一种燃机轮机启动变频器功率因数最优控制方法与流程

本发明涉及燃气发电技术领域，具体的说是一种燃机轮机启动变频器功率因数最优控制方法。

背景技术：

目前，随着国家能源消耗的快速增长以及能源结构的调整，以燃气、风电、光伏为代表的清洁能源在所占能源比例逐步提高。而风电、光伏的出力具有一定的随机性、波动性、不稳定性，当电网故障时，风电/光伏对电网的支撑不够，甚至会成为电网中的不稳定因素。燃气发电作为一种稳定的能源输出，具有输出功率稳定、响应速度快等特点，在电网中能够具备一定的调峰的能力。在燃气电站自动控制系统及成套设备中，燃机启动变频器LCI作为其中的关键技术设备，对于保证燃气机组的快速、可靠启动和燃气电站的稳定运行具有重要意义。同时，作为燃气电站中重要的设备，燃机启动变频器的性能高低，决定了燃气轮机的启动成功率、动态响应速率、启动时的功率因数等性能参数。当前国际形势下，我国大型燃气轮机及其自动化设备，包含启动变频器，主要的以国外进口为主，且国际上对我国的技术隔离比较严重。随着近些年来，我国在中小型燃气轮机上取得的进步，燃机启动变频器也有一定的技术突破，但在燃气电站启动变频器功率因数控制方面，国内对此的研究文献较少。

在燃机启动过程中，机组启动控制策略影响着变频器的功率因数，燃机点火之后典型的燃机启动过程，采用调整整流桥控制角的方法进行机组速度控制，逆变桥一般采用定角度控制方法。该方法使得变频器系统的功率因数较低，启动加速慢，进入同期时间相对较长。变频器功率因数较低，一般在0.5-0.7左右。

因此，为克服上述技术的不足而设计出一款可实现不同频率范围时的调速控制，有效提高燃气电站启动变频器功率因数，减小机组转动脉动，并改善机组启动速率的一种燃机轮机启动变频器功率因数最优控制方法，正是发明人所 要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种燃机轮机启动变频器功率因数最优控制方法，可实现不同频率范围时的调速控制，有效提高燃气电站启动变频器功率因数，减小机组转动脉动，并改善机组启动速率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃机轮机启动变频器功率因数最优控制方法，其包括燃机，所述燃机的启动过程包含了以下几种工况：

1)水洗工况，所述燃机机组工作频率为8Hz；

2)吹扫工况，所述燃机机组工作频率为13.5Hz；

3)正常启动工况，所述燃机机组工作频率为0Hz-30Hz；

4)快冷工况，所述燃机机组工作频率为2.5Hz-50Hz；

根据每种所述工况的实际启动情况，即所述燃机机组工作频率区间，所述燃机机组的控制系统设计出具体的启动变频器控制方法，具体的如下：

1)选择控制对象

结合系统中的功率因数的整定公式(1)，系功率因数PF主要的受α、γ影响，

α——整流桥控制角

γ——逆变桥换相超前角

THD——谐波含量

其中，α、γ这两个控制参数影响着系统的启动速率；

2)控制方式频率转换点计算

根据公式(2)，发电机的极对数恒定，励磁电流、换相重叠角在机组启动过程中变化范围较小，忽略其调速特性，忽略直流回路总电阻、凸极电磁转矩及变频器系统损耗，燃机启动变频器对机组转速的控制参数为：α、γ，得出：

n——机组转速

U_l——系统侧线电压

P——发电机极对数

μ——换相重叠角，一般取15°

C_e——含有气隙每极磁通量的系数

当机组频率小于等于f₀时，控制对象采用α，对机组进行速度控制；当机组频率大于f₀时，控制对象采用γ，对机组进行速度控制；f₀的计算按照公式(3)计算：

其中：γ₀在上式中，取值范围为30°～60°；

此时的f₀意义：在换相超前角为γ₀时，为对应机组转速增加到该值时，整流侧的控制角度为零度，即此时的变频器系统功率因数最大，K为裕度系数；

3)当机组频率小于f₀时，采用转速-电流双闭环控制机组转速，逆变桥采用定角度控制，γ角度恒定不变，将转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速偏差信号送至转速PI控制器中，转速偏差信号通过转速PI控制器计算输出电流控制信号IG，再由IG与实际电流IC产生的偏差信号送到电流PI控制器的输入端，再经过电流PI控制器计算出整流桥控制角的输出角度指令，送给整流装置，从而对机组实现了转速的双闭环控制，逆变桥的换相超前角为固定值，此时机组实际转速NC逐渐接近给定NG的值；

当机组的频率达到f₀时，将此时整流控制角记为α₀，然后转到下一种控制方式；

4)当机组频率大于f₀时，整流侧采用定角度控制，逆变侧换相超前角作为控制参数，进行闭环控制，即转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速 偏差信号送至转速PI控制器中，通过PI控制器计算输出换相超前角γ₀命令信号，该信号送给逆变桥控制装置，整流桥控制角为固定值α₀，此时机组实际转速NC将继续逐渐接近给定NG的值；

5)当机组频率大于30Hz时，所述燃机启动变频器退出，控制系统封锁晶闸管触发脉冲，燃机启动变频器进入待机状态，进行热备用。

本发明的有益效果是：

1、本发明提高了启动变频器的功率因数。以往此拓扑的启动变频器控制过程中，全程都对α进行调速参数进行控制，功率因数很低，而通过本发明控制方法，功率因数显著提高。

2、本发明通过不同频率区间的不同控制方法，在0Hz-24.3Hz区间，换相超前角较小，能够输出较大的电磁转矩转矩，机组启动的动态性得到提高，同时转矩的脉动较小，启动曲线较为平顺。在24.3Hz-30Hz区间，网侧选取较小的触发角，并进行定角度开环控制控制，使启动变频器一直以最佳功率因数运行，使机组快速达到30Hz的目标转速，一定程度上缩短了启动时间。

3、本发明通过对启动变频器特殊工况的控制优化，保证了启动变频器运行全过程的功率因数的最优化，有效的保证了特殊工况下机组的安全、稳定、高效运行。

附图说明

图1是本发明燃机启动变频器时的启动工作流程图。

图2是本发明燃机机组频率在0～24.3Hz之间的控制启动原理图。

图3是本发明燃机机组频率在24.3～30Hz之间的控制启动原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样 落在申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明为一种燃机轮机启动变频器功率因数最优控制方法，实现过程如下：

1)、在上位机组态王软件界面上执行控制系统初始化、参数固化等操作，选取并确定系统相关参数。

系统电压：380V

同步电机极对数：4

C_e电机电磁系数：3.01

2)控制方式频率转换点计算：

根据系统主回路相关参数，并且裕度系数K取0.95，机侧换相超前角γ₀取45°，换相重叠角μ取15°根据公式(3)，可计算出变频器控制频率切换点的具体数值：

3)当机组频率小于等于24.3Hz时的控制方式：

在此频率区间，机组启动控制方法如附图2所示，网侧采用转速-电流双闭环控制机组转速，逆变桥采用定角度控制，设置γ＝45°。其中，转速环为外环，电流环为内环，即转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速偏差信号送至转速PI控制器中，转速偏差信号通过PI控制器快速计算输出电流控制信号IG，再由IG与实际电流IC产生的偏差信号送到电流PI控制器的输入端，再经过PI控制器计算出整流桥控制角，给出相应的整流、逆变触发脉冲时序，从而对机组实现了转速的双闭环控制。逆变桥的换相超前角为固定值，此时机组实际转速NC逐渐接近给定NG的值；

当系统的转速达到24.3Hz时，此时，网侧整流触发角为22度，当将进行控制方式切换时，为了保持启动功率，机组转速高于24.3Hz时，网侧定角度控 制时，触发角为22度。

4)当机组频率大于24.3Hz时的控制方式：

在此频率区间，机组启动控制方法如附图3所示，网侧采用定角度控制，机侧换相超前角作为控制参数，进行闭环控制。即转速给定值NG与实际转速NC之差产生的转速偏差信号送至转速PI控制器中，通过PI控制器计算输出换相超前角γ命令信号，该信号送给机侧逆变装置，网侧整流桥控制角为固定值22度。此时机组实际转速NC将继续逐渐接近给定NG的值。

参照上述方法，在机组正常启动工况下，机组正常启动，控制模式分两个区间：0Hz-24.3Hz区间，控制系统采用网侧转速-电流双闭环控制，按照上位机系统初始化、启动参数固化设置、启动的流程进行启机，使机组快速、高效的达到24.3Hz的转速，此时的网侧整流触发角为22度；

参见图3是本发明燃机机组频率在24.3～30Hz之间的控制启动原理图，24.3Hz-30Hz区间时，控制系统采用网侧定整流触发角、机侧转速-电流双闭环控制策略，使机组平稳的达到30Hz。此时，由于燃气轮机在10Hz转速左右点火成功，稳定运行至30Hz，燃机本体具备了较为稳定的功率输出，启动变频器退出启动过程，机组由燃气轮机继续驱动，将机组带至同期并网。

参见图1是本发明燃机启动变频器时的启动工作流程图，对于特殊工况时，其优化控制如下：

(1)水洗工况下，机组稳定在8Hz工作频率附近，为了提高机组启动功率因数，并且水洗工作频率下的平稳运行，机组由0Hz至8Hz之间采用网侧转速-电流双闭环、机侧定角度控制方式，使机组快速、高效的达到目标转速120r/min；当达到8Hz时，系统切换成网侧采用定角度、机侧转速-电流双闭环控制控制策略，对机侧转速进行恒速控制，使机组能够平稳进行水洗工作，当水洗完成之后，启动变频器停机；

(2)吹扫工况下，机组工作频率约13.5Hz，目的在于燃气轮机启动之前，将燃气轮机内部燃烧室内的空气、水汽等清除，保证启动安全。为了提高机组 启动功率因数，并且吹扫工作频率下的平稳运行。机组由0Hz启动到13.5Hz之间采用网侧转速-电流双闭环、机侧定角度控制策略，使机组快速、高效的达到目标转速202.5r/min；当达到13.5Hz时，系统切换成网侧采用定角度、机侧转速-电流双闭环控制控制策略，对机侧转速进行恒速控制，使机组能够稳定进行吹扫工作，当吹扫完成之后，启动变频器停机；

(3)快冷工况下，机组工作频率为2.5Hz-50Hz，目的在于在燃气轮机运行停机之后，对燃机轮机、发电机组内部进行通风冷却。此工况下，汽轮机、发电机处于机械转动状态。启动变频器可以采用网侧定角度，且角度尽量小，机侧转速-电流双闭环控制控制策略，控制系统转速。完成快冷工作之后，启动变频器停机。

本发明显著提高了启动变频器的功率因数。以往此拓扑的启动变频器控制过程中，全程都对α进行调速参数进行控制，功率因数很低，一般0.5-0.7。而通过本控制方法，功率因数显著提高，通过相关的测试，部分频率段功率因数可达0.95-0.97左右。通过不同频率区间的不同控制方法，在0Hz-24.3Hz区间，换相超前角较小，能够输出较大的电磁转矩转矩，机组启动的动态性得到提高，同时转矩的脉动较小，启动曲线较为平顺。在24.3Hz-30Hz区间，网侧选取较小的触发角，并进行定角度开环控制控制，使启动变频器一直以最佳功率因数运行，使机组快速达到30Hz的目标转速，一定程度上缩短了启动时间。通过对启动变频器特殊工况的控制优化，保证了启动变频器运行全过程的功率因数的最优化，有效的保证了特殊工况下，机组的安全、稳定、高效运行。