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明提高了啟動變頻器的功率因數(shù)。以往此拓撲的啟動變頻器控制過程中，全程都對α進行調(diào)速參數(shù)進行控制，功率因數(shù)很低，而通過本發(fā)明控制方法，功率因數(shù)顯著提高。

2、本發(fā)明通過不同頻率區(qū)間的不同控制方法，在0Hz-24.3Hz區(qū)間，換相超前角較小，能夠輸出較大的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩，機組啟動的動態(tài)性得到提高，同時轉(zhuǎn)矩的脈動較小，啟動曲線較為平順。在24.3Hz-30Hz區(qū)間，網(wǎng)側(cè)選取較小的觸發(fā)角，并進行定角度開環(huán)控制控制，使啟動變頻器一直以最佳功率因數(shù)運行，使機組快速達到30Hz的目標轉(zhuǎn)速，一定程度上縮短了啟動時間。

3、本發(fā)明通過對啟動變頻器特殊工況的控制優(yōu)化，保證了啟動變頻器運行全過程的功率因數(shù)的最優(yōu)化，有效的保證了特殊工況下機組的安全、穩(wěn)定、高效運行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明燃機啟動變頻器時的啟動工作流程圖。

圖2是本發(fā)明燃機機組頻率在0～24.3Hz之間的控制啟動原理圖。

圖3是本發(fā)明燃機機組頻率在24.3～30Hz之間的控制啟動原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明，應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣 落在申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明為一種燃機輪機啟動變頻器功率因數(shù)最優(yōu)控制方法，實現(xiàn)過程如下：

1)、在上位機組態(tài)王軟件界面上執(zhí)行控制系統(tǒng)初始化、參數(shù)固化等操作，選取并確定系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

系統(tǒng)電壓：380V

同步電機極對數(shù)：4

C_e電機電磁系數(shù)：3.01

2)控制方式頻率轉(zhuǎn)換點計算：

根據(jù)系統(tǒng)主回路相關(guān)參數(shù)，并且裕度系數(shù)K取0.95，機側(cè)換相超前角γ₀取45°，換相重疊角μ取15°根據(jù)公式(3)，可計算出變頻器控制頻率切換點的具體數(shù)值：

3)當機組頻率小于等于24.3Hz時的控制方式：

在此頻率區(qū)間，機組啟動控制方法如附圖2所示，網(wǎng)側(cè)采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制機組轉(zhuǎn)速，逆變橋采用定角度控制，設(shè)置γ＝45°。其中，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，即轉(zhuǎn)速給定值NG與實際轉(zhuǎn)速NC之差產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速偏差信號送至轉(zhuǎn)速PI控制器中，轉(zhuǎn)速偏差信號通過PI控制器快速計算輸出電流控制信號IG，再由IG與實際電流IC產(chǎn)生的偏差信號送到電流PI控制器的輸入端，再經(jīng)過PI控制器計算出整流橋控制角，給出相應的整流、逆變觸發(fā)脈沖時序，從而對機組實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)控制。逆變橋的換相超前角為固定值，此時機組實際轉(zhuǎn)速NC逐漸接近給定NG的值；

當系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速達到24.3Hz時，此時，網(wǎng)側(cè)整流觸發(fā)角為22度，當將進行控制方式切換時，為了保持啟動功率，機組轉(zhuǎn)速高于24.3Hz時，網(wǎng)側(cè)定角度控 制時，觸發(fā)角為22度。

4)當機組頻率大于24.3Hz時的控制方式：

在此頻率區(qū)間，機組啟動控制方法如附圖3所示，網(wǎng)側(cè)采用定角度控制，機側(cè)換相超前角作為控制參數(shù)，進行閉環(huán)控制。即轉(zhuǎn)速給定值NG與實際轉(zhuǎn)速NC之差產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速偏差信號送至轉(zhuǎn)速PI控制器中，通過PI控制器計算輸出換相超前角γ命令信號，該信號送給機側(cè)逆變裝置，網(wǎng)側(cè)整流橋控制角為固定值22度。此時機組實際轉(zhuǎn)速NC將繼續(xù)逐漸接近給定NG的值。

參照上述方法，在機組正常啟動工況下，機組正常啟動，控制模式分兩個區(qū)間：0Hz-24.3Hz區(qū)間，控制系統(tǒng)采用網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制，按照上位機系統(tǒng)初始化、啟動參數(shù)固化設(shè)置、啟動的流程進行啟機，使機組快速、高效的達到24.3Hz的轉(zhuǎn)速，此時的網(wǎng)側(cè)整流觸發(fā)角為22度；

參見圖3是本發(fā)明燃機機組頻率在24.3～30Hz之間的控制啟動原理圖，24.3Hz-30Hz區(qū)間時，控制系統(tǒng)采用網(wǎng)側(cè)定整流觸發(fā)角、機側(cè)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制策略，使機組平穩(wěn)的達到30Hz。此時，由于燃氣輪機在10Hz轉(zhuǎn)速左右點火成功，穩(wěn)定運行至30Hz，燃機本體具備了較為穩(wěn)定的功率輸出，啟動變頻器退出啟動過程，機組由燃氣輪機繼續(xù)驅(qū)動，將機組帶至同期并網(wǎng)。

參見圖1是本發(fā)明燃機啟動變頻器時的啟動工作流程圖，對于特殊工況時，其優(yōu)化控制如下：

(1)水洗工況下，機組穩(wěn)定在8Hz工作頻率附近，為了提高機組啟動功率因數(shù)，并且水洗工作頻率下的平穩(wěn)運行，機組由0Hz至8Hz之間采用網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)、機側(cè)定角度控制方式，使機組快速、高效的達到目標轉(zhuǎn)速120r/min；當達到8Hz時，系統(tǒng)切換成網(wǎng)側(cè)采用定角度、機側(cè)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制控制策略，對機側(cè)轉(zhuǎn)速進行恒速控制，使機組能夠平穩(wěn)進行水洗工作，當水洗完成之后，啟動變頻器停機；

(2)吹掃工況下，機組工作頻率約13.5Hz，目的在于燃氣輪機啟動之前，將燃氣輪機內(nèi)部燃燒室內(nèi)的空氣、水汽等清除，保證啟動安全。為了提高機組 啟動功率因數(shù)，并且吹掃工作頻率下的平穩(wěn)運行。機組由0Hz啟動到13.5Hz之間采用網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)、機側(cè)定角度控制策略，使機組快速、高效的達到目標轉(zhuǎn)速202.5r/min；當達到13.5Hz時，系統(tǒng)切換成網(wǎng)側(cè)采用定角度、機側(cè)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制控制策略，對機側(cè)轉(zhuǎn)速進行恒速控制，使機組能夠穩(wěn)定進行吹掃工作，當吹掃完成之后，啟動變頻器停機；

(3)快冷工況下，機組工作頻率為2.5Hz-50Hz，目的在于在燃氣輪機運行停機之后，對燃機輪機、發(fā)電機組內(nèi)部進行通風冷卻。此工況下，汽輪機、發(fā)電機處于機械轉(zhuǎn)動狀態(tài)。啟動變頻器可以采用網(wǎng)側(cè)定角度，且角度盡量小，機側(cè)轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制控制策略，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。完成快冷工作之后，啟動變頻器停機。

本發(fā)明顯著提高了啟動變頻器的功率因數(shù)。以往此拓撲的啟動變頻器控制過程中，全程都對α進行調(diào)速參數(shù)進行控制，功率因數(shù)很低，一般0.5-0.7。而通過本控制方法，功率因數(shù)顯著提高，通過相關(guān)的測試，部分頻率段功率因數(shù)可達0.95-0.97左右。通過不同頻率區(qū)間的不同控制方法，在0Hz-24.3Hz區(qū)間，換相超前角較小，能夠輸出較大的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩，機組啟動的動態(tài)性得到提高，同時轉(zhuǎn)矩的脈動較小，啟動曲線較為平順。在24.3Hz-30Hz區(qū)間，網(wǎng)側(cè)選取較小的觸發(fā)角，并進行定角度開環(huán)控制控制，使啟動變頻器一直以最佳功率因數(shù)運行，使機組快速達到30Hz的目標轉(zhuǎn)速，一定程度上縮短了啟動時間。通過對啟動變頻器特殊工況的控制優(yōu)化，保證了啟動變頻器運行全過程的功率因數(shù)的最優(yōu)化，有效的保證了特殊工況下，機組的安全、穩(wěn)定、高效運行。