CN105207334B - 用于向负载供应电力的系统以及对应电力供应方法 - Google Patents

用于向负载供应电力的系统以及对应电力供应方法 Download PDF

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Abstract

本发明题为用于向负载供应电力的系统以及对应电力供应方法。用于向负载供应电力的这种系统包括其中包括要由电动机部件所驱动的鼠笼型转子的异步发电机(2)以及适合对发电机所输送的电压进行整流的整流器(4)。整流器是采用单向电子组件的整流器。电力供应系统还包括无功功率源(6)，以用于对异步发电机励磁。

Description

用于向负载供应电力的系统以及对应电力供应方法
技术领域
本发明涉及向负载供应电力，以及在并不是对本发明进行限制的特别感兴趣应用中，涉及要向船只的电力供应网络提供连续电力供应的电力供应系统。
背景技术
在现有技术中，电力供应系统可基于同步电机，其包括绕线转子以及用于激励同步机器的电路。
在可靠性、机械简洁性和成本方面，特别是包括鼠笼式转子的异步或感应发电机是特别有利的，并且还构成用于实现电力供应源。
感应发电机一般在输出包括整流器电路，其要将发电机所输送的AC电压转换为DC电压。
基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的整流器按常规用于这个方面。
这类整流器使得有可能提供有效地对发电机励磁的功能。但是，它们具有特别是与如下事实相关的多个缺点：它们是高费用的并且比较复杂。
另外，IGBT整流器不适合于携带高电流。因此，在没有过分指定整流器的情况下，即在没有使用大量高费用IGBT晶体管的情况下，IGBT整流器一般不适合在配电网(整流器与其连接)中发生短路时输送高短路电流。
发明内容
因此，本发明的目的是克服这个缺点，以及具体是在与实现发电机的励磁的同时降低包括异步发电机的电力供应系统的额定值。
本发明的另一目的是提出一种电力供应系统，其包括小总体尺寸的异步发电机，能够耐受高短路电流。
在第一方面，本发明因此在于一种用于向负载供应电力系统，包括：异步发电机，其中包括要由电动机部件来驱动的鼠笼型转子；以及整流器，适合对发电机所输送的电压进行整流。
按照这种电力供应系统的一个一般特征，整流器是采用单向电子组件的整流器。此外，电力供应系统包括无功功率源，以用于对异步发电机励磁。
按照本发明的另一个特征，无功功率源包括可变无功功率源。
按照本发明的另一特征，可变无功功率源构成用于控制整流器的输出电压的部件。
在一个实施例中，可变无功功率源包括采用绝缘栅双极晶体管和至少一个电容器的电压逆变器。
按照本发明的电力供应系统的另一特征，无功功率源还包括固定无功功率源。
固定无功功率源有利地包括RLC电路。
固定无功功率源优选地构成用于对于来自可变无功功率源的谐波电流进行滤波的部件。
无功功率源可有利地构成用于对于来自整流器的谐波电流进行滤波的部件。
在一个实施例中，电力供应系统包括用于对可变无功功率源(其与一组开关关联，以用于向DC电压母线供应电力)的电容逐渐充电的电路。
电力供应系统还可包括一组滤波电容器，其连接到整流器的输出。
例如，单向电气组件是二极管或晶闸管。
在第二方面，本发明还在于一种通过电力供应系统(其包括：异步发电机，其中包括由电动机部件所驱动的鼠笼型转子；以及整流器，采用单向电子组件，适合对于发电机所输送的电压进行整流)向负载供应电力的方法，其中异步发电机通过无功功率源来励磁。
在一个实施例中，所述无功功率源包括可变无功功率源(其包括电压逆变器)，所述电压逆变器在使电力供应系统进行启动或减速时以旋转方式将耦合发电机和电动机部件的轴驱动到异步发电机的慢速度。
技术方案1：一种用于向负载供应电力的系统，包括其中包括要由电动机部件(3)所驱动的鼠笼型转子的异步发电机(2)以及适合对于所述发电机所输送的电压进行整流的整流器(4)，其特征在于所述整流器是采用单向电子组件的整流器，并且在于它包括用于对所述异步发电机励磁的无功功率源(6)。
技术方案2：如技术方案1所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于，所述转子是鼠笼型转子。
技术方案3：如技术方案1或2所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述无功功率源包括可变无功功率源(7)。
技术方案4：如技术方案3所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述可变无功功率源(7)构成用于控制所述整流器的输出电压的部件。
技术方案5：如技术方案3和4中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述可变无功功率源(7)包括采用绝缘栅双极晶体管的电压逆变器(9)和至少一个电容器(8)。
技术方案6：如技术方案3至5中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述无功功率源还包括固定无功功率源(11)。
技术方案7：如技术方案6所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述固定无功功率源包括RLC电路(12，13，14)。
技术方案8：如技术方案6和7中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述固定无功功率源(11)构成用于对于来自所述可变无功功率源(7)的谐波电流进行滤波的部件。
技术方案9：如技术方案4至8中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述固定无功功率源(6)构成用于对于来自所述整流器(4)的谐波电流进行滤波的部件。
技术方案10：如技术方案1至9中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于它包括用于对与一组开关(24)关联的所述可变无功功率源的电容器逐渐充电的电路(15；18)，以用于向DC电压母线(B)供应电力。
技术方案11：如技术方案1至10中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于它包括连接到所述整流器(4)的输出的一组滤波电容器(23)。
技术方案12：如技术方案1至11中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述单向电气组件是二极管或晶闸管。
技术方案13：一种用于通过电力供应系统向负载供应电力的方法，所述电力供应系统包括：异步发电机(2)，其中包括由电动机部件(3)所驱动的鼠笼型转子；以及整流器，采用单向电子组件，适合对于所述发电机所输送的电压进行整流，其特征在于所述异步发电机通过无功功率源(6)来励磁。
技术方案14：如技术方案13所述的用于向负载供应电力的方法，其特征在于，所述无功功率源包括其中包括电压逆变器(9)的可变无功功率源(7)，并且所述电压逆变器在使所述电力供应系统进行启动或减速时以旋转方式将耦合所述发电机和所述电动机部件的轴(A)驱动到所述异步发电机的慢速度。
附图说明
通过阅读以下仅作为非限制性示例给出的、参照附图进行的描述，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见，附图包括：
- 图1是示出按照本发明的电力供应系统的架构的框图；
- 图2示出启动期间的图1的系统；
- 图3示出启动的后一阶段期间的图1的系统；
- 图4示出图1的电力供应系统的标称功能期间的有功功率、无功功率和变形功率的流程；
- 图5示出异步发电机的励磁期间在图1系统的特性点的电压和电流的波形；以及
- 图6示出按照本发明、有源滤波期间在电力供应系统的特性点的电压的波形。
具体实施方式
首先参照图1，其示出用于向负载供应直流电力的系统1的一般架构。
在所设想的实施例中，这个电力供应系统1要安装在船只上，以构成DC电压源。当然，向任何其他类型的负载供应电力处于本发明的范围之内。
电力供应系统1基本上包括：三相感应发电机2，由例如柴油发动机或蒸汽涡轮机或燃气涡轮机等的电动机部件3以旋转方式所驱动；以及整流器4，用于将发电机所输送的AC电压转换为DC电压。
如所示，发电机2和电动机部件3通过公共轴A来连接，该组合构成电动机-交流发电机。
感应发电机22是鼠笼式异步发电机，并且因此具有机械上简单、可靠并且具有较低成本的结构。
对于其部件，整流器4包括单向电子组件。这些单向电子组件可具有可控类型。因此，整流器4的整流器元件有利地由二极管或晶闸管组成，与使用基于IGBT晶体管的整流器桥的现有技术形成对照。
如果整流器4基于晶闸管，则控制电路5控制晶闸管，并且特别是各晶闸管的触发，以对发电机2所输送的交流电进行整流。
此外，电力供应系统1包括无功功率源6，以用于对发电机2的磁路励磁。
无功功率源首先包括：可变无功功率源7，其中包括一组电容器8；以及逆变器电路9，经由电感10旁路连接在发电机2与整流器4之间。
在这里，逆变器电路基于IGBT晶体管，其由控制电路5例如使用脉宽调制(PWM)所控制。
如下文所述，这个可变无功功率源7构成有源滤波器，以用于对于来自整流器4的谐波电流进行滤波。它还通过控制发电机2的励磁，来调节在整流器4的输出所输送的DC电压。
无功功率源6其次包括固定无功功率源11，其在这里由旁路连接在发电机2与整流器4之间的RLC电路组成。
这个固定源11包括一个或多个电容器12，其连接到并联连接的电阻13和电感14。
固定无功功率源11构成无源滤波器，以用于对于来自整流器4的谐波电流进行滤波，并且对于来自有源滤波器7的谐波电流进行无源滤波。
它还参与发电机2的一部分的励磁。
逆变器9中的IGBT晶体管基本上供应对发电机2励磁所需的无功功率。通过逆变器的旁路连接，它不参与对发电机所输送的电压进行整流，并且因此能够适当评定IGBT晶体管以提供这个励磁，这使得有可能降低对这些晶体管的额定值的限制。
由于固定无功功率源11(其参与发电机的励磁)的存在，这些晶体管的额定值能够进一步降低。但是将会注意，这个固定源11是可选的，并且在逆变器9中的IGBT晶体管的数量保持为可接受时可能省略。但是，它仍然是有利的，因为它构成无源滤波器，其对逆变器进行操作时所生成的谐波含量进行滤波。
此外，并联连接并且相对于发电机2和整流器4旁路连接的可变无功功率源7和固定无功功率源11提供整流器4所生成的谐波失真的有效滤波，使得整流器4所生成的谐波电流由有源和无源滤波器来滤波，而无需到达感应发电机2，其因此能够被适当评定。
现在参照图2，其示出启动阶段期间的图1的电力供应系统。
在这个阶段期间，对无功功率源6中的电容器逐渐充电，以便避免通过这些电容器的存在所引起的所生成电流的突然增加。
如图2所示，在第一实施例中，这个预充电可通过经由开关16和电阻17连接到无功功率源6的直流源15来实现。
源15例如由电池组成。
同样有可能改为从通过开关19连接到电压匹配变压器20的交流源18、把来自源18的电流转换为直流的整流器二极管21以及连接到无功功率源6的电阻来实现这个预充电。
在预充电期间，对与逆变器9关联的电容器8逐渐充电。当可变无功功率源7变成可操作时，它又对无源滤波器11的电容器12逐渐预充电。
此外，在这个启动阶段期间，逆变器9由控制电路5来控制，以便对整流器4的输出处的滤波电容器23进行充电并且缓慢地对发电机2励磁，从而引起整流器的输出电压的所产生逐渐增加。在整流器的输出达到标称电压电平时，控制单元5闭合断路器24，以向DC电压母线B(图3)供应电力。
如图4所示，在电力供应系统的标称操作期间，发电机2将有功功率P输送给整流器4，其将在发电机的输出所输送的AC电压转换为DC电压。
此外，如先前所示，对发电机2励磁所需的无功功率Q一方面由可变源7来供应，并且另一方面由固定源11来供应。
在电力供应系统的输出所输送的电压电平经由逆变器9来控制。相应地，无功功率的固定比例由固定源11来供应，其余部分按照可控方式由可变源7来供应，以控制输出电压电平，以及对发电机2励磁所需的IGBT晶体管的数量则能够减少。
此外，在无功功率源6中对于包含一方面来自整流器4以及另一方面来自逆变器9的谐波电流的变形功率D进行滤波。
如图5所示，其示出在电力供应系统的电路的特性点的电压和电流的演进，在整流器4的输出的电力供应系统的输出电压在启动序列期间缓慢演进到标称值。
朝滤波器并且特别是朝有源滤波器流动的电流具有较高等级的谐波失真(曲线C2)。另一方面，在发电机2的输出处的电压由于在无功功率源中实现的滤波而具有低等级的谐波失真。
实际上，参照图6，曲线C4示出，如果与没有失真的理想信号互补的分量C5注入来自整流器的信号C6中，则有可能在发电机2的输出得到没有谐波含量的电流。
将会注意，刚才描述的本发明以及特别是有源滤波器可用来通过在减速度期间将电动机交流发电机的速度保持在慢速度，或者在启动电动机-交流发电机时的加速度期间将电动机-交流发电机驱动到慢速度，减慢电动机-交流发电机，以限制与轴线A上的热机应力联系的影响。
在这种操作模式中，用作基于IGBT的电压逆变器的有源滤波器负责向发电机2供应电力，以将它作为电动机进行操作。因此，在启动电动机-交流发电机时，有源滤波器的逆变器供应启动轴A所需的转矩，并且然后将异步发电机驱动到慢速度。在达到慢速度之后，电动机部件3接管以保持轴线A的旋转和加速度。
类似地，在停止系统时，当电动机部件3已经减速并且惯性滑行时，并且当轴线已经达到慢速度时，逆变器9接管并且驱动异步发电机，以保持慢速度。

Claims (10)

1.一种用于向负载供应电力的系统，包括：包括意在由电动机部件(3)所驱动的鼠笼型转子的异步发电机(2)以及适合对于所述发电机所输送的电压进行整流的整流器(4)，其特征在于所述整流器是采用单向电子组件的整流器，并且在于所述用于向负载供应电力的系统包括用于对所述异步发电机励磁的无功功率源(6)，所述无功功率源包括旁路连接在所述整流器和所述异步发电机之间的可变无功功率源（7）以及旁路连接在所述整流器和所述异步发电机之间的固定无功功率源(11)，所述固定无功功率源(11)构成用于对于来自所述可变无功功率源(7)的谐波电流进行滤波的部件，所述无功功率源也构成用于对于来自所述整流器的谐波电流进行滤波的部件，
其中所述用于向负载供应电力的系统还包括用于对所述无功功率源(6)中的电容器逐渐充电的电路(15；18)。
2.如权利要求1所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述可变无功功率源(7)构成用于控制所述整流器的输出电压的部件。
3.如权利要求1所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述可变无功功率源(7)包括采用绝缘栅双极晶体管的电压逆变器(9)和至少一个电容器(8)。
4.如权利要求1所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述固定无功功率源包括RLC电路(12，13，14)。
5.如权利要求1所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述无功功率源(6)构成用于对于来自所述整流器(4)的谐波电流进行滤波的部件。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述用于逐渐充电的电路(15；18)用于对与一组开关(24)关联的所述可变无功功率源的电容器逐渐充电，以用于向DC电压母线(B)供应电力。
7.如权利要求1至5中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于它包括连接到所述整流器(4)的输出的一组滤波电容器(23)。
8.如权利要求1至5中的任一项所述的用于向负载供应电力的系统，其特征在于所述单向电子组件是二极管或晶闸管。
9.一种用于通过电力供应系统向负载供应电力的方法，所述电力供应系统包括：包括由电动机部件(3)所驱动的鼠笼型转子的异步发电机(2)；以及采用单向电子组件的整流器，所述整流器适合对于所述发电机所输送的电压进行整流，其特征在于，所述电力供应系统还包括用于对无功功率源(6)中的电容器逐渐充电的电路(15；18)，所述方法包括：经由所述电路(15；18)对所述无功功率源(6)中的电容器逐渐充电，以及通过所述无功功率源(6)来励磁所述异步发电机，
其中所述无功功率源包括旁路连接在所述整流器和所述异步发电机之间的可变无功功率源（7）以及旁路连接在所述整流器和所述异步发电机之间的固定无功功率源(11)，所述固定无功功率源(11)构成用于对于来自所述可变无功功率源(7)的谐波电流进行滤波的部件，所述无功功率源也构成用于对于来自所述整流器的谐波电流进行滤波的部件。
10.如权利要求9所述的用于通过电力供应系统向负载供应电力的方法，其特征在于，所述可变无功功率源(7)包括采用绝缘栅双极晶体管的电压逆变器(9)和至少一个电容器(8)，所述电压逆变器在使所述电力供应系统进行启动或减速时以旋转方式将耦合所述发电机和所述电动机部件的轴(A)驱动到所述异步发电机的慢速度。
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