一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法
2023-09-22 19:34:30 3
一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法
【專利摘要】本發明公開了一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法，該控制裝置包括有機工質朗肯循環系統的控制裝置、變流器控制裝置和人機界面，上述控制裝置分別與有機工質朗肯循環系統和背靠背變流器相連，同時控制裝置之間通過通信對整個系統進行協調控制，人機界面與變流器控制裝置相連，控制整個系統的運行和顯示狀態；有機工質朗肯循環系統的控制裝置包括有機工質液位的閉環控制模塊，對有機工質朗肯循環進行控制；變流器控制裝置包括時序控制模塊、機側網側控制模塊、最大功率捕獲模塊、低電壓穿越模塊。本發明能夠友好的接入電網，實現併網型低溫餘熱發電系統的安全，可靠，高效運行。具有餘熱利用效率高的優點。
【專利說明】—種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法【技術領域】
[0001]本發明屬於併網型低溫餘熱回收【技術領域】，涉及併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法，通過對有機工質朗肯循環系統的控制裝置、變流器控制裝置的配合設計，可以實現低溫餘熱發電系統的持續、穩定、高效併網發電。
【背景技術】
[0002]我國地域遼闊，地熱資源豐富，雖然現在部分地熱資源得到初步利用，但是只停留在直接利用層面(溫泉等日常生活用)，存在著能源利用效率低的缺點。與此同時，硫酸、水泥、玻璃、鋼鐵等製造工廠排放出大量廢熱、廢氣、廢煙等餘熱資源豐富，大約佔到工業總能耗量的20%。如能把這些能量回收利用，能產生很高的環境效益和經濟效益。對於低溫餘熱方面的回收利用，各國政府和能源公司投入了大量的人力和物力，旨在研發餘熱發電的新技術。「十二五」期間我國政府特別明確了節能減排的十項重點工程，其中餘熱餘壓資源的利用在節能改造工程中被重點提及。2012年12月7日，國家電監會出臺《關於規範水泥窯低溫餘熱發電機組併網運營的意見》，並明確鋼鐵、玻璃、化工等其他行業類似的低溫餘熱餘壓發電機組，可參照執行，也表明工業餘熱發電機組併網問題正逐步明朗化。為我國低溫餘熱發電技術的研究和廣泛應用提供了有利條件。
[0003]傳統的餘熱發電系統採用恆速恆頻發電方式，發電機與電網直接相連，由於只能固定運行在某一轉速上才能達到最高運行效率，當熱源條件改變時發電機和膨脹機就會偏離最佳運行轉速，導致運行效率下降。當電網電壓故障時，故障會直接傳送至發電機，造成發電機的故障。發電機定子與電網連接處通常接有無功補償用的電容器組，其電容量一般按補償發電機空載時吸收的無功功率來設計，所以發電系統還要從電網吸收額外的無功。 [0004]若系統採用的變速恆頻發電併網，在發電機和電網之間加入背靠背雙PWM變流器，變流器將發電機與電網通過直流環節隔離開來，通過對變流器的合理控制，可以實現低電壓穿越和三相電網電壓不對稱下的運行，並對電網提供無功支持。此變流器的能量可以控制，現實發電機速度的實時調節，達到最大功率跟蹤的目的，並且發電機的速度可以在不增加齒輪箱的情況下，根據膨脹機的特性配合設計，提高系統的運行效率。
【發明內容】
[0005]本發明是為解決併網型低溫餘熱發電系統的併網控制問題，而提出的併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法。本發明的目的是通過下述技術方案實現的；
1.該控制裝置包括有機工質朗肯循環系統的控制裝置、變流器控制裝置和人機界面，上述控制裝置分別與有機工質朗肯循環系統和背靠背變流器相連，同時控制裝置之間通過通信對整個系統進行協調控制，人機界面與變流器控制裝置相連，控制整個系統的運行和顯示狀態；有機工質朗肯循環系統的控制裝置包括有機工質液位的閉環控制模塊，對有機工質朗肯循環進行控制；變流器控制裝置包括時序控制模塊、機側網側控制模塊、最大功率捕獲模塊、低電壓穿越模塊，對變流器併網狀態進行控制； 2.工質液位的閉環控制模塊，由液位傳感器、冷凝器的壓力傳感器、蒸發器的壓力傳感器、工質泵、介質液位的閉環控制算法組成；控制算法根據當前的液位差和冷凝器的壓力、蒸發器的壓力，在模糊自適應PID的控制下，實時修改PID參數，控制工質泵的工作狀態；
3.工作時序控制模塊，接收人機界面的控制指令，對整個系統的開關機、緊急停車進行控制；
4.機側網側控制模塊，其中網側變流器採用基於電網電壓定向的矢量控制穩定直流母線的電壓，機側變流器採用基於轉子磁鏈定向的矢量控制算法，控制機發電機的轉速，轉速給定由最大功率捕獲模塊提供，轉子磁鏈的獲取由發電機的無速度傳感器算法獲得，無需安裝發電機位置傳感器。；
5.最大功率捕獲模塊由一種優化的爬山搜尋法算法自動找出發電機的最大功率點的速度，在傳統爬山算法流程中增加存儲與輸出環節，對結果進行預測和經驗累積，能夠根據環境的不同不斷改進，無須人為調試，同時利用功率反饋控制對系統進行最大功率控制，無需知道熱水溫度、流量、膨脹機功率特性等參數；
6.低電壓穿越模塊在檢測到直流電壓高於設定值時，立即投入能量轉移裝置，消耗多餘的能量來維持直流母線電壓的穩定，實現電網低電壓下的不脫網運行，並控制網側變流器向電網注入一定的無功功率，幫助電網電壓的恢復。
[0006]本發明與現有技術相比，具有如下優點；
1.本控制裝置及其方法的使用，可以對有機工質朗肯循環系統和發電機變速恆頻併網部分進行協調控制，系統的操作方便，簡單，穩定性和安全係數高；
2.本發明可以對發電機的速度進行實時調節，在無需知道熱水溫度、流量、膨脹機功率特性的情況下，實現系統的最大功率跟蹤輸出。並且可以在發電機與膨脹機之間不增加齒輪箱的情況下，設計發電機的轉速與膨脹機的功率特性配合，實現發電機在高速下的運行，減少發電機的重量；
3.由於變流系統採用並列的背靠背雙PWM結構，所以容錯能力強，當一臺變流器故障時，另一臺變流器仍能繼續運行，方便維護，並且能量能夠四象限流動；
4.本發明的變流器採用矢量控制策略，實現了機側和網側有功和無功的獨立動態解耦控制，並且省去了發電機的容易出故障的位置傳感器，增加了系統的可靠性；
5.本發明可以使併網型低溫餘熱發電系統無需從電網吸收無功功率，並且在電網發生故障時，能夠保持不脫網下的連續運行，對電網的衝擊小。並可以向電網提供一定的無功功率，幫助電網電壓的恢復。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1併網型低溫餘熱發電系統及其控制裝置與方法連接圖；
圖2有機工質朗肯循環裝置及變流器結構圖；
圖3系統的起停時序流程圖；
圖4工質的液位控制圖；
圖5機側變流器的控制原理圖；
圖6網側變流器的控制原理圖；
圖7優化爬山算法實現最大功率捕獲流程圖； 圖中:變流器控制裝置1、有機工質朗肯循環控制裝置2、人機界面3、發電機4、蒸發器
5、冷凝器6、膨脹機7、熱水泵8、工質泵9、冷水泵10、工質閥11、熱水閥12、蒸發器壓力傳感器13、冷凝器壓力傳感器14、液位傳感器15、網側變流器I 16、網側變流器II 17、機側變流器II 18、機側變流器I 19、直流母線電容I 20、直流母線電容II 21、直流母線電壓傳感器I 22、直流母線電壓傳感器II 23、能量轉移裝置I 24、能量轉移裝置II 25、濾波器I 26、濾波器II 27、變壓器28。
【具體實施方式】
[0008]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0009]參閱附圖1所示，併網型低溫餘熱發電系統由變流器控制裝置1、有機工質朗肯循環控制裝置2、人機界面3、發電機4、有機工質朗肯循環裝置和變流器構成。變流器控制裝置I用DSP實現，有機工質朗肯循環控制裝置2用PLC實現。其中變流器控制裝置I主要包括電信號採集電路，時序控制模塊，網側、機側變流器控制模塊，最大功率捕獲模塊，低電壓穿越模塊。有機工質朗肯循環控制裝置2主要包括溫度、壓力信號採集模塊，液位閉環控制模塊，泵、閥控制模塊。
[0010]參略附圖2所示，系統的具體工作原理如下:溫度在60°以上的熱水以水的形式進入蒸發器5後加熱液態低沸點的介質，介質在受熱後變成氣態，經管道推動膨脹機7做功，同時帶動發電機4旋轉發電，推動完膨脹機7的氣態介質經管道回到冷凝器6，在冷水帶走氣態介質的熱量後，氣態介質變成液態，液態介質再在工質泵9作用下回到蒸發器5中繼續循環。同時發電機4產生的交流電能經過機側變流器II 18和機側變流器I 19將交流電能變換成直流電能，然後經過網側變流器I 16和網側變流器II 17逆變成與電網同頻率交流電能，經過LCL濾波器I 26和濾波器II 27濾除高次諧波，再經過變壓器28隔離升壓，變成與電網同幅值、同頻率的交流電能饋入電網。
[0011]系統的控制過程如下:
參略附圖3所示，人機界面3接收到操作人員的開機或停機指令，若為開機指令，則啟動網側變流器I 16和網側變流器II 17併入電網，抬升並穩定直流母線電壓，然後變流器控制裝置I對從直流母線電壓傳感器I 22和直流母線電壓傳感器II 23採樣的信號進行判斷，超過設定值以後，變流器控制裝置I發送開機信號給有機工質朗肯循環控制裝置2，該裝置控制工質閥11、熱水閥12、熱水泵8、工質泵9、冷水泵10工作,從而對蒸發器5的介質加熱，介質由液態變為氣態，推動膨脹機7對其做功，熱能轉變為動能，帶動發電機4發電。變流器控制裝置I根據機側電流和電壓的信號，計算出發電機4的速度，判斷速度達到併網條件後，投入機側變流器II 18和機側變流器I 19，同時最大功率捕獲模塊投入，機側變流器I 19實時對發電機速度的控制，以便實時調整速度，捕獲系統的最大功率輸出。機側變流器II 18的功率給定與機側變流器I 19的相等。若系統的輸出功率超過額定功率，有機工質朗肯循環控制裝置對熱水泵8進行控制，減少熱水的流入量，使系統保持在額定功率點運行。控制若集中控制系統接受到關機指令或遇到緊急故障，立即關斷工質閥11、熱水閥12、熱水泵8，發電機4的轉速下降都脫網轉速以下，先停止機側變流器II 18和機側變流器I 19的工作，再停止網側變流器I 16和網側變流器II 17的工作。
[0012]液位控制模塊對冷凝器6的液位進行閉環控制，其原理如附圖4所示，控制模塊程序通過液位傳感器15採集冷凝器6的液位信號，與通過程序設定的最優液位比較，利用PID控制器計算出工質泵9驅動速度值，給帶動工質泵9的變頻電機。由於工質泵9的執行效果與冷凝器6和蒸發器5的壓力差有關，所以應用常規PID控制器對於此液位控制系統，無法達到理想的控制效果。本發明採用模糊自適應PID控制器，通過冷凝器6的壓力傳感器14、蒸發器5的壓力傳感器13對冷凝器6和蒸發器5的壓力進行採集，根據冷凝器6和蒸發器5的壓力差，實時更改P、1、D控制參數。PID算法的計算公式如下:
【權利要求】
1.一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法，其特徵在於:該控制裝置包括有機工質朗肯循環系統的控制裝置(2)、變流器控制裝置(I)和人機界面(3)組成，上述控制裝置分別與有機工質朗肯循環系統和背靠背變流器相連，同時控制裝置之間通過通信對整個系統進行協調控制，人機界面(3)與變流器控制裝置(I)相連，控制整個系統的運行和顯示狀態；有機工質朗肯循環系統的控制裝置(2)包括有機工質液位的閉環控制模塊，對有機工質朗肯循環進行控制；變流器控制裝置(I)包括時序控制模塊、機側網側控制模塊、最大功率捕獲模塊、低電壓穿越模塊，對變流器併網狀態進行控制。
2.根據權利要求1所述一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法，其特徵在於:所述工質液位的閉環控制模塊，由液位傳感器(15)、冷凝器(6)的壓力傳感器(14)、蒸發器(5)的壓力傳感器(13)、工質泵(9)、介質液位的閉環控制算法組成；控制算法根據當前的液位差和冷凝器(6)的壓力、蒸發器(5)的壓力，在模糊自適應PID的控制下，實時修改PID參數，控制工質泵(9)的工作狀態。
3.根據權利要求1所述一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法，其特徵在於:所述的工作時序控制模塊，接收人機界面(3)的控制指令，對整個系統的開關機、緊急停車進行控制。
4.根據權利要求1所述一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法，其特徵在於:所述的機側網側控制模塊，其中網側變流器採用基於電網電壓定向的矢量控制穩定直流母線的電壓，機側變流器採用基於轉子磁鏈定向的矢量控制算法，控制機發電機的轉速，轉速給定由最大功率捕獲模塊提供，轉子磁鏈的獲取由發電機(14)的無速度傳感器算法獲得，無需安裝發電機(14)位置傳感器。
5.根據權利要求1所述一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法，其特徵在於:所述最大功率捕獲模塊由一種優化的爬山搜尋法算法自動找出發電機的最大功率點的速度，在傳統爬山算法流程中增加存儲與輸出環節，對結果進行預測和經驗累積，能夠根據環境的不同改進，同時利用功率反饋控制對系統進行最大功率控制。
6.根據權利要求1所述一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法，其特徵在於:本發明採用模糊自適應PID控制器，通過冷凝器(6)的壓力傳感器(14)、蒸發器(5)的壓力傳感器(13)對冷凝器(6)和蒸發器(5)的壓力進行採集，根據冷凝器(6)和蒸發器(5)的壓力差，實時更改P、1、D控制參數。
7.根據權利要求1所述一種併網型低溫餘熱發電系統的控制裝置與方法，其特徵在於:所述低電壓穿越模塊，在檢測到直流電壓高於設定值時，立即投入能量轉移裝置，消耗多餘的能量來維持直流母線電壓的穩定，實現電網低電壓下的不脫網運行，並控制網側變流器向電網注入一定的無功功率，幫助電網電壓的恢復。
【文檔編號】H02J3/38GK103982256SQ201310745117
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】黃晟, 張文娟, 王家堡, 廖武 申請人:湖南齊力達電氣科技有限公司