本发明专利技术属于低温余热发电和环保节能领域，涉及一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备；所述磁悬浮ORC低温发电设备包括蒸发器、透平机、冷凝器、工质泵、永磁偏置磁悬浮发电机、SVPWM整流器、SVPWM逆变器、直流母线、交流母线、温度传感器、压力传感器、PLC。本发明专利技术提供的所述磁悬浮ORC低温发电设备基于永磁发电机转速‑电压特性，利用设备内部温度和压力参数，对永磁发电机转速进行预测，进而预测发电机输出电压。通过调节SVPWM整流器内部分数阶PID控制器参数使直流母线电压保持稳定，能够有效改善ORC低温余热发电设备在工况发生改变时的稳定性。
1、我国人口众多，经济处于飞速上升期，对电能的需求量极大。虽然地域辽阔，物资丰富，但是化石能源不可再生，提供的能量是有限的。此外，化石能源的燃烧，会产生大量的温室气体和其他有毒有害气体，会对环境和人身健康造成严重影响。我国众多工业生产中如钢铁行业，在进行产品的加工过程中，会大量利用到化石燃料，利用高温对产品进行处理，这部分高温往往不加利用，伴随着废渣、废液、废气排出，没能对能源进行高效利用，仅钢铁行业的能耗量就占了全国能耗量的10％。其中，占总能耗的20％-60％的热量未被合理利用。
2、在工业生产实际当中，热源不可避免地会发生一定程度的波动，在温度波动较小时，不会对低温余热发电系统造成影响，当发生较大程度波动时，会对有机工质循环温度和压力造成较大影响。而温度和压力是影响气态工质流速的最重要的因素，气态工质的流速则会对透平机的转速产生影响。由于orc(organic rankine cycle)系统采用永磁偏置磁悬浮发电机与透平机一体式设计，透平机转速的波动进而影响到发电机的输出电压以及频率。此外，磁悬浮系统相对于机械轴承而言，转子位置可能会发生更大波动，不能均匀切割磁感线，同样会造成发电机输出的波动。当发电机输出电压以及频率发生改变时，如果不改变svpwm整流器内部控制器的参数，可能导致输出直流电压经过较长时间才能恢复到设定值，甚至永久偏离设定输出电压。
>3、因此，亟需一种通过动态调节整流器内部控制器参数，提高orc系统在变工况下的适应能力，保证其运行稳定性的技术方案。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于分数阶pid和svpwm的磁悬浮orc低温发电设备。通过调节svpwm整流器内部分数阶pid控制器参数使直流母线电压保持稳定，能够有效改善orc低温余热发电设备在工况发生改变时的稳定性。
2、为了实现上述技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
3、一种基于分数阶pid和svpwm的磁悬浮orc低温发电设备，包括蒸发器(1)、透平机(2)、冷凝器(3)、工质泵(4)、永磁偏置磁悬浮发电机(5)；所述透平机(2)和所述永磁偏置磁悬浮发电机(5)的磁悬浮转子刚性连接并且为一体式设计；所述磁悬浮orc低温发电设备还包括svpwm整流器(6)、svpwm逆变器(7)和plc(14)；
4、所述永磁偏置磁悬浮发电机(5)通过交流母线(9)和所述svpwm整流器(6)连接，交流电经所述svpwm整流器(6)整流后变为直流电；
5、所述svpwm整流器(6)和所述svpwm逆变器(7)通过直流母线(8)进行连接，直流电通过直流母线(8)传输到svpwm逆变器(7)中逆变为三相交流电后输送到电网中；
6、在所述蒸发器(1)和所述透平机(2)之间的管路上安装有透平机入口温度传感器(10)和透平机入口压力传感器(11)，在所述永磁偏置磁悬浮发电机(5)和所述冷凝器(3)之间的管路上安装有透平机出口温度传感器(12)和透平机出口压力传感器(13)；
7、所述透平机入口温度传感器(10)、所述透平机入口压力传感器(11)、所述透平机出口温度传感器(12)和所述透平机出口压力传感器(13)均和plc(14)相连接；且所述plc(14)和所述svpwm整流器(6)、所述svpwm逆变器(7)相连接；
8、所述plc(14)获取透平机(2)入口和出口的温度参数及压力参数，构建透平机(2)入口和出口的温度参数、压力参数与透平机(2)转速之间的数学模型，通过构建的数学模型对透平机(2)的转速进行预测；
9、所述plc(14)根据预测获得的所述透平机(2)的转速，设置svpwm整流器(6)内部电流环与电压环的控制器的分数阶pid参数，以保证直流母线(8)电压电流的稳定。
10、进一步地，所述plc(14)获取透平机(2)入口和出口的温度参数及压力参数，构建透平机(2)入口和出口的温度参数、压力参数与透平机(2)转速之间的数学模型，具体方法包括：
11、所述plc(14)获取透平机(2)入口和出口的温度参数及压力参数，考虑到设备可以孤岛运行以及工业生产现场算力，采用多元线性回归法，构建的数学模型为：
12、n＝x1tin+x2tout+x3pin+x4pout+x5；
13、其中，n为预测的透平机转速，tin为透平机入口温度，tout为透平机出口温度，pin透平机入口压力，pout透平机出口压力，对于不同的成套设备，x1、x2、x3、x4、x5为系数。科研人员根据具体实验数据来确定x1、x2、x3、x4、x5的数值。
14、进一步地，所述plc(14)根据预测的透平机转速的不同，设置不同的svpwm整流器(6)内部电流环与电压环的控制器的分数阶pid参数，以保证直流母线(8)电压电流的稳定，具体方法为：
15、(1)所述plc(14)根据预测的透平机转速n，计算获得预测的永磁偏置磁悬浮发电机的输出频率f，计算公式为：
16、
17、式中，p为永磁偏置磁悬浮发电机的磁极对数；
18、(2)plc(14)利用永磁偏置磁悬浮发电机的转速-电压特性曲线(每个电机的特性曲线不同，需要科研人员根据发电机特性获得，为常规技术)，获得预测的永磁偏置磁悬浮发电机输出电压：
19、将永磁偏置磁悬浮发电机的输出频率与输出电压分为不同的区间，根据预测的永磁偏置磁悬浮发电机(5)输出电压以及预测的输出频率f，判断永磁偏置磁悬浮发电机当前输出频率与当前输出电压所处区间；
20、(3)plc(14)将永磁偏置磁悬浮发电机当前输出频率与当前输出电压所处区间数据传输给svpwm整流器(6)的控制器，svpwm整流器(6)的控制器根据当前输出频率与当前输出电压所处区间改变电流环与电压环的分数阶pid参数。
21、进一步地，所述svpwm整流器(6)采用分数阶pid控制器，根据输入永磁偏置磁悬浮发电机当前输出频率与当前输出电压所处区间，采用粒子群算法，寻得不同区间让直流母线电压达到预设电压的最优解电压环与电流环参数，并将其逐一写入到svpwm整流器(6)控制芯片的程序当中。
22、进一步地，svpwm整流器(6)将其控制器内部的真实电流环、电压环参数与当前输出频率、当前输出电压所对应的预设电流环、预测电压环控制参数进行比较；若一致，则设备继续运行；若不一致，则说明设备改变控制器电流环、电压环参数失败，设备出现故障，将故障信号传递给plc(14)，plc控制各个环节进行关停，进行停机检修。
23、进一步地，所述plc(14)与svpwm逆变器(7)之间进行通讯，通过检测svpwm逆变器(7)的输入的直流电压、输出的交流电压以及输出频率本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备，包括蒸发器(1)、透平机(2)、冷凝器(3)、工质泵(4)、永磁偏置磁悬浮发电机(5)；所述透平机(2)和所述永磁偏置磁悬浮发电机(5)的磁悬浮转子刚性连接并且为一体式设计；其特征在于，所述磁悬浮ORC低温发电设备还包括SVPWM整流器(6)、SVPWM逆变器(7)和PLC(14)；
2.根据权利要求1所述一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备，其特征在于，所述PLC(14)获取透平机(2)入口和出口的温度参数及压力参数，构建透平机(2)入口和出口的温度参数、压力参数与透平机(2)转速之间的数学模型，具体方法包括：
3.根据权利要求1所述一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备，其特征在于，所述PLC(14)根据预测的透平机转速的不同，设置不同的SVPWM整流器(6)内部电流环与电压环的控制器的分数阶PID参数，以保证直流母线(8)电压电流的稳定，具体方法为：
4.根据权利要求3所述一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备，其特征在于，所述SVPWM整流器(6)采用分数阶PID控制器，根据输入永磁偏置磁悬浮发电机当前输出频率与当前输出电压所处区间，采用粒子群算法，寻得不同区间让直流母线电压达到预设电压的最优解电压环与电流环参数，并将其逐一写入到SVPWM整流器(6)控制芯片的程序当中。
5.根据权利要求3所述一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备，其特征在于，SVPWM整流器(6)将其控制器内部的真实电流环、电压环参数与当前输出频率、当前输出电压所对应的预设电流环、预测电压环控制参数进行比较；若一致，则设备继续运行；若不一致，则说明设备改变控制器电流环、电压环参数失败，设备出现故障，将故障信号传递给PLC(14)，PLC控制各个环节进行关停，进行停机检修。
6.根据权利要求1所述一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备，其特征在于，所述PLC(14)与SVPWM逆变器(7)之间进行通讯，通过检测SVPWM逆变器(7)的输入的直流电压、输出的交流电压以及输出频率，判断设备是否需要停机，具体方法为：
7.根据权利要求1所述一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备，其特征在于，所述蒸发器(1)是U型管式蒸发器、板式蒸发器的一种；
8.根据权利要求1所述一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备，其特征在于，所述透平机入口温度传感器(10)、透平机出口温度传感器(12)是热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器的一种；
9.根据权利要求1所述一种基于分数阶PID和SVPWM的磁悬浮ORC低温发电设备，其特征在于，所述透平机(2)和所述永磁偏置磁悬浮发电机(5)的磁悬浮转子刚性连接并且为一体式设计；所以当透平机(2)叶轮在气态工质的作用下转动时，永磁偏置磁悬浮发电机(5)的转子和所述透平机(2)以相同的速度进行旋转，通过切割磁感线实现发电。
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【技术特征摘要】
1.一种基于分数阶pid和svpwm的磁悬浮orc低温发电设备，包括蒸发器(1)、透平机(2)、冷凝器(3)、工质泵(4)、永磁偏置磁悬浮发电机(5)；所述透平机(2)和所述永磁偏置磁悬浮发电机(5)的磁悬浮转子刚性连接并且为一体式设计；其特征在于，所述磁悬浮orc低温发电设备还包括svpwm整流器(6)、svpwm逆变器(7)和plc(14)；
2.根据权利要求1所述一种基于分数阶pid和svpwm的磁悬浮orc低温发电设备，其特征在于，所述plc(14)获取透平机(2)入口和出口的温度参数及压力参数，构建透平机(2)入口和出口的温度参数、压力参数与透平机(2)转速之间的数学模型，具体方法包括：
3.根据权利要求1所述一种基于分数阶pid和svpwm的磁悬浮orc低温发电设备，其特征在于，所述plc(14)根据预测的透平机转速的不同，设置不同的svpwm整流器(6)内部电流环与电压环的控制器的分数阶pid参数，以保证直流母线(8)电压电流的稳定，具体方法为：
4.根据权利要求3所述一种基于分数阶pid和svpwm的磁悬浮orc低温发电设备，其特征在于，所述svpwm整流器(6)采用分数阶pid控制器，根据输入永磁偏置磁悬浮发电机当前输出频率与当前输出电压所处区间，采用粒子群算法，寻得不同区间让直流母线电压达到预设电压的最优解电压环与电流环参数，并将其逐一写入到svpwm整流器(6)控制芯片的程序当中。
5.根据权利要求3所述一种基于分数阶pid和svpwm的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李静，冯理达，周熙，管芃鑫，高泽旭，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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