併網型多迴路低溫餘熱發電系統的製作方法

2023-09-22 19:44:40 3

併網型多迴路低溫餘熱發電系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了併網型多迴路低溫餘熱發電系統，通過有機郎肯循環方式將熱量收集轉換成機械能推動永磁同步發電機旋轉產生交流電能，然後經過併網變流器併入大電網或者內部小電網或為獨立負載供電。通過DSP浮點控制晶片TMS320F28335控制變流器的運行，通過上位機系統對整個系統進行實時監控和管理，處理系統中的故障問題，調節渦輪機的輸出功率恆定。當電網故障時，仍能做出相應的處理。這種併網低溫餘熱發電系統適合工廠廢熱、地熱、太陽能等溫度高於60℃的熱源，具有動態調節速度快、能量傳遞效率高、能量可以雙向流動、併網諧波電流小、功率因數高、發電機損耗小、效率高的特點，對餘熱的利用效率高的優點。
【專利說明】併網型多迴路低溫餘熱發電系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及併網型多迴路低溫餘熱發電系統，屬於電力電子變換器及控制技術、新能源及能源回收利用領域。

【背景技術】
[0002]近代工業文明的崛起和世界各國經濟的發展都是以石化能源的利用為動力，然而地球上的石化能源是不可再生資源，隨著近些年來人類的過渡開發和利用，這些能源逐漸枯竭，同時也帶來了日益嚴重的環境問題。一方面，如何能找到一種新的清潔能源來代替石化能源，另一方面，如何提高現有能源的利用效率，成為各國新能源領域專家和科研技術人員研究的熱點。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，但是由於溫度低(小於200°C)、開發成本高，所以基本上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%。。根據餘熱載體的溫度高低的不同，餘熱資源可以劃分為三種形式:溫度高於650°C的餘熱資源為高溫餘熱，溫度介於230°C -650°C之間的餘熱資源為中溫餘熱，溫度在230°C以下的餘熱資源為低溫餘熱。目前，雖然高溫(300°C以上)的餘熱已經得到利用，但是低溫(200°C以下)的餘熱利用很少，且利用效率很低，這就使得一次能源的整體利用效率並不高。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。國家能源局編制的《2010熱電聯產發展規劃及2020年遠景目標》以及對容量大於1000KW餘熱電站實行無條件上網並給予優惠上網電價等一系列政策、措施的出臺，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]近幾年直驅型永磁同步風力發電併網技術的飛速發展也給低溫餘熱(地熱)資源的利用提供了新的解決方案和技術支持。一方面，永磁同步電機以其控制簡單、功率密度高、體積小的優點，逐漸在民用發電和驅動領域得到應用；另一方面，背靠背雙PWM變流器拓撲結構的優點在風電併網得到了驗證:這種變流器結構能量傳遞效率高、由於變流器將發電機與電網通過直流環節隔離開來，有利於低電壓穿越技術和三相電網不對稱運行的實現，而且能量可以雙向流動，併網電流諧波小，功率因數高，同時發電機電流諧波小、功率因數高、效率高。
[0004]矢量控制技術在PWM變流器等電力電子變換中日益成熟，而且其靜態誤差小，動態響應速度快，諧波電流小的優點使其得到廣泛應用，直取永磁同步風力發電機網側控母線電壓、機側控有功功率的控制結構在背靠背雙PWM變流器中廣泛運用，並取得了很好的效果:機側功率追蹤容易實現，無功電流小，諧波畸變率低，轉速適應範圍寬；網側電流諧波小，功率調節方便，功率因數高，能量可以雙向流動。
[0005]DSP控制晶片不斷更新換代，其計算速度和數據處理能力的提升，使高性能控制系統的實現成為可能。特別是TMS320F28335浮點型DSP晶片的出現，使得原本複雜的運算變得簡單。


【發明內容】

[0006]本發明的目的在於對國內有機朗肯循環餘熱發電系統效率低的問題，提供一種高效的併網型多迴路低溫餘熱發電系統。
[0007]為了實現以上目的，本發明採用以下技術方案:包括蒸發器、膨脹機、冷凝器、工質泵、永磁同步發電機、機側電抗器1、機側電抗器I1、機側變流器1、機側變流器I1、直流母線1、直流母線I1、網側變流器1、網側變流器I1、LCL濾波器1、LCL濾波器I1、隔離變壓器、電網、斷路器1、斷路器I1、出氣調節閥、儲氣罐以及上位機管理系統；冷凝器的輸出端通過工質泵連接到蒸發器；所述膨脹機擁有與蒸發器連接的膨脹機進口以及與冷凝器連接的膨脹機的出口 ；永磁同步發電機臥式安裝時膨脹機被安裝在前軸伸或後軸伸，立式安裝時膨脹機被安裝在上方，膨脹機固定在發電機軸伸上驅動轉子旋轉；永磁同步發電機設有兩套三相繞組，繞組經過兩組機側電抗器I和機側電抗器II，連接到機側變流器I和機側變流器II，經過直流母線I和直流母線II連接到網側變流器I和網側變流器II，經過LCL濾波器I和LCL濾波器I1、斷路器I和斷路器II及三相隔離變壓器接入電網；永磁同步發電機在膨脹機的拖動下發出交流電能，經過機側變流器I和機側變流器II變換成直流電能，然後經過網側變流器I和網側變流器II轉換成與電網同頻率、同幅值的交流電能，併入電力系統大電網、併入工廠內部的小電網或為獨立負載提供電能。
[0008]永磁同步發電機採用膨脹機驅動，以高壓介質蒸汽為動力。
[0009]所述永磁同步發電機臥式安裝時膨脹機被安裝在前軸伸或後軸伸，立式安裝時膨脹機被安裝在上方，直接用軸伸處的對稱雙平鍵傳遞能量，驅動發電機轉子旋轉，對外輸出電能。
[0010]所述永磁同步發電機可選定一套、兩套或多套獨立三相繞組，通過背靠背雙PWM變流器形成單個、兩個或多個電能傳輸迴路，經隔離變壓器併入電網。所述永磁同步發電機可以由感應發電機、電勵磁同步發電機、永磁直流無刷發電機、開關磁阻發電機代替。
[0011]所述機側變流器I和機側變流器II採用基於轉矩電流轉速比最大的功率追蹤控制方式或轉子磁鏈定向的轉速電流雙閉環的矢量控制方式；網側變流器I和網側變流器II採用基於電壓定向電壓電流雙閉環矢量控制策略，通過鎖相環獲取電網相位和頻率信息。
[0012]所述機側變流器I和機側變流器II與網側變流器I和網側變流器II之間通過CAN通信獲取對方當前時刻的狀態、故障信息。
[0013]所述儲氣罐存儲相等氣壓的低沸點介質蒸汽，通過所述上位機系統根據需要實時調節出氣調節閥，使膨脹機的輸出功率維持恆定。
[0014]本發明與現有技術相比，具有如下優點:對於工廠餘熱、地質能、太陽能等低溫熱源，通過本系統收集轉換成與電網同頻率、同幅值的交流電能，既可以併入電力系統大電網，也可以併入工廠內部的小電網或者換成其他獨立負載需要的頻率和電壓，具有很強的抗幹擾和低電壓穿越能力。永磁同步發電機採用互補獨立雙繞組結構不僅能提高發電機的功率密度，減小發電機的體積，而且能消除高次諧波對轉子發熱的影響。由於採用背靠背雙PWM變流器併網結構，變流器控制軟體採用網側控母線的雙閉環矢量控制、機側採用最大功率追蹤捕獲渦輪機的最大功率，因此能量傳遞效率高達95%以上，能量可以雙向流動，機側電流諧波小，發電機效率高，網側諧波電流小，畸變率低，功率因數高的特點。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。由於採用了上位機管理系統，對系統進行實時監測，所以能維持渦輪機的轉速基本恆定，維持渦輪機的輸出功率最大，同時因為可以將渦輪機的功率、轉矩信息傳遞給變流器，所以變流器的最大功率追蹤容易實現。由於採用了背靠背雙PWM全功率變換器，將永磁同步發電機與電網分開，有利於低電壓穿越和電網不對稱故障運行的實現。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1併網型多迴路低溫餘熱發電系統結構總圖；
[0016]圖2併網型多迴路低溫餘熱發電併網系統圖；
[0017]圖中:蒸發器1、膨脹機2、冷凝器3、工質泵4、永磁同步發電機5、機側電抗器I 6、機側電抗器II 7、機側變流器I 8、機側變流器II 9、直流母線I 10、直流母線II 11、網側變流器I 12、網側變流器II 13、LCL濾波器I 14、LCL濾波器II 15、隔離變壓器16、電網17、斷路器I 18、斷路器II 19、進氣調節閥20、儲氣罐21、出氣調節閥22。

【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的內容做進一步詳細說明。
[0019]實施例:請參閱圖1和圖2所示，併網型多迴路低溫餘熱發電系統，包括蒸發器1、膨脹機2、冷凝器3、工質泵4、永磁同步發電機5、機側電抗器I 6、機側電抗器II 7、機側變流器I 8、機側變流器II 9、直流母線I 10、直流母線II 11、網側變流器I 12、網側變流器
II13、LCL濾波器I 14、LCL濾波器II 15、隔離變壓器16、電網17、斷路器I 18、斷路器II 19、出氣調節閥20、儲氣罐21以及上位機管理系統；冷凝器3的輸出端通過工質泵4連接到蒸發器I ;所述膨脹機2擁有與蒸發器I連接的膨脹機2進口以及與冷凝器3連接的膨脹機2的出口 ；永磁同步發電機5臥式安裝時膨脹機2被安裝在前軸伸或後軸伸，立式安裝時膨脹機2被安裝在上方，直接用軸伸處的對稱雙平鍵傳遞能量，驅動發電機轉子旋轉，對外輸出電能；永磁同步發電機5設有兩套三相繞組，繞組經過兩組機側電抗器I 6和機側電抗器
II7，連接到機側變流器I 8和機側變流器II 9，經過直流母線I 10和直流母線II 11連接到網側變流器I 12和網側變流器II 13，經過LCL濾波器I 14和LCL濾波器II 15、斷路器I 18和斷路器II 19及三相隔離變壓器16接入電網17;永磁同步發電機5在膨脹機2的拖動下發出交流電能，經過機側變流器I 8和機側變流器II 9變換成直流電能，然後經過網側變流器I 12和網側變流器II 13轉換成與電網同頻率、同幅值的交流電能，併入電力系統大電網、併入工廠內部的小電網或為獨立負載提供電能。
[0020]本實施例工作過程如下:工廠的廢熱或地熱等低溫熱源，溫度在60°以上以熱水的形式進入蒸發器後加熱低沸點的介質，液態低沸點介質在受熱後變成氣態，經管道推動膨脹機2旋轉，同時帶動永磁同步發電機5與膨脹機2 —起旋轉，推動完膨脹機2的氣態介質經管道回到冷凝器3，在冷水帶走氣態介質的熱量後，氣態介質變成液態，液態介質再工質泵4的壓力下回到蒸發器I中繼續循環。同時永磁同步發電機5在膨脹機2的拖動下，產生交流電能，經過所述永磁同步發電機5採用背靠背雙PWM變流器結構，經隔離變壓器16併入電力系統大電網、併入工廠內部的小電網或為獨立負載提供電能。
[0021]上位機管理系統完成對系統狀態及相關參數的實時監測，從機側變流器I 6和機側變流器II 7的控制器獲取當前時刻發電機的轉速，並根據實時檢測到的熱源溫度及流量、工質泵4的壓力、發電機的轉速等信息計算出膨脹機2的輸出功率(或輸出轉矩)反饋給機側變流器6 I和機側變流器II 7，以便機側變流器I 6和機側變流器II 7及時調整輸出功率，跟蹤膨脹機2的最大功率。機側變流器I 8和機側變流器II 9採用基於轉矩電流轉速比最大的功率追蹤控制方式。採用電壓電流雙閉環控制策略，同時，上位機通過調節流量、壓力等參數，使得膨脹機機2的轉速維持在高速高效區域，並使其基本穩定。機側變流器I 8和機側變流器II 9與網側變流器I 12和網側變流器II 13之間通過CAN通信獲取對方當前時刻的狀態信息。
[0022]直流環節加能量卸放電路，在電網17電壓跌落時，低溫餘熱發電變流系統能維持一段時間與電網電壓連接不解列，而且向電網電壓提供一定的無功功率幫助電網17恢復。
[0023]上位機管理系統通過檢測計算出膨脹機2的實時輸出數據，當膨脹機的實時輸出功率超過設定很多時，所述儲氣罐21存儲相等氣壓的低沸點介質蒸汽，通過所述上位機系統根據需要實時調節出氣調節閥20，使得渦輪機的輸出功率維持恆定。
[0024]上列詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例並非用以限制本發明的專利範圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含與本案的專利範圍中。
【權利要求】
1.併網型多迴路低溫餘熱發電系統，其特徵在於:包括蒸發器(I)、膨脹機(2)、冷凝器(3)、工質泵(4)、永磁同步發電機(5)、機側電抗器I (6)、機側電抗器II (7)、機側變流器I⑶、機側變流器II (9)、直流母線I (10)、直流母線II (11)、網側變流器I (12)、網側變流器II (13)、LCL濾波器I (14)、LCL濾波器II (15)、隔離變壓器(16)、電網(17)、斷路器I(18)、斷路器II (19)、出氣調節閥(20)、儲氣罐(21)以及上位機管理系統；冷凝器(3)的輸出端通過工質泵(4)連接到蒸發器(I);所述膨脹機(2)擁有與蒸發器(I)連接的膨脹機⑵進口以及與冷凝器⑶連接的膨脹機⑵的出口 ；永磁同步發電機(5)臥式安裝時膨脹機(2 )被安裝在前軸伸或後軸伸，立式安裝時膨脹機(2 )被安裝在上方，膨脹機(2 )固定在發電機軸伸上驅動轉子旋轉；永磁同步發電機(5)設有兩套三相繞組，繞組經過兩組機側電抗器I (6)和機側電抗器II (7)，連接到機側變流器I (8)和機側變流器II (9)，經過直流母線I (10)和直流母線II(Il)連接到網側變流器I (12)和網側變流器II (13)，經過LCL濾波器I (14)和LCL濾波器II (15)、斷路器I (18)和斷路器II (19)及三相隔離變壓器(16)接入電網(17);永磁同步發電機(5)在膨脹機(2)的拖動下發出交流電能，經過機側變流器I (8)和機側變流器II (9)變換成直流電能，然後經過網側變流器I (12)和網側變流器II (13)轉換成與電網同頻率、同幅值的交流電能，併入電力系統大電網、併入工廠內部的小電網或為獨立負載提供電能。
2.根據權利要求1所述併網型多迴路低溫餘熱發電系統，其特徵在於:永磁同步發電機(5)臥式安裝時膨脹機(2)被安裝在前軸伸或後軸伸，直接用軸伸處的對稱雙平鍵傳遞能量，驅動發電機轉子旋轉，對外輸出電能。
3.根據權利要求1所述併網型多迴路低溫餘熱發電系統，其特徵在於:所述永磁同步發電機(5)可選定一套、兩套或多套獨立三相繞組，通過背靠背雙PWM變流器形成單個、兩個或多個電能傳輸迴路，經隔離變壓器(16)併入電網(17);所述永磁同步發電機(5)可以由感應發電機、電勵磁同步發電機、永磁直流無刷發電機、開關磁阻發電機代替。
4.根據權利要求1所述併網型多迴路低溫餘熱發電系統，其特徵在於:所述機側變流器I (8)和機側變流器II (9)採用基於轉矩電流轉速比最大的功率追蹤控制方式或轉子磁鏈定向的轉速電流雙閉環的矢量控制方式；網側變流器I (12)和網側變流器II (13)採用基於電壓定向電壓電流雙閉環矢量控制策略，通過鎖相環獲取電網相位和頻率信息。
5.根據權利要求1所述併網型多迴路低溫餘熱發電系統，其特徵在於:所述機側變流器I (8)和機側變流器II (9)與網側變流器I (12)和網側變流器II (13)之間通過CAN通信獲取對方當前時刻的狀態、故障信息。
6.根據權利要求1所述併網型多迴路低溫餘熱發電系統，其特徵在於:所述儲氣罐(21)存儲相等氣壓的低沸點介質蒸汽，通過上位機系統根據需要實時調節出氣調節閥(20)，使膨脹機(2)的輸出功率維持恆定。
【文檔編號】H02K7/18GK203859534SQ201320883764
【公開日】2014年10月1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