CN104595045B - 一种运行与发电机、尤其是同步发电机相连接的内燃机的方法 - Google Patents
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Abstract
用于在与发电机(2)相连接的供电网(1)中产生电网故障期间、尤其是在发生电短路期间运行与发电机(2)、尤其是同步发电机相连接的内燃机(4)的方法，其中，由内燃机(4)所输出的机械功率(Pmech)被引入到发电机(2)中，并且在发电机(2)中转化为电功率(Pel)，其中，该电功率(Pel)被输出到供电网(1)上，根据在电网故障之前和/或在电网故障期间发电机(2)和/或内燃机(4)的至少一个工作参数的值，至少暂时地提高由内燃机(4)输出的机械功率(Pmech)，优选地，方式为：提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
Description
技术领域
本发明涉及一种在与发电机相连接的供电网中产生电网故障期间、尤其在发生电短路期间运行与发电机、尤其是同步发电机相连接的内燃机的方法，其中，由内燃机所输出的机械功率被引入到发电机中，并且在发电机中转化为电功率，其中，该电功率被输出到供电网上。
背景技术
在供电网中产生电网故障期间，尤其在供电网中产生电短路并且与之相关联的电源电压下降期间，在与供电网相连接的发电机、尤其同步发电机中可能产生发电机工作参数的不良的变化，例如转速或者负载角度的变化。根据已知方式，把发电机的定子的旋转磁场的矢量和发电机转子的旋转磁场的矢量之间的角度称为负载角度。
电源电压的下降导致发电机对供电网的电功率的输出明显减小。在发电机的转子与内燃机(例如，燃气发动机)的驱动转子的发动机轴相连接的通常构造中，该电功率下降可以导致内燃机的相应的转速提高并且因此导致转子的转速提高。因此，可能丧失发电机与供电网的同步或者甚至引起发电机的损坏。
识别供电网中的电网故障例如可以通过以下方法来实现，即，监视供电网的电源电压和/或由发电机供给到供电网中的电流和/或发电机或者内燃机的转速和/或内燃机的发动机轴上的转矩或者发电机的转子轴上的转矩，其中，在至少一个这种监视的工作参数产生变化时，通过可预先确定的阈值来探测电网故障。在此，还可以设定，如果多个这种工作参数具有关于可预先确定的阈值的相应变化，如果这样例如电源电压、电流和转速具有相应的偏差，那么所产生的变化首先作为电网故障被探测到。发电机可以在电网故障期间与供电网保持连接。
为了对这种电网故障作出反应，传统的方法是，利用相应的方法抵抗发电机转速的这种提高和与之相关的负载角度的增大。如此，利用降低转速和减小负载角度的传统方法。这种示例性的方法是减少加速力矩，方式为：相应地限制与发电机相连接的内燃机。
但是已表明，传统的方法在电网故障时在某些情况下存在缺点。可能发生下面的这些情况，即，发电机的转速在出现电网故障时没有提高，而是首先下降。对于本领域技术人员根据英语专业术语“回摆”已知的影响，这可能在一定情况下甚至导致发电机的磁极滑动。另一方面，磁极滑动导致发电机的不稳定，在发电机不稳定时，发电机不再如理想的那样可以将由内燃机通过发动机轴引入到转子中的机械功率转化为电功率。
发明内容
本发明的目的是避免上述缺点，并且给出一种相对于现有技术改进的、在供电网中发生电网故障期间运行与发电机、尤其是同步发电机相连接的内燃机的方法。
根据本发明，该目的通过如下特征来实现：由内燃机所输出的机械功率被引入到发电机中，并且在发电机中转化为电功率，其中，该电功率被输出到供电网上，根据在电网故障之前和/或在电网故障期间发电机和/或内燃机的至少一个工作参数的值，暂时地提高由内燃机输出的机械功率，优选地，方式为：提高引入到内燃机中的燃料的量，以便抵抗在回摆期间所产生的转速下降。进一步给出了本发明的有利设计方案。
本申请涉及次瞬态效应，即：在电网故障之后的几十毫秒(ms)的时间刻度内发生的事件。优选地，本发明在这样的供电网中被采用，即在该供电网中，通过本发明内燃机馈电到供电网中的功率与供电网的总功率相比明显较小(例如小于10％，优选地小于1％)。
就是说根据本发明设定，根据在电网故障之前和/或在电网故障期间发电机和/或内燃机的至少一个工作参数的值，至少暂时地提高由内燃机输出的机械功率，优选地，方式为：提高引入到内燃机中的燃料的量。
因此，可以抵抗尤其是在回摆期间所产生的转速下降，该转速下降在不利的情况下甚至可能导致发电机的磁极滑动。
根据优选的实施例可以设定，燃料借助至少一个燃料计量装置被引入到内燃机中，优选被引入到内燃机的进气道中，其中，优选地，内燃机的每个汽缸设有一个燃料计量装置。在此可以设定，通过改变至少一个燃料计量装置的打开位置和/或打开时间来提高引入到内燃机中的燃料的量，其中，所述至少一个燃料计量装置可以构成为口喷射阀 (Port-Injection-Ventil)。
尤其在功率例如为大于3MW的大型燃气发动机中可以设定，首先可直接在进气阀之前实现混合气形成。在所谓的空气增压式发动机中，可以通过相应的燃料计量装置为每个汽缸单独地计量燃料。在压缩机单元之前的气体混合器中央实现混合气形成的混合增压发动机由于从混合气形成到燃烧室的距离长而仅缓慢地对燃料或者气体计量起作用期间，具有燃料计算装置(例如，为口喷射阀的形式)的空气增压式发动机的反应时间大大减少。这样，通过燃料计量装置所引入的燃料量的改变已经在10ms内可以影响从内燃机输出的机械功率。
所建议的方法尤其有利于这样的发电机，即，该发电机具有小于或等于1.5Ws/VA、优选为小于或等于1Ws/VA的惯性常数，因为回摆影响对惯性常数较小的发电机影响更大。
在优选的实施方式中，发电机借助耦联装置与内燃机相连接。该内燃机例如可以是按照汽油机运行的往复式活塞燃气发动机。
因此经常在电网故障期间发生发电机的工作参数的偏差，因为在通过内燃机引入到发电机中的机械功率和由发电机供给到供电网中的电功率之间产生了不平衡。在由于电网故障产生回的摆效应情况下，电功率大于机械功率可能引起这种不平衡。通过提高由内燃机所输出的机械功率可以抵抗这种不平衡。
根据本发明的优选的实施方式可以设定，检测在电网故障之前由发电机输出到供电网上的电功率作为工作参数，其中，根据在电网故障之前由发电机输出到供电网上的电功率来提高引入到内燃机中的燃料的量。在此，基本上与电网故障之前的输出电功率和可预先确定的基准值、优选为额定功率之间的差值成比例地提高引入到内燃机中的燃料的量。
根据优选的实施方式可以设定，检测在电网故障之前发电机和/或耦联装置和/或内燃机的转速作为工作参数，其中，根据电网故障之前的转速来提高引入到内燃机中的燃料的量。
优选地还可以设定，在电网故障期间检测发电机和/或耦联装置和/ 或内燃机的瞬时转速作为工作参数，其中，基本上与该瞬时转速和电网故障之前的转速之间的差值成比例地提高引入到内燃机中的燃料的量。
例如，根据下面的公式F1，通过关于100％的可预先确定的额定打开位置或者额定打开时间来计算出燃料计量装置的百分比打开位置或者打开时间，可以提高引入到内燃机中的燃料的量：
S7s＝100％+(S1ref-S1)*Pspeed
其中，S7s表示燃料计量装置关于100％额定打开位置或者额定打开时间的百分比打开位置或者打开时间，S1ref表示发电机或者耦联装置或者内燃机在电网故障之前关于100％额定转速的百分比转速，S1表示发电机或者耦联装置或者内燃机在电网故障期间关于100％额定转速的百分比瞬时转速，及Pspeed表示正比例系数，通过该正比例系数可以影响燃料计量装置的打开位置或者打开时间的改变程度。
根据另一个实施方式可以设定，在电网故障期间检测发电机和/或耦联装置和/或内燃机的转速的转速改变作为工作参数，其中，根据转速改变的大小，提高引入到内燃机中的燃料的量。
还可以设定，在电网故障期间检测内燃机的发动机轴和/或发电机的转子轴上的转矩作为工作参数，其中，根据转矩来提高引入到内燃机中的燃料的量。
在另一个优选的实施方式中可以设定，在电网故障期间检测发电机的负载角度作为工作参数，其中，基本上与所检测到的负载角度的大小成反比地提高引入到内燃机中的燃料的量。
例如，在负的负载角度时，根据下面公式F2，通过关于100％的可预先确定的额定打开位置或者额定打开时间计算出燃料计量装置的百分比打开位置或者打开时间可以提高引入到内燃机中的燃料的量：
S7s＝100％－(S2/180)*100％*Pload_angle
其中，S7s表示燃料计量装置关于100％额定打开位置或者额定打开时间的百分比打开位置或者打开时间，S2表示所测得的负的负载角度的度数，及Pload_angle表示正比例系数，通过该正比例系数可以影响燃料计量装置的打开位置或者打开时间的改变程度。
优选地可以设定，提高引入到内燃机中的燃料的量、最大直到可预先确定的最大量。这样，例如为上述公式F1或者F2的数值S7s可以预先确定最大值，不应当提高燃料计量装置的百分比打开位置或者打开时间到超过该最大值。通过这种安全方法，可以避免内燃机的临界工作状态。
根据特别优选的实施方式可以设定，在电网故障期间检测发电机的工作参数的波动，其中，如果该波动超过了可预先确定的程度，那么提高引入到内燃机中的燃料的量。在此可以设定，检测发电机的负载角度的波动，其中，如果波动具有大于2度、优选大于10度的幅度，那么提高引入到内燃机中的燃料的量。
附图说明
根据下面的附图描述来阐述本发明的其它细节和优点。在附图中：
图1示出了与供电网相电连接的、由内燃机驱动的发电机的示意性框图；
图2示出了在供电网中发生电网故障期间发电机负载角度随时间变化的示例性曲线图；以及
图3示出了在供电网中发生电网故障期间负载角度、转速、转矩和气体量随时间变化的示例性曲线图。
具体实施方式
图1以示意性框图示出了发电机2，该发电机与构成为三相的供电网 1电连接。发电机2构成为同步发电机，并且具有定子6和可旋转地布置在定子6内部的转子7。供电网1的三个相位以已知的方式和方法与发电机2的定子6上的绕组相连接。供电网1可以是预先确定电网频率的公共供电网，或者在孤立运行时例如可以是本地供电网，即在进行孤立运行时预先确定了发电机2的电网频率。发电机2的转子7或者电枢通过耦联装置3与内燃机4的发动机轴8基本上抗扭地相连接。内燃机4例如可以是固定式燃气发动机，即该燃气发动机可以构成为外部点火 (fremd gezündete)的按照汽油机运行的往复式活塞发动机。
由内燃机4所供给的机械功率Pmech通过发动机轴8储入到发电机2 中，在发电机2中转化成电功率Pel，及之后将该电功率Pel供给供电网 1。
在所示的例子中，在发电机2、耦联装置3和内燃机4中布置了现有技术已知的转速传感器9，通过该转速传感器可以测量发动机轴8或者转子7的转速n，并且可以通过相应的信号线10输送到控制装置11。此外，这里在发动机轴8和转子7的转子轴7，上布置转矩传感器12，通过转矩传感器12来测量位于耦联装置3前面的发动机轴8上的机械转矩ML以及位于耦联装置3之后的转子轴7，上的机械转矩ML，并且可以通过相应的信号线10输送到控制装置11。之后，控制装置11可以例如由所测得的转速n以已知的方式和方法来计算出转子7的主要 (vorherrschenden)的负载角度5(参见图2)。也可以根据发电机电抗和所测量到的电气参数(例如电压、电流、功率因数)通过计算来算出负载角度5。
此外，一种同样在现有技术中已知的功率测定装置13被布置在发电机2上，该功率测定装置计算出由发电机2供给到供电网1中的电功率Pel并且通过其它的信号线10输送到控制装置11和电压调节器15。在此，功率测定装置13可以以已知的方式由电压测量值和电流测量值计算出电功率Pel。
发电机的转子7具有在这里没有进一步示出的励磁绕组，由同步发电机形式的励磁装置14给该励磁绕组施加电的励磁电流IE。由电压调节器15给励磁装置14施加励磁电压S3，其中，为发电机2的转子7上的励磁绕组调整与励磁电压S3相应的励磁电流IE。
经发动机控制线17可以控制内燃机4的调节装置，以便改变由内燃机4所产生的机械功率。调节装置例如可以是燃料计量装置18，该燃料计量装置把经燃料管路19所提供的燃料引入到内燃机4中。
特别是，内燃机4可以是空气增压式燃气发动机，在该燃气发动机中，燃气发动机的每个汽缸设有一个燃料计量装置18，以便把由控制装置11分别确定的各自的燃料量按汽缸个体地引入到相应汽缸的相应进气道中。在此，可以经相应的燃料计量装置18的打开位置和/或打开时间来调整相应的燃料量。
在供电网1中产生电网故障期间，尤其在导致回摆效应的电网故障期间，控制装置11根据发电机2和/或内燃机4的至少一个工作参数的值计算出内燃机4的燃料计量装置18在电网故障之前和/或电网故障期间相应改变的打开位置和/或打开时间S7s，以便提高引入到内燃机4内的燃料的量。由控制装置11经发动机控制线17将燃料计量装置18的该改变的打开位置和/或打开时间S7s输送到内燃机4的燃料计量装置18中。
该改变的打开位置和/或打开时间S7s可以是燃料计量装置18相对于 100％的额定打开位置或者额定打开时间按百分比计算的打开位置或者打开时间。在此，燃料计量装置18的改变的打开位置和/或打开时间S7s 可以根据上述公式F1或者F2计算出。
图2示出了在导致回摆效应的电网故障期间用度数表示的发电机2 的转子7的负载角度5随着以秒表示的时间t变化的示例性曲线图。如在附图中看到的那样，在电网故障期间出现了负载角度5的波动。虚线的曲线图表示关于电网故障在使用传统的控制方法时负载角度5的波动，并且实线表示在使用所建议方法时负载角度5的曲线图。如清楚地看到的那样，在使用本发法时减小了负载角度5的波动幅度，其中，在电网故障期间发电机2整体上产生了更高的稳定性。关于该附图应该说明的是，负载角度5借助+180或者－180度来表示滑移边界，并且因此，如能够看到的那样，没有使用所建议的方法的发电机2已经很移近该滑移边界。
图3示出了在供电网1中发生电网故障期间负载角度5、转速n、转矩ML和引入到内燃机4中的燃料的量m的示例性时间曲线图。
在此，图3A示出了与内燃机4相连接的发电机2(参见图1)的负载角度5随时间t变化的曲线图。图3B示出了内燃机4的转速n随时间t 变化的曲线图。图3C示出了内燃机4的发动机轴8上的机械转矩ML随时间t变化的曲线图。图3D示出了引入到内燃机4中的燃料的量m随时间t变化的曲线图。
在时间点t1处，发电机2与之相连的供电网1中发生了电网故障。这里所示出的电网故障导致回摆效应，如在内燃机4的接在电网故障之后的首先下降的转速n上看到的那样。因此在内燃机4的发动机轴8上产生了相应放大的负载角度5和增大的机械转矩ML。基于在时间点t2处的转速变化看到，根据所建议的方法来提高引入到内燃机4中的燃料的量m。
通过暂时地提高引入到内燃机4中的燃料的量m可以抵抗转速下降或者转矩提高。因此在时间点t3处转速n和转矩ML又达到其在电网故障开始之前占优势的值，于是引入到内燃机4中的燃料的量m也又达到在电网故障开始之前占优势的值。
总之，在下面情况下通过所建议的方法可以提高发电机或者发电设备的稳定性，即在这种情况下产生了由电网故障所触发的回摆效应 (Back-swing Effekt)，其中该发电设备包括至少一个由内燃机驱动的发电机。在具有回摆先应的这种故障情况期间，传统的控制方法是无效的，因为传统的控制方法没有注意到回摆效应，并且例如降低引入到内燃机中的燃料的量，而不是提高该燃料的量。
优选地，可以在电网故障时仅在出现回摆效应期间使用所建议的方法，并且在回摆效应消退之后又可以利用传统的控制方法。
Claims (22)
1.一种用于在与发电机(2)相连接的供电网(1)中产生电网故障期间运行与发电机(2)相连接的内燃机(4)的方法，其中，由内燃机(4)所输出的机械功率(Pmech)被引入到发电机(2)中，并且在发电机(2)中转化为电功率(Pel)，其中，该电功率(Pel)被输出到供电网(1)上，其特征在于，根据在电网故障之前和/或在电网故障期间发电机(2)和/或内燃机(4)的至少一个工作参数的值，暂时地提高由内燃机(4)输出的机械功率(Pmech)，方式为：提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)，以便抵抗在回摆期间所产生的转速下降。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料借助至少一个燃料计量装置被引入到内燃机(4)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，燃料借助至少一个燃料计量装置引入到内燃机(4)的进气道中。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，内燃机的每个汽缸设有一个燃料计量装置。
5.根据权利要求2－4中任一项所述的方法，其特征在于，通过改变所述至少一个燃料计量装置的打开位置和/或打开时间来提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
6.根据权利要求2－4中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个燃料计量装置构成为口喷射阀。
7.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，发电机(2)具有小于或等于1.5Ws/VA的惯性常数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，发电机(2)具有小于或等于1Ws/VA的惯性常数。
9.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，发电机(2)借助耦联装置(3)与内燃机(4)相连接。
10.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，检测在电网故障之前由发电机(2)输出到供电网(1)上的电功率(Pel)作为工作参数，其中，根据在电网故障之前由发电机(2)输出到供电网(1)上的电功率(Pel)，提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基本上与电网故障之前的输出电功率(Pel)和可预先确定的基准值之间的差值成比例地提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，基本上与电网故障之前的输出电功率(Pel)和额定功率之间的差值成比例地提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
13.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，在电网故障之前检测发电机(2)和/或耦联装置(3)和/或内燃机(4)的转速作为工作参数，其中，根据电网故障之前的转速来提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
14.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，在电网故障期间检测发电机(2)和/或耦联装置(3)和/或内燃机(4)的瞬时转速作为工作参数，其中，基本上与该瞬时转速和电网故障之前的转速之间的差值成比例地提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
15.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，在电网故障期间检测发电机(2)和/或耦联装置(3)和/或内燃机(4)的转速的转速改变作为工作参数，其中，根据转速改变的大小，提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
16.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，在电网故障期间检测内燃机(4)的发动机轴(8)和/或发电机(2)的转子轴(7’)上的转矩(ML)作为工作参数，其中，根据转矩(ML)来提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
17.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，在电网故障期间检测发电机(2)的负载角度(5)作为工作参数，其中，基本上与所检测到的负载角度(5)的大小成反比地提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
18.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)、最大直到可预先确定的最大量。
19.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，在电网故障期间检测发电机(2)的工作参数的波动，其中，如果该波动超过了可预先确定的程度，那么提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，检测发电机(2)的负载角度(5)的波动，其中，如果该波动具有大于2度的幅度，那么提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，如果所述波动具有大于10度的幅度，那么提高引入到内燃机(4)中的燃料的量(m)。
22.根据权利要求1－4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电网故障是电短路，和/或所述发电机(2)是同步发电机。
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