CN105119504B - 发电机组整流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发电机组整流装置，包括：全控整流电路，用于将发电机组输出的交流电转换为直流电；以及控制器，具有直流电压控制器和变速控制器，其中，直流电压控制器，用于获取全控整流电路的输入端的交流电压值和交流电流值以及全控整流电路的输出端的直流电压值和直流电流值，基于所获取的值生成对全控整流电路的输出直流电压进行控制的第一控制信号；变速控制器，用于根据直流电压值和直流电流值，生成对发电机组的转速进行控制的第二控制信号。本发明实现了变速发电机组加全控型整流装置的直流发电功能，且响应速度快，动态性能稳定，常规发电机组组即可实现。解决了大容量直流发电机组换相问题。
Description
技术领域
本发明涉及供电设备，尤其涉及一种发电机组整流装置。
背景技术
随着节能减排政策的推行以及电力系统电子技术发展迅速，船舶行业越来越关注直流电网在船舶上的应用。船用直流电网相对于交流电网，提高了船舶运行效率，降低能耗，节约空间，显著减少船舶的氮氧化物总量和温室气体排放。
船舶电网的发展与陆地电网一样，最早采用的也是直流电力系统，当时随着船舶供电容量的增大，大容量直流发电机组换相问题一直难以克服。交流发电机组的产生解决了直流发电机组存在的问题，因此自20实际30年代开始，船舶电力系统进入了交流时代。但是交流电力系统也存在控制复杂，电缆要求多等问题，长期困扰着船舶电力系统。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明提供一种发电机组整流装置，包括：全控整流电路，用于将发电机组输出的交流电转换为直流电；以及控制器，具有直流电压控制器和变速控制器，其中，所述直流电压控制器，用于获取所述全控整流电路的输入端的交流电压值和交流电流值以及所述全控整流电路的输出端的直流电压值和直流电流值，基于所获取的值生成对所述全控整流电路的输出直流电压进行控制的第一控制信号；所述变速控制器，用于根据所述直流电压值和直流电流值，生成对所述发电机组的转速进行控制的第二控制信号。
本发明至少一个有益效果为：实现了变速发电机组加全控型整流装置的直流发电功能，且响应速度快，动态性能稳定，常规发电机组组即可实现。解决了大容量直流发电机组换相问题，采用变速发电机组加全控型整流装置的方案，输出的直流电压稳定且可控；相对于不控整流或半控整流有更快的响应速度和更佳的动态性能及稳态性能；可以保证发电机组单位功率因数输出，降低发电机组容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明发电机组整流装置结构一种实施方式的示意图；
图2为本发明发电机组整流装置结构另一种实施方式的示意图；
图3为本发明发电机组整流装置电路结构示意图；
图4为本发明发电机组整流装置中控制器的结构示意图；
图5为本发明发电机组整流装置中保护器的流程框图。
附图标记：
1-发电机组整流装置；101-全控整流电路；102-控制器；2-直流电压控制器；3-发电机；4-交流电压调节器；5-发动机；6-机组控制器；7-保护器；8-变速控制器；9-发动机组；10-母线；11-高频滤波器；12-多电平全控整流桥；13-保险丝；14-储能电容；15-防反二极管；16-直流断路器；31-锁相环；32-坐标变换模块；33-电流环控制器；34-调制模块；35-第一计算模块；36-第二计算模块；37-直流电压调节器；38-第三计算模块；39-故障判断装置；40-调节装置；17-电压表；18-电流表；T-第一控制信号；n*-第二控制信号。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明以下各实施例中，实施例的序号和/或先后顺序仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本发明公开一种发电机组9整流装置1，参见图1，该装置可以将交流电整流为直流电，该装置包括全控整流电路101和控制器102。其中，全控整流电路101，用于将发电机组输出的交流电转换为直流电。控制器102可以生成第一信号和第二信号，该第一信号控制全控整流电路的输出直流电压，第二信号用于控制发电机组9的转速。
通过本发明中整流装置1输出的直流电可以连接到母线10以向外输出，例如船用就输送到船中各线路。为了方便说明，全控整流电路在下文可简称为“整流电路”，在附图中同样对应编号101。
具体的，控制器102具有直流电压控制器2和变速控制器8，其中直流电压控制器2用于获取所述全控整流电路101的输入端的交流电压值和交流电流值以及全控整流电路101的输出端的直流电压值和直流电流值，基于所获取的值生成对全控整流电路101的输出直流电压进行控制的第一控制信号T；变速控制器8，用于根据所述直流电压值和直流电流值，生成对所述发电机组的转速进行控制的第二控制信号n*。
在一种实施方式中，发电机组9可以选用柴油变速发电机组，例如可以包括发电机3和柴油发动机5，柴油发动机5带动发电机3转动，产生交流电，具体的工作原理不再赘述。交流电通过全控整流电路101，输出成直流电，而控制器获取交流电压值、交流电流值、直流电压值和直流电流值，根据这些数值，生成控制信号。
需要理解的是，交流电压值为线电压值，以三相电为例，包括a线、b线和c线，交流电压值，选用两个线电压值，第一线电压值Uab为a线和b线间的线电压，第二线电压值Ubc为b线和c线间的线电压，交流电流值选用：a线的线电流值Ia和b线的线电流值Ib，直流电流和直流电压则好理解，将直流电流记为Io；直流电压记为Uo，为了方便说明，说明书下文可以上述符号代替文字说明，例如Ubc为第二线电压值。以上还可以参见图3，当然，测取上述数值的为电压表17和电流表18，具体采用何种形式的电压表和电流表不再说明，并且图中的电压表和电流表只是示意功能，并不说明测取交流电和直流电所用的表是同样的表。
继续参见图3和图4，说明直流电压控制器2的具体结构，直流电压控制器2包括直流电压外环以及交流电流内环，参见图4中编号2所框出的部分中，靠上的一组为交流电流内环，靠下的一组为直流电压外环。这只是为便于理解的示意图，不用于限制本发明。
具体的，直流电压外环用于获取直流电压值Uo和直流电流值Io，生成用于交流电流内环的参考电流值id *；交流电流内环用于获取交流电压值(此处交流电压可以为Uab和Ubc)和交流电流值(可以为Ia和Ib)，并基于所述直流电压外环所生成的参考电流值id *来生成第一控制信号T。
进一步说明上述的直流电压外环结构和工作原理，直流电压外环具有第一计算模块35、第二计算模块36和直流电压调节器37。
其中第一计算模块35获取直流电压值Uo和直流电流值Io，生成瞬时功率值P，而第二计算模块36根据所述瞬时功率值P，生成参考电压值Udc *，直流电压调节器37则根据参考电压值Udc *与直流电压值Uo生成参考电流值id *。
上述第一计算模块如何根据功率计算公式：功率＝电压乘以电流计算瞬时功率P(即常见物理公式P＝UI)；而第二计算模块则可以根据下垂曲线函数Udc *＝Udc0-k·P(其中k为下垂斜率，Udc0为空载时的参考电压值Udc *)，计算生成参考电压值Udc *；下面以一个可选的方式说明直流电压调节器37如何生成参考电流值id *：例如以PI调节方式，通过第一比对模块将Udc *和Uo做差，将差值进行比例放大或积分，以得到比对结果，直流电压调节器37根据别对结果生成id *，需要理解的是其他本领域技术人员知晓的方式也能够用于本发明，该id *是用于发送到交流电压内环的参考值。
下面说明上述的交流电压内环结构和工作原理，交流电流内环具有：锁相环31、坐标变换模块32、电流环控制器33和调制模块34。
其中，锁相环31根据交流电压值生成相位角度ejθ，交流电压值包括第一线电压值Uab和第二线电压值Ubc；坐标变换模块32，根据相位角度，将交流电流值(Ia和Ib)变换为等效直流电流值(Iq和Id)；电流环控制器33，根据等效直流电流值(Iq和Id)与参考电流值的比较，生成电压调整指令；调制模块34，根据所述相位角度以及电压调整指令，生成所述第一控制信号。
上述电流环控制器33生成电压调整指令可以为：例如以PI调节方式，通过第一比对模块将等效直流电流值(Iq和Id)分别和0、id *做差，将差值进行比例放大或积分，以得到比对结构，电流环控制器33根据别对结果生成电压调整指令。即Iq和0做差，此处0表示电流值为0，Id和id *做差。需要理解的是其他本领域技术人员知晓的方式也能够用于本发明，该电压调整指令是用于发送到调制模块的。
需要理解，上述直流电压调节器37如何生成参考电流值id *的过程，以及电流环控制器33生成电压调整指令的过程，只是举例说明其原理，实际操作中可以为其他方式，他们的目的只是为了调节输出的直流电压和直流电流，例如Udc *和Uo的差值为x，那么直流电压调节器37就需要向交流电压内环发送一个相应的id *，其目的是为了弥补该差值x，同样的，电流环控制器33根据生成的电压调控指令，使调制模块生成第一控制信号，目的是调节全控整流电路的直流电压，使其输出的直流电压和直流电流最终的经过第一计算模块和第二计算模块生成Udc *和Uo的相比，差值降低。或者说尽量调节使Id趋近于id *，Uo趋近于Udc *。这些目的都是调节整流电路输出电压稳定性。
在一种可选的实施方式中，参见图3和图5，控制器还包括保护器7，该保护器具有故障判断装置39和调节装置40，其中，故障判断装置39用于获取直流电流值以判断是否出现短路，也可以说获取Io，若出现短路，则向调节装置发送启动信号；调节装置40用于响应接收到启动信号，向发电机组发送灭磁信号。应该理解，发电机切割磁感线的工作原理不再赘述，这里如果发电机组灭磁，则可以理解为暂时停止或减小电力输出。
进一步，参见图5，当直流侧出现短路故障时，向发电机组发送灭磁信号，进行灭磁操作，这样会使整流电路101的输入端的输入电压迅速下降，输出直流电流迅速降为0，根据考船级社对于交流发电机组的短路要求是：出现短路现象后，电源需要具有维持2倍以上额定电流2秒以上的能力，以供电网综合保护装置清除故障。因此调节装置需根据所属电流值和预定直流电流值的差值，向发电机组的励磁装置发送指定电流值，使发电机组输出的交流电流值满足指定电流值。该指定电流值是为了满足电网综保装置的需求。指定电流值至少需要满足使电机组输出的交流电，在经过整流电路转化弄成直流电后，输出的电流满足上述船级社的要求。当然，满足该要求是本发明用于船只这种实施方式的考虑，当本发明用于其他设备或领域时，还应该满足相应设备或领域的规定。
可选的，还可以设置交流电压调节器4，与发电机组9电连接，用于接收调节装置发送的灭磁信号，控制发电机组灭磁；还用于接收所述指定电流值，控制发电机组按指定状态工作，该按指定状态即上述使发电机组产生指定电流的工作状态。
结合上述，发电机组还可以包括有机组控制器，用于相应上述变速控制器8发出的第二控制信号n*，改变柴油发动机的转速，从而改变发电机的输出频率。当然，上述的交流电压调节器4可以属于整流装置的一个部件，也可以属于发电机组的一个部件，例如图2所示的就是该交流电压调节器4属于发电机组9的一个部件。
参见图3，交流电压调节器4可以选用自动电压调节器(Automatic VoltageRegulation,AVR)，图3中以编号41示出。
上述控制器102中的变速控制器8，获取直流电流值Io和直流电压值Uo，生成瞬时功率P，将所述瞬时功率与预置的发电机组油耗特性曲线进行比较以生成所述第二控制信号。这里生成瞬时功率P可以是变速控制器8自身获取直流电流值Io和直流电压值Uo计算得出瞬时功率，也可以直接从上述第一计算模块35获取，图4示出的即为变速控制器8从第一计算模块35获取瞬时功率。
在一种可选的实施方式中，全控整流电路包括升压型n电平全控整流桥，其中n为大于等于2的整数。为了方便说明，该升压型n电平全控整流桥也被称为“升压型多电平全控整流桥”。
如图3所示，全控整流电路还包括：高频滤波器11、防反二极管15、储能电容14、保险丝13、直流断路器16。
高频滤波器11，可以选用LCL滤波器，该滤波器设置在全控整流桥的交流侧，用于滤除全控整流电路产生的开关频率倍数的高频谐波。
还包括防反二极管15，串联在全控整流桥的直流侧，用于防止能量反向流入所述全控整流电路；
储能电容14，串联在所述全控整流桥的直流侧，用于稳定直流电流。如果在母线10发生短路时，储能电容可以向短路点输送能量，此时直流电流Io将呈现短路特性。这时上述保护器就会开始工作。
而保险丝13则是用于保护电路，直流断路器16一个作用是在正常的情况下接通和断开整流装置1与母线10，另一个作用是在发生故障时可以自动切断整流装置1与母线10，以保证各自的安全运行。
最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
Claims (9)
1.一种发电机组整流装置，其特征在于，包括：
全控整流电路，用于将发电机组输出的交流电转换为直流电；以及
控制器，具有直流电压控制器、变速控制器及保护器，其中，
所述直流电压控制器，用于获取所述全控整流电路的输入端的交流电压值和交流电流值以及所述全控整流电路的输出端的直流电压值和直流电流值，基于所获取的值生成对所述全控整流电路的输出直流电压进行控制的第一控制信号；
所述变速控制器，用于根据所述直流电压值和直流电流值，生成对所述发电机组的转速进行控制的第二控制信号；
所述保护器具有故障判断装置和调节装置，其中，
所述故障判断装置用于获取所述直流电流值以判断是否出现短路，若出现短路，则向所述调节装置发送启动信号；
所述调节装置用于响应于接收到所述启动信号，向发电机组发送灭磁信号。
2.根据权利要求1所述的发电机组整流装置，其特征在于，
所述直流电压控制器包括直流电压外环以及交流电流内环，其中，所述直流电压外环用于获取所述直流电压值和直流电流值，生成用于所述交流电流内环的参考电流值；
所述交流电流内环用于获取所述交流电压值和交流电流值，并基于所述直流电压外环所生成的参考电流值来生成所述第一控制信号。
3.根据权利要求2所述的发电机组整流装置，其特征在于，
所述直流电压外环具有：
第一计算模块，根据所述直流电压值和直流电流值，生成瞬时功率值；
第二计算模块，根据所述瞬时功率值，生成参考电压值；以及
直流电压调节器，根据所述参考电压值与所述直流电压值，生成所述参考电流值。
4.根据权利要求2所述的发电机组整流装置，其特征在于，
所述交流电流内环具有：
锁相环，根据交流电压值生成相位角度，所述交流电压值包括第一线电压值和第二线电压值；
坐标变换模块，根据所述相位角度，将所述交流电流值变换为等效直流电流值；
电流环控制器，根据所述等效直流电流值与所述参考电流值的比较，生成电压调整指令；以及
调制模块，根据所述相位角度以及电压调整指令，生成所述第一控制信号。
5.根据权利要求3所述的发电机组整流装置，其特征在于，
所述变速控制器，获取直流电流值和直流电压值，生成瞬时功率，将所述瞬时功率与预置的发电机组油耗特性曲线进行比较以生成所述第二控制信号；或者，
所述变速控制器，获取第一计算模块生成的瞬时功率值，将所述瞬时功率与预置的发电机组油耗特性曲线进行比较以生成所述第二控制信号。
6.根据权利要求1所述的发电机组整流装置，其特征在于，
所述调节装置进一步用于根据所述直流电流值和预定直流电流值的差值，向所述发电机组发送指定电流值，使发电机组输出的交流电流值满足所述指定电流值。
7.根据权利要求6所述的发电机组整流装置，其特征在于，还包括：
交流电压调节器，与所述发电机组电连接，用于接收所述调节装置发送的灭磁信号，控制发电机组灭磁；还用于接收所述指定电流值，控制发电机组按指定状态工作。
8.根据权利要求1-7任一项所述的发电机组整流装置，其特征在于，
所述全控整流电路包括升压型n电平全控整流桥，其中n为大于等于2的整数。
9.根据权利要求8所述的发电机组整流装置，其特征在于，所述全控整流电路还包括：
高频滤波器，设置在所述全控整流桥的交流侧，用于滤除所述全控整流电路产生的开关频率倍数的高频谐波；以及
防反二极管，串联在所述全控整流桥的直流侧，用于防止能量反向流入所述全控整流电路；
储能电容，串联在所述全控整流桥的直流侧，用于稳定直流电流。
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Legal Events
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