CN105393449A - 使用静态励磁系统来减少由波动工业负载引起的扭转振荡的幅度 - Google Patents

Abstract

控制涡轮发电机的轴，其中所述涡轮发电机包括静态励磁系统，并且其中所述轴以预定速度在第一旋转方向上被驱动。控制轴包括检测轴的扭转振荡，基于扭转振荡计算控制信号，并利用控制信号，控制由静态励磁系统从涡轮发电机汲取的功率量。

Description

使用静态励磁系统来减少由波动工业负载引起的扭转振荡的幅度

技术领域

本发明涉及发电设备领域，并且更具体地涉及发电设备的扭转振荡。

背景技术

涡轮发电机使用旋转轴，以将机械运动转换成电力。扭转振荡可以通过与发电机耦合的波动负载在轴内被诱导。波动负载(例如电弧炉)可能导致发电机上的电功率的快速瞬变，其可以发生作用以在发电机的旋转轴内诱导各级扭转振荡。这些瞬变的定时可以是偶尔的使得，否则小扭转振荡可以得到加强并被积聚成具有相当幅度的扭转振荡。过去已经试图抑制这种扭转振荡。这些尝试涉及过滤和流平由发电机供电的负载，以减小任何负载瞬变的幅度以及减轻这种瞬变的重复性质。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于控制具有静态励磁系统的涡轮发电机的轴的系统，其中轴以预定速度在第一旋转方向上被驱动。该系统包括解调器，其被配置为从速度传感器接收速度信号，并基于速度信号确定对应于该轴的扭转振荡的扭转振荡信号。该系统还包括放大器，其具有可控增益，被配置成基于扭转振荡信号产生控制信号，和自动电压调节器，其被配置成接收控制信号，并基于该控制信号控制由静态励磁系统从涡轮发电机汲取的功率量。

本发明的另一方面涉及一种控制具有静态励磁系统的涡轮发电机的轴的方法，其中所述轴以预定的速度在第一旋转方向上被驱动。该方法包括：检测所述轴的扭转振荡，基于所述扭转振荡计算控制信号，并且利用控制信号，控制由静态励磁系统从涡轮发电机汲取的功率量。

附图说明

虽然本说明书总结了特别指出并清楚地要求保护本发明的权利要求，应该相信的是，从以下描述中，结合所附附图，本发明将可以更好地被理解，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1A示出了根据现有技术用于涡轮发电机的示例性静态励磁系统；

图1B示出了根据本发明的原理的涡轮发电机；

图1C示出了补充控制信号如何被注入根据本发明的原理的静态励磁系统的方框示意图；

图2A和2B描述了根据本发明的原理的静态励磁控制系统的示例性信号波形；以及

图3示出了用于控制根据本发明原理的静态励磁系统的示例性方法的流程图。

具体实施方式

在优选实施例的以下详细描述中，参考了形成其一部分的附图，并且其通过说明的方式，而不是通过限制的方式被示出，在特定的优选实施例中可以实践本发明。但是应该理解的是，其他实施例也可以被使用，并且可以进行改变，而不脱离本发明的精神和范围。

使用励磁线圈而不是永久磁铁的发电机需要在励磁线圈内存在电流，以便装置能够工作。如果励磁线圈不通电，发电机内的转子可以旋转，但不产生任何可用的电能，而电动机的转子可能完全不旋转。图1A示出了现有技术静态励磁系统的一个示例。发电机包括旋转发电机磁场102和静止发电机定子104。如众所周知的，该发电机通过3线总线108被耦合，以将产生的电力提供到电网101。

由发电机产生的电力的电压和电流可以被采样或感测，以提供对发电机的当前运行状况的指示。所产生的电压和电流可能无法通过传统的自动电压调节器(AVR)电路112容易地可用，并且因此，电流和电压互感器108可以被用来将来自于总线108的信号降压到AVR112更可用的信号。

静态励磁机118还通过变压器110与发电机的3线总线108耦合，使得电力可以被提供到励磁机118。在图1A的示例电路中，励磁机118包括晶闸管桥，其具有六个耦合到励磁变压器110和发电机磁场102的晶闸管118。AVR112提供驱动晶闸管118的直流控制信号120。基于控制信号120的值，激励机输出电压122被提供给发电机磁场102。

如本领域已知的，AVR112被设计为以这样的方式产生控制信号120，即使得电力发电机的运行特性被更改为更接近重复理想运行参数。普通技术人员将认识到，图1A的电路是说明用于涡轮发电机的静态励磁机或(如本文所使用的)“静态励磁系统”的原理的一个简单示例，并且其他功能上等同的电路也可以实现类似的结果。

本发明的各方面涉及一种在涡轮发电机上提供静态励磁系统的补充控制的方法和设备。补充控制可以使用来自于轴扭转振动、或扭转振荡、转子测量的反馈信号，以便以这样的方式调节静态励磁输出电压，即使由于波动工业负载而在转子中诱导的扭转振荡稳定。

反馈信号可以来自测量涡轮发电机的转子的瞬时速度的一个或多个速度传感器。该反馈信号可以被解调成扭转速度或位移信号，通过适当的滤波器、相移功能和放大发送，以便产生补充控制信号。该补充控制信号然后可以被注入到静态励磁系统的电压调节器内，以控制发电机磁场的瞬时功率。

图1B示出了根据本发明的原理的涡轮发电机。涡轮发电机使用旋转轴将机械运动转换成电力。扭转振荡可由耦合到发电机的波动负载162在轴内诱导。按照本发明的原理，这样的扭转振荡可以通过测量轴旋转的速度来检测。

如关于图1A所描述的，静态励磁系统154可以从发电机150汲取功率152。汲取的功率152量可通过电压调节器156自动地控制。电压调节器156可从电压互感器(VT)146和电流互感器(CT)148接收输入，以基于发电机150的当前运行条件确定用于静态励磁系统154的电压控制信号。

如上所述，速度传感器158可用来确定发电机150的旋转轴的旋转速度。例如，带齿或凹口的轮子可被联接到旋转轴，使得当轴旋转时，轮子也转动。轮子可以直接与旋转轴或各种齿轮联接，并且连杆可以间接联接轮子与旋转轴。伴随地，轮子可以是检测轮子的齿或凹口的通过的一个或多个速度传感器。这样的检测例如可使用光学传感器来实现，其识别的凹口或齿与轮子的其他部分之间的视觉差异。普通技术人员将认识到，许多替代技术可以被用来确定轴的旋转速度，而不脱离本发明的范围。

由传感器158产生的速度传感器信号，可通过扭转解调器160被解调，以提取扭转速度信号161。因为该轴以已知速度(例如3600RPM或1800RPM)在已知的方向上被驱动，当没有发生扭转振荡时，检测到的凹口或齿应该产生已知的理想速度值。然而，当扭转振荡存在并且是在与驱动方向相反的方向上时，所测量的轴的速度将小于预期的理想值。类似地，当扭转振荡是在与驱动方向相同的方向上时，所测量的轴的速度将大于预期的理想值。因此，基于来自速度传感器158所测量的速度信号，扭转速度信号161可以被计算，其反映轴的速度从预期速度值偏离多远的幅度以及振荡频率。扭转速度信号161然后可以被用来产生用于发电机150的静态励磁系统154的补充控制信号185。具体地，静态励磁系统154可以通过抵消扭转振荡被控制，以稳定系统的运行。

如图1B所示，扭转速度信号161可通过带通滤波器184被发送以仅通过期望频带。例如，对于2极60Hz发电机，次同步信号(例如5Hz-20Hz)可以是通过的适当的频率范围。这些相同的频率或其它次同步信号的频率对于4极发电系统可能是有益的。不想要的噪音和其它非扭转分量可以被过滤或以其他方式被带通滤波器184阻止。滤波后的信号163然后可以穿过相位补偿网络和放大器168，以产生补充控制信号165。放大器186的增益被设计为使得某一振幅(即扭转速度信号161)的速度变化将产生合适振幅的控制信号185，以对静态励磁系统154具有期望的效果165。相位补偿网络168被设计成使输出控制信号165的相位匹配输入的滤波信号183的相位。普通技术人员将认识到，各种不同的放大器和补偿电路、软件或数字信号处理器可被采用以实现这些结果，而不脱离本发明的范围。

所得补充控制信号165然后可以通过将其加入到已用于控制静态励磁机输出电压的正常控制信号，被引入静态励磁系统154。

图1C示出了补充控制信号如何被注入按照本发明原理的静态励磁系统的方框示意图。在图1B虚线框168内的元件被缩写为图1C中单块元件188。块188产生补充控制信号165，其可以由加法器184被组合到来自AVR156的控制信号181。这种组合的控制信号186然后可以被用来控制静态励磁系统154的行为，以产生施加到发电机磁场190的场电压188。

普通技术人员将认识到，用于组合信号165和181的许多不同方式在本发明的范围内可以被预期，具体地，该控制信号可以被注入标准发电机电压控制回路内，使得控制信号不会不利地影响发电机的电压控制或起作用以偏压发电机终端电压或无功功率。

在运行中，通过静态励磁系统154升高和降低励磁电压将与增加或减少静态励磁系统从发电机汲取的功率量的成比例。在稳定状态下，静态励磁系统产生预定的工作电压，并从发电机汲取预定量的功率。因此，从其稳定状态工作电压增加或减少通过静态励磁系统提供的电压，将具有分别从发电机汲取或多或少的功率的效果。当由静态励磁系统从发电机汲取的功率增加时，牵制效应产生于旋转发电机轴上，该牵制效应抵抗在轴被驱动的方向上的轴的旋转。当由静态励磁系统汲取的功率减小时，任何牵制效应减弱，使得轴旋转速度在它正被驱动的方向上增加。

图2A和图2B描述了根据本发明原理的静态励磁控制系统的示例性信号波形。在图2A中，纵轴202涉及旋转发电机轴的测量速度和该轴的预期速度之间的差。横轴204表示时间，并且示出了信号163具有周期“t”206。信号163(参照图1B)可以是来自于带通滤波器164的经滤波的信号。信号163具有一部分212，其具有正振幅值，这表明该发电机轴是在与所述轴正被驱动的方向相同的旋转方向上振荡。然而，在区域214内，信号163指示该轴在与轴正被驱动的方向相反的旋转方向上振荡。区域212和214在过零点216相遇。这些振荡的频率和振幅通过参数“振幅”210和“周期t”206捕获。

相位补偿和增益电路166可接收信号163，并产生如图2B所示的适当输出信号165。如上所述，当信号163在区域212内时，牵制可通过增加由静态励磁系统154正在汲取的功率被放置在发电机轴上。这种增加由控制信号165的第一部分222表示。当轴低于预期旋转(例如部分214)时，则由静态励磁系统电压汲取的功率可以减小，以有效地增加轴的旋转速度。

控制信号165的振幅230可以通过实验和/或测试来经验地获得，以确定对于任何实施的特定静态励磁电路，控制信号165的电平与发电机轴的旋转速度上所得到的效果之间的相关性。这样，放大器的增益能够被配置为使得控制信号165可以被产生，其对旋转轴具有所希望的效果。控制信号165的定时基于从图2A中所示的过零点216所计算的振荡频率。例如，对于图2A的信号163，10Hz的旋转振荡产生0.1秒的周期。在半个此周期期间(即0.05秒)内，轴比预期更快地旋转，并且因此控制信号185具有正的振幅。在该周期的另一半期间内，当该轴比预期更慢地旋转时，控制信号185具有负的振幅。相位补偿电路168确保控制信号185的相位将产生静态励磁系统154的电压，其将抵消正发生的旋转振荡。

普通技术人员将容易地认识到，反馈和控制系统可以许多不同的方式被设计而不脱离本发明的范围。例如，控制信号的极性可以与所描述的相反，如果电路被设计成仍然引起在期望的方向(即与扭转振荡相反)上的轴的旋转。

以在这种方式，扭转振荡的稳定化可以以利用已经存在于现有电力设备内的静态励磁系统组件的优点的方式被实现。附加的组件是低功率传感和处理设备。而电力设备运营商可以采取行动在电厂内内部控制扭转振荡，而不依赖于工业负载客户来改变他们的工艺或设备。

图3示出了用于控制根据本发明原理的静态励磁系统的示例性方法的流程图。在步骤302中，发电机轴的瞬时旋转速度被检测。如上所述的各种方法和传感器可被用于确定轴转动得多快。轴的速度被采样的速率取决于可能遇到的任何扭转振荡的频率的范围。例如，该范围可包括在约5至20Hz范围内的扭转振荡。对于该频率范围内的扭转振荡，速度读数可每毫秒被确定。

在步骤304中，轴的速度被解调成扭转振荡信号，其中振幅和扭转振荡频率可以被确定。发电机轴以预定速度在第一旋转方向上被驱动。因此，轴的测量速度与预定速度之间的差提供了轴如何扭转振荡的指示。在振荡的一部分期间，轴在所述轴也被驱动的方向上扭曲，并且在振荡的其它部分中，轴在与所述轴如何被驱动相反的方向上扭曲。所测量的轴速度和预定轴速度之间的差的大小表示扭转振荡的振幅。振荡方向改变多快表示扭转振荡的频率。因此，在步骤304中，这两个值(即振幅和频率)可以被确定。根据至少一个实施例，扭转振荡的振幅和频率可以不必明确地计算。控制信号可以基于从理想轴转速的瞬时速度偏差。在这种情况下，瞬时速度偏差值(即图1B中的信号181)被采样，并随后可以被带通滤波(或相移滤波)。经滤波的信号样本然后可以被放大适当量，以便产生控制信号(即图1B中的信号185)，该控制信号被反馈回电压调节器(即图1B中的156)。换句话说，扭转速度的明显振幅不被计算；相反，无论滤波的信号值发生什么，它都放大预定的增益。以这种方式，控制信号固有地以合适的极性，正确的振幅，和基于检测出的瞬时速度偏差的合适频率被施加。

在步骤308中，控制信号的振幅基于扭转振荡的振幅被确定。例如，控制信号可以基于瞬时速度偏差或可以基于在扭转振荡的一半期间测量的最大振幅。如上所述，放大器(或类似的电路)被配置为具有增益，其产生将引起发电机轴在正确的方向上并以所期望的速度旋转的控制信号。在步骤308中，扭转振荡的频率被用于施加针对适当时间量的控制信号。如前所述，如果该扭转振荡具有0.1秒的周期，则对于该周期的一半，控制信号可以使用一种极性被施加，并且在该周期的另一半，可以相反的极性被施加。当扭转振荡使轴比它被驱动更快地旋转时，则控制信号使得通过静态励磁系统从发电机汲取更多的功率。这有效地使轴在与它如何被驱动相反的方向上转动(即减慢)。当扭转振荡引起轴比它正被驱动更慢地旋转时，则控制信号使得通过静态励磁系统从发电机汲取更少的功率。这有效地使得轴在与其正被驱动方向相同的方向上旋转(即加速)。

虽然本发明的具体实施例已被说明和描述，对于本领域技术人员显而易见的是，可以进行各种其它的变化和修改，而不脱离本发明的精神和范围。因此，在所附权利要求中，意图覆盖属于本发明的范围之内的所有这些变化和修改。

Claims (20)

1.一种控制具有静态励磁系统的涡轮发电机的轴的方法，其中所述轴以预定速度在第一旋转方向上被驱动，该方法包括：

检测所述轴的扭转振荡；

基于所述扭转振荡计算控制信号；以及

利用所述控制信号，控制由所述静态励磁系统从所述涡轮发电机汲取的功率量。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

测量所述轴的旋转速度。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述扭转振荡包括对应于所测量的旋转速度和预定速度之间的差的第一振幅。

4.如权利要求3所述的方法，还包括：

基于所述第一振幅确定所述控制信号的第二振幅。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述扭转振荡包括：持续第一时间周期、对应于所述第一旋转方向的第一部分；和持续第二时间周期、对应于与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向的第二部分。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述扭转振荡包括对应于所述第一时间周期和所述第二时间周期的总和的倒数的频率。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

基于所述第一振幅确定所述控制信号的第二振幅；

在所述第一时间周期期间，对所述静态励磁系统施加具有所述第二振幅和第一极性的控制信号，和

在所述第二时间周期期间，对所述静态励磁系统施加具有所述第二振幅和第二极性的控制信号，所述第二极性与所述第一极性相反。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述控制信号使所述静态励磁系统增加在所述第一时间周期期间从所述涡轮发电机汲取的功率量。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述控制信号使所述静态励磁系统减少在所述第二时间周期期间从所述涡轮发电机汲取的功率量。

10.如权利要求1所述的方法，还包括：

将所述控制信号注入到所述静态励磁系统的自动电压调节器。

11.一种用于控制具有静态励磁系统的涡轮发电机的轴的系统，其中所述轴以预定速度在第一旋转方向上被驱动，该系统包括：

解调器，其被配置为从速度传感器接收速度信号，并基于所述速度信号确定对应于所述轴的扭转振荡的扭转振荡信号；

具有可控增益的信号发生器，其被配置成基于所述扭转振荡信号产生控制信号；和

自动电压调节器，其配置成接收所述控制信号，并基于所述控制信号控制由所述静态励磁系统从所述涡轮发电机汲取的功率量。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述速度传感器被配置为测量所述轴的旋转速度。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述扭转振荡信号包括对应于所测量的旋转速度和预定速度之间的差的第一振幅。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述可控增益被调整，以基于所述第一振幅产生用于所述控制信号的第二振幅。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述扭转振荡信号包括：持续第一时间周期、对应于所述第一旋转方向的第一部分；和持续第二时间周期、对应于与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向的第二部分。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述扭转振荡信号包括对应于所述第一时间周期和所述第二时间周期的总和的倒数的频率。

17.如权利要求16所述的系统，其中：

所述放大器的增益被调整，以基于所述第一振幅产生用于所述控制信号的第二振幅；

在所述第一时间周期期间，具有所述第二振幅和第一极性的所述控制信号被提供到所述自动电压调节器；并且

在所述第二时间周期期间，具有所述第二振幅和第二极性的所述控制信号被提供到所述自动电压调节器，所述第二极性与所述第一极性相反。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述控制信号使所述静态励磁系统增加在所述第一时间周期期间从所述涡轮发电机汲取的功率量。

19.如权利要求17所述的系统，其中所述控制信号使所述静态励磁系统减少在所述第二时间周期期间从所述涡轮发电机汲取的功率量。

20.如权利要求11所述的系统，还包括：

组合器，其被配置成将所述控制信号与其他单独地产生的电压控制信号组合。