CN105099306B - 用于发电机的静态励磁机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发电机技术的领域。具体而言，本发明涉及用于发电机的静态励磁机系统。本发明的目的为控制电网中的稳定性，在该电网中，有多个发电机连接，从而对电网提供电能。公开的为静态励磁机系统，其包括用于控制至少两个发电机的场绕组的场电压的控制装置，该至少两个发电机通过母线连接至电网系统。

Description

用于发电机的静态励磁机系统
技术领域
本发明涉及发电机技术的领域。其具体而言涉及用来控制发电机的场电压的静态励磁机系统和用来控制发电机的场电压的方法。
背景技术
如下静态励磁机系统得到广泛应用，其用于供给场绕组，场绕组形成用于发电机的磁力激励场，并且供应发电机激励。这些系统由它们的稳健性和短响应时间来确定。以防电网故障，重要的是将发电机，特别是主要用于发电的同步发电机连接至电网，保持同步性。同步发电机在电网系统中保持同步运行的能力在动力系统中称为瞬间稳定性。动力系统瞬间稳定性是涉及许多现象的复杂问题。有时，一个发电机上的局部测量捕捉不到系统范围问题的复杂性，且电网故障不可通过其来确定。超越监测和控制不同发电机的监测和控制系统范围问题可借助于最近开发的广域测量系统(WAMS)来解决。
专利EP 1 805 887 B1描述改善同步发电机的在电网故障的情况下的瞬间稳定性的超级电容器激励升压器。参考图1在下面更详细地描述这种激励升压器系统。然而，对发电机添加激励升压器以及电网处的其他影响，和通过终端电压控制发电机可使电网系统稳定性恶化。观察到，当电网故障发生时，发电机加速。此外，已观察到，一些发电机转子关于比较值加速，而其他发电机减速。其中，将激励升压器系统应用至电网系统并且因此影响发电机转子的场电压可能因此导致使转子速度减速。连接的发电机的系统中的一些发电机转子的减速相对于比较值增大速度偏差。连接的发电机的转子速度之间的这些速度偏差削弱整个电网系统的瞬间稳定性。
发明内容
本发明的目标是控制电网中的稳定性，在该电网中，多个发电机连接，从而对电网供给电功率。
该目标通过根据权利要求1的静态励磁机系统和根据权利要求7的方法而解决。
根据本发明，静态励磁机系统设置至少两个发电机的转子的激励场的场电压。具体而言，超过两个发电机的多个发电机在公共电网中共同地连接。通过该方法，减小了连接至电网的发电机转子的转子速度的偏差。因而，增大了电网的瞬间稳定性。动态激励系统被分派至各发电机，以用于在发电机转子的场绕组内产生DC电压，静态励磁机系统连接至该场绕组并且与该场绕组一起形成励磁机电路，以在电网故障，特别是电网系统电压下降的情况下发射电能。在电网系统的电压下降的情况下，增大场绕组的场电压，以补偿电压下降。设置场电压的静态励磁机系统可有利地应用于由连接至电网的励磁机电路驱动的多个发电机。为了说明，一般而言，励磁机系统可操作，从而控制场电压或场电流。在所谓的自动控制模式中控制场电压，这意味着在闭环中控制终端电压。在所谓的手动控制模式中控制场电流，这意味着终端电压是通过激励电流和机器特性确定的。在本发明中，考虑场电压的控制。
在独立权利要求中公开本发明的其他示例。
在本发明的另一示例中，静态励磁机系统增大关于比较值加速的发电机的场电压，同时静态励磁机系统不增大关于比较值减速的发电机的场电压。通过该方法减小了发电机转子速度的偏差，改善了瞬间稳定性。比较值被设置为包若干发电机的系统的系统特定值。转子速度的比较值尤其是惯量中心(COI)，因为该值指示系统工作在稳定条件下的状态。在目前技术水平下COI值是已知的。基于COI的动能是使发电机脱离同步的原因。
待测量的电参量(electric quantity)可为发电机的转子的旋转速度、发电机的转子的旋转角度或发电机的加速功率。在电网系统中的干扰的情况下，电参量变化。在稳态模式下，转子的转子角度和旋转速度是恒定的。这些电参量取决于由发电机供应的有功功率和无功功率二者。当转子角度和旋转速度的变化恒定时，发电机稳定地运行。
附图说明
将参考示范实施例且结合附图在下文中更详细地说明本发明，在附图中：
图1示出用于应用根据本发明的控制装置的与目前技术水平一致的静态励磁机系统的简化电路，静态励磁机系统有作为能量源的电容，该电容可经由开关沿反偏压方向连接至励磁机电路中的二极管。
图2示出电网故障后的连接的发电机的系统中的四种发电机速度的信号曲线，其中水平轴线中是以秒计的时间且竖直轴线上的发电机的旋转速度的关系指示速度偏差。
图3示出本发明的示例的框图，其具有用经由数据线路连接的示意发电机、比较值的计算单元、连接至发电机的动态激励系统、从动态激励系统对计算单元馈给信号的相量管理单元、和这些元件经由转换器到电网的连接。
图4示出本发明的示例的框图，其具有经由广域测量系统(WAMS)对连接至同步发电机的动态激励系统馈给信号的控制装置，该同步发电机连接至电网。
参考标号列表
1 控制装置
11,11' 机器变压器
12 励磁机变压器
13 电压变换器
14 自动电压调节器(AVR)
15 电流变换器
16 发电机
17 场绕组
18 晶闸管桥
19 母线(发电机)
20 静态励磁机系统
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 动态励磁机系统
34 电网系统
38 相量管理单元(PMU)
40 计算器
42 添加元件
43 控制器
44 脉宽调制器
46 驱动器
48 晶体管电路
If 场电流
IC 电容器电流
UC 电容器电压。
具体实施方式
图1示出根据目前技术水平的静态励磁机系统20的电路。图4中介绍的根据本发明的控制装置1可作为示例应用于这种静态励磁机系统20。基于静态励磁机系统20，描述了下面描述的控制装置1减少的电网中的故障。静态励磁机系统20包括具有场绕组17的发电机16，发电机16经由母线19和机器变压器11连接至电网系统34。场绕组17被供应来自静态励磁机系统20的场电流If，静态励磁机系统20大体上包括励磁机变压器12，励磁机变压器12后面跟着装配有晶闸管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14作为输入变量接收：一方面经由电压变换器13接收应用至母线19的发电机电压，且另一方面经由电流变换器接收在励磁机系统20中流动的电流。晶闸管桥18的输出侧连接至场绕组17，它们一起形成励磁机电路。二极管22在正向偏压方向上安装在励磁机电路中。可充电电容23可由开关与二极管22平行地连接，其中电容23连接在二极管22的反向偏压方向上。电容23可经由连接至电容23的充电单元25而充电。开关24可以以不同方式驱动，如在图1中由各种虚线指示的。在通常操作期间，二极管22承载作为直流电流DC流动的场电流If，且对励磁机电路的操作没有任何影响。由所谓的超级电容器或超电容器形成的电容23由充电单元25保持在预定电容器电压UCO处。电容器电荷的极性与二极管的反向偏压方向对应。描述的激励系统20也可称为激励升压器，其具有二极管22和对励磁机电路短时间供能的连接至其的电容23的基本特征以防电网中的电压下降。如果发电机16的终端电压低于较低电压阀值，则开关24接通且电容23的电压被供应至场绕组17。相反地，如果发电机16的终端电压高于较高电压阀值，则开关24切断。场电压然后由激励系统20升高，例如当发生电网中的不足且因此发电机侧处电压下降时。当开关24关闭时，电容器电压UC与发射自晶闸管桥18的电压串联地附加连接，因此导致施加至场绕组17的高得多的场电压Uf。与此同时，二极管22变为反向偏压的，且二极管电流ID回落至零。出于简单的原因，下文假设用于晶闸管桥18的恒定(冻结)的控制角度。因为增大的场电压Uf，场电流If开始升高，通过场绕组17的感应而延迟。可通过电压变换器13处的电压下降至低于预定极限值(图1中的虚线连接(a))来触发开关24的接通。这使得能够当电网系统电压下降时借助于储存在电容23中的能量增加励磁机供应。当能量供给到励磁机电路中时，电容23持续地放电，直到电容器电压UC为零。二极管22然后开始再次传导，且正常的励磁机供应继续。AVR的操作方法可继续不变。通过励磁机电流检测附加地处理附加电容器供给，励磁机电流检测始终存在于AVR中。通过电容23的预充电来实现期望的电压变化。充电电压可为直到励磁机电压的额定值的两倍或更多倍，尤其是直到三倍或更多倍。支持的期望持续时间通过电容值来设定。设置的支撑时间在1至20s的范围内变化。如以上已提到的，超级电容器或超电容器例如用于形成电容23。超级电容器诸如例如在2.5V的额定电压下具有2600或2700F的电容的那些电容器。作为示例，二极管22作为盘式二极管而安装。故障导致内部短路，这对励磁机系统20的操作没有影响。开关24可设有串联地连接的熔断体，以便提供相对于对有缺陷的二极管的连接的保护。
图2作为示例示出电网故障后的四个发电机16的系统的信号，这些发电机16经由通信线路连接，从而共同地建立广域测量系统(WAMS)，广域测量系统(WAMS)测量连接的发电机的参量且传输该测得的数据。在水平轴线中示出以秒计的时间且在指示转速偏差的竖直轴线中示出发电机16的旋转速度的关系。如在图2可见，四个发电机16的速度偏差的关系在该示例中为直到2.5*10-3，在该示例中没有静态励磁机系统20使发电机16的系统稳定。在此公开的静态励磁机系统20减小了发电机16之间的速度差且因此降低了相对于比较值的偏差。可观察到，两个发电机16在某些时间加速而其他两个发电机16减速，而加速和减速交替。如下面描述的，测量发电机16的转子的旋转速度。该旋转速度可指示电网中的故障，特别是当如在此进行的那样比较若干旋转速度时。此外，旋转速度数据可如下所述地用作去往控制装置1的输入信号。
图3示出框图，其中两个示意发电机16连接至动态激励系统28。发电机16以示意方式示出，动态激励系统28在此示例中包括图4中示出的一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)48、电容23和二极管22。动态激励系统28是上面在图1中详细地描述的静态励磁机系统20的一部分。动态激励系统28由控制装置1馈给，如在图4中更详细地描述的。动态激励系统28连接至晶闸管桥18，在图3中作为单个框图示出。与图1相似，各晶闸管桥18分别经由变压器11或11’连接至电网。此外，数据线路经由相量测量单元(PMU)38从励磁机变压器12对计算元件40进行馈给。计算单元40作为用于控制装置1的输入信号来计算比较值。在此示例中，计算单元40因而为了简易而接收来自两个发电机16的一种电参量或多种电参量的信号，能够应用具有连接的各种发电机16且对计算单元40馈给信号的系统。计算出的比较值定性了一种状态，在该状态下，连接的发电机16的系统处于与电网的稳定性相关的稳定状态中。比较值还称为电网的惯量中心(COI)。上面描述的元件经由机器变压器11、11’连接至电网，发电机16通过电气连接共同地连接至电网，计算单元40通过电信线路连接至广域测量系统(WAMS)，该广域测量系统提供与动力系统瞬间稳定性有关的数据。该数据对控制电网故障特别有用。
图4示出本发明的示例的框图，其具备通过广域测量系统(WAMS)馈给信号的控制装置1。控制装置1由此远离连接至WAMS的发电机16中的大部分且分别接收来自WAMS的信号和对WAMS传输信号。去往控制装置1的输入信号xi是从发电机16的发电机终端电压和电流导出的信号，该发电机16连接至WAMS，控制装置1连接在WAMS处。图1中示出的母线19形成WAMS的一部分。去往控制装置1的第二输入信号xCOI来自由相量管理单元(PMU)38馈给的计算单元40且在添加元件42处添加至信号xi。PMU 38是测量装置，其提供与公共时间基准同步的电压相角测量。信号xCOI考虑各同步发电机16对共同地包括若干发电机16的整体动力系统的瞬间稳定性的不同贡献。在备选示例中馈给至添加元件42的信号是指示速度偏差的信号。第一信号在该备选示例中为转子发电机的速度偏差，第二信号是从连接的各种发电机16的速度导出的比较值的速度偏差。来自添加元件42的信号馈给至控制器43，在控制器43内，决定是否驱动动态励磁机系统28。在控制器43之后连接脉宽调制器(PWM)44，从而接收同样来自动态励磁机系统28的信号vcap。PWM 44的输出连接至驱动器46，驱动器46驱动动态励磁机系统28。本示例中的动态励磁机系统28包括二极管22，二极管22与电容23平行地与作为开关24的IGBT连接，开关24具有连接在IGBT的集电极和发射极之间的续流二极管31。当故障发生时，储存在电容23中的电压添加至场绕组17。与图3的构造类似，在此由六个晶闸管构成的晶闸管桥连接至IGBT的发射极侧。晶闸管桥18的输出连接至同步发电机场绕组17，如根据图1所描述的，发电机16也连接至动态励磁机系统28。这些连接是连接的发电机16的场电压的基础。根据经由励磁机变压器12连接至电网的三个电流相位，晶闸管桥18具有其他三个输出。控制装置1通过对图4的晶体管电路48进行整流来调节电容23(在本示例中是超级电容器)的电压，，晶体管电路48类似于图1的静态励磁机系统20的固态开关24。如必要，则可增大连接的发电机16中的各个的场电压。当由故障引起的发电机16的终端电压的下降导致场电压的下降，且因此导致由机器应用至某发电机16的转子的电磁转矩的下降时，这可能是必要的。与此同时，当来自连接至发电机16的涡轮的机械转矩保持几乎恒定时，转子加速。根据图2描述发电机转子加速和减速的现象。在描述的示例中，增大了配备有静态励磁机系统20的连接的发电机16的场电压，该静态励磁机系统20包括动态激励系统28(也称为升压器)。控制装置1增大相对于比较值加速的发电机16的场电压，而控制装置1不对相对于比较值减速的发电机16供应附加电压。由此造成的影响是，改善了主要由多个发电机16组成的系统的瞬间稳定性。控制装置1用于降低各发电机16与比较值相比的速度偏差。由此，只有是使来自若干发电机16的系统脱离同步的原因的速度偏差降低，这些速度偏差与瞬间动能成比例。因此，控制装置1通过考虑发电机的稳定性状态来促进发电机系统的稳定性，该发电机系统被通过母线19提供来自远程测量的数据。
所描述的静态励磁机系统20确保电力供应的连续性和质量。电网中任何类型的故障都不导致连接的发电机16的瞬间稳定性的损失。发电机的在外部故障的情况下保持连接至电网的能力得到了改善。该要求在限定用于电网要求的正式要求的电网规程方面特别有用。此外，在此公开的静态励磁机系统已证明改善了在发电机16的系统中的严重干扰之后的临界切除时间。
尽管已经参考本发明的示范实施例描述了本发明，但是对本领域专业人员显而易见的是，可进行各种更改并且采用等同物，而不脱离本发明的范围。已用于例示和说明而提出本发明的优选实施例的前述描述。其不意图为详尽的或将本发明限制为所公开的精确形式，并且按照以上教导,能够进行修改和变型，或从本发明的实践中获得修改和变型。实施例选择和描述成以便解释本发明的原理及其实际应用，以使本领域技术人员能够与构想的特定用途相称地在各种实施例中利用本发明。意图本发明的范围由其所附的权利要求和它们的等同物限定。

Claims (9)

1.一种静态励磁机系统(20)，其包括控制装置(1)，所述控制装置(1)用于控制经由母线(19)连接至电网系统(34)的至少两个发电机(16)的场绕组(17)的场电压，用于测量所述至少两个发电机(16)的电参量，所述控制装置(1)驱动所述静态励磁机系统(20)，所述静态励磁机系统(20)被分派至各发电机(16)以用于在发电机转子的场绕组(17)中产生DC电压，所述静态励磁机系统(20)连接至所述场绕组(17)且与所述场绕组(17)一起形成励磁机电路，以用于在电网系统故障或电网系统电压下降的情况下，通过增大所述场绕组(17)的场电压来发射电能，其中，所述电网系统(34)和所述母线(19)是广域测量系统的部分；
其中，计算单元(40)对所述控制装置(1)馈给信号，所述控制装置(1)增大发电机(16)的场电压，增大关于由所述计算单元(40)计算出的比较值加速的所述发电机的场电压，所述场电压的增大是由于所述发电机转子的电磁转矩的下降且同时来自连接到被加速的所述发电机上的涡轮的同步恒定的机械转矩。
2.根据权利要求1所述的静态励磁机系统(20)，其特征在于，去往所述控制装置(1)的输入信号首先是单个发电机(16)的场电压，且其次是从连接的所有发电机(16)的电压导出的比较值。
3.根据权利要求1所述的静态励磁机系统(20)，其特征在于，去往所述控制装置(1)的输入信号首先是单个发电机(16)的速度偏差，且其次为从连接的至少两个发电机(16)的速度偏差导出的比较值。
4.一种用于通过以下步骤控制至少两个发电机(16)的场电压的方法：
通过母线(19)将所述发电机(16)连接至电网系统(34)，其中所述电网系统(34)和所述母线(19)是广域测量系统的部分；
测量所述发电机(16)的参量；和
依赖测得的参量来调整所述发电机(16)的场电压；
增大发电机(16)的场电压，其增大关于由计算单元(40)计算出的比较值加速的所述发电机的场电压，所述场电压的增大是由于所述发电机转子的电磁转矩的下降且同时来自连接到被加速的所述发电机上的涡轮的同步恒定的机械转矩，并且不增大关于由所述计算单元(40)计算的比较值减速的发电机(16)的场电压。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，待测量的所述发电机(16)的参量是所述发电机(16)的转子的旋转速度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，待测量的所述发电机(16)的参量是所述发电机转子的旋转角度。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，待测量的所述发电机(16)的参量是所述发电机(16)的加速功率。
8.根据权利要求4所述的用于控制至少两个发电机(16)的场电压的方法，其特征在于以下步骤：增大关于由计算单元(40)计算的比较值加速的发电机(16)的场电压，和减小关于由所述计算单元(40)计算的比较值减速的发电机(16)的场电压。
9.根据权利要求4所述的用于控制至少两个发电机(16)的场电压的方法，其特征在于以下步骤：驱动具有动态激励系统(28)的静态励磁机系统(20)，所述静态励磁机系统(20)被分派至各发电机(16)以用于在发电机转子的场绕组(17)中产生DC电压和利用控制装置(1)控制各励磁机系统(20)。
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