CN101057390B - 生成与利用电力的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

热回收系统中的原动机(28)驱动感应发电机(8)，该感应发电机通过断路器(10)向公用电网(9)馈电，而且给包含辅助感应电机(11、12)的负载供电。为了提供可接受的波形和功率因数，辅助设备通过IGBT开关桥式变换器(13)由IGBT开关桥式变换器(13a)而不是三相二极管整流器(16)产生的DC电压(15)驱动。开关桥式变换器控制器(14a)对系统过程控制器(23a)作出响应，该系统过程控制器使开关桥式控制器(13a)响应于发电机总线(17)上的电压(26)和电流(27)被驱动。这消除了对谐波滤波器(18)和功率因数电容器(20)的需要，同时改进了产生的电力质量。如果电压、频率或功率因数超限，则控制器(23a)使断路器跳闸。

Description

生成与利用电力的系统与方法
技术领域
本发明涉及诸如在热电联合系统中，从感应发电机向公用电力网供电，该感应发电机还向与其关联的变速电机驱动器供电；通过以一种方式有效地控制电力以补充和补偿不希望的谐波和功率因数，将电网接口处电力的功率因数和谐波分量(形状)控制成正好在提供给公用电网的电力要求范围内。
背景技术
组织机构而不是发电站来发电并向公用电网供电，从而得到收入或扣除消费者电业帐单，已经变得很普遍了。重获和利用否则会作为某些有用功能的副产品浪费掉的能量(如热量)正变成普遍现象。
在一些发电系统中，治理将操作发电机的能量的方式可能要求辅助设备，诸如电泵和风扇。一个实例是热电联合系统，其利用在出版物US 2004/0088985 A1中所公开的有机朗肯循环系统回收诸如来自食品加工厂或填埋场的废热。在这种系统中，可压缩流体以恒定的压力以及各向同性的膨胀和压缩来加入和排除热量，这是众所周知的。该过程可以是有机的，其中工作流体改变状态，或者可以存在工作流体不改变状态的过程。
为了经济效益，希望低成本发电机为所有辅助设备供电，同时提供具有都适合于公用电力网的接口的形状(没有谐波失真)、功率因数和频率的电力。同步发电机是昂贵的，并且相比其它较便宜的发电机诸如感应发电机要求附加的控制，在较便宜的发电机中，转子由在端部短路的简单导电棒组成，其比同步发电机便宜得多。然而，感应发电机比公用电网可接受的具有固有的较低功率因数。
作为谐波失真的特定实例，考虑图1所示的电力发电机8，其产生270kW，由断路器10连接到电网9，并连接到辅助变速电机11、12，这些电机总共消耗70kW。可用于供给电网9的净功率是200kW。变速电机11、12由具有开关控制器14的绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关桥式变换器13供电，其DC输入15由三相二极管整流器16提供，如图1所示。
在公用电网9处电流的典型最好情况谐波失真由于辅助设备11-16的原因可能是32％左右。这相当于在公用接口处产生的200kW大约有8％的失真。发电站的典型要求包括小于5％的谐波失真。虽然可以使用连到电力总线17的谐波陷波器18，但它们将是应用特定的，要求在每种情况下，也就是在每个应用设计中调整。电网9上的设备可以与陷波器18相互作用，使得陷波器将从电网吸收谐波能量，从而将分量加压到预期的额定值以上。陷波器可以导致功率因数更加滞后。谐波陷波器还增加了成本和使用处的安装空间要求。
使用由感应发电机驱动的变速电机11、12使功率因数非常滞后，并因此低于公用电业通常所要求的(范围在0.85和0.95之间)。这可通过大功率因数校正电容器20来校正，其增加了系统成本，消耗了空间，并且是用于自激励的可能源，所有这些在许多安装中都是不适当的。这些电容器可能要求附加的庞大的串联电感器，以便限制到电容器的谐波电流。
向公用电网提供所产生的电力的另一个要求称为“反孤岛效应”，其要求只要电压、频率或功率因数变得超出某极限，发电机就从电网断开.这可通过监控功率因数来提供，因为所产生电力的电压或相位与公用电网上的电压或相位之间的差异会将功率因数改变为足以可检测，并使互连断路器跳闸.
发明内容
本发明的方面包括：用发电机产生优质电力；在具有与发电机关联并由发电机供电的辅助变速电机的系统中产生优质电力，没有降低所产生的可施加到公用电网的电力质量；功率因数的校正没有使用功率因数校正电容器；在采用与辅助变速电机相关联的廉价感应发电机的系统中产生具有低谐波失真的形状良好的电力；改进了热回收；改进了在有机朗肯循环热回收系统中的电力生成；在包含变速感应电机作为其中的辅助设备的有机朗肯循环热回收系统中生成具有低谐波失真、高功率因数和合适的反孤岛效应的电力；以及改进了具有低谐波失真、高功率因数和反孤岛效应保护的电力生成。
根据本发明，向至少一个相关的辅助变速电机供电以及向公用电网供电的发电机采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关桥式变换器(SBC)向至少一个驱动变速电机的IGBT SBC提供DC电力输入。
本发明的其它目的、特征和优点根据附图所示的其示范实施例的以下详细说明将变得更加明显。
附图说明
图1是示范发电系统的简化示意框图，该系统由原动机驱动，并从二极管桥式变换器用DC功率给变速电机供电，以及向公用电网供电，这是现有技术已知的。
图2是本发明一个实例的简化示意框图，其从IGBT开关桥式变换器而不是从二极管桥式变换器给电机的IGBT开关桥式变换器提供DC电力。
具体实施方式
参考图1，一个已知的系统利用三相二极管整流器16向IGBT变换器13提供输入处的DC电压15。变换器控制器14对来自系统过程控制器23的信号21、22作出响应。控制器23对电流和电压信号26、27作出响应，这些信号表示电力发电机8生成的功率，包括功率大小和功率因数。控制器23还对来自原动机28的信号29作出响应，并向原动机提供控制信号30。原动机例如可以是热回收装置，诸如有机朗肯循环热回收装置。
二极管整流器在反相位的分离脉冲内从总线17提取电流，该脉冲等同于高度失真的半正弦波。电感器19使整流器16提取的电流更加接近正弦波，但是不足以对于要供给电网9的电力而在总线17上按顺序提供可接受的波形。
参考图2，本发明借助于IGBT开关桥式变换器(SBC)13a，解决所有上述关于谐波失真、功率因数和反孤岛效应的关注，SBC 13a的开关由SBC控制器14a控制。SBC 13a包含所要求的线路电感器35，以便控制电流，并向DC链路15a提供升压功能。在图2中，系统过程控制器23a对表示总线17上电流的信号27和表示总线17上电压的信号26作出响应。本发明可与驱动发电机8的任何合适的原动机一起使用。
通用算法是众所周知的，并广泛公布了.根据本发明，这些算法可以设计成已知形式，以便获得采用本发明时特别期望的结果.
系统过程控制器23a将根据特定设备的特性和/或客户因素等等生成所命令的功率设定点。此外，系统过程控制器将根据施加到电网9的电力所希望的功率因数，相对于总线17上电力的电压和电流所指示的功率因数，生成命令的功率因数校正。此外，所命令的功率因数校正可包括抖动，使得施加到电网的实际功率因数例如可以在大约0.90和0.95之间。如果信号26、27指示的电压、频率或功率因数高于或低于设定极限，则那是本发明的发电系统形成孤岛效应的一个指示；这将以常规形式使断路器10跳闸。
防止反孤岛效应的另一方法是改变寄生(内部)负载所用的实际功率。例如，系统中的一个负载(诸如电机11、12)可以是从控制器供电的20个风扇的子系统。风扇所用的实际功率可以在零点几秒和几秒之间的每个时间间隔内动态地一次改变5kW，优选为每两秒改变一次。这将防止基于感应发电机的系统变得调整到外部负载，因为来自系统的实际功率和无功功率决不会匹配到任何外部负载。由此在电网停电的情况下，系统将不会“形成孤岛效应”。
线路37上来自控制器23a的命令以如下形式产生：其使得产生DC电压15a，同时在总线17上提供适当的、形状良好的正弦波，它与电网9同相。系统过程控制器告诉SBC控制器工作在什么功率和功率因数；SBC控制器然后运行SBC。当系统上存在故障时，或者如果功率因数的抖动使电压、频率或功率因数超出某一范围，断路器10将打开。在图2的系统内，感应发电机定子的激励要求来自公用电网或伏特/安培无功电源的伏特/安培无功功率支持。

Claims (6)

1.一种电力生成和利用系统，包括：
原动机(28)；
三相感应发电机(8)，由所述原动机旋转，并在三相总线(17)上提供电力；
所述三相总线，具有负载(35、13a、14a、11-14)，并还可由三相电路断路器(10)连接到三相电网(9)；
所述负载，包含至少一个感应电机(11、12)；
至少一个第一绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器(13、14)，向所述至少一个感应电机提供三相电力；
其特征在于：
至少一个第二绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器(13a、14a)连接(35)到所述总线，并被控制成向所述至少一个第一绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器提供DC电力(15a)；以及
控制器(23a)，对所述总线上的电压(26)和电流(27)作出响应，以控制所述至少一个第二绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器向所述至少一个第一绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器提供所述DC电压，同时提高所述总线上电力的功率因数，并且不使所述总线上的电力波形失真。
2.如权利要求1所述的系统，其中：
所述控制器(23a)控制所述至少一个第二绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器(13a、14a)使所述总线(17)上的电力的所述功率因数在极限内抖动，所述控制器响应于所述总线上的所述电压(26)和电流(27)确定实际的功率因数，并且如果所确定的电压、频率或功率因数不在所述功率因素所指示的所述极限内，则使所述电路断路器(10)跳闸。
3.如权利要求1所述的系统，其中：
所述负载(35、13a、14a、11-14)被控制成每2秒一次地改变其消耗的实际功率5千瓦。
4.一种在系统中生成和利用电力的方法，所述系统包含：原动机(28)；三相感应发电机(8)，由所述原动机旋转，并在三相总线(17)上提供电力；所述三相总线，具有负载(35、13a、14a、11-14)，并还可由三相电路断路器(10)连接到三相电网(9)；所述负载，包含至少一个感应电机(11、12)；以及至少一个第一绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器(13、14)，向所述至少一个感应电机提供三相电力；所述方法其特征在于：
从连接(35)到所述总线的至少一个第二绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器(13a、14a)，向所述至少一个第一绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器提供DC电力(15a)；以及
响应于所述总线上的电压(26)和电流(27)，控制所述至少一个第二绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器向所述至少一个第一绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器提供所述DC电压，同时提高所述总线上电力的功率因数，并且不使所述总线上的电力波形失真。
5.如权利要求4所述的方法，还包括：
通过响应于所述总线上的所述电压(26)和电流(27)确定实际的功率因数，并且如果所确定的电压、频率或功率因数不在所述功率因素所指示的极限内，则使所述电路断路器(10)跳闸，来控制所述至少一个第二绝缘栅双极晶体管开关桥式变换器(13a、14a)使所述总线(17)上电力的所述功率因数在所述极限内抖动。
6.如权利要求4所述的方法，还包括：
控制所述负载(13a、14a、11-14)使得每2秒一次地改变其消耗的实际功率5千瓦。
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