CN109314481B - 用于控制电力系统的方法以及电力系统 - Google Patents

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Abstract

用于控制电力系统的方法以及电力系统。所述电力系统包括：原动机，其至少以最小转速以及以最大转速操作；三相(L1、L2、L3)AC发电机(500)，其包括具有定子绕组的定子；连接装置(550)，其用于将发电机的定子绕组连接成星形(Y)连接以及连接成三角形(Δ)连接。定子在三角形(Δ)连接中以最小转速操作，以及在星形(Y)连接中以最大转速操作。

Description

用于控制电力系统的方法以及电力系统
技术领域
本发明涉及用于控制电力系统的方法以及电力系统。
背景技术
在过去，三相AC(交流)感应电机通常被提供有以下可能：将定子绕组来回连接成星形Y连接与三角形Δ连接以便减小感应电机的启动电流。感应电机启动时，定子绕组被连接成星形Y连接，然后，在感应电机达到接近异步转速的转速时，所述星形Y连接被改变成三角形Δ连接。与三角形Δ连接相比，在星形Y连接中感应电机的启动电流减小了大约30％。在星形Y连接中感应电机的启动转矩自然也减小了30％。这意味着仅当感应电机所需的启动转矩足够小时，感应电机才能以星形Y连接启动，从而感应电机可以在定子绕组的星形Y连接被改变成三角形Δ连接之前加速至接近异步转速的转速。
另一方面，三相AC发电机通常以星形Y连接或以三角形Δ连接操作。在三相AC发电机的操作期间，不存在任何的改变定子绕组的连接的需求。这是由于以下事实：这种三相AC发电机通常正在产生到三相AC 电网的电力。三相AC发电机以恒定的转速来操作以便保持三相AC电网的频率恒定。100多年来，三相AC电网是电力分配中的主要解决方案。
然而，情况正缓慢发生变化，并且至少在一些应用中存在用DC电网取代三相AC电网的趋势。存在利用DC电网而不是传统三相AC电网提供具有现代电力推进单元的船舰的趋势。船舰中船载DC电网的使用使得可以将效率提高最高达20％并且将电气设备的占用空间减小最高达30％。船载DC电网使得可以集成并且结合包括可再生能源的不同能源。船载 DC电网的使用还在将系统部件放置在船舰设计内方面提供更大灵活性。船载DC电网使得原动机能够以可变速度运行，从而可以在每个负载水平处使燃料效率最大化。到目前为止，船舰上的总电力负载的最大比例是用于推进助推器。该电力首先必须在AC配电网络中从AC转换成DC，然后DC被馈送为变频逆变器的输入，变频逆变器执行对电机的速度控制。以DC水平的配电使得能够从该电力流中消除配电板和变压器中的损耗。在柴油电力发电机以恒定转速运行以便保持AC网络的频率恒定时，柴油发动机的燃料效率受损。在DC配电系统中，可以改变发电机和柴油机的转速以实现在每个电力水平处的最佳燃料效率。
船载DC电网上的每个电源和耗电器是AC或DC“孤岛”并且它们之间唯一的连接是DC总线。这意味着每个电源和耗电器可以被独立地控制和优化。绝不会发生在共享AC连接的单元之间会出现的复杂的相互作用。由船载DC电网馈送的耗电器被设计成即使在故障条件下也不会相互作用。
在船载DC电网解决方案中，可以包括能量存储器以改善系统的动态性能。柴油发动机处理巨大且快速的负载变化的速度慢。通过使用电池或超级电容器或飞轮以在短时间内提供电力，可以改善船舰的控制能力。能量存储器还可以用于吸收由柴油发动机所见的快速电力波动，从而提高其燃料效率。
船载DC电网是使得在船舰的寿命期间能够容易地重新配置电源和耗电器的数目和类型、电力水平和其他现代化方面的开放式电力平台。
进入DC电网的电力由一组三相AC发电机产生，其中，每个发电机由原动机例如柴油发动机来驱动。每个三相AC发电机的输出经由整流器连接至DC电网。三相AC发电机可以仅针对特定转速被电磁优化。因此，在发电机的转速变化时，发电机的电磁性能将降低。原动机可以在最小转速与最大转速之间的转速间隔内操作。三相AC发电机必须在原动机的最小转速处被电磁优化。因此，三相AC发电机被使用成在原动机的最小转速处具有最大激励但是在原动机的最大转速处具有较低激励。因此，三相 AC发电机对于原动机的最大转速是电磁超尺寸的。
发明内容
本发明的目的是实现用于控制电力系统的改进的方法以及改进的电力系统。
限定了根据本发明的用于控制电力系统的方法。
还限定了根据本发明的电力系统。
一种用于控制电力系统的方法包括：
原动机，其至少能够以最小转速以及以最大转速操作，
三相AC同步发电机，其包括具有定子绕组的定子，
连接装置，其用于在星形Y连接与三角形Δ连接之间切换发电机的定子绕组的连接，
其中，发电机被电磁地定尺寸，使得在发电机的定子绕组被连接成三角形Δ连接的情况下在基本上最小转速处实现第一磁通量，并且使得在发电机的定子绕组被连接成星形(Y)连接的情况下在基本上最大转速处也实现第一磁通量，
该方法包括：
在三角形(Δ)连接中以最小转速操作发电机，以及在星形(Y)连接中以最大转速操作发电机，发电机的最小转速与发电机的最大转速之间的比率基本上为0.60。
一种电力系统包括：
原动机，其至少能够以最小转速以及以最大转速操作，
三相AC同步发电机，其包括具有定子绕组的定子，
连接装置，其用于将发电机的定子绕组连接成星形Y连接以及连接成三角形Δ连接，
一种主控制器，其中：
发电机被电磁地定尺寸，使得在发电机的定子绕组被连接成三角形 (Δ)连接的情况下在基本上最小转速处实现第一磁通量，并且使得在发电机的定子绕组被连接成星形(Y)连接的情况下在基本上最大转速处也实现第一磁通量，
主控制器被布置成在三角形(Δ)连接中以最小转速操作发电机，以及在星形(Y)连接中以最大转速操作发电机，发电机的最小转速与发电机的最大转速之间的比率基本上为0.60。
原动机的最小转速可以是原动机的额定转速的基本上60％。在一些情况下，原动机可以至少在短时间内以略低于或略高于原动机的额定转速的 60％的最小转速来驱动。至少对于一些原动机，原动机的最小转速可以是除了额定转速之外的第二最优转速。除了在额定转速处的第一局部最小值之外，燃料消耗可以在额定转速的60％的转速处达到第二局部最小值。
原动机的最大转速可以是原动机的额定转速的基本上100％。在一些情况下，原动机可以至少在短时间内以略低于或略高于原动机的额定转速的100％的最大转速来驱动。
原动机可以被操作以主要仅在基本上最小转速处或在基本上最大转速处运行。因此，可以仅当在最小转速与最大转速之间以及最大转速与最小转速之间改变转速的转换中使用最小转速与最大转速之间的转速。这可以是例如在原动机可以在海上以最大转速操作并且在到达或离开港口时以最小转速操作的船舰中的情况。
另一方面，原动机还可以操作成以贯穿在最小转速与最大转速之间延伸的第一转速范围的转速来运行。
在星形Y连接与三角形Δ连接之间切换发电机的三相AC定子绕组的连接的可能将使得可以使发电机在发电机的以及从而原动机的两个不同转速处被电磁优化。
在定子绕组的三角形Δ连接中的发电机中的定子绕组上的电压与在星形Y连接中的发电机中的定子绕组上的电压之间的比率可以如等式(1) 所示来定义：
Figure GDA0003312346750000041
该比率值0.58非常接近原动机的最小转速与最大转速之间的比率值 0.60，该比率0.60可以例如在最小转速是原动机的额定转速的60％并且最大转速是原动机的额定转速的100％的情况下实现。在星形Y连接中，发电机的线间电压是发电机的相电压的
Figure GDA0003312346750000043
倍。另一方面，在三角形Δ连接中，发电机的线间电压等于发电机的相电压。
发电机中生成的磁通量Φ可以如等式(2)中所示来定义：
Figure GDA0003312346750000042
其中
Φ是磁通量，
U是发电机中定子绕组上的电压，
f是发电机的频率(1/s)，
速度＝发电机的转速(1/分钟)，
极对＝发电机中的极的数目除以2。
通过将发电机的定子绕组的连接在星形Y连接与三角形Δ连接之间改变，发电机可以在基本上最小转速处以及在基本上最大转速处被最优地电磁定尺寸。
如果定子绕组上的电压恒定，则发电机的转速的减小将使得磁通量增大并且发电机的转速的增大将使得磁通量减小。为了在不同转速处保持磁通量恒定，定子绕组上的电压应当存在相应的变化，以便补偿转速的变化。
定子绕组上的电压的变化可以通过将发电机的定子绕组的连接在星形Y连接与三角形Δ连接之间改变来实现。
在发电机的最小转速与发电机的最大转速之间的比率基本上为0.60 的情况下，定子绕组上的电压的变化与发电机的转速的变化之间将存在紧密匹配。该比率可以例如在发电机的最小转速是原动机的额定转速的60％并且发电机的最大转速是原动机的额定转速的100％的情况下实现。这归因于以下事实：三角形Δ连接中的发电机中的定子绕组上的电压是星形Y 连接中的发电机中的定子绕组上的电压的58％。
在发电机的定子绕组被连接成三角形Δ连接时，在作为原动机的额定转速的60％的最小转速处发电机的磁通量可以保持在第一磁通值处。
另一方面，在发电机的定子绕组被连接成星形Y连接时，在作为原动机的额定转速的100％的最大转速处发电机的磁通量可以保持在第一磁通值处。
这意味着发电机在最小转速处以及在最大转速处被电磁优化。
发电机的输出电压，即发电机的输出中的线间电压将在星形Y连接和在三角形Δ连接中保持大致恒定。这将通过自动电压调节器以与现有技术解决方案相同的方式控制发电机的激励来完成。
在发电机的转速基本上低于最大转速时，可以以三角形Δ连接来操作发电机的定子绕组。另一方面，在发电机的转速基本上等于最大转速时，可以以星形Y连接来操作发电机的定子绕组。
发电机将在作为原动机的额定转速的基本上60％的最小转速处以及在作为原动机的额定转速的基本上100％的最大转速处被电磁优化。在略低于最小转速的转速下或者在最小转速与最大转速之间的转速下或者在略高于最大转速的转速下，发电机的优化将不是完美的，但是该优化将优于仅针对最小转速来优化的现有技术发电机。现有技术发电机中的定子绕组在整个转速间隔期间仅在星形Y连接中或在三角形Δ连接中操作。
实践中发电机被定尺寸成使得允许距优化的转速的例如0至5％或0 至10％或0至15％的小的容限。因此，在发电机绕组上的电压恒定的情况下，发电机可以在不发生磁饱和的情况下以低于最大转速的0至5％或0 至10％或0至15％的转速间隔在星形Y连接中被驱动。另一方面，在发电机绕组上的电压恒定的情况下，发电机也可以在不发生磁饱和的情况下以低于最小转速的0至5％或0至10％或0至15％的转速间隔在三角形Δ连接中被驱动。因此，存在低于最大转速的特定转速容限，该特定转速容限可以在当发电机的转速从最大转速开始减小时将发电机的定子绕组从星形Y连接改变成三角形Δ连接时使用。在当发电机的转速从最小转速开始增大时将发电机的定子绕组从三角形Δ连接改变成星形Y连接时可以使用低于最大转速的相同速度容限。
在对发电机进行驱动的原动机的转速改变并且发电机的定子绕组的连接改变时，发电机可以与电网断开。然后，在所述改变已经完成时发电机可以再次连接回电网。其他的可能是在所述改变期间保持发电机连接至电网。
根据本发明的方法和电力系统可以用在船舰中以在该船舰内向DC电网供电。DC电网可以是1kV DC电网并且使用的发电机可以是高速低电压发电机。发电机的额定转速可以在1000至1800rpm的范围内并且发电机的AC输出端子电压可以小于1kV。
通常，在船舰内存在若干个向DC电网供应电力的发电机。在船舰中的电力需求存在短期以及长期变化。可以通过改变所使用的发电机的数量以及通过改变所使用的发电机的转速来改变发电机的生产能力。短期变化可以通过连接至DC电网的例如电池、超导体和飞轮的能量存储设备来处理。长期变化可以通过仅使用发电机的一部分和/或通过改变发电机的转速以改变发电机能力来处理。
根据本发明的方法和电力系统还可以用于设置有向DC电网供电的发电机的风力涡轮机电场中。
根据本发明的方法和电力系统还可以用于在无任何电网的情况下向 DC负载供电的发电机中。
原动机可以是利用例如柴油、天然气、可再生能源等的任何燃料驱动的内燃机。原动机还可以是风力涡轮机、水轮机等。
该构思可以是根据发电机的转速和饱和度来优化原动机的效率。不同组的发电机原动机组合可以具有与其他组的发电机原动机组合的相应最优值不同的相应最优值。
附图说明
下面，将参照附图借助于优选的实施方式更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出发电机的纵向截面，
图2示出电力系统，
图3示出用于将电力系统中的发电机来回连接成星形Y连接与三角形Δ连接的一种可能性，
图4示出星形Y连接的图3的连接，
图5示出简化形式的发电机的星形Y连接，
图6示出三角形Δ连接的图3的连接，
图7示出简化形式的发电机的三角形Δ连接，
图8示出用于控制发电机的方法的原理。
具体实施方式
图1示出发电机的轴向截面。发电机500可以包括圆柱形旋转转子 100和围绕转子100的圆柱形静止定子200。转子100可以包括轴110和具有转子绕组130(如图3中所示)的转子芯120。另一方面，转子100 芯120可以设置有永磁体。定子200可以包括具有定子绕组220的定子芯 210。
转子100的轴110可以包括中间部111和两个相对的端部112、113。转子芯120可以围绕轴110的中间部111。转子芯120可以包括沿着转子芯120的轴向X-X长度延伸的轴向空气通道A1。转子芯120还可以包括在轴向空气通道A1与转子芯120的外表面之间延伸的第一径向空气通道 R1。轴向空气通道A1可以在转子100的第一端E1处打开并且在转子100 的第二端E2处关闭。因此，发电机500的冷却可以是不对称的，这是由于冷却空气仅从转子100的第一端E1被引导至轴向空气通道A1中。图1仅示出了一个轴向空气通道A1，但是可以存在绕转子100的中心而均匀分布的多个轴向空气通道A1。
定子绕组220可以容纳在设置在定子芯210的内表面中的轴向X-X 槽中。定子绕组220的第一端部221可以从定子芯210的第一端E1突出，并且定子绕组220的第二端部222可以从定子芯210的第二端部E2突出。定子芯210还可以包括在定子芯210的内表面与外表面之间延伸的第二径向空气通道R2。定子绕组220的端可以全部在发电机的第一端E1上抽出。发电机的第一端E1可以是发电机的N端，即发电机的非驱动端。
图1还示出了仅一个第一径向空气通道R1和一个第二径向通道R2，但是可以存在沿着转子100的轴向X-X长度分布的多个第一径向空气通道R1和第二径向空气通道R2。
在定子芯210的内表面与转子芯120的外表面之间可以存在空气隙 G。
可以存在位于发电机500上方的空气冷却器300。空气冷却器可以包括位于转子100的第一端E1上方的第一隔室310、空气冷却器300的中间处的第二隔室320和位于转子100的第二端E2上方的第三隔室330。冷却器300的中间处的第二隔室320可以包括冷却空气管350，冷却空气管350在相对于轴向方向X-X的横向方向上延伸穿过空气冷却器300的第二隔室320。主空气循环可以使冷却空气循环通过冷却空气管350。图1仅示出6个冷却空气管350，但是在第二隔室320中可以存在任何数目的冷却管350。
可以存在在发电机500的第一端E1处的进气室410以及围绕定子200 的第一出气室420。还可以存在位于发电机500的第二端E2处的第二出气室430以及沿X-X轴向地位于发电机500的第二端E2处的第二出气室 430外部的第三出气室440。在进气室410与空气冷却器300的第一隔室 310之间可以存在空气流动通道。转子100中的轴向空气通道A1可以通向在发电机500的第一端E1处的进气室410。定子200中的第二径向空气通道R2可以通向第一出气室420。在第一出气室420与发电机500的第二端E2处的第二出气室430之间可以存在空气通道。在第二出气室430 与第三出气室440之间也可以存在空气通道。第三出气室440可以设置有安装在发电机500的轴110的端部113上的径向风扇450。第二出气室430 与第三出气室440之间的空气通道可以被布置成通过径向风扇450。径向风扇450可以将来自第二出气室430的空气抽入径向风扇450的中心并且将所述空气从径向风扇450的周围吹入第三出气室440中。在第三出气室 440与空气冷却器300中的第三隔室330之间也可以存在空气通道。
次空气循环可以是在空气冷却器300与发电机500之间的闭环中流动的空气循环。冷却空气F1可以从空气冷却器300的第一隔室310流到进气室410，从进气室410流到转子100的第一端E1处的轴向空气通道A1，从轴向空气通道A1流到转子100中的第一径向空气通道R1，从转子100 中的第一径向空气通道R1流到转子100与定子200之间的空气隙G，从空气隙G流到定子200中的第二径向空气通道R2，从定子200中的第二径向空气通道R2流到围绕定子200的第一出气室420，从第一出气室420 流到转子100的第二端E2处的第二出气室430，从第二出气室430流到第三出气室440中的径向风扇450的中间部，从径向风扇450的周围流到第三出气室440，从第三出气室440流到空气冷却器300中的第三隔室330 并且从空气冷却器300中的第三隔室330通过空气冷却器300中的第二隔室320流到空气冷却器300中的第一隔室310。冷却空气流F1可以在其通过空气冷却器300中的第二隔室320中的冷却空气管350时被冷却。
因此，冷却空气F1可以从第二出气室430被引导到径向风扇450的抽取侧并且从径向风扇450的压力侧被引导到空气冷却器300。因此，冷却空气F1可以从径向风扇450的压力侧被引导回进气室410。在不存在空气冷却器300的情况下，冷却空气F1可以从径向风扇450的压力侧被直接引导回进气室410。然后可能需要返回流动路径以将冷却空气F1从径向风扇450的压力侧引导到进气室410。
因此，冷却空气F1可以从转子100的第一端E1被引导到轴向空气通道A1。冷却空气F1可以在轴向空气通道A1中朝向转子100的相对的第二轴向端E2流动。在冷却空气流F1朝向转子100的第二端E2传送时，冷却空气F1可以偏离到第一径向空气通道R1。轴向空气通道A1可以在转子100的第二端E2处关闭。这意味着流入轴向空气通道A1的所有冷却空气流F1可以沿着转子100的轴向X-X长度被分流至第一径向空气通道R1。
次空气循环在图1中示出为在空气冷却器300和发电机500之间的闭环中流动的空气循环。当然也可以将次空气循环布置为没有空气冷却器 300的开式空气循环。外部空气可以从发电机500的第一端E1被抽入发电机500并从发电机500的第二端E2被吹出。
发电机500可以设置有将发电机500和空气冷却器300封装在一个单元中的壳体。
图2示出了电力系统。电力系统可以包括驱动三相AC发电机500的原动机600、将由发电机500产生的三相AC电压转换成DC电压的整流器700、主控制器800、DC电网以及连接至DC电网的AC和DC耗电器。发电机500的轴可以直接或通过传动装置机械地连接至原动机600的轴。原动机600可以驱动发电机500。发电机500的转速可以线性地取决于原动机600的转速。发电机500可以在发电机500的输出端子中产生三相 AC电压。发电机500的输出端子可以连接至整流器700的输入端子。整流器可以将由发电机500产生的三相AC输出电压转换成DC电压。整流器700的输出处的DC电压可以经由DC开关K10连接至DC电网900。 DC电网900可以用于将电力分配给连接至DC电网900的耗电器。AC耗电器可以经由逆变器910和变压器930连接至DC电网900。逆变器910 可以将DC转换成三相AC，并且变压器930可以在DC电网900与AC 耗电器之间形成电隔离。三相电机940还可以经由逆变器920连接至DC 电网900，逆变器920将DC电压转换成三相AC电压。DC耗电器也可以连接至DC电网900。主控制器800可以控制发电机500、整流器700和原动机600。主控制器800可以从发电机500、整流器700和原动机600 接收测量信息。测量信息可以包括例如发电机和/或原动机的转速、发电机500输出的电压和/或电流以及/或者整流器700的任一侧或两侧上的电压和/或电流。DC电网900可以是船舰中的DC配电网。
图3示出用于将电力系统中的发电机来回连接成星形Y连接与三角形Δ连接的一种可能性。
三相AC发电机500可以包括具有三个相L1、L2、L3的定子绕组220 和转子绕组130。附图标记R1、R2、R3表示定子绕组220的相应相L1、 L2、L3的电阻。定子绕组220中的每个相L1、L2、L3的两端223A、223B、 223C、224A、224B、224C可以从定子200中抽出并且连接到位于定子芯 210外部的连接空间。定子绕组220的相L1、L2、L3的第一端223A、223B、 223C可以连接到位于连接空间中的第一输出端子T1中的相应的连接点并且定子绕组220的相L1、L2、L3的第二端224A、224B、224C可以连接到位于连接空间中的第二输出端子T2中的相应的连接点。第三开关K3 可以连接在第一输出端子T1和逆变器700的输入端子之间。逆变器700 的输出可以经由DC开关K10连接至DC电网。发电机500的输出电压可以被馈送到控制发电机500的输出电压的自动电压控制器AVR 850。这可以通过控制发电机500的转子绕组130的激励来完成。主控制器800可以控制发电系统中的一个或若干个部件。连接空间可以布置在例如在空气冷却器300中或布置在附接至发电机500的框架的单独的连接盒中。因此，连接空间可以形成在发电机500内。
电力系统还可以包括连接装置550，连接装置550使得可以将定子绕组220连接成星形Y连接以及连接成三角形Δ连接。连接装置550可以包括接线、第一开关K1和第二开关K2。第二开关K2可以连接在第一输出端子T1与第二输出端子T2之间。第一开关K1的第一侧可以连接至第二输出端子T2中的相应连接点，并且第一开关K1的相对的第二侧可以被短路。第三开关K3可以是主开关，该主开关将发电机500连接至逆变器700从而连接至DC电网900以及将发电机500与逆变器700断开连接从而与DC电网900断开连接。第一开关K1、第二开关K2和第三开关 K3可以由主控制器800操作。发电机500的转速和/或原动机600的转速可以被测量并且被馈送到主控制器800。开关K1、K2、K3可以是线路断路器或可以基于半导体开关。半导体开关可以被实现为针对每个相的单独开关。
包括输出端子T1、T2的连接装置550可以位于发电机500的连接空间中。连接装置550可以集成到发电机中，使得连接装置550形成发电机 500的一部分。连接装置550和输出端子T1、T2可以位于发电机500的壳体内。输出端子T1、T2可以位于连接盒中。连接盒可以布置在发电机 500的壳体内，或者连接盒可以附接至发电机500的壳体的外表面。连接装置550可以位于连接盒中或发电机500的壳体内的其他地方，或者部分地位于连接盒内并且部分地位于发电机500的壳体内的其他地方。连接装置550可以部分地或完全地位于发电机500的空气冷却器300内。第三开关K3也可以集成到发电机500中。另一方面，第三开关K3可以位于发电机500的外部。
在图3中所有开关K10、K1、K2、K3均是断开的。
图4示出星形Y连接的图3的连接，图5示出简化形式的发电机的星形Y连接。在图5中省略了端子T1、T2和开关K1、K2。
通过闭合第一开关K1并保持第二开关K2断开，可以将发电机500 绕组的定子绕组220连接成星形Y连接。DC开关K10和第三开关K3自然闭合，从而发电机500产生到DC电网的电力。
定子绕组220的所有相L1、L2、L3的第二端224A、224B、224C经由第二输出端子T2和第一开关K1被连接在一起以形成连接中的星点。定子绕组220的相L1、L2、L3的第一端223A、223B、223C连接至第一输出端子T1，并且从而连接至发电机500的输出。
图6示出三角形Δ连接的图3的连接，图7示出简化形式的发电机的三角形Δ连接。图7中省略了端子T1、T2和开关K1、K2。
通过闭合第二开关K2并且保持第一开关K1断开，可以将发电机500 的定子绕组220连接成三角形Δ连接。DC开关K10和第三开关K3自然闭合，从而发电机500产生到DC电网的电力。
定子绕组220中的第一相L1的第二端224A经由第二输出端子T2和第二开关K2连接至第一输出端子T1中的定子绕组220中的第二相L2的第一端223B。定子绕组220中的第二相L2的第二端224B经由第二输出端子T2和第二开关K2连接至第一输出端子T1中的定子绕组220中的第三相L3的第一端223C。定子绕组220中的第三相L3的第二端224C经由第二输出端子T2和第二开关K2连接至第一输出端子T1中的定子绕组 220中的第一相L1的第一端223A。定子绕组200的相L1、L2、L3的第一端223A、223B、223C连接至发电机500的第一输出端子T1。
发电机500可以仅针对特定转速被电磁优化。因此，在发电机500的转速改变时发电机500的电磁性能将降低。原动机600可以例如以两个不同的转速即以最小转速和最大转速被操作。现有技术的解决方案中，发电机仅在最小转速处被电磁优化。这意味着发电机500被操作成在原动机 600的最小转速处具有基本上最大的磁通量，而在原动机600的最大转速处具有较低的磁通量。因此，发电机500对于原动机600的最大转速是电磁超尺寸的。
将发电机500的定子绕组220连接成星形Y连接以及连接成三角形Δ连接的可能使得可以使发电机在原动机600的最小转速处以及在原动机 600的最大转速处被电磁优化。原动机600的最小转速与原动机600的最大转速之间的比率可以基本上为0.60。这可以在例如原动机600的最小转速是原动机600的额定转速的基本上60％并且原动机600的最大转速是原动机的额定转速的基本上100％的情况下实现。三角形Δ连接的发电机 500中的定子绕组220上的电压与星形Y连接的发电机500中的定子绕组220上的电压之间的比率是
Figure GDA0003312346750000131
该值非常接近最小转速与最大转速之间的0.60的比率值。
因此，通过将定子绕组220的连接在三角形Δ连接与星形Y连接之间改变，发电机500可以在最小转速和最大转速处被最优地电磁定尺寸。
图8示出了用于控制发电机的方法的原理。该图的横轴显示原动机 600的转速N，从而还显示发电机500的转速N。
发电机500可以至少以最小转速RSmin以及以最大转速RSmax操作。第一转速范围RSR1在最小转速RSmin与最大转速RSmax之间延伸。中间转速RSmid处于最小转速RSmin与最大转速RSmax的中间。这意味着 RSmid＝(RSmin+RSmax)/2。
第一阈值转速RS1被定义为低于最大转速RSmax，从而第二转速范围RSR2形成在第一阈值转速RS1与最大转速RSmax之间。
第二阈值转速RS2被定义为低于最大转速RSmax，从而第三转速范围RSR3形成在第二阈值转速RS2和最大转速RSmax之间。
第一阈值转速RS1和第二转速RS2可以具有相同的值，或者它们可以具有不同的值。
主控制器800可以布置成在三角形Δ连接中以最小转速RSmin操作发电机500，并且在星形Y连接中以最大转速RSmax操作发电机500。
发电机500的定子绕组220的连接从三角形Δ连接改变成星形Y连接以及从星形Y连接改变成三角形Δ连接可以被完成，使得主控制器800 控制连接装置550以将发电机500的定子绕组220连接成所期望的连接。因此，主控制器800将控制连接装置550中的开关K1和K2。
原动机600的最小转速RSmin与原动机600的最大转速RSmax之间的比率可以基本上为0.60。这可以在例如原动机600的最小转速RSmin 是原动机600的额定转速RSn的基本上60％并且原动机600的最大转速 RSmax是原动机600的额定转速RSn的基本上100％的情况下实现。
因此，发电机500被最优地电磁定尺寸，使得在发电机500的定子绕组220连接成三角形Δ连接的情况下在最小转速RSmin处实现第一磁通量Φ，并且使得在发电机500的定子绕组220连接成星形Y连接的情况下在最大转速RSmax处也实现第一磁通量Φ。
第一磁通量Φ是接近发电机的最大磁通量Φ的磁通量。发电机500 可以被电磁地定尺寸，使得在发电机500连接成星形连接的情况下在低于最大转速RSmax的15％或10％或5％的转速处实现发电机500的基本上最大磁通量Φ。另一方面，发电机500也可以被电磁地定尺寸，使得在发电机500连接成三角形Δ连接的情况下在低于最小转速RSmin的15％或10％或5％的转速处也实现发电机500的相同的基本上最大磁通量Φ。因此，在定子绕组上的恒定电压处，发电机500可以在发电机未饱和的情况下在星形连接中以低于最大转速RSmax的0至15％或0至10％或0至5％的转速间隔来操作。在定子绕组上的恒定电压处，发电机500也可以在发电机未饱和的情况下在三角形连接中以低于最小转速RSmin的0至15％或0至10％或0至5％的转速间隔来操作。在保持发电机500的输出电压基本恒定的每种情况下，将以较低速度限制实现发电机500的基本上最大磁通量Φ。
在发电机500的转速增大的情况下，在从转速的第一阈值RS1延伸至最大转速RSmax的第二转速范围RSR2内，发电机500的定子绕组220 的连接可以从三角形Δ连接改变成星形Y连接，转速的第一阈值RS1低于最大转速RSmax。
在发电机500的转速减小的情况下，在从最大转速RSmax延伸至转速的第二阈值RS2的第三转速范围RSR3内，发电机500的定子绕组220 的连接可以从星形Y连接改变成三角形Δ连接，转速的第二阈值RS2低于最大转速RSmax。
转速的第一阈值RS1可以是发电机500的最大转速RSmax的85％或 90％或95％。
转速的第二阈值RS2可以是发电机500的最大转速RSmax的85％或 90％或95％。
转速的第一阈值RS1和转速的第二阈值RS2可以相同，即它们可以形成转速的仅一个公共阈值。
发电机500的转子绕组130可以用由激励器系统产生的DC电流来激励。激励器系统可以基于旋转激励器或静态激励器。可以利用AVR 850 控制磁场从而控制发电机500的输出电压，AVR 850可以控制转子绕组130 的电压和DC激励电流。用于星形Y连接的定子绕组220以及用于三角形Δ连接的定子绕组220的发电机500的转子100的电压和/或DC激励电流可以不同，但是这不是主要的设计标准。与定子绕组220的连接相比，DC 激励电流和/或电压的大小更依赖于发电机500的负载。
发电机500的定子绕组220的连接在星形Y连接和三角形Δ连接之间改变的可能使得可以使发电机在基本上最小转速RSmin处以及在基本上最大转速RSmax处被电磁优化。因此，发电机500将在与原动机600 相同的转速点处被电磁优化。
发电机500有利地是具有至少500kW，优选地至少1MW的功率的同步发电机。在大型发电机中使用星形三角形(Y-Δ)连接的优势更大。大型发电机的超尺寸是昂贵的。
整流器700可以是单独的实体，或者它可以集成到发电机500中。整流器700可以例如位于发电机500的空气冷却器300内。整流器700可以是无源整流器700，这是因为发电机500的输出电压可以用发电机500的转子100的电压和/或DC激励电流来调节。发电机500的输出电压，即整流器700的输入电压的调节将影响整流器700的DC输出电压。另一方面，整流器700可以是有源整流器700，从而调节整流器700的超前角。较大的超前角导致较小的DC电压，反之亦然。
对于本领域技术人员明显的是，随着技术的进步，本发明构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (13)

1.一种用于控制电力系统的方法，包括：
原动机(600)，其至少能够以最小转速(RSmin)以及以最大转速(RSmax)操作，
三相(L1、L2、L3)AC同步发电机(500)，其包括具有定子绕组(220)的定子(200)，
连接装置(550)，其用于将所述发电机(500)的所述定子绕组(220)连接成星形(Y)连接以及连接成三角形(Δ)连接，
其中，所述发电机(500)被电磁地定尺寸，使得在所述发电机(500)的所述定子绕组(220)被连接成所述三角形(Δ)连接的情况下在基本上所述最小转速(RSmin)处实现第一磁通量(Φ)，并且使得在所述发电机(500)的所述定子绕组(220)被连接成所述星形(Y)连接的情况下在基本上所述最大转速(RSmax)处也实现所述第一磁通量(Φ)，
所述方法包括：
在所述三角形(Δ)连接中以所述最小转速(RSmin)操作所述发电机(500)，以及在所述星形(Y)连接中以所述最大转速(RSmax)操作所述发电机(500)，所述发电机(500)的所述最小转速(RSmin)与所述发电机(500)的所述最大转速(RSmax)之间的比率基本上为0.60。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括，在所述发电机(500)的转速增大的情况下，在从所述转速的第一阈值(RS1)延伸至所述最大转速(RSmax)的第二转速范围(RSR2)内将所述发电机(500)的所述定子绕组(220)的连接从所述三角形(Δ)连接改变成所述星形(Y)连接，所述转速的第一阈值(RS1)低于所述最大转速(RSmax)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括，在所述发电机(500)的转速减小的情况下，在从所述最大转速(RSmax)延伸至所述转速的第二阈值(RS2)的第三转速范围(RSR3)内将所述发电机(500)的所述定子绕组(220)的连接从所述星形(Y)连接改变成所述三角形(Δ)连接，所述转速的第二阈值(RS2)低于所述最大转速。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，还包括：将所述原动机(600)的所述最小转速(RSmin)选择成所述原动机(600)的额定转速(RSn)的基本上60％。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，还包括：将所述原动机(600)的所述最大转速(RSmax)选择成所述原动机(600)的额定转速(RSn)的基本上100％。
6.根据权利要求2所述的方法，还包括：将所述转速的第一阈值(RS1)和所述转速的第二阈值(RS2)选择成所述发电机(500)的所述最大转速(RSmax)的85％。
7.一种电力系统，包括：
原动机(600)，其至少能够以最小转速(RSmin)以及以最大转速(RSmax)操作，
三相(L1、L2、L3)AC同步发电机(500)，其包括具有定子绕组(220)的定子(200)，
连接装置(550)，其用于将所述发电机(500)的所述定子绕组(220)连接成星形(Y)连接以及连接成三角形(Δ)连接，
主控制器(800)，其中：
所述发电机(500)被电磁地定尺寸，使得在所述发电机(500)的所述定子绕组(220)被连接成所述三角形(Δ)连接的情况下在基本上所述最小转速(RSmin)处实现第一磁通量(Φ)，并且使得在所述发电机(500)的所述定子绕组(220)被连接成所述星形(Y)连接的情况下在基本上所述最大转速(RSmax)处也实现所述第一磁通量(Φ)，
所述主控制器(800)被布置成在所述三角形(Δ)连接中以所述最小转速(RSmin)操作所述发电机(500)，以及在所述星形(Y)连接中以所述最大转速(RSmax)操作所述发电机(500)，所述发电机(500)的所述最小转速(RSmin)与所述发电机(500)的所述最大转速(RSmax)之间的比率基本上为0.60。
8.根据权利要求7所述的电力系统，其中，在所述发电机(500)的转速增大的情况下，在从所述转速的第一阈值(RS1)延伸至所述最大转速(RSmax)的第二转速范围(RSR2)内将所述发电机(500)的所述定子绕组(220)的连接从所述三角形(Δ)连接改变成所述星形(Y)连接，所述转速的第一阈值(RS1)低于所述最大转速(RSmax)。
9.根据权利要求7或8所述的电力系统，其中，在所述发电机(500)的转速减小的情况下，在从所述最大转速(RSmax)延伸至所述转速的第二阈值(RS2)的第三转速范围(RSR3)内将所述发电机(500)的所述定子绕组(220)的连接从所述星形(Y)连接改变成所述三角形(Δ)连接，所述转速的第二阈值(RS2)低于所述最大转速(RSmax)。
10.根据权利要求8所述的电力系统，其中，将所述转速的第一阈值(RS1)和所述转速的第二阈值(RS2)选择成所述发电机(500)的所述最大转速(RSmax)的85％。
11.根据权利要求7至8中任一项所述的电力系统，其中，所述定子绕组(220)的每个相(L1、L2、L3)的第一端(223A、223B、223C)被连接至第一输出端子(T1)中的相应连接点，并且所述定子绕组(220)的每个相(L1、L2、L3)的第二端(224A、224B、224C)被连接至第二输出端子(T2)中的相应连接点，所述第一输出端子(T1)和所述第二输出端子(T2)被布置在连接空间中。
12.根据权利要求11所述的电力系统，其中，所述第二输出端子(T2)中的连接点被连接至第一开关(K1)的第一侧处的相应连接点，从而，所述第一开关(K1)的第二侧处的连接点中的每个连接点被短路以形成所述定子绕组(220)的星形(Y)连接中的星点。
13.根据权利要求12所述的电力系统，其中，所述第二输出端子(T2)中的连接点经由第二开关(K2)被连接至所述第一输出端子(T1)中的相应连接点，使得所述定子绕组(220)中的第一相(L1)的第二端(224A)被连接至所述定子绕组(220)中的第二相(L2)的第一端，所述定子绕组(220)中的第二相(L2)的第二端(224B)被连接至所述定子绕组(220)中的第三相(L3)的第一端，并且所述定子绕组(220)中的第三相(L3)的第二端(224C)被连接至所述定子绕组(220)中的第一相(L1)的第一端，从而，所述定子绕组(220)变得连接成所述三角形(Δ)连接。
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