CN101048933B

CN101048933B - 发电机的静态励磁系统以及此类励磁系统的操作方法

Info

Publication number: CN101048933B
Application number: CN2005800371392A
Authority: CN
Inventors: 莱因哈德·约霍
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-10-13
Also published as: JP2008518576A; EP1805887B1; RU2007119537A; JP4845889B2; RU2375812C2; DE502005010890D1; EP1805887A1; CN101048933A; US8008895B2; US20070296275A1; WO2006045703A1; KR20070073819A; KR101175576B1

Abstract

本发明涉及静态励磁系统(20)，用于发电机(16)的励磁绕组(17)，并通过母线(19)连接到网络，包括：产生直流电压的第一模块(12，18，21)，所述第一模块(12，18，21)连接到发电机(16)的母线(19)的输入侧，其输出连接到励磁绕组(17)，并与励磁绕组(17)一起形成励磁电路；以及第二模块(23)，用于输出电能，所述第二模块(23)在需要时将短暂的附加电能供应给励磁电路。根据本发明，可以以简单、功能可靠和节省空间的方式，来实现励磁的短暂增加，从而将流方向极性二极管(22)插入到励磁电路中，以及用于向励磁电路供应电能的第二模块(23)在阻塞方向上可以具有与二极管(22)的极性连接。

Description

发电机的静态励磁系统以及此类励磁系统的操作方法

发明领域

本发明主要涉及发电机技术领域，并且尤其涉及如权利要求1的前序部分所述的静态励磁系统，以及这种励磁系统的操作方法。

技术背景

用于为发电机的励磁绕组(field winding)馈电的静态励磁系统被广泛使用。它们的特征在于其鲁棒性以及较短的响应时间。图1示出了一种已知类型的静态励磁系统。图1中的该静态励磁系统10与发电机16相连，后者经由(3相)母线19和电机变压器(machinetransformer)11连接到网格系统(图1中未示出)。静态励磁系统10用来给发电机16的励磁绕组17馈电，并构成了励磁变压器(excitertransformer)12，该励磁变压器12连接到母线19，并且该励磁变压器12输出的交流电压通过晶闸管桥(thyristor bridge)18转换为直流电压，该晶闸管桥18与晶闸管21装在一起，驱动晶闸管桥18内的晶闸管21，从而通过自动电压调节器(AVR)14来控制直流电压的幅度，该自动电压调节器(AVR)14基于呈现在经由电压互感器(voltage transformer)13抽头的母线19上的发电机电压，以及在励磁装置10中流动并且经由电流互感器(current transformer)15测量的电流。由晶闸管桥18产生的直流电压可以驱动通过励磁绕组17的励磁电流I_f。

通过将励磁变压器12的输出电压设置为高于标称水平的12倍，来提高励磁系统10的响应速度，从而可以通过暂时转换到晶闸管桥18的全波控制，来确保必要的电流梯度dI_f/dI_t(响应时间)以及必要的最大值If_max(无功分量的短暂增长)。相应的峰值系数，即最大励磁电压与额定励磁电压的比值，在1.5到2.0的范围内。如此的有限值大体是正常的，以便处理标准网格系统的干扰。

尽管有这样的有余量的设计，在常规静态励磁系统中仍存在问题，原因如下：网格系统的干扰通常是由于传输线上的短路造成的，诸如此类的短路降低了网格系统相对邻近区域以及附近电力站的电压。由于励磁变压器是由发电机母线来馈电的，因此励磁变压器的电压同样会降低。如果在预定的时间窗口内能够成功地自动重合闸(短路情况下)，则可以自动地重新连接到网格系统。为了保证发电机/网格系统在重新连接后的稳定性，期望将短暂的无功分量电涌引入返回网格系统中。这需要发电机处于过励磁(overexcited)状态中。然而，这只能部分实现，因为短路期间以及短路刚过后的电压不支持建立短暂无功分量电涌。甚至引用的峰值系数也不能确保在这段时间内所有情况下的足够励磁。

文件US-A-3,818,317描述了电容器电压给励磁系统模拟信号环路的一系列馈电。该馈电是由欠压继电器触发的，该继电器对发电机电压进行采样，经这种方法修改的信号用于自动电压调节器(AVR)的输入。该文件没有提及通过由附加能量源馈电而引起的励磁电路中的功率的短暂增加。

US-B1-6,339,316既描述了励磁源的交流电压侧的电容器辅助的不中断电源(图1-4)，也描述了以直流充电且与励磁绕组的输电线并联的电容器(图5-8)。在这两种配置下，发电机的有效性受到了很大的不良影响，因为当配置中的其中一个所述部件失效时，整个励磁就会失效。连接到励磁绕组的电容器使用半导体开关来对从晶闸管10流出的电流进行整流，再使其返回晶闸管10。这样会导致电压尖峰，并对发电机的晶闸管或励磁绕组造成故障或引起破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够短暂增加励磁(励磁强化)的静态励磁系统，其避免了已知励磁系统的缺点，以高功能可靠性和简单、节约空间的设计为特征，并且能够指定其操作方法。

可以通过综合权利要求1以及14至19的特征来实现所述目的。本发明的实质在于提供静态励磁系统中发送电能的第二模块，该第二模块在必要时将附加能量短暂地馈送到励磁电路，其中，将正向偏置二极管插入到励磁电路，以及其中，第二模块从反向偏置方向连接到二极管，来给励磁电路馈送能量。

根据发明的系统的一个改进之处的特征在于：第一模块包括励磁变压器，该励磁变压器连接到发电机的母线，以及，整流电路，其连接到励磁变压器的输出；该整流电路是可控整流电路，特别是晶闸管桥；自动电压调节器用于控制该整流电路或该晶闸管桥；以及该自动电压调节器在输入侧经由电压互感器连接到发电机母线；第二模块可以通过开关连接到二极管；该开关是半导体的开关，特别是晶闸管(Th)，或者是能够被关闭的半导体开关，特别是GTO或IGBT；该开关可以基于发电机电压和/或自动电压调节器的设置值而工作。

该励磁系统无需连接到发电机线圈(generator rail)。例如，其同样可以连接到内部电站源上。因为这样最终还是连接到了网格系统，效果相同。

本发明的另一个改进之处还在于，第二模块是由充电电容形成的，在这种情况下，特别之处在于，该电容包括一个电容器或串联的多个电容器。如果电容包括的多个电容器能够相互独立地连接到二极管，则通过适当的开关将电容器能量以特定的可变方式馈送给励磁电路。

从空间需求、能量密度、可靠性和安装成本的角度看，如果电容器是能量密度在1至10Wh/kg的超级电容器或特级电容器将是很有利的。

例如，提供充电单元是为了给电容充电。

如果励磁的短暂增加是为了便于从中央点进行控制，那么若用于第二模块连接的开关能通过有线信号或无线信号经由接收器被操控是很有利的。

附图说明

在下文中，将引用示例性实施例并结合附图，对本发明进行更加详细地阐述，其中：

图1示出了根据现有技术的静态励磁系统的简化电路图；

图2示出了根据本发明的第一示例性实施例的静态励磁系统的简化电路图，其具有电容作为能量来源，该电容经由开关，在反向偏置方向上连接到励磁电路中的二极管；

图3示出了从电容连接(t_ON)后直到电容完全放电(t’)为止的时间内的励磁电压(U_f)、励磁电流(I_f)、电容器电压(U_c)、电容器电流(I_c)和二极管电流(I_D)的波形的例子；

图4与图3形成对比，前者示出了从电容连接(t_ON)后直到电容的过早断开(t_OFF)为止的时间内的励磁电压(U_f)、励磁电流(I_f)、电容器电压(U_c)、电容器电流(I_c)和二极管电流(I_D)的波形的例子；

图5示出了本发明的其它示例性实施例，其中，阻抗器与二极管并联，以便可以生成反向励磁电流和/或改变电容的放电时间，其中，该电容包括串联的多个单独的电容器，以及将不同的半导体开关(晶闸管、GTO、IGBT)用作开关；

图6示出了独立连接的多个电容器，这些电容器并行连接，以产生连续放电曲线；以及

图7示出了图6中所示电路的一种变化。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的第一示例性实施例的静态励磁系统的简化电路图。其再一次基于具有励磁绕组17的发电机16，该发电机16通过母线19和电机变压器11连接到网格系统。励磁绕组中有来自静态励磁系统20的励磁电流I_f，该静态励磁系统20主要包括励磁变压器12以及其后的安装有晶闸管21的晶闸管桥18。晶闸管桥18由自动电压调节器(AVR)14驱动，该自动电压调节器(AVR)14驱动接收输入变量，一方面经由电压互感器13将发电机电压施加到母线19上，而另一方面电流经由电流互感器15存在于励磁系统中。晶闸管桥18的输出侧连接到励磁绕组17，并共同构成励磁电路。

二极管22安装在励磁电路中的正向偏置方向上。充电电容23能通过开关24与二极管22并行连接，而电容23连接到二极管22的反向偏置方向。电容23能通过与其连接的充电单元25进行充电。可以通过多种方式驱动开关24，如图2中的各条虚线所示。

在正常操作期间，流经二极管22的励磁电流I_f是直流，对励磁电路的运行不产生任何影响。例如，电容23是由所谓的超级电容器或特级电容器所形成的，并且由充电单元25维持在预定的电容器电压U_co上。电容充电的极性对应于二极管22的反向偏置方向。当开关24闭合时，电容器电压Uc加性地串联连接到晶闸管桥18释放的电压上，从而形成总体上相当高的励磁电压U_f，将该励磁电压U_f施加到励磁绕组17(图3的t_ON时间)。与此同时，二极管22变为反向偏置，二极管电流ID(图3中的点划线)变为0。为了简化起见，下文中假定晶闸管桥18的恒定(固定)的控制角度。由于励磁电压U_f的增加，励磁电流I_f开始增加，但因励磁绕组17的感应造成了延迟。电压互感器13上的电压降到预定限度值之下时就能触发开关24接通(图2中的虚线连接)。这样，当网格系统电压降低时，就可以利用电容23储存的能量，增加励磁源。当将能量馈送给励磁电路时，电容23持续放电(图3中电容器电压U_c的下降)，直到容器电压U_c变为0为止(图3的时间t′)。二极管22随后开始再次导电，并保持正常的励磁源。

AVR的操作方法可以持续不变。附加的电容器馈电通过励磁电流检测来进行附加处理，该励磁电流检测在AVR中总是存在的。

理想的电压偏移是由电容的预充电来实现的。充电电压可能达到励磁器额定电压的两倍或更多倍，特别地，能达到3倍或更多倍。理想的支持持续时间通过电容值来设定。设置的支持时间(t′-t_ON)在1-20s的范围内。

正如以上所提到的，例如将超级电容器或特级电容器用来构成电容23，例如在Maxwell公司的型号标识BOOSTCAP^TM下的电容，或者在型号标识BCA0010或PC2500下的电容。诸如此类的超级电容器，例如在额定2.5V电压下具有2600或2700F的电容值，具有各种优点：其100％无需维护，有非常好的功率和能量容限(优于电解电容器10倍)。即使电容器失效——这是不太可能的——通过使用串联连接的多个单独的电容器29的模块化设计来将产生的影响控制得非常小(参见图5)。电容的大小和数量根据电压偏移和所需的支持时间来定。

例如，安置的二极管22是盘式二极管。其失效会导致其内部短路，而这对励磁系统的运行没有任何影响。开关24可以具有与该开关24串联的熔断丝，来避免连接到失效的二极管。

最近的断电表明，不能短暂地将提高的无功分量馈送给总体上过载网格系统。广泛使用的在发电机母线上带有自动电压调节器AVR的静态励磁系统无法在这种关键情况下产生任何短暂增量，自动电压调节器AVR必然跟随网格系统电压的下降。然而，根据本发明的静态励磁系统却以简单方法通过短暂地馈送存储的能量，毫无问题地使其变为可能。当然，要在指定时间采取措施以减少网格系统的负载。这样的措施包括，例如，减载、网格系统的断开以及连接到备用发电机。

通过根据本发明的采用静态励磁系统的电容得到的附加馈电有以下特征和优点：

——不对励磁器的高效能产生负面影响

——即使二极管22和附加馈电的运行出现差错，也不会影响励磁器的良好可靠性

——不影响晶闸管桥的电压负载

——不影响自动电压调节器的工作，连接是独立触发的

——为了简单地确定最大附加电流(强化电流)和时间常量，可以根据标准化部件以模块化方式形成

——附加电压是单调下降的直流电压，没有任何干扰尖峰；因此在连接阶段励磁绕组中只存在很小的附加电压负载

——设计简单，且占用空间小

——考虑到其在汽车工业中的重要性，示例中使用的超级电容器总是相对可靠且成本也相对低廉的。

——如果该设备与较小的接地电容隔离，则转子(shaft)电压不受影响

——其代表了现有配置的简单且健壮的更新套件

正如以上所描述的，可以将把电容23连接到二极管22的开关24通过发电机输出欠压(图2的虚线连接(a))而触发。但是，其同样可以由欠压信号和自动电压调节器14的设定值的组合触发(图2的虚线连接(b))。除此之外，在正常运行期间通过电容23的连接可以增加励磁率。自动电压调节器14的设定值可以引起触发(图2的虚线连接(b))。最后，在存在欠压或附加的无功分量需求时，可以通过从网格系统监控中心发出的信号来连接电容23，例如，该信号可作为无线信号通过接收器26(图2)经由天线27接收。

如图5所描述，电容23可以由多个单独的电容器29(例如超级电容)串联和/或并联而形成。在这种情况下，电容器29的串联可由被动平衡模块(图5的阻抗30)或主动平衡模块来补充。此外，当发电机没有运行或电容23所在电容箱的门打开时，可以实现安全放电。最后，为了使放电时间长度超过10s(取决于用户的需要)，可以将多个模块化电容器组相互连接起来。甚至可以将此扩展到以下的程度：励磁变压器12的电压降低，通过电容23的连接来实现正常的峰值运行。

如果，如图5所示，阻抗28与二极管22并联，这一方面可以产生负的励磁电流I_f。可以将此应用于具有背对背的并联桥来产生特定负励磁电流的励磁系统的情况下。而在另一方面，当电容23连接后，并联的阻抗28可以影响并设置放电时间常数。阻抗值的幅度变化级别与励磁绕组17的阻抗值的幅度变化级别相同。晶闸管(Th)、GTO(可关断晶闸管)或IGBT(绝缘栅双极晶体管)可以用作开关24(图5)。常规的晶闸管(Th)只允许电容的完全放电，因为为了关闭晶闸管，电流必须越过零值。而GTO或IGBT(其可被关断)允许在任何需要的时间(图4中的t_OFF)中断向励磁电路馈送存储的能量。

如图6所示，可以在电容23中排列多个有不同电容和充电电压的电容器C1，...，C3，从而通过相关的IGBT开关T1，...，T3对这些电容器C1，...，C3单独连接。例如，可以对这些电容器C1，...，C3顺序连接和/或按时间顺序重叠，通过这种方式来产生预定的励磁电流波形。二极管D1，...，D3保护IGBT T1...，T3，使其免于被施加反向电压。

举一个例子：电容器C1的电容小，充电电压高，而电容器C2和C3的电容高，充电电压低。这样的组合与励磁电流的迅速增加有关，并支持其持续增加。例如，电容器C1可能是由薄膜或电解电容器形成的，而电容器C2和电容器C3是由超级电容形成的。在所述例子中，所有的IGBT能在同一时间接通，电流随后则会自然减小。图7示出了这种情况下的简化的电路变化。电容器C1的充电电压高而电容小，电容器C2的充电电压低而电容大。这两个电容经由二极管D1和D2以串联方式连接到共同的开关，在这种情况下由IGBTT表示。

包括二极管22、电容23和充电单元25的附加电路的隔离与励磁电路的隔离是处在同一水平的。这样设计很有好处，可以使小电容接地。

双极性机械式直流开关可以断开电容23中的电容器29与二极管22的连接，从而也就断开了与励磁电路的连接。这样可以确保在发电机正常运行期间，在附加电路上可以执行维护任务。这样的开关也可以代替半导体开关(Th，GTO，IGBT)。

充电单元25的供电可以来源于电站中的直流或交流辅助电源系统，或者来源于发电机16的励磁变压器12。基于以下设计示例，一个300MVA的发电机的充电功率大约是每小时1.5kW。对于困难的网格系统(有重复干扰)，为了使电容23更快地重新充电，也可以使用高电流充电单元。

以下设计了用于额定功率300MVA发电机的系统，其中具有2600F电容的BOOSTCAP^TM超级电容作为单独的电容器29，其基于2.5V的额定电压，以及1mΩ的内部阻抗(假设控制角度保持不变)：

举个例子，ABB公司生产的型号为5SDD 60Q2800的二极管可以用作二极管22。根据图5，ABB公司的型号为5STP 45Q2800的晶闸管、或者三菱电子(Mitsubishi Electric)公司的型号为FG600AUl20D的GTO、或者eupec公司的型号为FZ3600R17KE3的IGBT都可以用作开关24。在这种情况下，即便使用本文中的各种设计，也只需要一个单独的部件。

图7示出了图6中所示电路的一种变化，其中，两个不同的电容器(C1,C2)通过共同的开关或IGBT(T)进行连接。

引用符号列表

10，20 静态励磁系统

11 电机变压器

12 励磁变压器

13 电压互感器

14 自动电压调节器(AVR)

15 电流互感器

16 发电机

17 励磁绕组

18 晶闸管桥

19 母线(发电机)

21 晶闸管

22 二极管

23 电容

24 开关

25 充电单元

26 接收器

27 天线

28，30 阻抗

29 电容器

C1，C2，C3 电容器

D1，D2，D3 二极管

I_f 励磁电流

I_f 电容器电流

I_D 二极管电流

U_f 励磁电压

U_c 电容器电压

T，T1，T2，T3 IGBT

Th 晶闸管

Claims

1.一种静态励磁系统(20)，用于发电机(16)的励磁绕组(17)，所述发电机(16)经由母线(19)连接到网格系统，所述静态励磁系统(20)包括：

产生直流电压的第一模块(12，18，21)，所述第一模块(12，18，21)连接到所述励磁绕组(17)并与所述励磁绕组(17)一起形成励磁电路，所述第一模块(12，18，21)包括：与所述发电机(16)的母线(19)相连的励磁变压器(12)、以及与所述励磁变压器(12)的输出端相连的整流器电路(18，21)；以及

发出电能的第二模块(23；29，C1，...，C3)，所述第二模块(23；29，C1，...，C3)在需要时短暂地将附加能量馈送给所述励磁电路，

其特征在于：

将正向偏置二极管(22)插入到所述励磁电路中，

能够将所述第二模块(23；29，C1，...，C3)在反向偏置方向上连接到所述二极管(22)，从而将能量馈送给所述励磁电路，以及

当励磁变压器两端的电压低于预定值时，所述第二模块(23；29，C1，...，C3)连接到所述二极管(22)。

2.如权利要求1所述的励磁系统，其特征在于：

所述整流器电路是可控整流器电路；

提供自动电压调节器(14)，以控制所述整流器电路；以及，

所述自动电压调节器(14)在输入侧经由电压互感器(13)连接到所述发电机(16)的母线(19)。

3.如权利要求2所述的励磁系统，其特征在于，所述第二模块(23；29，C1，...，C3)通过开关(24)连接到所述二极管(22)。

4.如权利要求3所述的励磁系统，其特征在于，所述开关(24)是半导体开关。

5.如权利要求3或4所述的励磁系统，其特征在于，能够基于所述发电机电压和/或所述自动电压调节器(14)的设定值而对所述开关(24)进行操作。

6.如权利要求1所述的励磁系统，其特征在于，所述第二模块(23)是由充电电容(23)形成的。

7.如权利要求6所述的励磁系统，其特征在于，所述充电电容(23)包括一个电容器或多个电容器(29；C1，...，C3)，所述多个电容器(C1，...，C3)是串联和/或并联的。

8.如权利要求6所述的励磁系统，其特征在于，所述充电电容(23)包括多个电容器(C1，...，C3)，所述多个电容器(C1，...，C3)相互独立地通过适合的开关(24；T1，...，T3)连接到所述二极管(22)。

9.如权利要求7所述的励磁系统，其特征在于，所述一个电容器或所述多个电容器(29；C1，...，C3)是超级电容器或特级电容器，所述超级电容器或特级电容器具有1至10Wh/kg的特定能量密度。

10.如权利要求6所述的励磁系统，其特征在于，提供充电单元(25)，以对所述充电电容(23)进行充电。

11.如权利要求3或4所述的励磁系统，其特征在于，能够经由接收器(26)通过有线信号或无线信号来对所述开关(24)进行操作。

12.如权利要求1所述的励磁系统，其特征在于，存在与所述二极管(22)并联的阻抗。

13.如权利要求2所述的励磁系统，其特征在于：

所述可控整流器电路是晶闸管桥。

14.如权利要求4所述的励磁系统，其特征在于：

所述半导体开关是晶闸管(Th)。

15.如权利要求3所述的励磁系统，其特征在于：

所述开关(24)是可断开的半导体开关。

16.如权利要求15所述的励磁系统，其特征在于：

所述可断开的半导体开关是GTO或者IGBT。

17.一种对如权利要求1所述的励磁系统进行操作的方法，其特征在于，当所述励磁变压器两端的电压低于预定值时，所述第二模块(23；29，C1，...，C3)连接到所述二极管(22)。

18.一种对如权利要求2所述的励磁系统进行操作的方法，其特征在于，基于所述发电机(16)上的欠压以及所述自动电压调节器(14)的设定值，所述第二模块(23；29，C1，...，C3)连接到所述二极管(22)。

19.一种对如权利要求2所述的励磁系统进行操作的方法，其特征在于，所述第二模块(23；29，C1，...，C3)用于在常规运行期间提高励磁率，随后基于所述自动电压调节器(14)的设定值来连接到所述二极管(22)。

20.一种对如权利要求11所述的励磁系统进行操作的方法，其特征在于：

所述发电机(16)所连接的网格系统是由控制中心监视的；以及

当所述发电机(16)出现欠压或当所述网格系统中存在无功伏安的需求时，所述开关(24)是通过所述控制中心发出的有线信号或无线信号而进行操作的。

21.一种对如权利要求6所述的励磁系统进行操作的方法，其特征在于，在连接后所述充电电容(23)与所述二极管(22)保持相连，直到所述充电电容(23)放完电为止。

22.一种对如权利要求6所述的励磁系统进行操作的方法，其特征在于，在连接后所述充电电容(23)在预定的时间段内与所述二极管(22)保持相连，随后再次断开与所述二极管(22)的连接。