CN105186567A - 一种故障时不停机的变速恒频发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种故障时不停机的变速恒频发电系统，包括开关切换单元、导体、交流母线、直流母线、网侧变流器、机侧变流器、网侧滤波模块、机侧滤波模块、测量控制系统、变电系统和发电系统。本发明在网侧或机侧变流器或机组动力及发电部分出现故障时通过开关的切换将故障部分切除，并利用系统中的其他变流器进行功率交换，或为其他机组提供变流，实现故障机组的不停机检修，并可减少对电网的谐波注入，降低发电设备输出电能对电网的影响，提高发电厂电能质量，提高电网运行的稳定性与经济性。

Description

一种故障时不停机的变速恒频发电系统

技术领域

本发明专利涉及变速恒频发电系统的设计与运行维护，尤其涉及一种故障时不停机的变速恒频发电系统，适用于对基于双馈异步发电机组及全功率变频的同步发电机组的变速恒频发电系统的全新设计与现有机组的改造。

背景技术

随着当前能源的紧张，风能、太阳能、潮汐能及波浪能等多种新能源的开发得到了越来越多的重视，在这些新能源的开发中广泛地使用了变速恒频发电机组。为了提高由风能、潮汐能及波浪能等驱动的原动机的能源转化效率，原动机的转速会在某个范围内变化，由其驱动的发电机的转速随之变化，其电功率的频率亦变化，需经变流器才能并入电网，导致其输出的电功率不稳定，谐波含量高，由于这些能源具有不稳定性、随机性的特点，使得其所发出的电能质量低，并入电网后对电网的影响较大，有时甚至要放弃这些能源，造成了较大的浪费。由于电网接纳能力不足和新能源不稳定等自身特点导致的部分发电机暂停，限电导致电场运行经济性下降，限电的主要原因是并网难题，新能源出力不稳定，要其他电源为其提供调峰服务，需建设抽水蓄能、燃气发电等调峰、调频电源，在调峰容量紧缺时，限电特别严重，优化规划电源结构和电网布局，扩大电能消纳市场，还需要通过科技创新，推动电能生产和消费的协调。

现有的变速恒频发电系统主要包括双馈异步发电机组及全功率变频同步发电机组，每台变速恒频发电机组均配备一个机侧变流器、一个网侧变流器构成背靠背的变流器。发电机绕组、变流器、电网之间是串联的关系，当发电机或变流器出现故障的时候，整个发电机组必须停机检修而不能发电导致弃电，降低了发电厂的经济效益。当发电厂中有多台变速恒频发电机同时运行时，由于每台变速恒频发电机的转速会根据其运行工况调整，使得发电厂内的交流母线与网侧变流器之间有大量的功率交换，电功率经过多次的交流、直流变流，增加了损耗，降低了系统的稳定性；同时，由于每台发电机组配备一台电网侧变流器，导致变流器的利用率降低；另外，变流器与电网之间频繁地交换功率，给电网注入大量的谐波，降低发电厂输出的电能质量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种故障时不停机的变速恒频发电系统，适用于对基于双馈异步发电机组及全功率变频的同步发电机组的变速恒频发电机组的全新设计与现有机组的改造。当网侧或机侧变流器出现故障时通过开关的切换将故障变流器切除，并利用系统中的其他变流器进行功率交换，当发电系统故障时，将发电系统切除，网侧变流器与机侧变流器均工作于网侧变流模式，为其他机组提供变流容量，实现故障机组的不停机检修，并可减少对电网的谐波注入，降低发电设备输出电能对电网的影响，提高发电厂电能质量，提高电网运行的稳定性与经济性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种故障时不停机的变速恒频发电系统，包括开关切换单元、导体、交流母线、直流母线、网侧变流器、机侧变流器、网侧滤波模块、机侧滤波模块、测量控制系统、变电系统和发电系统，

所述发电系统包括多台发电机、驱动各发电机运转的原动机及其传动系统、转速控制系统及油气水电辅助系统；发电机绕组通过机侧滤波模块、开关切换单元、机侧变流器与直流母线连接，各变流器的直流母线经导体连接起来，系统中的网侧变流器统一地对各机侧变流器交换后的功率与交流母线进行交换；所述传动系统用于联接原动机及发电机，实现动力的传递及可能存在的转速变换；所述转速控制系统用于控制原动机的转速，根据发电机组的运行工况调整原动机的转速，实现能量的高效转换或限制功率输入使整个系统处于安全的工作区间；

所述油气水电辅助系统为系统安全可靠工作提供必要的通风、散热、除冰等工作环境；

所述机侧变流器一端经开关切换单元连接直流母线，另一端经开关切换单元、机侧滤波模块与发电机绕组相连，并根据发电机的转速，实现直流母线与发电机绕组的功率交换，机侧变流器之间的功率交换通过连接各变流器直流母线的导体进行；

所述网侧变流器的一端经开关切换单元连接直流母线，另一端经开关切换单元、网侧滤波模块与交流母线连接，实现交流母线及直流母线间的功率双向交换；

所述开关切换单元用于改变系统各部件的联接方式，结合变流器内部控制模式的转换，使网侧变流器与机侧变流器均可作为两台相互备用的机侧变流器或网侧变流器；当网侧变流器故障时，直接将其切除进行维修；当机侧变流器故障时，将网侧变流器的控制模式转换为机侧变流器控制模式，使网侧流器转换为机侧变流器，并将机侧变流器切除；同时连接直流母线的开关可使变速恒频发电机组独立运行或多机联合运行；

所述机侧滤波模块连接发电机绕组与开关切换单元，用于限流及滤波；

所述网侧滤波模块连接交流母线与开关切换单元，用于限流及滤波；

所述测量控制系统用于检测各设备的运行状态、参数，控制原动机、发电机的转速，进而控制各变流器的运行，监控整个系统的安全稳定运行。

进一步地，所述原动机包括风力机、汽轮机、水轮机。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明控制(或者运行)简单，易于实现。

本发明根据发电机的运行状态，将发电机绕组经机侧滤波模块、开关切换单元、机侧变流器的直流母线连接导体，并通过变流器交换功率。所有机侧变流器交换的功率经导体汇总后，在测控系统的控制下经电网侧变流器、开关切换单元、网侧滤波模块与交流母线交换功率。在机侧、网侧滤波与机侧变流、网侧变流之间加入开关切换单元，用导体将若干台变速恒频发电机组机侧变流器与网侧流器之间的直流母线联接起来，在机侧变流器控制中加入网侧变流控制模式，在网侧变流器控制中加入机侧变流控制模式，利用开关切换及变流器内部控制模式的转换，网侧变流器与机侧变流器均可作为相互备份的机侧变流器或网侧变流器，当网侧变流器故障时，直接将其切除进行维修，当机侧变流器故障时，将网侧变流器的控制模式转换为机侧变流器控制模式，使网侧流器转换为机侧变流器，并将机侧变流器切除进行维修；当发电系统故障时，将发电系统切除，网侧变流器与机侧变流器均工作于网侧模式，为其他机组提供变流容量，在整个维修过程中变速恒频发电机组不需停机检修或只须进行短暂停机切换。

本系统，适用于对基于双馈异步发电机组及全功率变频的同步发电机组的变速恒频发电系统的全新设计与现有机组的改造。

如上所述，本系统技术手段简便易行，可充分利用系统各部分的时空互补性，降低对电网的影响，提高电网运行的稳定性。

附图说明

图1为本发明结构方框图及控制(或运行)流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1所示，一种故障时不停机的变速恒频发电系统，适用于双馈异步发电机组及全功率变频的同步发电机组，包括开关切换单元、导体、交流母线、直流母线、网侧变流器、机侧变流器、网侧滤波模块、机侧滤波模块、测量控制系统、变电系统和发电系统。发电系统包括多台发电机、驱动各发电机运转的原动机及其传动系统、转速控制系统及油气水电辅助系统。发电机绕组通过机侧滤波模块、开关切换单元、机侧变流器与直流母线连接，各变流器的直流母线经导体连接起来，系统中的网侧变流器统一地对各机侧变流器交换后的功率与交流母线进行交换。原动机包括风力机、汽轮机、水轮机等能量转换设备。传动系统用于联接原动机及发电机，实现动力的传递及可能存在的转速变换。转速控制系统用于控制原动机的转速，根据发电机组的运行工况调整原动机的转速，实现能量的高效转换或限制功率输入使整个系统处于安全的工作区间。油气水电辅助系统为系统安全可靠工作提供必要的通风、散热、除冰等工作环境。

所述机侧变流器一端经开关切换单元连接直流母线，另一端经开关切换单元、机侧滤波模块与发电机绕组相连，并根据发电机的转速，实现直流母线与发电机绕组的功率交换。

所述网侧变流器的一端经开关切换单元连接直流母线，另一端经开关切换单元、网侧滤波模块与交流母线连接，实现交流母线及直流母线间的功率交换；

开关切换单元用于改变系统各部件的联接方式，结合变流器内部控制模式的转换，使网侧变流器与机侧变流器均可作为两台相互备用的机侧变流器或网侧变流器；当网侧变流器故障时，直接将其切除进行维修；当机侧变流器故障时，将网侧变流器的控制模式转换为机侧变流器控制模式，使网侧流器转换为机侧变流器，并将机侧变流器切除进行维修；当发电系统故障时，将发电系统切除，网侧变流器与机侧变流器均工作于网侧模式，为其他机组提供变流容量；同时连接直流母线的开关可使发电机组独立运行或多机联合运行；

机侧滤波模块连接发电机绕组与开关切换单元，用于限流及滤波；

网侧滤波模块连接交流母线与开关切换单元，用于限流及滤波；

测量控制系统用于检测各设备的运行状态、参数，控制原动机、发电机的转速，进而控制各变流器的运行，监控整个系统的安全稳定运行。

开关切换单元的切换方式为：正常工作时，SM投到Ma，SG投到Gb，Da、Db闭合，当单台变速恒频发电机组独立运行时Dc打开，当多台变速恒频发电机组联合运行时Dc闭合；当网侧变流器故障时，开关SM投到Ma，Db打开，将网侧变流器切除；当机侧变流器故障时，SG投到Ga，Da打开，Db闭合，Dc闭合，网侧变流器切换到机侧变流器控制模式；SM投到Ma，SG投到Ga，Da、Db及Dc闭合，网侧变流器切换到机侧变流器控制模式，则网侧变流器、机侧变流器作为机互备份的机侧变流器；当机组停机，SM投到Mb，SG投到Gb，Da、Db及Dc闭合，机侧变流器切换到网侧变流器控制模式，则网侧变流器、机侧变流器作为机互备份的网侧变流器，为其他机组提供变流容量，在整个运行过程中变速恒频发电机组不需停机检修或只须进行短暂停机切换。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种故障时不停机的变速恒频发电系统，其特征在于：包括开关切换单元、导体、交流母线、直流母线、网侧变流器、机侧变流器、网侧滤波模块、机侧滤波模块、测量控制系统、变电系统和发电系统，

所述发电系统包括多台发电机、驱动各发电机运转的原动机及其传动系统、转速控制系统及油气水电辅助系统；发电机绕组通过机侧滤波模块、开关切换单元、机侧变流器与直流母线连接，各变流器的直流母线经导体连接起来，系统中的网侧变流器统一地对各机侧变流器交换后的功率与交流母线进行交换；所述传动系统用于联接原动机及发电机，实现动力的传递及可能存在的转速变换；所述转速控制系统用于控制原动机的转速，根据发电机组的运行工况调整原动机的转速，实现能量的高效转换或限制功率输入使整个系统处于安全的工作区间；

所述油气水电辅助系统为系统安全可靠工作提供必要的通风、散热、除冰等工作环境；

所述机侧变流器一端经开关切换单元连接直流母线，另一端经开关切换单元、机侧滤波模块与发电机绕组相连，并根据发电机的转速，实现直流母线与发电机绕组的功率交换，机侧变流器之间的功率交换通过连接各变流器直流母线的导体进行；

所述网侧变流器的一端经开关切换单元连接直流母线，另一端经开关切换单元、网侧滤波模块与交流母线连接，实现交流母线及直流母线间的功率双向交换；

所述开关切换单元用于改变系统各部件的联接方式，结合变流器内部控制模式的转换，使网侧变流器与机侧变流器均可作为两台相互备用的机侧变流器或网侧变流器；当网侧变流器故障时，直接将其切除进行维修；当机侧变流器故障时，将网侧变流器的控制模式转换为机侧变流器控制模式，使网侧流器转换为机侧变流器，并将机侧变流器切除进行维修；当发电系统故障时，将发电系统切除，网侧变流器与机侧变流器均工作于网侧模式，为其他机组提供变流容量；同时连接直流母线的开关可使变速恒频发电机组独立运行或多机联合运行；

所述机侧滤波模块连接发电机绕组与开关切换单元，用于限流及滤波；

所述网侧滤波模块连接交流母线与开关切换单元，用于限流及滤波；

所述测量控制系统用于检测各设备的运行状态、参数，控制原动机、发电机的转速，进而控制各变流器的运行，监控整个系统的安全稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种故障时不停机的变速恒频发电系统，其特征在于:所述原动机包括风力机、汽轮机、水轮机。