用于透平膨胀高速永磁同步发电并网装置的并网控制方法与流程

本发明属于透平膨胀高速永磁同步发电，具体涉及一种用于透平膨胀高速永磁同步发电并网装置的并网控制方法。

背景技术：

1、我国目前总体能源利用率较低，有相当尾气余压及一部分低品位的中低温热源,直接排放,导致能源浪费，随着国家节能减排政策的推进,对节能装备和技术利用的越来越重视, 尤其以利用透平膨胀高速永磁同步发电技术为尾气余压及低品位的或废弃的热能转化为电能是一种趋势,是一项变废为宝的高效节能技术。随着尾气余压及低温余热越来越受到重视，以及技术的进一步提高，透平膨胀高速永磁同步发电技术的单套发电量越来越大，发电系统要求结构设计可靠简单、运行安全稳定，能快速投入使用，操作维护要求简便，同时尽可能多的发电。

2、一般生产装置厂用电设计的低压电网容量一般有限，而采用同期并网发电方式结构复杂，还需要额外专门配置励磁调节器、同期并网装置，并且发电的相序、频差、相位、电压等需要与待并电网一至，要求比较苛刻，需要捕捉同期点，对发电机转速控制要求比较高，由于以上几个条件需要精确满足，投资较大，操作较为复杂，环节较多，设备复杂；采用异步并网发电方式，启动时对电网有冲击，发电功率因数低，发电机损耗高。同时均存在需要将透平高速减速为低速的问题，既增加了成本投资，又增加了中间环节，降低了系统效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术的上述不足，而提供一种用于透平膨胀高速永磁同步发电并网装置的并网控制方法，透平直接驱动高速永磁同步发电机，高速永磁同步功率因数高，系统效率高，可靠简单、运行安全稳定，并网过程快速友好，操作维护简便，减少厂用电负荷，节能降耗。

2、为了克服背景技术存在的缺陷，本发明为解决其技术问题采用的技术方案：

3、一种用于透平膨胀高速永磁同步发电并网装置的并网控制方法，其特征在于：包括以下步骤：1）联锁控制单元判断无联锁、具备开机条件：通过人机界面内联锁控制界面对透平膨胀机正常复位，透平膨胀机进口阀开度给定解除锁定、初始化为0%，透平膨胀机旁通阀开度给定解除锁定，初始化为100%；

4、2）当通过人机界面发出启动指令，透平膨胀机启动过程中，转速控制单元逐步提高高速永磁同步发电机转速，当高速永磁同步发电机发电电压u进入一体式变流模块单元中整流稳压后直流电压为u1，plc控制器联锁控制单元判断直流电压建立，变流控制单元根据直流电压发指令控制变流单元工作，当变流单元出口电压、频率、相位与电网的电压、频率、相位一致时，变流控制单元判断达到并网条件，变流控制单元发一致信号至plc控制器联锁控制单元，plc控制器联锁控制单元发并网指令，并网接触器合闸；plc控制器联锁控制单元判断一体式变流模块单元出口电压为u2且一体式变流模块单元出口电压、频率、相位与电网的电压、频率、相位一致时，具备向电网输出并网发电功率的条件，变流控制单元控制变流单元增大输出功率至电网，转速控制单元继续控制自动开大透平膨胀机进口阀，自动关小透平膨胀机旁通阀，增加进入透平膨胀机内的气量，直至100%全开透平膨胀机进口阀，0%全关透平膨胀机旁通阀；

5、当通过人机界面发出停机指令，透平膨胀机1停机过程中，转速控制单元控制自动关小透平膨胀机进口阀，自动开大透平膨胀机旁通阀，一体式变流模块单元降低输出功率至0，分并网接触器；转速控制单元继续控制自动关小透平膨胀机进口阀，自动开大透平膨胀机旁通阀直至0%全关透平膨胀机进口阀，100%全开透平膨胀机旁通阀；

6、3）透平膨胀机启动/停机过程中：采集到数据采集单元的数据输出至人机界面显示，比较采集到数据采集单元的数据与预设值，联锁控制单元判断数据采集单元采集的数据超限时，联锁控制单元进行联锁控制处理。

7、所述步骤2）中，当通过人机界面发出启动指令，透平膨胀机启动过程中，转速控制单元按升速逻辑自动开大透平膨胀机机进口阀，自动关小透平膨胀机旁通阀，增加进入透平膨胀机内的气量，逐步提高高速永磁同步发电机转速，当高速永磁同步发电机发电电压u进入一体式变流模块单元中整流稳压后直流电压为u1，plc控制器联锁控制单元判断直流电压建立，变流控制单元根据直流电压发指令控制变流单元工作，当变流单元出口电压、频率、相位与电网的电压、频率、相位一致时，变流控制单元判断达到并网条件，变流控制单元发一致信号至plc控制器联锁控制单元，plc控制器联锁控制单元发并网指令，并网接触器合闸；plc控制器联锁控制单元判断一体式变流模块单元出口电压为u2且一体式变流模块单元出口电压、频率、相位与电网的电压、频率、相位一致时，具备向电网输出并网发电功率的条件，变流控制单元按电压-功率-转速算法控制单元中的电压-功率-转速算法设定控制变流单元增大输出功率至电网，转速控制单元按升速逻辑继续自动开大透平膨胀机进口阀，自动关小透平膨胀机旁通阀，增加进入透平膨胀机内的气量，直至100%全开透平膨胀机进口阀3，0%全关透平膨胀机旁通阀；u1≥u2；

8、当通过人机界面发出停机指令，透平膨胀机停机过程中，转速控制单元按降速算法控制自动关小透平膨胀机进口阀，自动开大透平膨胀机旁通阀，调用电压-功率-转速算法单元，同时给变流控制单元一、变流控制单元二按电压-功率-转速算法设定控制变流单元一、变流单元二降低输出功率至0，分并网接触器；转速控制单元按降速逻辑继续控制自动关小透平膨胀机进口阀，自动开大透平膨胀机旁通阀直至0%全关透平膨胀机进口阀，100%全开透平膨胀机旁通阀；

9、3）透平膨胀机1启动/停机过程中：采集到数据采集单元的数据输出至人机界面显示，比较采集到数据采集单元的数据与预设值，联锁控制单元判断数据采集单元采集的数据超限时，联锁控制单元进行联锁控制处理。

10、所述步骤3）中联锁控制为，当数据采集单元采集的数据超限时，控制100%全开透平膨胀机旁通阀，0%全关透平膨胀机进口阀，分并网接触器，与电网脱开，启动制动单元制动；超限是指转速超速、发电机超电流、发电机超电压。

11、数据采集单元采集数据包括发电机转速测量单元采集的转速数据、交流电量采集单元一采集的电流数据、交流电量采集单元二采集的电流数据、交流电量采集单元三采集的电流数据、直流电量采集单元一采集的电流数据、直流电量采集单元二采集的电流数据、发电机侧电量采集单元采集的高速永磁同步发电机发电电压数据。

12、所述步骤2）中：变流单元输出端与滤波器输入端相连，滤波器输出端与并网接触器输入端相连，并网接触器输出端与并网断路器输入端相连，并网断路器输出端与电网相连；直流电压进一步升高，调用电压-功率-转速算法控制单元，同时给变流控制单元按电压-功率-转速算法设定控制变流单元增大输出功率至电网；

13、变流控制单元包括变流控制单元一、变流控制单元二，变流单元包括变流单元一、变流单元二；变流单元输出端即为一体式变流模块单元一与一体式变流模块单元二并联后的出口电压；

14、交流电量采集单元一、交流电量采集单元二分别采集变流单元一、变流单元二出口的电压，变流控制单元一、变流控制单元二通过交流电量采集单元三同时采集电网的电压、频率、相位，变流控制单元一、变流控制单元二分别发指令至变流单元一、变流单元二使二者出口电压、频率、相位与电网的电压、频率、相位一致，变流控制单元发一致信号至plc控制器联锁控制单元，达到并网条件。

15、制动单元中的制动电阻包括制动电阻一、制动电阻二、制动电阻三、制动电阻三四，制动单元中的制动接触器包括制动接触器一、制动接触器二、制动接触器三、制动接触器四；制动单元的制动方法为：合制动单元中的制动接触器一、制动接触器二、制动接触器三、制动接触器四；根据转速下降趋势，发电机转速spv≤ 7500转/分分制动接触器一、发电机转速spv≤5000转/分分制动接触器二、发电机转速spv≤2500转/分分制动接触器三、发电机转速spv≤100转/分延时5秒钟分制动接触器四，ups不间断电源始终为制动接触器一、制动接触器二、制动接触器三、制动接触器四提供不间断控制电源，防止因电网失电，制动单元控制电源消失不能及时制动。设四级制动作用是根据转速分四段平滑制动，逐步减少制动电流，防止制动过快损坏发电机。制动电阻器一、制动电阻器二、制动电阻器三、制动电阻器四的电阻值均为发电机定子等效阻值的4倍。

16、所述步骤1）中，发电机出口断路器处合位、并网断路器处合位，制动断路器处合位，并网接触器处分位，制动单元内制动接触器一、制动接触器二、制动接触器三、制动接触器四均处分位，无联锁信号，联锁控制单元判断无联锁。并网断路器与待并电网直接连接的断路器，过电流时跳闸保护。

17、一种用于透平膨胀高速永磁同步发电并网装置的并网控制方法，包括以下步骤：联锁控制单元判定，发电机出口断路器处合位、并网断路器处合位，制动断路器处合位，并网接触器处分位，制动单元内制动接触器一、制动接触器二、制动接触器三、制动接触器四均处分位，无联锁信号，通过人机界面内联锁控制界面对透平膨胀机正常复位，透平膨胀机进口阀3开度给定解除锁定，初始化为0%、透平膨胀机旁通阀开度给定解除锁定，初始化100%；

18、当通过人机界面发出启动指令，调用转速控制单元按升速逻辑自动开大透平膨胀机进口阀，自动关小透平膨胀机旁通阀，增加进入透平膨胀机内的气量，逐步提高高速永磁同步发电机转速，永磁转子切割定子线圈产生发电电压，转速测量由发电机转速测量单元完成，高速永磁同步发电机转速进一步增加，发电电压逐步提升至311v，发电机侧电量采集单元采集高速永磁同步发电机发电电压进入数据采集单元，直流电量采集单元一、直流电量采集单元二分别采集整流器一经稳压电容一，整流器二经稳压电容二后的直流电压，直流电压≥420v，此直流电压分别送至变流控制单元一、变流控制单元二，变流控制单元一控制变流单元一及变流控制单元二控制变流单元二工作，交流电量采集单元一、交流电量采集单元二分别采集变流单元一、变流单元二出口的电压，变流控制单元一、变流控制单元二通过交流电量采集单元三同时采集电网的电压、频率、相位，变流控制单元一、变流控制单元二分别发指令至变流单元一、变流单元二使二者出口电压、频率、相位与电网的电压、频率、相位一致，变流控制单元发一致信号至plc控制器联锁控制单元，达到并网条件，plc控制器联锁控制单元发并网指令，并网接触器合闸，变流单元一、变流单元二输出端与滤波器输入端相连，滤波器输出端与并网接触器输入端相连，并网接触器输出端与并网断路器输入端相连，并网断路器输出端与电网相连，同时发电机侧电量采集单元、直流电量采集单元一、直流电量采集单元二采集电压电流功率信号送plc控制器的送数据采集单元，plc控制器的联锁控制单元判断联锁条件，同时数据采集单元将采集的数据通过plc控制器传送至人机界面显示数据，一体式变流模块单元一与一体式变流模块单元二并联后的出口电压、频率、相位保持与电网一致，具备向电网输出并网发电功率的条件；当整流器一经稳压电容一与整流器二经稳压电容二后的直流电压≥432v，plc控制器调用电压-功率-转速算法控制单元，同时给变流控制单元一、变流控制单元二按电压-功率-转速算法设定控制变流单元一、变流单元二增大输出功率至电网，转速控制单元升速逻辑继续自动开大透平膨胀机进口阀，自动关小透平膨胀机旁通阀，增加进入透平膨胀机内的气量，直至100%全开透平膨胀机进口阀，0%全关透平膨胀机旁通阀；

19、当通过人机界面发出停机指令，plc控制器调用转速控制单元按降速算法自动关小透平膨胀机进口阀，自动开大透平膨胀机旁通阀，调用电压-功率-转速算法单元，同时给变流控制单元一、变流控制单元二按电压-功率-转速算法设定控制变流单元一、变流单元二降低输出功率0（即发电功率为0），分并网接触器。转速控制单元按降速逻辑继续自动关小透平膨胀机进口阀，自动开大透平膨胀机旁通阀4直至0%全关透平膨胀机进口阀，100%全开透平膨胀机旁通阀；

20、透平膨胀机启动/停机过程中发电机转速测量单元采集转速、交流电量采集单元一采集电流、交流电量采集单元二采集电流、交流电量采集单元三采集电流、直流电量采集单元一采集电流、直流电量采集单元二采集电流送plc控制器的送数据采集单元，调用联锁控制单元，若有超限设定，plc控制器联锁控制单元立即发联锁信号100%全开透平膨胀机旁通阀，0%全关透平膨胀机进口阀，分并网接触器，与电网脱开；合制动接触器一、制动接触器二、制动接触器三、制动接触器四，根据转速下降趋势，发电机转速spv≤ 7500转/分分制动接触器一、发电机转速spv≤5000转/分分制动接触器二、发电机转速spv≤2500转/分分制动接触器三39、发电机转速spv≤100转/分延时5秒钟分制动接触器四。

21、一种如上述的用于透平膨胀高速永磁同步发电并网装置的并网控制系统，包括联锁控制单元、数据采集单元、转速控制单元、电压-功率-算法转速控制单元。

22、一种透平膨胀高速永磁同步发电装置，包括透平膨胀机、高速永磁同步发电机、透平膨胀机机进口阀、透平膨胀机机旁路阀、plc控制器、人机界面、发电机转速测量单元、一体式变流模块单元一、一体式变流模块单元二、发电机出口断路器、发电机侧电量采集单元、并网接触器、并网断路器、制动接触器、制动断路器、制动单元、ups不间断电源、电网。

23、所述plc控制器的程序包括联锁控制单元、发电机侧电量采集单元、转速控制单元、电压-功率-转速算法控制单元。

24、所述plc控制器与人机界面相连。

25、所述plc控制器与一体式变流模块单元一、一体式变流模块单元二、发电机出口断路器、并网接触器、并网断路器、制动接触器相连。

26、所述透平膨胀机机进口管道上设有透平膨胀机机进口阀,所述透平膨胀机机旁通管道上设有透平膨胀机机旁路阀。

27、所述的透平膨胀机机进口阀为快关式气动调节阀。

28、所述的透平膨胀机机旁通阀为快开式气动调节阀。

29、所述的透平膨胀机膨胀机与高速永磁同步发电机直接相连；

30、所述高速永磁同步发电机的电力输出端与发电机出口断路器输入端连接，发电机出口断路器输出端与一体式变流模块单元一输入端连接，一体式变流模块单元一输出端与滤波器输入端相连，滤波器输出端与并网接触器输入端相连，并网接触器输出端与并网断路器的输入端相连，并网断路器的输出端与电网相连；所述的电网为三相380v、50hz电网。

31、所述发电机出口断路器输出端与一体式变流模块单元二输入端连接，一体式变流模块单元二输出端与滤波器输入端相连，滤波器输出端与并网接触器输入端相连，并网接触器输出端与并网断路器的输入端相连，并网断路器的输出端与电网相连；

32、所述高速永磁同步发电机的电力输出端与发电机输出端断路器输入端连接，发电机出口断路器输出端与一体式变流模块单元二输入端相连；

33、所述高速永磁同步发电机的电力输出端与制动断路器输入端相连，制动断路器输出端与制动单元输入端相连；

34、所述一体式变流模块单元一，采用一体式模块单元设计，包括与发电机出口断路器输出端连通的整流单元、直流电量采集单元、变流单元、变流控制单元、交流电量采集单元；以及直流电量采集单元、变流单元、交流电量采集单元分别与变流控制单元相连。

35、所述一体式变流模块单元二，采用一体式模块单元设计，包括与发电机出口断路器输出端连通的整流单元、直流电量采集单元、变流单元、变流控制单元、交流电量采集单元；以及直流电量采集单元、变流单元、交流电量采集单元分别与变流控制单元相连。

36、所述高速永磁同步发电机上还设有发电机转速测量单元；

37、所述制动单元包括制动接触器一与制动电阻一相连；制动接触器二与制动电阻二相连；制动接触器三与制动电阻三相连；制动接触器四与制动电阻四相连，制动接触器与制动电阻采用并联方式与制动断路器输出端相连；ups不间断电源为制动接触器一、制动接触器二、制动接触器三、制动接触器四提供不间断控制电源。

38、本发明的特点在于：

39、1.采用透平膨胀高速永磁同步发电并网方式，采用转速升速曲线结合电压-功率-转速算法能友好无冲击的并入电网，且负荷平稳增减；一体式变流模块单元化设计，可采用并联方式适配单机容量更大的系统。

40、2.制动单元采用分组投入的联锁逻辑，结合转速下降趋势进行制动，使制动过程更平稳。

41、与其他方法相比，本发明体积小，效率高，简单可靠，变流单元采用一体化模块设计，容量大时可采用并联扩展即可。对发电机转速控制要求不高，调节裕度高，操作较为简单。并网时对电网没有冲击，而且功率因数高，发电电压高，电流较小，线路损失小，经济性好单机大容量适配性好。