一种双轴燃气轮机混合动力系统的控制方法及系统

1.本发明涉及混合动力技术领域，特别是涉及一种双轴燃气轮机混合动力系统的控制方法及系统。


背景技术：

2.混合动力系统是指具有两个及两个以上动力源，通过相关控制装置实现各个动力源单独或共同对外输出能量的系统。目前以电功率方式实现能量输出的混合动力系统基本由汽油机/柴油机、发电机、储能设备构成。而相比于汽油机/柴油机，双轴燃气轮机功重比更高，即在输出相同功率的条件下双轴燃气轮机的重量比汽油机/柴油机的重量更小，且结构更简单易维护。因此基于双轴燃气轮机的混合动力系统具有高功重比的优点，该优点有利于优化混合动力系统的结构设计布局。然而现有的双轴燃气轮机只有在指定设计点功率状态条件下工作才具有良好的燃油经济性，其燃油经济性随输出功率的下降而急剧恶劣，因此现有基于双轴燃气轮机的混合动力系统在非设计点功率状态下燃油经济性较差，这抵消了系统高功重比优点，限制了基于双轴燃气轮机的混合动力系统的广泛应用。
3.基于上述问题，通过在双轴燃气轮机高压转轴与低压转轴连接电动机/发电机，并结合控制方案来提高双轴燃气轮机的燃油经济性，然而，现有的控制方案不仅控制策略复杂，且容易导致双轴燃气轮机出现不正常工作状态，如喘振等。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种双轴燃气轮机混合动力系统的控制方法及系统，在保证提供需求功率的同时，提高了双轴燃气轮机的燃油经济性，保证了混合动力系统的安全运行，且优化对电动机和发电机的调控，降低了控制过程的复杂度，提高了混合动力系统的效率。
5.在改善该型混合动力系统的燃油经济性的同时，保证了储能设备的安全运行。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种双轴燃气轮机混合动力系统的控制方法，所述控制方法应用于双轴燃气轮机混合动力系统，双轴燃气轮机混合动力系统为用电负载供电，所述控制方法包括：
8.获取所述双轴燃气轮机混合动力系统中储能设备的荷电状态；
9.对所述荷电状态进行判断，当所述荷电状态在设定阈值范围内时，输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，输出第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，输出第三控制策略；
10.基于所述第一控制策略、所述第二控制策略和所述第三控制策略控制所述双轴燃气轮机混合动力系统。
11.优选地，所述对所述荷电状态进行判断，当所述荷电状态在设定阈值范围内时，输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，输出第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，输出第三控制策略，包括：
12.获取所述用电负载的需求功率并对所述荷电状态进行判断；
13.当所述荷电状态在设定阈值范围内时，基于所述双轴燃气轮机混合动力系统中发电机输出功率等于所述需求功率，得到所述第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，基于所述发电机输出功率等于所述需求功率与所述储能设备的最大输出功率之和，得到所述第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，基于所述储能设备输出最大输出功率，所述发电机输出功率等于所述需求功率减去所述最大输出功率，得到所述第三控制策略。
14.优选地，所述第一控制策略为：所述双轴燃气轮机混合动力系统中发电机输出功率等于所述需求功率，所述双轴燃气轮机混合动力系统中的电动机输出第一电动机参考转速，所述双轴燃气轮机混合动力系统中的低压轴输出第一低压轴参考转速，所述双轴燃气轮机混合动力系统中的发电机输出第一发电机参考转矩。
15.优选地，所述第二控制策略为：所述双轴燃气轮机混合动力系统中发电机输出功率等于所述需求功率与所述储能设备的最大输出功率之和，所述双轴燃气轮机混合动力系统中发电机为所述用电负载供电的同时为所述储能设备充电，所述双轴燃气轮机混合动力系统中的低压轴输出第二低压轴参考转速，所述双轴燃气轮机混合动力系统中的发电机输出第二发电机参考转矩。
16.优选地，所述第三控制策略为：所述储能设备输出最大输出功率，所述双轴燃气轮机混合动力系统中发电机输出功率等于所述需求功率减去所述最大输出功率，所述双轴燃气轮机混合动力系统中的低压轴输出第三低压轴参考转速，所述双轴燃气轮机混合动力系统中的发电机输出第三发电机参考转矩。
17.优选地，设定状态阈值0＜a1＜a2＜a3＜1；
18.所述设定阈值范围为大于a1且小于a3；
19.当执行所述第一控制策略设定时间后，返回至步骤“对所述荷电状态进行判断，当所述荷电状态在设定阈值范围内时，输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，输出第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，输出第三控制策略”；
20.当执行所述第二控制策略所述设定时间后，判断所述荷电状态是否大于或等于a2，若否，则继续执行所述第二控制策略，若是，则返回至步骤“对所述荷电状态进行判断，当所述荷电状态在设定阈值范围内时，输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，输出第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，输出第三控制策略”；
21.当执行所述第三控制策略所述设定时间后，判断所述荷电状态是否小于或等于a2，若否，则继续执行所述第三控制策略，若是，则返回至步骤“对所述荷电状态进行判断，当所述荷电状态在设定阈值范围内时，输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，输出第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，输出第三控制策略”。
22.本发明还提供了一种双轴燃气轮机混合动力系统的控制系统，所述控制系统应用于双轴燃气轮机混合动力系统，双轴燃气轮机混合动力系统为用电负载供电，所述控制系统包括：
23.数据采集模块，获取所述双轴燃气轮机混合动力系统中储能设备的荷电状态；
24.控制模块，对所述荷电状态进行判断，当所述荷电状态在设定阈值范围内时，输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，输出第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，输出第三控制策略；基于所述第一控制策略、所述第二控制策略和所述第三控制策略控制所述双轴燃气轮机混合动力系统。
25.优选地，所述控制模块包括：主控制器、电动机控制器、转速控制器和发电机控制器；
26.所述数据采集模块获取所述用电负载的需求功率；所述主控制器对所述荷电状态进行判断；
27.当所述荷电状态在设定阈值范围内时，所述主控制器输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，所述主控制器输出第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，所述主控制器输出第三控制策略；
28.所述电动机控制器基于所述第一控制策略，控制所述双轴燃气轮机混合动力系统中的电动机输出第一电动机参考转速；所述转速控制器基于所述第一控制策略，控制所述双轴燃气轮机混合动力系统中的低压轴输出第一低压轴参考转速，所述发电机控制器基于所述第一控制策略，控制所述双轴燃气轮机混合动力系统中的发电机输出第一发电机参考转矩；
29.所述转速控制器基于所述第二控制策略，控制所述低压轴输出第二低压轴参考转速，所述发电机控制器基于所述第二控制策略，控制所述发电机输出第二发电机参考转矩；
30.所述转速控制器基于所述第三控制策略，控制所述低压轴输出第三低压轴参考转速，所述发电机控制器基于所述第三控制策略，控制所述发电机输出第三发电机参考转矩。
31.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
32.本发明涉及一种双轴燃气轮机混合动力系统的控制方法及系统，所述控制方法应用于双轴燃气轮机混合动力系统，双轴燃气轮机混合动力系统为用电负载供电，所述控制方法包括：获取所述双轴燃气轮机混合动力系统中储能设备的荷电状态；对所述荷电状态进行判断，当所述荷电状态在设定阈值范围内时，输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，输出第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，输出第三控制策略；基于所述第一控制策略、所述第二控制策略和所述第三控制策略控制所述双轴燃气轮机混合动力系统。本发明在保证提供需求功率的同时，提高了双轴燃气轮机的燃油经济性，保证了混合动力系统的安全运行。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明双轴燃气轮机混合动力系统的控制方法流程图；
35.图2为本发明双轴燃气轮机混合动力系统的控制系统结构图；
36.图3为双轴燃气轮机混合动力系统结构图；
37.图4为本发明判断执行过程流程图。
38.符号说明：1-电动机，2-压气机，3-双轴燃气轮机，4-发电机，5-储能设备，6-用电负载，7-电力总线，8-数据采集模块，9-控制模块，31-高压压气机，32-燃烧室，33-高压轴，34-高压涡轮，35-低压涡轮，36-低压轴，91-主控制器、92-电动机控制器，93-转速控制器，94-发电机控制器。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.本发明的目的是提供一种双轴燃气轮机混合动力系统的控制方法及系统，在保证提供需求功率的同时，提高了双轴燃气轮机的燃油经济性，保证了混合动力系统的安全运行，且优化对电动机和发电机的调控，降低了控制过程的复杂度，提高了混合动力系统的效率。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
42.针对双轴燃气轮机混合动力系统进行详细说明，以方便理解本发明所提供的控制方法。
43.所述双轴燃气轮机混合动力系统为用电负载6进行供电，图3为双轴燃气轮机混合动力系统结构图，如图3所示，所述双轴燃气轮机混合动力系统包括：电动机1、压气机2、双轴燃气轮机3、发电机4、储能设备5和电力总线7。
44.所述双轴燃气轮机3包括高压压气机31、燃烧室32、高压轴33、高压涡轮34、低压涡轮35和低压轴36。
45.所述电动机1与所述压气机2转轴连接，所述压气机2与所述高压压气机31气动连接。
46.所述高压压气机31和所述高压涡轮34均通过管道与所述燃烧室32连接。所述高压压气机31和所述高压涡轮34之间通过所述高压轴33连接。
47.所述高压涡轮34和所述低压涡轮35之间气动连接；所述低压涡轮35和所述发电机4之间通过所述低压轴36连接。
48.所述电动机1、所述发电机4、所述储能设备5和所述用电负载6之间通过所述电力总线7并联连接。
49.图1为本发明双轴燃气轮机混合动力系统的控制方法流程图。如图所示，本发明提供了一种双轴燃气轮机混合动力系统的控制方法，所述控制方法应用于双轴燃气轮机混合动力系统，所述控制方法包括：
50.步骤s1，获取所述储能设备的荷电状态。
51.步骤s2，对所述荷电状态进行判断；当所述荷电状态在设定阈值范围内时，输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，输出第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，输出第三控制策略。
52.图4为本发明判断执行过程流程图，如图4所示，所述步骤s2具体为：
53.设定状态阈值0＜a1＜a2＜a3＜1；所述设定阈值范围为大于a1且小于a3。获取所述用电负载6的需求功率。
54.对所述荷电状态进行判断；
55.当所述荷电状态在设定阈值范围内时，基于所述发电机输出功率等于所述需求功率，得到所述第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，基于所述发电机输出功率等于所述需求功率与所述储能设备的最大输出功率之和，得到所述第二控制策略；当所述荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，基于所述储能设备输出最大输出功率，所述发电机输出功率等于所述需求功率减去所述最大输出功率，得到所述第三控制策略。
56.所述第一控制策略具体为：所述发电机输出功率等于所述需求功率，基于所述发电机输出功率等于所述需求功率，得到第一电动机参考转速、第一低压轴参考转速和第一发电机参考转矩。所述电动机1按照所述第一电动机参考转速工作，所述低压轴按照所述第一低压轴参考转速工作，所述发电机4按照所述第一发电机参考转矩工作。当执行所述第一控制策略设定时间后，返回至步骤“对所述荷电状态进行判断”。
57.所述第二控制策略具体为：所述发电机4输出功率等于所述需求功率与所述最大输出功率之和，所述发电机4为所述用电负载6供电的同时为所述储能设备充电，基于所述发电机4输出功率等于所述需求功率与所述最大输出功率之和，得到第二低压轴36参考转速和第二发电机4参考转矩。所述低压轴36按照所述第二低压轴36参考转速工作，所述发电机4按照所述第二发电机4参考转矩工作。当执行所述第二控制策略所述设定时间后，判断所述荷电状态是否大于或等于a2，若否，则继续执行所述第二控制策略，若是，则返回至步骤“对所述荷电状态进行判断”。
58.所述第三控制策略具体为：所述发电机输出功率等于所述需求功率减去所述最大输出功率，基于所述发电机输出功率等于所述需求功率减去所述最大输出功率，得到第三低压轴参考转速和第三发电机参考转矩。所述低压轴36按照所述第三低压轴参考转速工作，所述发电机4按照所述第三发电机参考转矩工作。当执行所述第二控制策略所述设定时间后，判断所述荷电状态是否小于或等于a2，若否，则继续执行所述第三控制策略，若是，则返回至步骤“对所述荷电状态进行判断”。
59.步骤s3，基于所述第一控制策略、所述第二控制策略和所述第三控制策略控制所述双轴燃气轮机混合动力系统。
60.图2为本发明双轴燃气轮机混合动力系统的控制系统结构图。如图所示，本发明提供了一种双轴燃气轮机混合动力系统的控制系统，所述控制系统应用于双轴燃气轮机混合动力系统，所述控制系统包括：数据采集模块8和控制模块9。
61.所述控制模块9包括主控制器91、电动机控制器92、转速控制器93和发电机控制器94。
62.数据采集模块8获取所述储能设备5的荷电状态和所述用电负载6的需求功率。
63.所述主控制器91对所述荷电状态进行判断。
64.当所述荷电状态在设定阈值范围内时，所述主控制器91输出第一控制策略；当所述荷电状态小于或等于所述设定阈值范围时，所述主控制器91输出第二控制策略；当所述
荷电状态大于或等于所述设定阈值范围时，所述主控制器91输出第三控制策略。
65.所述电动机控制器92基于所述第一控制策略，控制所述电动机1输出第一电动机参考转速；所述转速控制器93基于所述第一控制策略，控制所述低压轴36输出第一低压轴参考转速，所述发电机控制器94基于所述第一控制策略，控制所述发电机4输出第一发电机参考转矩。
66.所述转速控制器93基于所述第二控制策略，控制所述低压轴36输出第二低压轴参考转速，所述发电机控制器94基于所述第二控制策略，控制所述发电机4输出第二发电机参考转矩。
67.所述转速控制器93基于所述第三控制策略，控制所述低压轴36输出第三低压轴参考转速，所述发电机控制器94基于所述第三控制策略，控制所述发电机4输出第三发电机参考转矩。
68.本发明根据外部需求功率的大小和储能设备的荷电状态，实现双轴燃气轮机混合动力系统控制策略的合理切换。
69.本发明当储能设备荷电状态低于设定阈值时，控制策略在满足外部需求功率的情况下兼顾储能设备的充电需求，以使储能设备荷电状态恢复到合理区间，同时储能设备充电过程中保证储能设备充电功率不超过最大限值，保证了储能设备的安全工作。
70.本发明当储能设备荷电状态高于设定阈值时，控制策略根据外部需求功率的情况优先选择消耗储能设备的电能，以使储能设备荷电状态恢复到合理区间，同时储能设备放电过程中保证储能设备放电功率不超过最大限值，保证了储能设备的安全工作。
71.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
72.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。