CN101911472B - 用于电力供应的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是减少电网在故障情况下的频率变化，使得在电的产量与电的需求之间较短的不平衡期间不需要保护操作。该目的通过根据主权利要求的用于将电力引导到电机(7)的供电装置、系统和方法来实现。根据本发明的装置监测网络(1)的频率。如果网络的频率变化足够大，则该装置通过改变被引导到电机(7)的电量而做出反应。供电网(1)被提供了以受控的方式改变所生产的电能的量的机会，使得供电网可持续地运行。

Description

用于电力供应的装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及对电机的电力供应。本发明具体地涉及被设计为将电力从电网引导到变频驱动电机的装置、系统和方法。

背景技术

通过连接到电力传输网的发电机而产生电力。传输网将产生的电力传输到诸如电机、照明设备等用电装置。并不存在存储电力的有效方式，由此必须随着电力的产生而消耗所产生的电力。换言之，消耗的能量在量上必须与产生的能量相符。

发电机是被设计用于发电的电机，发电机的转子以特定速度旋转。通常，发电机的转速与电力传输网的频率相同。通常，传输网的频率是50Hz。但是，由于电网的需求经常波动(即，网络处于动态状态)，因此电网必须能够适应产生的电能与消耗的电能之间的一定量的不平衡。可以将这种不平衡看作是网络频率的小幅波动。由于能量以惯量的形式存储在旋转质量中，因此发电机和使用电力的电机的旋转质量可以补偿小的和短期的不平衡状况。

如果电的产量与电的需求之间的不平衡较大和/或不平衡的持续时间较长，则网络频率趋于更大的变化。这就引起了网络中的保护操作，诸如将网络的一部分与网络的其余部分隔离开或者将储备电力连接到网络。保护操作的目的是在故障期间将电力传输网的可以使用的部分保持得尽可能的大。例如，如果在网络中存在突然的需求增加且持续时间较长，则发电机不能如所需要地那样快速产生必要的电力并且电机的旋转质量不能在充分长的时间内补偿增加的需求。因而电网的频率开始降低。由于频率的降低，网络的一部分与该网络的其余部分隔离开，直到发电机可以产生必要的额外电力为止，随后该部分网络可以重新与该网络的其余部分相连。在网络的大型发电机突然停机而其它发电机必须代替不工作的发电机进行生产的情况下，可以发生相应的操作。上述内容涉及干线网络和专用电网，诸如海洋船舶的电网。

现在，许多应用中都使用频率转换器。通过频率转换器，可以将电力供应的大小形成为准确地符合电机或其它电器的需求。例如，如果在大部分操作时间中，部分转速是足够的，则不必总是全速地驱动鼓风机的鼠笼式电机。通过使用频率转换器，可以提供部分转速并节约许多能量。

在一般的频率转换器中，交流电压被转换成直流电压，该直流电压接着被转换回为另一交流电压。该第二交流电压被用于将电力引导到诸如电机的负载。还可以控制第二交流电压。但是，频率控制器驱动取消了电机与发电之间的直接关系，由此电机的转动惯量不能再参与对网络中的较小负载变化的补偿。但是，电机的电力的需求趋于与网络的频率和相位无关地在一段时间保持恒定。

图1例示了具有发电机2、3、4的船舶的电网1的示例。电机7、8通过与电机关联的频率转换器5、6连接到该网络。电机的轴连接到船舶的螺旋桨9、10。船舶的电机很大，尤其是在将它们的功率与船舶的电网的大小相比较的情况下。

船舶的专用电网相对较小。因此，即使船舶的其中一个发电机的故障也是相当严重的故障情况，并且可以将其视为对网络频率的改变。例如，如果船舶的发电机之一出现故障，则在其它发电机可以补偿故障发电机的功率之前，将需要几秒钟的时间。通常，柴油发动机被用作船舶的发电机。位于频率转换器5、6下游的大型电机的惯量不能参与对网络频率的维护。因而，电网1容易出现故障，即，保护操作快速断开部分网络或全部网络。如果网络出现故障，则螺旋桨9、10的转速降低。在螺旋桨驱动中，转速与使用的电力之间的关系是直接的，因此即使转速的小变化也可以在电力需求中得到清晰的反映，并且电力需求的小变化也可以在转速上得到清晰的反映。因而，船舶的机动性由于电网的故障迅速降低并且船舶停止。如果网络的局部电力的持续时间足够长，则网络的频率充分降低以触发网络的保护操作。在最坏的情况下，必须关闭船舶的全部网络，由此船舶的螺旋桨不再提供推进力，并且船舶几乎不可能操纵。这可以具有灾难性后果。

发明内容

本发明的目的是减少诸如专用电网的电网在故障情况下的频率变化，使得在电力产量与电力需求之间的较短的不平衡期间不需要保护操作。此目的通过根据主权利要求的、用于将电力引导到电机的装置、系统和方法来实现。

根据本发明的装置对所述网络的频率进行监测。一旦所述网络的频率变化得足够大，则该装置通过以转换器改变被引导到电机的电力的量来做出反应。因而，目的是将产生的电能的量改变为接近被消耗的电能的量，由此在短暂的故障状况情况下将所述网络的频率维持在允许的运行范围。

根据本发明的方法对所述网络的频率进行监测。一旦所述网络的频率变化得足够大，则装置通过以转换器改变被引导到电机的电力的量来做出反应。因而，目的是将产生的电能的量改变为接近被消耗的电能的量，由此在短暂的故障状况情况下将所述网络的频率维持在允许的运行范围。

具体地说，在识别出的供电网的低频率状况情况下，对转换器功率输出进行控制，使得转换器的功率输出低于通过所述转换器的设置信号而确定的功率输出。

所述供电网被提供了以受控的方式改变产生的电能的量的机会，使得所述供电网能够从故障状况恢复，不需要断开所述网络的任何部分。

附图说明

下面，将参照附图更加详细地说明本发明，在附图中：

图1例示了船舶的供电网的示例；

图2例示了根据本发明实施方式的装置的示例；

图3例示了根据本发明实施方式的装置的第二示例；

图4例示了根据本发明实施方式的装置的第三示例；

图5例示了根据本发明实施方式的装置的第四示例；以及

图6例示了根据本发明实施方式的装置的第五示例。

具体实施方式

图2例示了供电装置的示例。电机的供电装置21包括AC/DC转换器22(交流/直流转换器)和DC/AC转换器23(直流/交流转换器)。转换器的直流侧相互连接。可以控制DC/AC转换器23的交流侧以形成期望的交流电流。该装置包括用于监测AC/DC转换器22的交流侧的频率的监测装置24、用于将监测装置24的频率与基准频率28进行比较的比较单元25、用于响应于比较单元25的比较而形成补偿控制信号210的补偿单元26、以及用于根据外部设置信号29和补偿控制信号210形成针对DC/AC转换器23的控制信号的控制器27。

从图2可以看出，AC/DC转换器22在其交流侧连接到供电网1，而DC/AC转换器23在其交流侧连接到电机7。连接电机7以转动螺旋桨9，即，该示例示出了船舶的环境。

例如，如果该船舶的发电机之一突然出现故障并且不再产生电能，船舶的电机和其它电气装置的需求超出了该船舶的发电机所产生的电能。因此电网的频率趋于降低。在小型网络中，频率降低得很快，特别是当位于频率转换器下游的电机不能以其惯量来补偿网络频率的波动时。

供电装置21的监测装置24检测到频率的降低。比较单元25将检测到的频率与基准频率28进行比较。基准频率可以在供电装置21的外部获得(即，基准频率来自外部源)，如图2所示，或者可以将基准频率设置为供电装置中的内部源。例如，内部源可以是该装置的包含有关于基准频率的数据的存储器。基准频率是电网的正常频率。通常，在电网中使用50Hz。一种方法是设置比较单元25，以将待监测的频率与基准频率之间的差别形成为比较的值。

响应于比较单元25的比较信号，补偿单元26形成补偿控制信号210。控制器27使用用于改变DC/AC转换器23的交流侧的控制信号的补偿控制信号以减少被引导到电机7的电能(在此情况下，减少能量的输入)。其目的在于对电网频率的变化立即做出反应，以保持电网能够运行。这将使得能够为电网的其它发电机代替故障发电机进行生产赢得足够的时间。可以使电机7的能量消耗平滑地恢复到正常水平，同时增加其余发电机的产量。(补偿信号趋于增加能量输入量)。电网在全部时间内都可以工作，并且没有发生有害的停电。

无需对电网中的非常小的频率变化做出反应，这是由于这些非常小的频率变化在运行期间是非常正常的，并且它们同样不是有害的。因此，优选设置补偿单元26以使用特定的阈值或值，使得补偿单元在比较单元25的比较值超过阈值时形成补偿信号210。

补偿信号可以线性地、非线性地或动态地依赖于比较单元25的比较值。例如，如果阈值k和待监测的频率与基准频率28之间的差e之间的差的绝对值是比较信号，则可以通过将该绝对值乘以特定乘数、使用该绝对值作为指数函数的指数来直接地形成补偿控制信号，或者可以通过对该绝对值关于时间求导来形成补偿控制信号。因而，补偿控制信号例如可以取决于比较单元25的比较值的导数。

设置控制器27以根据外部设置信号29和补偿信号210形成DC/AC转换器23的交流侧的控制信号。可以这样来形成控制信号，即，从外部设置信号29中减去补偿控制信号，或者将补偿控制信号和外部设置信号相加。减法是为了减少对电机的电能的输入，而加法是为了增加对电机的电能的输入。

在图2中，比较单元25、补偿单元26和控制器27被示为分立的单元。但是，例如可以将它们实现为分立的电子单元或设置为在位于装置的处理器单元中的待执行的程序单元。

还可以这样来实现这些单元，即，将它们集成到一个单元211中。图2中以虚线限定的单元显示了这种选项。比较单元25、补偿单元26和控制器7例如可以是ASIC电路(专用集成电路)。

根据该示例的电能引入装置21因而按照需要将电能引导到负载，并且在网络的频率的变化足够大的情况下改变所引导的能量的量。改变所引导的能量的量的目的是使网络的能量产生和能量需求彼此相符，并且使网络可以运行。换言之，该方案增加了网络对故障的抵抗力。

图3例示了该装置的第二示例。从图3可以看出，AC/DC转换器22在其交流侧连接到供电网，而DC/AC转换器23在其交流侧连接到电机7。监测装置24监测其中连接有转换器23的供电网的频率。在此情况下，监测装置24连接到发电机，并且通过测量发电机的转速来确定频率。

控制器27具有诸如比较器的装置，用于通过比较受到监测器24监测的频率和基准频率28来识别在受到监测的频率与预定的基准频率之间的频率偏差。基准频率28被设置在控制器27中作为内部源。

控制器27被设置为，在存在频率偏差的情况下，控制转换器23的功率输出，使得转换器23的功率输出根据转换器23的设置信号29所确定的输出而被改变。控制器27产生控制信号270，该控制信号被传送到转换器23。

图4例示了该装置的第三示例，其中监测装置24监测供电网的频率。在此情况下，监测装置24连接到电网，并且确定供电网的频率。控制器具有诸如比较器的装置，用于通过比较受到监测器24监测的频率和基准频率来识别在受到监测的频率与预定的基准频率之间的频率偏差。控制器被设置为，在存在频率偏差的情况下，控制两个转换器23的功率输出，使得两个转换器23的功率输出根据转换器23的设置信号29所确定的输出而改变。控制器27产生控制信号270，该控制信号被传送到转换器23。将控制信号270作为第二设置信号发送到转换器23，该第二设置信号被设置为废除设置信号29。这样做的优点在于，控制器可以在周期性的时间将控制信号270发送到一个或更多个转换器23，因而将功率输出的变化的效果分摊到多个应用。

图5例示了该装置的第四示例，该示例与图3不同之处在于，控制信号270被作为第二设置信号发送到转换器23，该第二设置信号被设置为废除原来的设置信号29。基准频率28作为从外部源接收的信号被设置在控制器27中。

图6例示了该装置的第五示例，该示例与图4不同之处在于，设置信号29被转换为控制信号270。控制器27的功能可以在频率转换器中实现，如图2所示。

根据上述说明及其示例，很明显，根据本发明的实施方式可以通过多种方式实现。很明显，本发明不限于这里所提及的示例，相反本发明可以通过多个不同的实施方式来实现。

因而，在本发明的范围内，可以实现任何发明实施方式。

Claims (9)

1.一种用于控制供电网的方法，该方法包括以下步骤：

监测步骤，监测所述供电网的频率，在所述供电网中，连接有至少一个直流/交流转换器（23），所述直流/交流转换器（23）在其交流侧连接至电机（7）；

识别步骤，通过对由监测器（24）监测的频率与预定的基准频率（28）进行比较来识别被监测的频率与所述基准频率（28）之间的频率偏差；

形成补偿控制信号（210）的步骤，作为对所述频率偏差的响应，形成所述补偿控制信号（210）；以及

形成针对所述直流/交流转换器（23）的控制信号（270）的步骤，根据外部设置信号（29）和所述补偿控制信号（210），形成针对所述直流/交流转换器（23）的控制信号（270），

其中，所述控制信号（270）能够按照以下方式形成，即，从所述外部设置信号（29）中减去所述补偿控制信号（210），或者将所述补偿控制信号（210）与所述外部设置信号（29）相加，从而改变对所述电机（7）的电能的输入。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述供电网中识别出低频率状况的情况下，控制所述直流/交流转换器（23）的功率输出，使得所述直流/交流转换器（23）的功率输出低于由所述直流/交流转换器（23）的设置信号所确定的输出。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所识别的频率偏差超过预定阈值时，执行所述形成补偿控制信号（210）的步骤和所述形成针对所述直流/交流转换器（23）的控制信号（270）的步骤。

4.一种用于控制供电网的装置，其特征在于，该装置包括：

监测器（24），用于监测所述供电网的频率，在所述供电网中，连接有直流/交流转换器（23），所述直流/交流转换器（23）在其交流侧连接至电机（7）；

比较器（25），用于通过对由所述监测器（24）监测的频率与预定的基准频率（28）进行比较来识别被监测的频率与所述基准频率（28）之间的频率偏差；

补偿单元（26），用于响应由所述比较器（25）识别的所述频率偏差而形成补偿控制信号（210）；以及

控制器（27），用于根据外部设置信号（29）和所述补偿控制信号（210），形成针对所述直流/交流转换器（23）的控制信号（270），

其中，所述控制信号（270）能够按照以下方式形成，即，从所述外部设置信号（29）中减去所述补偿控制信号（210），或者将所述补偿控制信号（210）与所述外部设置信号（29）相加，从而改变对所述电机（7）的电能的输入。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器（27）被设置为在所述供电网中的低频率的情况下控制所述直流/交流转换器（23）的功率输出，使得所述直流/交流转换器（23）的功率输出低于由所述直流/交流转换器（23）的设置信号所确定的输出。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述控制器（27）通过改变所述直流/交流转换器（23）的所述外部设置信号（29）来控制所述直流/交流转换器（23）的功率输出。

7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述控制器（27）通过由所述控制器（27）形成的所述控制信号（270）来控制所述直流/交流转换器（23）的功率输出。

8.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，该装置被集成在直流/交流转换器（23）中。

9.一种用于控制供电网的系统，该系统包括：

带有发电机（2）的供电网；

连接到所述供电网（1）的一个或更多个频率转换器（5）；以及

由所述频率转换器（5）驱动的电机（7），

其特征在于，所述系统包括根据权利要求4至8中任一项所述的装置。

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