CN101557192B - 涉及可变速发电机的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明名称为涉及可变速发电机的系统和方法，提供了包含发电机(102)的发电系统。发电机(102)包括定子部分，和转子部分，以及可变频率发电机(VFG)激励器(104)。VFG激励器(104)包括第一转换器(120)和第二转换器(122)。该系统包括第一开关(103)，在发电机(102)工作在启动状态时，所述第一开关(103)闭合以将第一转换器(120)连接到定子部分。所述系统还包括第二开关(105)，在发电机(102)工作在运行状态时，第二开关(105)闭合以将第一转换器(120)和第二转换器(122)并联连接到转子部分。

Description

涉及可变速发电机的系统和方法

技术领域

本发明实施例大致涉及电力发电机，并且更具体地涉及启动和运行可变速电力发电机。

背景技术

在这方面，同步发电机系统一般以给定速度工作，产生与电力网匹配的稳定输出频率，例如50Hz和60Hz。如果电网上的电力负荷增加超过了该电网的发电容量，那么就可能存在发电机减速的结果，这可能降低电网上的频率。如果负荷降低，导致发电容量过剩，那么发电机可能加速并且电网频率增加。

因此，期望使用节省成本的系统和方法，其能够在电网负荷有危险超过电网的发电容量时，协助限制电网上发电机的减速。

发明内容

本发明的示范实施例包括示范发电系统，所述示范发电系统包含发电机，其中该发电机包括定子部分和转子部分，可变频率发电机(VFG)激励器(exciter)，其中VFG激励器包括被连接到DC链路的可操作以将DC电流转换成AC电流的第一转换器(converter)和被连接到DC链路的可操作以将DC电流转换成AC电流的第二转换器，第一开关，第一开关可操作以在发电机工作在启动状态时，在闭合时将第一转换器连接到定子部分，其中在发电机工作在运行状态时，第一开关打开，和第二开关，第二开关可操作以在发电机工作在运行状态时，在闭合时将第一转换器和第二转换器并联连接到转子部分，其中在发电机工作在启动状态时，第二开关打开。

本发明的可选示范实施例包括可变频率发电机(VFG)激励器，所述可变频率发电机(VFG)激励器包含被连接到DC链路的第一转换器，可操作以将DC电流转换成AC电流，和被连接到DC链路的第二转换器，可操作以将DC电流转换成AC电流，其中第二转换器被电气连接到发电机转子，第一开关，第一开关可操作以在发电机工作在启动状态时，在闭合时将第一转换器连接到定子部分，其中在发电机工作在运行状态时，第一开关打开，和第二开关，第二开关可操作以在发电机工作在运行状态时，在闭合时将第一转换器和第二转换器并联连接到转子部分，其中在发电机工作在启动状态时，第二开关打开。

本发明的示范实施例包括启动和操作VFG系统的方法，该方法包含，闭合第一开关，其中所闭合的第一开关可操作以将第一转换器连接到发电机的定子，启动该第一转换器，其中第一转换器可操作以将DC功率转换为AC功率并控制该定子，启动第二转换器，其中第二转换器被电气连接到转子，并可操作以将DC功率转换成AC功率并且控制该转子，启动发电机，打开该第一开关，由此将该第一转换器从定子打开，闭合第二开关，其中闭合第二开关将第一转换器和第二转换器并联连接，并且控制该第一转换器和第二转换器并联工作以将功率发送到转子。

附图说明

当参考附图、阅读下面详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更容易理解，在附图中类似的符号表示类似的部分，其中：

图1是具有三相转子的发电机的示范系统的示意图。

图2是具有三相推挽式转子(push-pull rotor)的发电机的示范系统的示意图。

图3是具有六相转子的发电机的示范系统的示意图。

100    系统

102    发电机(generator)

104    可变频率发电机(VFG)激励器

103    第一开关(S1)

105    第二开关(S2)

106    DC链路

108    动态制动器(dynamic brake)

110    动态制动器电阻器(dynamic brake resistor)

112    转换器(G1)

114    3.3kV源

116    电感器(inductor)

118    断路器(breaker)

119    断路器

120    第一转换器(R1)

122    第二转换器(R2)

124    电感器

126    电感器

128    发电机步进装置(GSU)(generator step-up unit)

130    高压(HV)电网

132    辅助负载(auxiliary loads)

150    谐波滤波器

151    第三绕组(tertiary winding)

200    系统

201    地

202    发电机

205    第二开关(S2)

207    4KV输入

209    +4KV输入

300    系统

302    发电机

305    S2

307    输入

309    输入

具体实施方式

在下面详细说明中，阐述了许多具体细节以提供本发明的各个实施例的全面理解。然而，本领域技术人员将明白，本发明的实施例可以不以这些具体细节而实践，本发明不受限于所描述的实施例，并且本发明可以以多种可选实施例而实践。在其它实例中，熟知的方法、程序和组件没有被详细描述。

在这方面，参考图1，系统100包括发电机102。在所示例的示范实施例中，发电机102是具有额定(rated for)为4kV、3.6kA的三相转子(未示出)和额定为18kV的定子(未示出)的燃气涡轮发电机，然而发电机102可以根据设计的需要而额定为其它负载或者可以是其它类型的发电机，诸如(例如)涡轮或柴油发电机之类。在所示例的实施例中，发电机102包括3个滑动环(slip ring)。发电机102转子和定子经由第一开关(S1)103和第二开关(S2)105而被连接到可变频率发电机(VFG)激励器104。

VFG激励器104是3.3kV激励器，并且包括DC链路106。被连接到动态制动器电阻器110的动态制动器108可以被耦合到DC链路106。转换器(G1)112经由电感器116和断路器118而被连接到DC链路106和3.3kV源114。VFG激励器104也包括各自连接到DC链路106的第一转换器(R1)120和第二转换器(R2)122。R2也被连接到发电机102转子。R1 120被连接到S1 103和S2105，从而当S1被闭合时，R1 120与R2 122并联连接到发电机102转子。当S2 105闭合并且S1103打开时，R1 120被连接到发电机102定子。电感器124可以被布置在R2 122和发电机102转子之间，而电感器126可以被布置在R1120和S1 103以及S2 105之间。

在所示例的示范实施例中，发电机102定子的功率输出经由断路器119而被连接到发电机步进装置(GSU)128上的第三绕组。GSU将功率输出到3.3kV源114和高压(HV)电网130。断路器118可以被布置在HV电网130和辅助负载132之间。辅助负载132可以包括(例如)燃油泵、促动器(actuator)以及电源用于发电机102控制系统。

系统100的操作模式包括运行和启动。在运行操作中，VFG激励器104经由断路器118而从3.3kV源114接收AC功率。G1 112经由电感器116而接收AC功率并且将AC功率转换为DC功率以对DC链路106供电。G1 112也可以在将AC功率转换为DC功率之前将3.3kV源114的AC电压变换为合适的电压。

R1 120和R2 122从DC链路106接收DC功率并为发电机102转子将DC功率转换为AC功率(4kV、3.6kA)。当在运行操作中时，S1 103打开并且S2 105闭合。因此，R1 120和R2 122经由电感器126和124而并联连接到发电机102转子。

发电机102经由发电机断路器119而将AC功率输出至用于电压转换的GSU128。在所示例的实施例中，GSU 128包括第三绕组151。GSU将发电机102的输出电压(18kV)转换为3.3kV源114和HV电网130的合适的电压。在所示例的例子中，GSU128发送3.3kV、12MVA到3.3kV源114并且发送230MVA到HV电网130。断路器118可以被布置在HV电网130和辅助负载132之间。谐波滤波器150可以被包括在3.3kV源114和发电机102转子上。

所示例的示范实施例中的第三绕组151的使用使连接到发电机102的输出的设备最小。其它实施例可以包括连接到发电机102输出的单独的变压器。因此，GSU的配置可以取决于系统100的应用。

断路器118被作为系统100的示范实施例而提供并且断路器118可以位于备选位置或者在适当时取决于系统100的应用而不被包括在系统100中。所示例的实施例也包括附接到DC链路106的动态制动器108和动态制动器电阻器110。优选地，可以包括动态制动器108以在电网故障期间保护激励器。

在启动操作中，发电机102定子从VFG激励器104接收功率(转矩电流)以转动发电机102。发电机102转子也从VFG激励器104接收功率。发电机102的转动旋转发电机102原动机(prime mover)(未示出)。一旦原动机以适当的速度旋转，启动模式可以结束并且系统可以被切换到上面描述的运行状态，因而发电机102开始生成功率。

在这方面，当在启动操作中时，发电机断路器119打开，S1 103闭合并且S2 105打开。因此，VFG激励器104经由R1 120而提供功率至发电机102定子，并且也经由R2122而提供功率至发电机102转子。一旦发电机102原动机启动，就不再需要到发电机102定子的功率，并且系统100转变进入运行操作。因此，R1 120被阻塞(block)，S1 103打开并且S2 105闭合，使R1 120和R2 122并联放置。VFG激励器104独立于速度(在滑动范围内)而使跨发电机断路器119的电压无效，并且发电机断路器可以闭合以将功率提供给HV电网130。

在运行操作中，当发电机102受到来自HV电网130的负载时，发电机102转子从R1 120和R2 122接收功率，然而在启动操作中，发电机102上的负载较小。因此，发电机102可以使用R1 120而启动以将功率提供给发电机102转子并且利用R2 122用于对发电机102定子供电。因此，系统100保留了发电机102的启动操作和运行操作所需要的转换器的数量。

VFG系统的可选实施例在图2中示例。在这方面，图2示出了系统200。系统200类似于图1中示例的系统100，然而系统200包括发电机202，所述发电机202包括额定为+/-4kV、1.8kA的三相推挽式转子(未示出)。发电机202转子包括各自连接到单独的滑动环的三个绕组。

转换器R1 120和R2 122被配置在推挽式装置中。R2 122被连接到发电机202转子的+4kV输入209。R1 120经由S1 103而被连接到发电机202定子。R1 120也经由第二开关(S2)205而被连接到发电机202转子的-4kV输入207。S2 205也可以切换至地201，因而将-4KV输入207连接到地201。

系统200工作在类似于系统100的运行操作和启动操作。在运行操作中，R2 122提供+4kV到发电机202转子的+4kV输入209。S1 103打开并且S2 205闭合从而使得R1 120提供-4kV到发电机202转子的-4kV输入207。

在启动操作中，R2 122提供+4kV到发电机202转子的+4kV输入209。S1 103闭合，从而VFG激励器104将功率经由R1 120而提供到发电机202定子(未示出)。S2 205被闭合从而使得发电机202转子的-4kV输入207被连接到地201。因此，发电机202转子的-4kV绕组207实际上具有0V。

系统200在启动操作期间使用转子绕组的一半，因而用于启动原动机(未示出)的可用转矩实际上是系统100中可用的转矩的一半。然而，系统200的一个优点是推挽式装置允许发电机以全负载而两个转换器(R1 120和R2 122)中的一个不起作用来操作，因而增加了系统200的可靠性。

图3示例了VFG系统的另一个可选示范实施例。在这方面，系统300类似于其它所示例的实施例，但包括具有六相转子(未示出)的发电机302。在所示例的配置中，发电机302转子具有两层三相绕组(未示出)。三相绕组的第一层被连接到发电机302转子的输入309，而同时三相绕组的第二层被连接到发电机302转子的输入307。

系统300工作在类似于系统100的运行操作和启动操作中。在运行操作中，R2 122将4KV的第一三相提供给发电机302转子的输入309。S1 103打开而S2305闭合，从而使得R1 120将4kV的第二三相提供给发电机302转子的输入307。

在启动操作中，R2 122将4KV的第一三相提供给发电机302转子的输入309。S1 103闭合，从而VFG激励器104将4KV的第二三相经由R1 120而提供给发电机302定子。S2打开，从而发电机202转子的输入307实际上从R1 120接收0V。

系统3的其它可选实施例可以包括在转子上具有多于六相的发电机302。在该配置下，可以需要额外的转换器和开关以满足设计考虑。

上面所描述的示例实施例的其它可选实施例可以使用不同额定的发电机。这些发电机可能需要VFG激励器中可选(alternate)数量的转换器。例如，R1 120和R2 122可以包括多个并联的转换器。无论VFG激励器104的额定依赖的配置如何，在启动操作和运行操作之间转变的S1 103和S2 105可以以相似的方式配置。

进一步，各种操作可以以多个分立的步骤来描述，以有助于理解本发明实施例的方式来执行。然而，说明的顺序不应解释为暗示这些操作需要以提出它们的次序来执行，或者甚至解释为它们是与次序相关的。此外，重复使用短语“在实施例中”并不一定指同一实施例，尽管可能是。最后，如在本申请中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等除另有指出外均确定为同义。

本书面说明使用例子来公开本发明，包括最佳模式，并且也为了使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或者系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求来限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它例子。如果这些其它例子具有与权利要求的文字语言相同的结构性成分，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质性不同的等同结构性成分，那么它们就会被确定为在权利要求的范围之内。

Claims (14)

1.一种发电系统，包含： 

发电机，其中所述发电机包括： 

定子部分；和 

转子部分； 

可变频率发电机激励器，其中所述可变频率发电机激励器包括： 

连接到DC链路的可操作以将DC电流转换成AC电流的第一转换器；和 

连接到所述DC链路的可操作以将DC电流转换成AC电流的第二转换器； 

第一开关，所述第一开关可操作以在所述发电机工作于启动状态时，在闭合时将所述第一转换器连接到所述定子部分，其中，在所述发电机工作于运行状态时，所述第一开关打开；和 

第二开关，所述第二开关可操作以在所述发电机工作于所述运行状态时，在闭合时将所述第一转换器和所述第二转换器并联连接到所述转子部分，其中，在所述发电机工作于所述启动状态时，所述第二开关打开。 

2.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述可变频率发电机激励器还包括第三转换器，所述第三转换器可操作地从AC源接收AC电流，将所述AC转换成DC电流，并且将所述DC电流发送至所述DC链路。 

3.根据权利要求2所述的发电系统，其中所述第三转换器还可操作以将来自所述AC源的第一AC电压变换成第二AC电压。 

4.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述可变频率发电机激励器还包括： 

动态制动器和动态制动器电阻器，可操作以在电网故障期间保护所述激励器。 

5.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述第一开关和所述第二开关位于所述可变频率发电机激励器中。 

6.根据权利要求1所述的发电系统，还包含连接到所述转子的谐波滤波器。 

7.根据权利要求1所述的发电系统，还包含在发电机步进部分上的第三绕组，其中所述第三绕组可操作以从所述定子部分接收输出功率、变换所述输出功率电压，并且将所述输出功率发送至电力网。 

8.根据权利要求7所述的发电系统，其中所述第三绕组还可操作以将第二输出功率发送到第二电压输出。 

9.根据权利要求8所述的发电系统，还包括被连接到所述第二电压输出的谐波滤波器。 

10.根据权利要求2所述的发电系统，其中所述AC源是第二电压输出。 

11.根据权利要求2所述的发电系统，其中所述AC源是电力网。 

12.根据权利要求1所述的发电系统，其中还包括燃气涡轮发电机。 

13.一种可变频率发电机激励器，包括： 

连接到DC链路的可操作以将DC电流转换成AC电流的第一转换器；和 

连接到所述DC链路的可操作以将DC电流转换成AC电流的第二转换器，其中所述第二转换器电气连接到发电机转子； 

第一开关，所述第一开关可操作以在发电机工作于启动状态时，在闭合时将所述第一转换器连接到定子部分，其中，在所述发电机工作于运行状态时，所述第一开关打开；和 

第二开关，所述第二开关可操作以在所述发电机工作于运行状态时，在闭合时将所述第一转换器和所述第二转换器并联连接到所述转子部分，其中，在所述发电机工作于所述启动状态时，所述第二开关打开。 

14.一种启动和运行可变频率发电机系统的方法，所述方法包括： 

闭合第一开关，其中所闭合的第一开关可操作地将第一转换器连接到发电机的定子； 

启动所述第一转换器，其中所述第一转换器可操作以将DC功率转换为AC功率并控制所述定子； 

启动第二转换器，其中所述第二转换器电气连接到转子，且可操作地将DC功率转换为AC功率并控制所述转子； 

启动发电机； 

打开所述第一开关，从而断开所述第一转换器与所述定子； 

闭合第二开关，其中闭合所述第二开关使所述第一转换器和所述第二转换器并联连接；及 

控制所述第一转换器和所述第二转换器，以并联操作以发送功率到所述转子。 

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