[发明专利]一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于透平发电及其控制应用技术领域，具体涉及一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法。

背景技术

超高速涡轮发电机是一种高比功率、超高转速的能源转换装置，将气体能量转化为高频交流电能，但高频交流电无法被负载直接利用，因此需要相应的方法与设备将其转化为可用的直流电，这是超高速涡轮发电机设计及其实用化中的关键技术。

超高速涡轮发电机在工作过程中，为了保证足够的电能输出，输入的气源能量相对充足，而负载对电能的需求与消耗则是不断变化甚至剧烈波动的，必然会存在输入与输出功率不匹配的情况(输入功率大于输出功率)，这将极大影响到涡轮发电机的实际应用。因此，除了单纯完成超高速涡轮发电机大功率高频电能整流变换之外，还需解决三个问题方可满足其实用化。其一，控制其电能变换后的输出直流电压值稳定，始终满足负载对电压值的要求；其二，保证涡轮发电机转速稳定，不随输入输出的功率匹配变化而大幅波动；其三，由于超高速涡轮发电机可运行与一阶临界转速之上，要避免其运行于一阶临界转速附近的共振危险范围内。

发明内容

本发明解决的技术问题：本发明提供一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法，能够实现超高速涡轮发电机的稳定运行与输出，并避免其工作在一阶临界转速附近。

本发明采用的技术方案：

一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，包括超高速涡轮发电机、三相桥式整流电路、滤波电容、Buck变换电路、能耗匹配电路；超高速涡轮发电机与三相桥式整流电路的一端连接，三相桥式整流电路的另一端分别与滤波电容、Buck变换电路、能耗匹配电路并联构成总并联电路。

所述三相桥式整流电路包括6个IGBT模块一，IGBT模块一起高频二极管作用，6个IGBT模块一俩俩并联，每一个并联为一相，高速涡轮发电机发出三相高频交流电，每一相交流电与上述一相相连。

所述Buck变换电路包括IGBT模块控制开关一、IGBT模块二、电感、电容、负载电阻；IGBT模块控制开关、IGBT模块二串联后与总并联电路连接，电感一端与IGBT模块控制开关一和IGBT模块二之间电路连接，IGBT模块二起续流二极管作用，另一端分别与电容和负载电阻串联后与总并联电路连接，电容和负载电阻并联。

所述能耗匹配电路包括IGBT模块控制开关二、能耗匹配电阻、IGBT模块三；IGBT模块控制开关二与能耗匹配电阻串联后与总并联电路连接，IGBT模块三一端与IGBT模块控制开关和能耗匹配电阻之间的串联电路连接，另一端与总并联电路连接。

一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、运行超高速涡轮发电机：

超高速涡轮发电机运行并发出三相高频交流电，通过三相桥式整流电路后，交流电压整流为直流电压，假设此时三相桥式整流电路后的直流电压值为U₁，对应的涡轮发电机转速为ω₁；

步骤二、Buck变换电路5启动：

设定负载电阻所需的直流电压值为U₂，对应的涡轮发电机的转速为ω₂,当U₁＞U₂(即ω₁＞ω₂)时，Buck变换电路启动，通过系统控制IGBT开关一的占空比，保证输出给负载电阻的直流电压值恒定为U₂；

步骤三、能耗匹配电路11启动：

Buck变换电路启动且涡轮发电机的前端气源功率不变，系统会存在剩余能量而导致涡轮发电机迅速升速，此时通过设计系统目标转速ω₃且启动能耗匹配电路，通过控制IGBT开关二的占空比，保证超高速涡轮发电机稳定运行于目标转速ω₃，对应的直流电压值为U₃；

步骤四、实现超高速涡轮发电机的稳定的电压输出与转速运行。

所述步骤二中，IGBT模块控制开关一的占空比D₁＝ω₃/ω₂。