本发明涉及轮机调速技术领域，具体涉及一种用于大容量燃气轮机的调速系统及调速方法。
背景技术：
大容量燃气轮机的拖动系统包括拖动电动机，液力耦合器，齿轮箱三个部分，电动机提供动力，调节液力耦合器输出，通过齿轮箱后对燃机原型机进行调速。大容量燃气轮机对转速精度要求极高，但通过液力耦合器进行的调速，在电机低转速低负荷情况下往往无法准确控制转速，若全部采用驱动电机进行调速，则为了满足全负荷运转，就需配备更大容量的变频器，增加经济成本。同时在大容量燃气轮机点火时，极端情况下，燃机驱动轴系拖动电机转子转速可能高于电机定子旋转磁场的转速，这将导致能量倒灌入变频器，能量倒灌将使变频器中的功率单元直流母线电压升高，最终引起过压故障，使燃机无法正常运行。
技术实现要素：
本发明提供一种用于大容量燃气轮机的调速系统，解决大容量燃气轮机不能精准调速的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于大容量燃气轮机的调速系统，包括电源系统、电机、液力耦合器、齿轮箱和燃气轮机，其中电机给液力耦合器提供动力，液力耦合器驱动齿轮箱，齿轮箱驱动燃气轮机，其特征在于，还包括变频器、第一开关模块和第二开关模块，所述变频器的输入端连接电源系统，变频器的输出端通过第二开关模块连接电机；所述第一开关模块连接在电源系统和电机之间；
本技术方案中，在电源系统和电机之间加入变频器、第一开关模块和第二开关模块，可以通过变频器、第一开关模块、第二开关模块和液力耦合器的配合使用，完成对燃气轮机的精准调速，同时又不需要使用更大容量的变频器，节约了经济成本。
作为本发明的进一步改进，当电机负荷低于阈值负荷时，第一开关模块的开关断开，第二开关模块的开关闭合，电机连接变频器，液力耦合器的导叶开度设置为固定值，通过变频器控制电机实现对燃气轮机的调速；
当电机负荷高于或等于阈值负荷时，第一开关模块的开关闭合，第二开关模块的开关断开，电机直接连接电源系统，关闭液力耦合器导叶，通过调节液力耦合器实现对燃气轮机的调速；
本技术方案中，对电机的运转负荷设定阈值，当电机负荷低于阈值时，则判定电机处于低负荷工作状态，当电机负荷高于或等于阈值时，则判定电机处于高负荷工作状态；因此，当电机处于低负荷时，第一开关模块的开关断开，第二开关模块的开关闭合，电机连接变频器，在液力耦合器注油前关闭液力耦合器导叶，变频器驱动电机运行在10hz频率下，接着对液力耦合器进行注油，变频器驱动电机至任意低负荷范围转速区间，将液力耦合器导叶开度设置为固定值，变频器在低负荷范围转速区间内给定电机转速完成低负荷情况下对燃气轮机的调速；当电机处于高负荷时，第一开关模块的开关闭合，第二开关模块的开关断开，电机直接连接电源系统，液力耦合器导叶全关，变频器驱动电机至额定转速，电机投入工频运行，通过调节液力耦合器对燃气轮机进行调速；通过本技术方案，在变频器、第一开关模块、第二开关模块和液力耦合器的配合使用下，能够完成在电机高低负荷情况下对燃气轮机的精准调速，弥补了现有技术中调速不精确和方式单一的问题。
进一步，一种用于大容量燃气轮机的调速系统还包括控制模块；所述变频器、电机、液力耦合器、第一开关模块、第二开关模块和电源系统均与控制模块相连接；
本技术方案中，控制模块与电机相连，用于判断电机是处于低负荷工作状态还是处于高负荷工作状态，以此来控制变频器、力耦合器、第一开关模块和第二开关模块来进行上一技术方案中的相关操作；同时，要实现燃气轮机在不同负荷下的精确调速需要对电机进行变频和工频的相互切换，及对电机进行并网操作；在对电机进行并网时，需要准确锁相确定电源系统和变频器输出的幅值相位频率的一致，才能实现无冲击电流的同期并网切换，防止未能同期并网所产生极大的冲击电流导致系统停机甚至损坏系统；因此，控制器通过判断电源系统输出的幅值相位频率和变频器输出的幅值相位频率是否一致，来控制第一开关模块和第二开关模块，使整个调速系统进行变频和工频的相互切换；同时，变频器运行频率与电源系统运行频率一致时可能存在相位偏差的情况，因此，控制器会对变频器运行频率与电源系统运行频率进行相位偏差角度相关补偿，使变频输出电压与电源系统输出电压的频率相位一致，最终完成同期并网，变频和工频的快速切换。.
进一步，所述变频器包括制动控制模块和功率单元的直流母线，制动控制模块并联在功率单元的直流母线上；
本技术方案中，当燃机点火时，燃机驱动轴系拖动电机转子转速可能高于电机定子旋转磁场的转速，导致能量倒灌入变频器，使变频器中的功率单元直流母线的电压升高，因此，通过在功率单元直流母线上并联制动控制模块，以此来防止高电压对变频器造成损坏。
进一步，所述制动控制模块包括整流单元、滤波单元、制动单元和逆变单元，其中整流单元的输入端连接功率单元的直流母线，整流单元的输出端连接滤波单元的输入端，滤波单元的输出端连接制动单元的输入端，制动单元的输出端连接逆变单元的输入端，逆变单元的输出端连接功率单元的直流母线；
本技术方案中，当控制模块检测到变频器中功率单元的直流母线电压超过预设阈值时，控制模块导通变频器中的制动控制模块，电机倒灌的能量将在制动单元的制动电阻上进行分压并消耗掉，从而达到自动的目的；同时，制动电阻采用陶瓷体电阻，以此来消除传统的金属电阻的丝、片、膜绕制后形成寄生电感，避免激起尖峰电压，并且，可以根据实际分析和计算的倒灌能量值，功率持续时间，变频器功率单元的个数等相关情况，有针对性的计算出每个功率单元需要制动的能量以及制动单元制动电阻的阻值，既保证了制动功能的有效性，又避免了成本上的浪费；通过本技术方案，能够有效避免大容量燃气轮机点火时产生能量倒灌所引起的变频器过压故障，保证燃气轮机的正常运行。
进一步，本发明提供了一种用于大容量燃气轮机的调速方法，包括步骤：
s1：在电源系统和电机之间设置变频器，第一开关模块和第二开关模块；
s2：当电机处于不同负荷下时，通过控制第一开关模块、第二开关模块和液力耦合器，并配合变频器，完成在不同电机负荷下的燃气轮机调速。
进一步，在变频器中设置制动控制模块，对输入制动控制模块的电压进行分压。
进一步，在变频器中设置制动控制模块是指在变频控制模块中功率单元的直流母线上并联制动控制模块，当直流母线上电压升高到预设的阈值时，电机倒灌的电压能量将进入制动控制模块进行分压。
进一步，步骤s1具体为，变频器的输入端连接电源系统，变频器的输出端通过第一开关模块连接电机；所述第二开关模块连接在电源系统和电机之间。
进一步，步骤s2具体为，当电机负荷低于阈值负荷时，断开第一开关模块的开关，闭合第二开关模块的开关，使电机连接变频器，将液力耦合器的导叶开度设置为固定值，通过变频器控制电机实现对燃气轮机的调速；
当电机负荷高于或等于阈值负荷时，闭合第一开关模块的开关，断开第二开关模块的开关，电机直接连接电源系统，关闭液力耦合器导叶，通过调节液力耦合器实现对燃气轮机的调速。
综上所述，本发明的有益效果为通过变频器、第一开关模块、第二开关模块和液力耦合器的配合实现大容量燃气轮机在任意负荷下的精确调速，同时，可以通过控制模块来对变频器运行频率与电源系统运行频率进行相位偏差角度相关补偿，使变频输出电压与电源系统输出电压的频率相位一致，最终完成同期并网，变频和工频的快速切换，并且通过在变频器中设置制动控制模块来避免大容量燃气轮机点火时产生能量倒灌所引起的变频器过压故障；该发明弥补了现有技术对大容量燃气轮机调速不准确，大容量燃气轮机点火所产生的能量倒灌导致的过压问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明的变频器功率单元的结构图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种用于大容量燃气轮机的调速系统，包括电源系统、电机、液力耦合器、齿轮箱和燃气轮机，其中电机给液力耦合器提供动力，液力耦合器驱动齿轮箱，齿轮箱驱动燃气轮机，其特征在于，还包括变频器、第一开关模块和第二开关模块，所述变频器的输入端连接电源系统，变频器的输出端通过第二开关模块连接电机；所述第一开关模块连接在电源系统和电机之间；
在电源系统和电机之间加入变频器、第一开关模块和第二开关模块，可以通过变频器、第一开关模块、第二开关模块和液力耦合器的配合使用，完成对燃气轮机的精准调速，同时又不需要使用更大容量的变频器，节约了经济成本。
当电机负荷低于阈值负荷时，第一开关模块的开关断开，第二开关模块的开关闭合，电机连接变频器，液力耦合器的导叶开度设置为固定值，通过变频器控制电机实现对燃气轮机的调速；
当电机负荷高于或等于阈值负荷时，第一开关模块的开关闭合，第二开关模块的开关断开，电机直接连接电源系统，关闭液力耦合器导叶，通过调节液力耦合器实现对燃气轮机的调速；
对电机的运转负荷设定阈值，当电机负荷低于阈值时，则判定电机处于低负荷工作状态，当电机负荷高于或等于阈值时，则判定电机处于高负荷工作状态；因此，当电机处于低负荷时，第一开关模块的开关断开，第二开关模块的开关闭合，电机连接变频器，在液力耦合器注油前关闭液力耦合器导叶，变频器驱动电机运行在10hz频率下，接着对液力耦合器进行注油，变频器驱动电机至任意低负荷范围转速区间，将液力耦合器导叶开度设置为固定值，变频器在低负荷范围转速区间内给定电机转速完成低负荷情况下对燃气轮机的调速；当电机处于高负荷时，第一开关模块的开关闭合，第二开关模块的开关断开，电机直接连接电源系统，液力耦合器导叶全关，变频器驱动电机至额定转速，电机投入工频运行，通过调节液力耦合器对燃气轮机进行调速；通过本技术方案，在变频器、第一开关模块、第二开关模块和液力耦合器的配合使用下，能够完成在电机高低负荷情况下对燃气轮机的精准调速，弥补了现有技术中调速不精确和方式单一的问题。
优选的，一种用于大容量燃气轮机的调速系统还包括控制模块；所述变频器、电机、液力耦合器、第一开关模块、第二开关模块和电源系统均与控制模块相连接；
控制模块与电机相连，用于判断电机是处于低负荷工作状态还是处于高负荷工作状态，以此来控制变频器、力耦合器、第一开关模块和第二开关模块来进行上一技术方案中的相关操作；同时，要实现燃气轮机在不同负荷下的精确调速需要对电机进行变频和工频的相互切换，及对电机进行并网操作；在对电机进行并网时，需要准确锁相确定电源系统和变频器输出的幅值相位频率的一致，才能实现无冲击电流的同期并网切换，防止未能同期并网所产生极大的冲击电流导致系统停机甚至损坏系统；因此，控制器通过判断电源系统输出的幅值相位频率和变频器输出的幅值相位频率是否一致，来控制第一开关模块和第二开关模块，使整个调速系统进行变频和工频的相互切换；同时，变频器运行频率与电源系统运行频率一致时可能存在相位偏差的情况，因此，控制器会对变频器运行频率与电源系统运行频率进行相位偏差角度相关补偿，使变频输出电压与电源系统输出电压的频率相位一致，最终完成同期并网，变频和工频的快速切换。.
所述变频器包括制动控制模块和功率单元的直流母线，制动控制模块并联在功率单元的直流母线上；
当燃机点火时，燃机驱动轴系拖动电机转子转速可能高于电机定子旋转磁场的转速，导致能量倒灌入变频器，使变频器中的功率单元直流母线的电压升高，因此，通过在功率单元直流母线上并联制动控制模块，以此来防止高电压对变频器造成损坏。
如图2所示，所述制动控制模块包括整流单元、滤波单元、制动单元和逆变单元，其中整流单元的输入端连接功率单元的直流母线，整流单元的输出端连接滤波单元的输入端，滤波单元的输出端连接制动单元的输入端，制动单元的输出端连接逆变单元的输入端，逆变单元的输出端连接功率单元的直流母线；
当控制模块检测到变频器中功率单元的直流母线电压超过预设阈值时，控制模块导通变频器中的制动控制模块，电机倒灌的能量将在制动单元的制动电阻上进行分压并消耗掉，从而达到自动的目的；同时，制动电阻采用陶瓷体电阻，以此来消除传统的金属电阻的丝、片、膜绕制后形成寄生电感，避免激起尖峰电压，并且，可以根据实际分析和计算的倒灌能量值，功率持续时间，变频器功率单元的个数等相关情况，有针对性的计算出每个功率单元需要制动的能量以及制动单元制动电阻的阻值，既保证了制动功能的有效性，又避免了成本上的浪费；通过本技术方案，能够有效避免大容量燃气轮机点火时产生能量倒灌所引起的变频器过压故障，保证燃气轮机的正常运行。
综上所述，本发明通过变频器、第一开关模块、第二开关模块和液力耦合器的配合实现大容量燃气轮机在任意负荷下的精确调速，同时，可以通过控制模块来对变频器运行频率与电源系统运行频率进行相位偏差角度相关补偿，使变频输出电压与电源系统输出电压的频率相位一致，最终完成同期并网，变频和工频的快速切换，并且通过在变频器中设置制动控制模块来避免大容量燃气轮机点火时产生能量倒灌所引起的变频器过压故障；该发明弥补了现有技术对大容量燃气轮机调速不准确，大容量燃气轮机点火所产生的能量倒灌导致的过压问题。
本申请的发明人将本实施例中的一种用于大容量燃气轮机的调速系统应用在东方汽轮机有限公司50mw燃气轮机整机试验项目拖动系统20mw同步电动机启动调速以及电机变频与工频切换变频器项目中进行了对比测试；在对比测试中，本实施例中的一种用于大容量燃气轮机的调速系统采用10kv，20mw的三相同步电机，额定转速为3000rpm，变频器每相为8级功率单元串联，共有24个功率单元；在对比测试中，首先将电机运行在工频额定转速下，仅通过液力耦合器来实现燃气轮机从0到额定转速的调试实验，但多次测试发现紧用液力耦合器在电机为额定功率30％以下时无法对转速进行稳定精确控制；接着，采用本调速系统，当电机在额定功率30％以下时，通过本发明的调速系统对电机进行变频调速，配合液力耦合器能够有效完成低负荷下的燃气轮机调速。当电机在额定功率30％以上时，通过本系统设计的相位补偿等相关功能实现同期并网，使电机进行无冲击的在变频与工频切换，能够实现高负荷情况下的燃气轮机精确调速。
针对燃机点火时可能产生的能量倒灌现象，为每个功率单元配置相应的制动单元。根据与东汽相关部门的技术专家讨论和计算的结果，倒灌的能量功率最大不超过3000kw，持续时间不超过3秒钟。由此可计算需要消耗的能量为：3000kw×3秒＝9000kj，每个功率单元的峰值制动功率为125kw，制动能量为375kj；由于直流母线电压工作阈值为1100v，则分压电阻的阻值为
实施例2：
本发明提供了一种用于大容量燃气轮机的调速方法，包括步骤：
s1：在电源系统和电机之间设置变频器，第一开关模块和第二开关模块；
s2：当电机处于不同负荷下时，通过控制第一开关模块、第二开关模块和液力耦合器，并配合变频器，完成在不同电机负荷下的燃气轮机调速。
进一步，在变频器中设置制动控制模块，对输入制动控制模块的电压进行分压。
进一步，在变频器中设置制动控制模块是指在变频器的功率单元的直流母线上并联制动控制模块，当直流母线上电压升高到预设的阈值时，电机倒灌的电压能量将进入制动控制模块进行分压。
进一步，步骤s1具体为，变频器的输入端连接电源系统，变频器的输出端通过第一开关模块连接电机；所述第二开关模块连接在电源系统和电机之间。
进一步，步骤s2具体为，当电机负荷低于阈值负荷时，断开第一开关模块的开关，闭合第二开关模块的开关，使电机连接变频器，将液力耦合器的导叶开度设置为固定值，通过变频器控制电机实现对燃气轮机的调速；
当电机负荷高于或等于阈值负荷时，闭合第一开关模块的开关，断开第二开关模块的开关，电机直接连接电源系统，关闭液力耦合器导叶，通过调节液力耦合器实现对燃气轮机的调速。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
1.一种用于大容量燃气轮机的调速系统，包括电源系统、电机、液力耦合器、齿轮箱和燃气轮机，其中电机给液力耦合器提供动力，液力耦合器驱动齿轮箱，齿轮箱驱动燃气轮机，其特征在于，还包括变频器、第一开关模块和第二开关模块，所述变频器的输入端连接电源系统，变频器的输出端通过第二开关模块连接电机；所述第一开关模块连接在电源系统和电机之间。
2.根据权利要求1所述的一种用于大容量燃气轮机的调速系统，其特征在于，当电机负荷低于阈值负荷时，第一开关模块的开关断开，第二开关模块的开关闭合，电机连接变频器，通过变频器控制电机实现对燃气轮机的调速；
当电机负荷高于或等于阈值负荷时，第一开关模块的开关闭合，第二开关模块的开关断开，电机直接连接电源系统，通过调节液力耦合器实现对燃气轮机的调速。
3.根据权利要求1至2任一所述的一种用于大容量燃气轮机的调速系统，其特征在于，还包括控制模块；所述变频器、电机、液力耦合器、第一开关模块、第二开关模块和电源系统均与控制模块相连接。
4.根据权利要求1任一所述的一种用于大容量燃气轮机的调速系统，其特征在于，所述变频器包括制动控制模块和功率单元的直流母线，制动控制模块并联在功率单元的直流母线上。
5.根据权利要求4所述的一种用于大容量燃气轮机的调速系统，其特征在于，所述制动控制模块包括整流单元、滤波单元、制动单元和逆变单元，其中整流单元的输入端连接功率单元的直流母线，整流单元的输出端连接滤波单元的输入端，滤波单元的输出端连接制动单元的输入端，制动单元的输出端连接逆变单元的输入端，逆变单元的输出端连接功率单元的直流母线。
6.一种用于大容量燃气轮机的调速方法，其特征在于，包括步骤：
s1：在电源系统和电机之间设置变频器，第一开关模块和第二开关模块；
s2：当电机处于不同负荷下时，通过控制第一开关模块、第二开关模块和液力耦合器，并配合变频器，完成在不同电机负荷下的燃气轮机调速。
7.根据权利要求6所述的一种用于大容量燃气轮机的调速方法，其特征在于，在变频器中设置制动控制模块，对输入制动控制模块的电压进行分压。
8.根据权利要求7任一所述的一种用于大容量燃气轮机的调速方法，其特征在于，在变频器中设置制动控制模块是指在变频器的功率单元的直流母线上并联制动控制模块，当直流母线上电压升高到预设的阈值时，电机倒灌的电压能量将进入制动控制模块进行分压。
9.根据权利要求6所述的一种用于大容量燃气轮机的调速方法，其特征在于，步骤s1中，变频器的输入端连接电源系统，变频器的输出端通过第一开关模块连接电机；所述第二开关模块连接在电源系统和电机之间。
10.根据权利要求6任一所述的一种用于大容量燃气轮机的调速方法，其特征在于，步骤s2具体为，当电机负荷低于阈值负荷时，断开第一开关模块的开关，闭合第二开关模块的开关，使电机连接变频器，将液力耦合器的导叶开度设置为固定值，通过变频器控制电机实现对燃气轮机的调速；
当电机负荷高于或等于阈值负荷时，闭合第一开关模块的开关，断开第二开关模块的开关，电机直接连接电源系统，关闭液力耦合器导叶，通过调节液力耦合器实现对燃气轮机的调速。
技术总结