基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法，该系统包括：燃气轮机单元、永磁同步发电机单元、飞轮储能单元、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元和中央控制器，中央控制器用于获取所述永磁同步发电机单元的实时转速，并根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动，在燃气轮机发电系统完成启动，并进入发电状态时，永磁同步发电机单元接收燃气轮机单元输出的有功功率进行发电，并通过飞轮储能单元对永磁同步发电机单元的发电功率进行功率补偿，如此，可以复用启动机组和发电机组，即只使用一个永磁同步发电机，节省了额外的启动机组，节约了设备占地面积。节约了设备占地面积。节约了设备占地面积。

【技术实现步骤摘要】
基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及燃气轮机发电
，尤其是涉及一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，经济的快速发展促进了电力需求的不断增长，化石燃料不断消耗所导致的能源危机和环境污染问题也日益凸显，发展新能源和分布式发电技术正日益受到人们的关注。但以风电、光伏为代表的分布式电源具有较强的间歇性和不稳定性，使得分布式新能源电站的电能质量较差且弃光率较高，造成资源的浪费。微型燃气轮机发电系统具有响应速度快、排放低、综合效率高的优点，而传统微型燃气轮机在负载小范围变化时通常依靠直流母线电压上的储能蓄电池进行调节，但传统电池储能体积大、成本高、能量转换率有限且寿命周期短；此外，传统的微型燃气轮机系统里通过蓄电池的装置来完成微型燃机的启动运行，但由于蓄电池本身对充放电功率的约束，无法作为应对冲击性负载的储能机构。
[0003]传统的微型燃气轮机系统中包含蓄电池模块，但其主要在微型燃机启动过程中向永磁同步电机提供能量的作用，以拖动微型燃机启动。但蓄电池由于受其自身面对充放电响应速度以及能量转换等影响，其无法作为补偿功率装置对电网或者冲击性负载功率进行充放电工作。而传统微型燃气轮机工作过程中其发电机的功率为直接提供给负载一侧，其负载侧的功率完全由微型燃气轮机给与提供。但微型燃机燃烧能量转化为输出功率时，具有一定的延缓性，这就会导致在负载在阶跃性变化时，微型燃机调整到输出功率与负载功率相等的过程中，直流侧电压会由于发电机输出功率与负载侧功率不匹配的问题产生电压波动，造成输出电能质量的下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统及其控制方法。
[0005]本专利技术提出的一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，包括：燃气轮机单元、永磁同步发电机单元、飞轮储能单元、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元和中央控制器；其中，所述燃气轮机单元用于在所述燃气轮机发电系统处于发电状态时，根据负载变化调节燃料流量，以通过所述燃料燃烧输出有功功率；所述永磁同步发电机单元与所述燃气轮机单元连接，用于拖动所述燃气轮机单元启动，或者，在所述燃气轮机发电系统处于发电状态时，接收所述燃气轮机单元输出的有功功率，以进行发电；所述飞轮储能单元与所述永磁同步发电机单元连接，用于对所述永磁同步发电机单元的发电功率进行功率补偿；所述机侧换流器单元分别与所述永磁同步发电机单元和所述直流母线连接，用于控制所述直流母线的电压；所述逆变器单元与所述直流母线连接，用于控制负载的电压及电流；所述中央控制器分别与所述燃气轮机单元、所述永磁同步发电机单元、所述飞轮储能单元和所述逆变器单元连接，用于获取所述永磁同步发电机单元的实时转速，并根据所述实时转速控制所述
燃气轮机发电系统启动。
[0006]另外，根据本专利技术实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述飞轮储能单元包括：功率补偿控制器和飞轮；其中，所述功率补偿控制器，用于输出调节所述飞轮转速的信号；所述飞轮与所述功率补偿控制器连接，用于接收所述功率补偿控制器输出的飞轮转速信号，并根据所述飞轮转速信号运转以对需求功率进行功率补偿。
[0007]进一步地，所述永磁同步发电机单元包括：永磁同步发电机控制器和永磁同步发电机；其中，所述永磁同步发电机控制器与所述永磁同步发电机连接，用于采集所述永磁同步发电机的输出电压、输出电流和转速，并输出所述输出电压、所述输出电流和所述转速至所述中央控制器；所述永磁同步发电机，与所述燃气轮机单元连接，用于接收所述燃气轮机单元输出的有功功率，以进行发电。
[0008]进一步地，根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动时，所述中央控制器用于：当所述实时转速达到最小工作转速之前，对所述飞轮进行恒转矩控制；当所述实时转速达到所述最小工作转速时，对所述飞轮进行恒功率控制；当所述飞轮的转速达到第一预设转速时，采用转速电流双闭环控制策略控制所述永磁同步发电机的转速，以使所述永磁同步发电机的转速达到第二预设转速，其中，所述转速电流双闭环中的转速环用于控制所述飞轮的转速，所述转速电流双闭环中的电流环用于控制所述永磁同步发电机的电流。
[0009]进一步地，所述电流环具体为：；其中，u
d
，u
q
为机侧换流器单元的输出电压，为所述永磁同步发电机的电角频率，K
ip
，K
ii
参考所述永磁同步发电机电流环参数设计，分别取0.835与4.5，i
q*
，i
d*
为所述永磁同步发电机直交轴电流参考值，i
q
，i
d
为所述永磁同步发电机实际的直交轴电流值，L
d
，L
q
为所述永磁同步发电机直交轴的电感，为所述永磁同步发电机的磁链，s为所述永磁同步发电机直交轴电流参考值与实际的直交轴电流值之间差值的积分。
[0010]进一步地，在所述永磁同步发电机的转速达到第二预设转速之后，所述中央控制器还用于：当所述永磁同步发电机的转速达到第三预设转速时，燃气轮机单元完成启动，并进入发电状态，其中，所述第二预设转速小于所述第三预设转速。
[0011]进一步地，所述中央控制器还用于：在根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动之后，实时获取负载需求功率和所述永磁同步发电机的发电功率；根据所述负载需求功率和所述发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对所述负载需求功率进行功率补偿。
[0012]进一步地，根据所述负载需求功率和所述发电功率，通过功率补偿控制器输出调节飞轮转速的信号，以对所述负载需求功率进行功率补偿时，所述中央控制器用于：计算所述负载需求功率和所述发电功率的差值，并输出所述差值至所述功率补偿控制器；所述功
率补偿控制器通过电压电流双闭环控制策略进行直流母线电压的控制，其中，所述电压电流双闭环中的电流环使用转子磁链定向的矢量控制方法，所述电压电流双闭环中的电压环使用所述直流母线电压作为参考值，以产生指令电流。
[0013]进一步地，所述电压环具体为：；其中，为永磁同步发电机直交轴电流参考值，为直流母线的正常工作电压，为所述直流母线的实际工作电压，s1为所述直流母线的正常工作电压与实际工作电压之间差值的积分，K
up
，K
ui
参考PWM整流器电压环参数设计，分别取0.2与0.8。
[0014]根据本专利技术实施例的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，该燃气轮机发电系统包括燃气轮机单元、永磁同步发电机单元、飞轮储能单元、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元和中央控制器，中央控制器用于获取永磁同步发电机单元的实时转速，并根据实时转速控制燃气轮机发电系统启动；进一步的，在燃气轮机发电系统完成启动，并进入发电状态时，永磁同步发电机单元接收燃气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，包括：燃气轮机单元、永磁同步发电机单元、飞轮储能单元、机侧换流器单元、直流母线、逆变器单元和中央控制器；其中，所述燃气轮机单元用于在所述燃气轮机发电系统处于发电状态时，根据负载变化调节燃料流量，以通过所述燃料燃烧输出有功功率；所述永磁同步发电机单元与所述燃气轮机单元连接，用于拖动所述燃气轮机单元启动，或者，在所述燃气轮机发电系统处于发电状态时，接收所述燃气轮机单元输出的有功功率，以进行发电；所述飞轮储能单元与所述永磁同步发电机单元连接，用于对所述永磁同步发电机单元的发电功率进行功率补偿；所述机侧换流器单元分别与所述永磁同步发电机单元和所述直流母线连接，用于控制所述直流母线的电压；所述逆变器单元与所述直流母线连接，用于控制负载的电压及电流；所述中央控制器分别与所述燃气轮机单元、所述永磁同步发电机单元、所述飞轮储能单元和所述逆变器单元连接，用于获取所述永磁同步发电机单元的实时转速，并根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动。2.根据权利要求1所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述飞轮储能单元包括：功率补偿控制器和飞轮；其中，所述功率补偿控制器，用于输出调节所述飞轮转速的信号；所述飞轮与所述功率补偿控制器连接，用于接收所述功率补偿控制器输出的飞轮转速信号，并根据所述飞轮转速信号运转以对需求功率进行功率补偿。3.根据权利要求2所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述永磁同步发电机单元包括：永磁同步发电机控制器和永磁同步发电机；其中，所述永磁同步发电机控制器与所述永磁同步发电机连接，用于采集所述永磁同步发电机的输出电压、输出电流和转速，并输出所述输出电压、所述输出电流和所述转速至所述中央控制器；所述永磁同步发电机，与所述燃气轮机单元连接，用于接收所述燃气轮机单元输出的有功功率，以进行发电。4.根据权利要求3所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，根据所述实时转速控制所述燃气轮机发电系统启动时，所述中央控制器用于：当所述实时转速达到最小工作转速之前，对所述飞轮进行恒转矩控制；当所述实时转速达到所述最小工作转速时，对所述飞轮进行恒功率控制；当所述飞轮的转速达到第一预设转速时，采用转速电流双闭环控制策略控制所述永磁同步发电机的转速，以使所述永磁同步发电机的转速达到第二预设转速，其中，所述转速电流双闭环中的转速环用于控制所述飞轮的转速，所述转速电流双闭环中的电流环用于控制所述永磁同步发电机的电流。5.根据权利要求4所述的基于飞轮储能的燃气轮机发电系统，其特征在于，所述电流环具体为：
；其中，u
d
，u
q
为机侧换流器单元的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文东，王宏，槐博超，王宜凡，
申请(专利权)人：微控物理储能研究开发深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：