CN107075973B - 用于将涡轮机与电网同步的方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将涡轮机与交流电网以电网频率(2)同步的方法，所述方法具有如下步骤：A)将涡轮机加速至电网频率(2)的范围中的频率(4)；B)检测涡轮机和交流电网之间的角度差；C)检测涡轮机和交流电网之间的速度差；D)将涡轮机加速或减速，使得涡轮机遵循理论轨迹(5)，其中理论轨迹(5)是预先计算出的轨迹，所述轨迹与角度差相关地给出理论速度差，应当存在所述理论速度差，以便在交流电网和涡轮机速度一致的情况下实现涡轮机和交流电网之间的、适合于同步馈入的目标角位置。本发明同样涉及一种用于涡轮机的相关的控制装置。

Description

用于将涡轮机与电网同步的方法和控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于将涡轮机与电网同步的方法和一种相关的控制装置。

背景技术

在将所产生的电流馈入电网中的电厂中发电时，需要注意的是：以相位正确的方式馈入电流。在热发电设备中，因此将涡轮机置于与电网相位匹配的角位置中，以便能够馈入电流，其中在所述发电设备中在由涡轮机驱动的发电机中产生电流。准确地说，这显然取决于发电机转子的角位置。因为发电机的转子在通常情况下与涡轮机的转子牢固地连接，所以当前总是提出：必须同步涡轮机，而这实际与发电机相关。

在现有技术中，通常，与电网的相位角无关地将涡轮机置于电网频率上。于是，涡轮机借助于所谓的同步设备置于正确的相位角中。对此，将涡轮机略微加速或减速，以非正规的方式能够称作为往复运动，直至匹配相位角。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于将涡轮机与交流电网以改进的方式同步的方法。所述目的的解决方案尤其在独立权利要求中说明。从属权利要求给出实施方式。其他的细节能够从说明书中得出。

众所周知的是：提供一种用于将涡轮机与交流电网以电网频率同步的方法，所述方法具有如下步骤。

在步骤A)中，将涡轮机加速至电网频率的范围中的频率。通常，将电网频率的范围中的频率是低于电网频率大致1赫兹直至高于电网频率大致1赫兹的区间中的频率。精确的数值是不重要的。决定性的是：电网频率和涡轮机频率之间的差不再是特别高的。

作为步骤B)提出检测涡轮机和交流电网之间的角度差。

作为步骤C)提出检测涡轮机和交流电网之间的速度差。换言之，确定涡轮机频率和电网频率之间的差。

电网频率理论上能够是已知的。然而，由于频率波动，有意义地也能够检测电网频率。同样的内容在理解方面更适用于电网的相位角。

要理解的是：步骤C)通常需在步骤A)期间执行，以便了解涡轮机频率何时达到电网频率的范围。因为除了小的、在步骤A中还不太重要的波动之外，电网频率是恒定的，所以在步骤A)中还能够放弃检测速度差，并且加速到直至已知的电网频率、在德国例如为50赫兹的范围中。

对于本发明决定性的是步骤D)，即将涡轮机加速或减速，使得涡轮机遵循理论轨迹。在此，理论轨迹是事先计算出的轨迹，所述轨迹与角度差相关地给出理论速度差，应当存在所述理论速度差，以便在交流电网频率和涡轮机速度一致的情况下实现涡轮机和交流电网频率之间的、适合于同步馈入的目标角位置。

理论轨迹为数学函数，所述数学函数说明：根据角度差，理论速度差应当具有何数值，以便在交流电网和涡轮机速度一致的情况下实现适合于同步馈入的目标角位置。在此，理论轨迹明显地与所寻求的加速度或减速度相关。要理解的是：在调节到理论轨迹上时不应当进行不必要的机械负载，例如通过过强地制动引起的机械负载。在此，不需要针对相应的应用分别重新选择理论轨迹。

由于涡轮机遵循理论轨迹，在加速或减速结束时，即在涡轮机频率和电网频率一致的情况下立即开始电流馈入，因为已达到期望的角位置。以该方式，能够减少开始产生电流之前的时间。因此能够实现更高的经济效益。在此尤其重要的观点是：在做出启动电厂决定之后，有时立即需要电流。在这种情况下，对于电网的稳定性具有决定性意义的是：快速地开始产生电流。在此，几分钟能够具有高的经济意义。在现有技术中，在涡轮机频率大致对应于电网频率之后，为了达到正确的相位角还需要二至三分钟。借助本发明能够显著地减少该时间、有时减少到几秒。

因为检测速度差和角度差，同时检测和考虑电网频率的可能的波动。因此，即使当电网频率出现波动时，也可靠地进行同步。

在本发明的一个实施方式中提出：为了对涡轮机加速或减速使得涡轮机遵循理论轨迹，重复执行如下步骤：

作为步骤E)提出：确定在检测到角度差时从理论轨迹中得到的理论速度差。

在步骤F)中，将理论速度差与在检测角度差时检测到的速度差进行比较。

在步骤G)中，加速或减速涡轮机，使得至少近似达到理论速度差。

为了清楚解释需要说明的是：“速度差”是以测量方式检测的速度差，即以测量方式检测的、涡轮机和电网之间的频率差。与此相反，从理论轨迹中读出理论速度差。代替速度差，总是也能够考虑频率差。

观察到下述情况：涡轮机比电网更快、即涡轮机频率高于电网频率并且必须将涡轮机减速。于是，在理论速度差高于以测量方式检测到的速度差的情况下适用的是：降低涡轮机的减速度，并且在理论速度差低于速度差时提高涡轮机的减速度。

只要涡轮机频率低于电网频率，在理论速度差高于速度差的情况下适用的是：将涡轮机更弱地进行加速，并且相应地在理论速度差低于速度差的情况下，更强地进行加速。

也能够考虑：即使在涡轮机频率高于电网频率的情况下也短暂地加速涡轮机，并且在涡轮机频率低于电网频率的情况下短暂地减速涡轮机，以便遵循理论轨迹。然而这通常不会发生。

在一个重要的实施方式中，连续地执行步骤E)、即确定在检测到角度差时从理论轨迹中得到的理论速度差，和步骤F)、即将理论速度差与在检测角度差时检测到的速度差进行比较。因此，能够连续地调整根据步骤G)所要求的加速度或减速度。

遵循理论轨迹也能够视作为调节回路，在所述调节回路中速度差是可控变量，并且理论速度差是基准变量。

在一个实施方式中，理论轨迹是抛物线形的。因此，理论轨迹选择成，使得理想遵循的减速函数具有抛物线的形式。这于是对应于具有线性下降的减速度的减速，在达到正确的相位角时，涡轮机的减速度等于零。

这证实为是可用的。在此，考虑减速函数和减速度；在此假设：涡轮机首先加速至高于电网频率的频率。否则，必须考虑加速函数和加速度。

在一个实施方式中，将涡轮机加速至高于电网频率的频率。该方式在实践中得到证实。于是，如已经提及的那样适用的是：涡轮机自高于电网频率的所述频率起减速至电网频率。在此要注意的是：在正常情况下没有实现将涡轮机精确地加速至某一频率。涡轮机首先还被进一步加速，也考虑超限或超调。在该超限之后才有意义的是：根据理论轨迹对涡轮机制动。只要理论轨迹包括制动，就也能够考虑理论制动函数。

就快速同步而言，高于电网频率大约0.25Hz的频率是极其适合的。借此，一方面在制动期间待实现的速度降低是清楚的。另一方面，在涡轮机频率和电网频率之间存在足够的差。

在一个实施方式中考虑：在多相电网中能够存在多个目标角位置，其中优选选择如下目标角位置，该目标角位置由在开始调节到理论轨迹上时存在的角度差最快速地达到。这通常应当是下述目标角位置，其中涡轮机至少必须相对于电网转动。

在如德国电网中存在具有120°的相位差的三个相位。相应地，发电机也具有相应的结构，使得转动120°又引起在相位角方面相同的位置。就此而言，多个目标角位置总是可行的。涡轮机相对于电网的相位角以所需要的方式进行的转动在上述情况下还总是小于120°。

在一个实施方式中，需要大约20s来加速或减速涡轮机，使得涡轮机遵循理论轨迹直至达到目标角位置。因此，能够在没有过度机械负荷的情况下，在可查的时间内将涡轮机制动或加速到电网频率。

在高于电网频率0.25Hz的上面示例性地提出的理论保持频率中，在加速度中的超限衰减之前需经过大约10秒。连同示例性的、用于制动涡轮机的20秒的时间一起，因此在大致30秒时间之内能够开始产生电流。与通常2分钟至3分钟的现有技术相比，这是显著的改进。

本发明同样涉及一种用于涡轮机的控制装置，所述控制装置配置用于根据上述方法控制涡轮机。

附图说明

下面，根据附图示出本发明的另外的细节。

在此示出：

图1示出涡轮机频率、电网频率和理论轨迹的视图；

图2示出与涡轮机和电网之间的角度差相关的理论轨迹，即在制动时的电网频率和涡轮机频率之间的差的理论变化曲线。

具体实施方式

在图1中示例地示出在涡轮机频率1、电网频率2和理论轨迹3之间的关联关系。在纵坐标上绘制以赫兹为单位的频率，在横坐标上绘制以秒为单位的时间。作为点线示出的电网频率2为50赫兹。电网频率2的能够出现的波动在此应不被考虑。实线示出涡轮机频率1。虚线示出涡轮机的理论频率3的变化曲线。如在涡轮机频率1的变化曲线处可见，在涡轮机加速到50.25赫兹时首先加速超过该数值，即所谓的超限。在开始将涡轮机以受调节的方式制动至电网频率之前，首先应等待超限。

为了显示上述内容，理论频率3应在55秒处开始的且在75秒处终止的时间段中在50.25Hz的频率处作为直线4伸展。

随后，应进行抛物线形的制动。理论频率3继续作为理论轨迹5伸展，该理论轨迹构成为理论制动函数。理论频率3因此由直线4和随后的理论制动函数5构成。

理论制动函数5如已经示出的那样为数学关联关系，所述数学关联关系说明在涡轮机和电网之间必须存在何种速度差，即在涡轮机和电网之间存在何种频率差，以便在涡轮机和电网的频率一致的情况下达到期望的目标角位置。

目标角位置是如下角位置，所述角位置对于同步是必需的。涡轮机因此在该角度下必需达到电网频率。在此，理论制动函数具有如下目的：建立在电网和涡轮机频率之间的理论差和在涡轮机和电网之间的角度差之间的关联。要注意的是：在各个相位移动120°的三相电网中，为了同步考虑三个错开120°的角位置。能够选择如下角度作为目标角位置，所述角度由在开始调节到理论制动函数5时存在的角度差最快地达到。

在图2中示出理论制动函数5的视图。在纵坐标上绘制以赫兹为单位的频率差。数值描述相对于电网的理论速度差。在此，示出0赫兹至0.25赫兹的数值范围。在横坐标上绘制涡轮机和电网之间的角度差。在此，在制动结束时将数值设定为0，这对应于目标角位置零，并且数值之前为负值。可见的是：在制动期间，经过正好1.6转的标称角度差。

现在回到图1，从图1中可见：在加速到50.25赫兹之后进行超限。在那里可读出的、为50.31赫兹的数值是纯示例性的并且原则上不被提出，因为超限是设备特定的。

在超限之后，根据理论制动函数5进行制动。对此，连续地检测角度差和速度差。将测量到的速度差与理论速度差比较，所述理论速度差如图2中示出能够从相应的角度差的理论制动函数5中读出。涡轮机的减速于是相应持续地调整，使得速度差尽可能达到理论速度差。

最后，在时间点85秒处达到电网频率2，并且涡轮机具有适合于电网的角位置，使得能够相位正确地产生电流和进行电网馈电。要强调的是：85秒在此是示例性的。实际值还与所考虑的涡轮机和所选择的制动或加速函数相关。

最后，应示出数值实例和相关的计算。

时间为t，涡轮机频率和电网频率最终一致的时间点为t₀。电网频率为50赫兹。制动应在20秒内根据抛物线形的理论制动函数进行。于是，对于电网和涡轮机频率之间的差适用如下：

在制动期间相关的标称的角度差作为在制动开始的角度差与通过制动得到的角度差的总和计算。因此适用的是：

遵照要求

得出

在这种情况下要注意的是：在此，以转数表示角度差，数值1因此对应于360°。

角度差能够根据电网和涡轮机速度之间的差来描述：

同样地，电网和涡轮机速度之间的差能够根据角度差描述。

在图2中能够观察相应的曲线。

根据抛物线形的理论制动函数进行的上述考量能够转用于其他的理论制动函数。有时，以分析的方式确定关联关系是不可能的或者是非常困难的。然而，上述公式的数字求解或通过特征曲线预设总是可行的。

尽管详细地通过优选的实施例详细阐明和描述本发明，那么本发明不通过所公开的实例来限制并且能够由本领域技术人员从中推导出其他的变型形式，而不会偏离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于将涡轮机与交流电网以电网频率(2)同步的方法，所述方法具有如下步骤：

A)将所述涡轮机加速至在所述电网频率(2)的范围中的频率(4)；

B)检测涡轮机和交流电网之间的角度差；

C)检测涡轮机和交流电网之间的速度差；

D)将涡轮机加速或减速，使得所述涡轮机遵循理论轨迹(5)，其中所述理论轨迹(5)是预先计算出的轨迹，所述预先计算出的轨迹与所述角度差相关地给出理论速度差，应当存在所述理论速度差，以便在交流电网和涡轮机速度一致的情况下实现涡轮机和交流电网之间的、适合于同步馈入的目标角位置。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

为了将所述涡轮机加速或减速使得所述涡轮机遵循所述理论轨迹(5)，重复执行如下步骤：

E)确定在检测角度差时从所述理论轨迹(5)中得到的理论速度差；

F)将所述理论速度差与在检测角度差时检测到的速度差进行比较；

G)加速或减速所述涡轮机，使得至少近似达到所述理论速度差。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于，

连续地执行步骤E)和F)，以便连续地调整根据步骤G)所要求的加速度或减速度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述理论轨迹(5)是抛物线形的。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，

将所述涡轮机加速至高于所述电网频率(2)的频率。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，

考虑：在多相电网中能够存在多个目标角位置。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，

需要大约20s来将所述涡轮机加速或减速，使得所述涡轮机遵循所述理论轨迹(5)直至达到所述目标角位置。

8.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于，

将所述涡轮机加速至高于所述电网频率(2)大约0.25Hz的频率。

9.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

选择能够最快速达到的那个目标角位置。

10.一种用于涡轮机的控制装置，所述控制装置配置用于根据权利要求1至9中任一项所述的方法控制涡轮机。