阅读说明：本技术 一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法 (Coordination control method for realizing stable operation of steam-electricity dual-drive system ) 是由 宇文达 王文龙 周志军 高玉瑞 闫皓 张海涛 鲁挺 于 2020-04-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法,包括：机组启动阶段、汽轮机柔性并入阶段、机组正常调速运行阶段以及机组停机阶段,变频器控制轴系转速,汽轮机配合运行并根据不同阶段运行于相应方式；负荷大范围异常波动阶段,汽轮机通过调节汽门控制转速,电机跟随轴系运行；汽轮机跳机阶段,纯电驱运行；电机系统跳机,纯汽驱运行；本发明解决了同机组中汽驱与电驱协调运行问题,任一工况阶段仅由电驱或汽驱对轴系转速进行控制,另一方配合运行,不存在电驱与汽驱“打架”问题,既适用于机组正常工况又适用于机组异常工况,实现高性能调速的同时,增强了机组系统运行的稳定性与可靠性,为汽电双驱系统控制提供一种新的解决方法。(The invention discloses a coordination control method for realizing stable operation of a steam-electricity double-drive system, which comprises the following steps: the method comprises the following steps that (1) a unit is started, a turbine is flexibly merged into the unit, the unit is normally operated at a speed regulating mode, and the unit is stopped, wherein a frequency converter controls the rotating speed of a shafting, and the turbine is operated in a matching mode and operates in a corresponding mode according to different stages; in the stage of large-range abnormal fluctuation of load, the steam turbine controls the rotating speed by adjusting a valve, and a motor runs along a shaft system; in the turbine trip stage, pure electric drive operation is carried out; the motor system trips, and pure steam drives to run; the invention solves the problem of coordinated operation of steam drive and electric drive in the same unit, the shafting rotating speed is controlled by only the electric drive or the steam drive at any working condition stage, and the electric drive and the steam drive are matched to operate on the other side, so that the problem of 'racking' of the electric drive and the steam drive is avoided, the invention is suitable for normal working conditions of the unit and abnormal working conditions of the unit, realizes high-performance speed regulation, enhances the stability and the reliability of the operation of the unit system, and provides a new solution for the control of a steam-electric double-drive system.)

一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法

技术领域

本发明涉及电机及汽轮机控制技术技术领域，特别涉及一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法。

背景技术

汽轮机通常用于驱动水泵、风机等负载，通过调整汽轮机汽门开度改变进汽量，从而改变汽轮机出力，实现对被驱动负载调速的目的。但调整汽轮机汽门开度的调速方式会存在节流损失，对机组系统效率影响较大，为减少能耗，提升机组效率及响应国家节能减排的号召，目前开始提出了一些不同构成方案的汽电双驱系统，由电机与汽轮机共同驱动负载，并将轴系多余能量转换为电能，从而提升机组效率。

传统的汽轮机调速通常根据负载转速要求采用转速闭环控制，通过调整汽门开度改变汽轮机出力，实现对负载调速的目的；传统的电机调速方式根据负载转速要求采用转速闭环控制，通过调整转矩改变电机出力，实现对负载调速的目的；如果汽电双驱系统仍然采用传统的调速控制方式，由于汽轮机与电机均采用转速闭环控制，且二者的出力大小不同、响应速度不同以及异常工况影响等因素，将会导致系统调试困难，并影响汽电双驱机组系统的运行稳定性与可靠性，甚至导致机组系统震荡无法稳定运行。

针对上述问题，根据汽电双驱系统运行特点并结合汽轮机与电机各自调速控制方法，提出了一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法。

发明内容

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法，能够提高汽电双驱机组系统运行的稳定性与可靠性，为汽电双驱系统控制提供一种新的解决思路。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法，包括如下：

1)机组启动阶段：变频器驱动电机电动运行，拖动机组启动，轴系转速由变频器控制；

2)汽轮机柔性并入阶段：汽轮机汽门逐渐调开，驱动负载功率由电机逐渐转移到汽轮机，变频器驱动电机由电动运行逐渐转为发电运行，轴系转速由变频器控制；

3)机组正常调速运行阶段：汽轮机处于滑压运行状态，变频器将轴系多余功率转换为电能，并根据调速指令自动平衡轴系功率，轴系转速由变频器控制；

4)机组停机阶段：汽轮机汽门逐渐关闭，驱动负载功率由汽轮机逐渐转移到电机，变频器驱动电机由发电运行逐渐转为电动运行，并拖动至停机转速，轴系转速由变频器控制；

5)机组负荷大范围异常波动阶段，汽轮机通过调节汽门进行轴系转速控制，同时变频器停止轴系转速控制，待机组负荷稳定后，变频器恢复对轴系转速控制，同时汽轮机汽门逐渐调开并恢复滑压运行；

6)汽轮机异常跳机阶段，轴系转速由变频器控制，即纯电驱运行；

7)电机系统异常跳机阶段，轴系转速由汽轮机控制，即纯汽驱运行。

所述的汽电双驱系统为汽轮机、电机、被驱动负载同轴连接的驱动系统，控制轴系转速即可实现对被驱动负载调速，电机即可运行于电动状态也可运行于发电状态，电机由可实现能量双向流动的变频器驱动，变频器供电电源为厂内母线或公共电网，汽轮机与电机系统均可由上一级控制系统进行监控，并从上一级控制系统接收调速指令。

一、所述机组启动阶段具体为：

变频器接收上一级控制系统的启动及调速指令，驱动电机电动运行，拖动机组启动并按调速指令升速直至目标转速，汽轮机不出力跟随轴系转速空载运行，即被驱动负载所需功率由电机提供。

二、所述汽轮机柔性并入阶段具体为：

1)当汽源及相应条件满足后，汽轮机通入工作蒸汽并逐渐调节汽门开度，汽轮机开始出力，提供逐渐增大的功率，被驱动负载所需功率由汽轮机与电机共同提供，轴系转速仍有变频器通过转速闭环控制，电机电动功率将随汽轮机提供功率的增大而减小，保持汽轮机提供功率与电机电动功率同被驱动负载所需功率保持平衡；

2)随着汽轮机汽门开度进一步增加，汽轮机提供的功率与被驱动负载所需功率相等，即被驱动负载所需功率完全由汽轮机提供，电机既不电动也不发电，电机功率为零，即实现了驱动负载功率由电机逐渐转移到汽轮机；

3)汽轮机汽门开度进一步增加，汽轮机提供的功率大于被驱动负载所需功率，轴系将出现多余功率，变频器转速闭环控制将使电机对应功率变为发电功率，即电机开始转变为发电运行，随着汽轮机汽门开度进一步增加，电机发电功率相应进一步增加，直至汽轮机汽门开度调至目标值，此时汽轮机进入了滑压运行状态；

4)上述调开汽门过程，从通入工作蒸汽并逐渐调节汽门至目标开度值，根据工艺及技术要求，在某一轴系转速下实现或分布在多个轴系转速下实现。

三、所述机组正常调速运行阶段具体为：

汽轮机处于滑压运行状态，保持汽门开度在目标值不变，汽轮机出力跟随进汽参数变化，变频器将轴系多余功率转换为电能，并根据调速指令自动平衡轴系功率，轴系转速仍由变频器通过转速闭环控制实现；所述进汽参数包括压力、温度。

四、所述机组停机阶段具体为：

轴系转速仍由变频器通过转速闭环控制实现，根据调速指令使轴系转速下降至目标转速，汽轮机汽门由原开度值逐渐调节至全关，变频器驱动电机由发电运行逐渐转为电动运行，实现驱动负载功率由汽轮机逐渐转移到电机，并拖动机组至停机转速。

五、所述机组负荷大范围异常波动阶段具体为：

发生机组负荷大范围异常波动，上一级控制系统将异常工况调速指令及调速目标值传递给汽轮机和变频器，汽轮机通过调节汽门控制轴系转速，同时变频器停止转速控制，变频器根据轴系转速输出对应的转矩，使电机跟随轴系转速运行；

待机组负荷稳定后，变频器恢复对轴系转速控制，同时汽轮机停止转速控制，汽轮机汽门由当前开度逐渐调开至目标开度并恢复滑压运行。

六、所述汽轮机异常跳机阶段具体为：

接收到汽轮机异常跳机信号，变频器根据调速指令进行转速闭环控制，自动调整转矩及电机功率，在不超过电机系统功率限值的情况下，提供被驱动负载所需的驱动功率，并根据调速指令实现对轴系调速，即机组系统运行于纯电驱模式。

七、所述电机系统异常跳机阶段具体为：

接收到电机系统异常跳机信号，汽轮机退出滑压运行，根据调速指令进行转速闭环控制，自动调整汽门开度，实现对轴系转速控制，提供被驱动负载所需的驱动功率，并根据调速指令实现对轴系调速，即机组系统运行于纯汽驱模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法，机组正常启停与运行工况均由变频器控制轴系转速，汽轮机根据不同工况运行于不同状态，能够实现汽电双驱机组系统平滑启动与停机、实现汽轮机柔性并入与退出、实现轴系高性能调速，自动平衡轴系功率过剩与不足，增强了系统运行稳定性与调速精度。

2、机组发生负荷大范围异常波动、汽轮机跳机、电机系统跳机等异常工况下，根据所述的协调控制方法，能够实现机组不停机连续运行，并仍能够满足负载调速需求，极大地增强了机组系统运行的可靠性。

3、本发明提供的汽电双驱系统协调控制方法，解决了同机组中汽驱与电驱协调运行问题，在任一工况阶段仅由电驱或汽驱对轴系转速进行控制，另一方配合运行，不存在电驱与汽驱“打架”问题，既适用于机组正常运行工况又适用于机组异常工况，实现高性能调速的同时，增强了机组系统运行的稳定性与可靠性，为汽电双驱系统控制提供一种新的解决方法。

附图说明

图1是本发明的一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法原理说明图；

图2是本发明的机组启动阶段电机功率、汽轮机功率、驱动负载功率变化示意图；

图3是本发明的汽轮机柔性并入阶段电机功率、汽轮机功率、驱动负载功率变化示意图；

图4是本发明的机组正常调速运行阶段电机功率、汽轮机功率、驱动负载功率变化示意图。

图中：201-机组启动阶段电机功率变化202-机组启动阶段汽轮机功率变化203-机组启动阶段驱动负载功率变化301-汽轮机柔性并入阶段电机功率变化302-汽轮机柔性并入阶段汽轮机功率变化303-汽轮机柔性并入阶段驱动负载功率变化401-机组正常调速运行阶段电机功率变化402-机组正常调速运行阶段汽轮机功率变化403-机组正常调速运行阶段驱动负载功率变化

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种实现汽电双驱系统稳定运行的协调控制方法，包括如下：

1)机组启动阶段，变频器驱动电机电动运行，拖动机组启动，轴系转速由变频器控制；

2)汽轮机柔性并入阶段，汽轮机汽门逐渐调开，驱动负载功率由电机逐渐转移到汽轮机，变频器驱动电机由电动运行逐渐转为发电运行，轴系转速由变频器控制；

3)机组正常调速运行阶段，汽轮机处于滑压运行状态，变频器将轴系多余功率转换为电能，并根据调速指令自动平衡轴系功率，轴系转速由变频器控制；

4)机组停机阶段，汽轮机汽门逐渐关闭，驱动负载功率由汽轮机逐渐转移到电机，变频器驱动电机由发电运行逐渐转为电动运行，并拖动至停机转速，轴系转速由变频器控制；

5)机组负荷大范围异常波动阶段，汽轮机通过调节汽门进行轴系转速控制，同时变频器停止轴系转速控制，待机组负荷稳定后，变频器恢复对轴系转速控制，同时汽轮机汽门逐渐调开并恢复滑压运行；

6)汽轮机异常跳机阶段，轴系转速由变频器控制，即纯电驱运行；

7)电机系统异常跳机阶段，轴系转速由汽轮机控制，即纯汽驱运行。

所述的汽电双驱系统中汽轮机、电机、被驱动负载同轴连接，控制轴系转速即可实现对被驱动负载调速，被驱动负载可为水泵或风机等，电机即可运行于电动状态也可运行于发电状态，电机由可实现能量双向流动的变频器驱动，变频器供电电源为厂内母线或公共电网，汽轮机与电机系统(含变频器)均可由DCS系统进行监控，并从DCS系统接收调速指令。

一、机组启动阶段具体包括：

满足机组启动条件后，变频器接收DCS系统的启动及调速指令，采用转速闭环控制，驱动电机电动运行，拖动机组启动并按调速指令升速直至目标转速，该阶段电机功率为电动功率(定义为正向功率)，对应转矩为电动转矩(定义为正向转矩)，汽轮机不出力(仅通入小流量辅汽以作鼓风冷却)跟随轴系转速空载运行，即被驱动负载所需功率由电机提供；

图2示出了机组启动阶段电机功率201、汽轮机功率202、驱动负载功率203变化示意图，在电机驱动下，t₀时刻，机组开始启动并升速，t₁时刻机组启动完成并升速至目标转速，在该阶段汽轮机功率202基本为零，驱动负载功率203与电机功率201基本一致，即汽轮机不出力跟随轴系空载运行，负载完全由电机驱动。

二、汽轮机柔性并入阶段具体包括：

当汽源及相应条件满足后，汽轮机通入工作蒸汽并逐渐调节汽门开度，汽轮机开始出力，提供逐渐增大的功率，此时被驱动负载所需功率由汽轮机与电机共同提供，轴系转速仍有变频器通过转速闭环控制，为实现负荷及轴系转速稳定，变频器转速闭环控制将使电动转矩(定义为正向转矩)减小，即电机电动功率(定义为正向功率)将随汽轮机提供功率的增大而相应减小，保持汽轮机提供功率与电机电动功率(定义为正向功率)同被驱动负载所需功率保持平衡，随着汽轮机汽门开度进一步增加，汽轮机提供的功率与被驱动负载所需功率相等，即被驱动负载所需功率完全由汽轮机提供，此时电机既不电动也不发电，空载运行，即电机转矩为零，功率为零，即实现了驱动负载功率由电机逐渐转移到汽轮机；

随着汽轮机汽门开度进一步增加，汽轮机提供的功率大于被驱动负载所需功率，轴系将出现多余功率，为实现负荷及轴系转速稳定，变频器转速闭环控制将使电机转矩由零变负向转矩(发电转矩)，电机对应功率变为发电功率(定义为负向功率)，即电机开始转变为发电运行，并通过变频器将电能反馈至变频器供电电源(厂内母线或公共电网)，随着汽轮机汽门开度进一步增加，电机发电功率(定义为负向功率)相应进一步增加，直至汽轮机汽门开度调至目标值(全开或某一设定开度)，此时汽轮机进入了滑压运行状态；

图3示出了汽轮机柔性并入阶段电机功率301、汽轮机功率302、驱动负载功率303变化示意图，t₂时刻之前汽轮机功率302基本为零，汽轮机不出力跟随轴系空载运行，驱动负载功率303与电机功率301基本一致，负载完全由电机驱动，t₂时刻开始，汽轮机调门开始逐渐调开，汽轮机功率302逐渐增大，电机功率301相应逐渐减小，汽轮机功率302与电机电功率301同驱动负载功率303保持平衡，负载由电机与汽轮机共同驱动；

t₃时刻汽轮机功率302与驱动负载功率303基本相等，电机功率301基本为零，负载完全由汽轮机驱动，电机既不电动也不发电空载运行，即实现了驱动负载功率由电机逐渐转移到汽轮机；

t₃至t₄阶段，汽轮机调门开度继续增大，汽轮机功率302继续增大，超过驱动负载功率303，超过部分的功率由电机转变为发电功率(负向功率)，即为电机功率301，t₄时刻汽轮机汽门开度调至目标值(全开或某一设定开度)，t₄时刻以后，负载完全由汽轮机驱动，电机将汽轮机功率302超过驱动负载功率303部分转变为发电功率，自动平衡轴系功率，电机处于发电运行，汽轮机处于滑压运行；

上述汽轮机调开汽门过程，从通入工作蒸汽并逐渐调节汽门开度直至目标开度值(全开或某一设定开度)，可根据工艺及技术要求，可以在某一轴系转速下实现，也可以分布在多个轴系转速下实现。

三、机组正常调速运行阶段具体包括：

汽轮机处于滑压运行状态，保持汽门开度在目标值(全开或某一设定开度)不变，轴系转速仍由变频器通过转速闭环控制实现；

当变频器接收到DCS系统升速指令及升速目标值时，随着汽轮机进汽参数(压力、温度)增大，轴系转速将上升，变频器通过转速闭环控制(接收到的升速目标值与当前轴系转速值的差值做闭环控制)调节发电转矩(定义负向转矩)大小，即改变电机发电功率(定义为负向功率)大小，汽轮机进汽参数(压力、温度)增大实现的转速上升值将要高于升速目标值时，即汽轮机提供的功率过剩时，变频器将增大发电转矩(定义负向转矩)，增加电机发电功率(定义为负向功率)，即吸收轴系多余功率，将轴系实际转速控制在升速目标值，汽轮机进汽参数(压力、温度)增大实现的转速上升值将要低于升速目标值时，即汽轮机提供的功率不足时，变频器将减小发电转矩(定义负向转矩)，减少电机发电功率(定义为负向功率)，即释放缺少的正向功率，将轴系实际转速控制在升速目标值，从而根据调速指令自动平衡轴系功率，实现升速调速运行；

图4示出了机组正常调速运行阶段电机功率401、汽轮机功率402、驱动负载功率403变化示意图，t₅至t₆时刻，主机负荷增大，被驱动负载所需驱动功率增大，驱动负载功率403相应增大，同时汽轮机进汽参数(压力、温度)增大，汽轮机功率402增大，汽轮机功率402超过驱动负载功率403部分，由电机转换为电能，即发电功率，对应电机功率401，电机系统根据调速指令自动平衡轴系功率，电机处于发电运行，汽轮机处于滑压运行；t₆时刻达到调速目标值，完成了一次机组正常运行阶段调速；

当变频器接收到DCS系统降速指令及降速目标值时，随着汽轮机进汽参数(压力、温度)减小，轴系转速将下降，变频器通过转速闭环控制(接收到的降速目标值与当前轴系转速值的差值做闭环控制)调节发电转矩(定义负向转矩)大小，即改变电机发电功率(定义为负向功率)大小，汽轮机进汽参数(压力、温度)减小实现的转速下降值将要高于降速目标值时，即汽轮机提供的功率过剩时，变频器将增大发电转矩(定义负向转矩)，增加电机发电功率(定义为负向功率)，即吸收轴系多余功率，将轴系实际转速控制在降速目标值，汽轮机进汽参数(压力、温度)减小实现的转速下降值将要低于降速目标值时，即汽轮机提供的功率不足时，变频器将减小发电转矩(定义负向转矩)，减少电机发电功率(定义为负向功率)，即释放缺少的正向功率，将轴系实际转速控制在降速目标值，从而根据调速指令自动平衡轴系功率，实现降速调速运行。

四、机组停机阶段具体包括：

轴系转速仍由变频器通过转速闭环控制实现，根据调速指令使轴系转速下降至目标转速，汽轮机汽门由原开度值(全开或某一设定开度)逐渐调节至全关，变频器驱动电机由发电运行逐渐转为电动运行，实现驱动负载功率由汽轮机逐渐转移到电机，并拖动机组至停机转速。

五、机组负荷大范围异常波动阶段具体包括：

发生机组负荷大范围异常波动，DCS系统将异常工况调速指令及调速目标值传递给汽轮机和变频器，汽轮机通过调节汽门控制轴系转速，同时变频器停止转速控制，变频器根据轴系转速输出对应的转矩，电机跟随轴系转速运行；

待机组负荷稳定后，变频器恢复对轴系转速控制，同时汽轮机停止转速控制，汽轮机汽门由当前开度逐渐调开至目标开度(全开或某一设定开度)并恢复滑压运行。

六、汽轮机异常跳机阶段具体包括：

接收到汽轮机异常跳机信号，变频器根据调速指令进行转速闭环控制，自动调整转矩及电机功率，在不超过电机系统(含变频器)功率限值的情况下，提供被驱动负载所需的驱动功率，并根据调速指令实现对轴系调速，即机组系统运行于纯电驱模式。

七、电机系统异常跳机阶段具体包括：

接收到电机系统异常跳机信号，汽轮机退出滑压运行，根据调速指令进行转速闭环控制，自动调整汽门开度，实现对轴系转速控制，提供被驱动负载所需的驱动功率，并根据调速指令实现对轴系调速，即机组系统运行于纯汽驱模式。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。