CN113228450A - 混合同步调相机和发电单元 - Google Patents

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CN113228450A CN201880100477.3A CN201880100477A CN113228450A CN 113228450 A CN113228450 A CN 113228450A CN 201880100477 A CN201880100477 A CN 201880100477A CN 113228450 A CN113228450 A CN 113228450A
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Abstract

一种可连接到电力网的混合发电单元和同步调相机系统包括：燃气轮机，所述燃气轮机耦接到第一轴并且可操作以向所述第一轴提供旋转能；齿轮箱，所述齿轮箱耦接到所述第一轴；以及第一离合器部分，所述第一离合器部分耦接到所述第一轴。马达选择性地耦接到所述齿轮箱以转动所述齿轮箱和所述第一轴，第二离合器部分连接到第二轴，并且发电机耦接到所述第二轴。所述发电机可选择性地连接到所述电网以在所述第一离合器部分和所述第二离合器部分脱离时充当同步调相机，并且在所述第一离合器部分和所述第二离合器部分接合时将来自所述第一轴的旋转能转换为电力。

Description

混合同步调相机和发电单元
技术领域
本公开内容总体涉及一种可操作以产生电力并且充当同步调相机的发电单元，并且更具体地涉及被布置成提高所述单元的效率的这种单元。
背景技术
功率产生和分配包括产生有功功率和无功功率。无功功率描述由电场和磁场的产生而引起的交流电(AC)系统中的背景能量移动。这些场存储在每一AC循环内改变的能量。借助于由电流的流动产生的磁场存储能量的设备被称为吸收无功功率；借助于电场存储能量的那些设备被称为产生无功功率。
必须仔细控制实际和潜在（无功）功率流以使电力系统在可接受电压限制内操作。无功功率流可能跨越系统引起实质性电压变化，这意味着必需在区域性基础上维持发电源与需求点之间的无功功率平衡。不同于在整个互连系统中一致的系统频率，在跨越系统的各点处经历的电压形成“电压分布曲线”，所述电压分布曲线与那时的本地发电和需求唯一地相关，并且还受到现行系统网络布置的影响。不适当地调节的无功功率可能导致装备损坏，并且可能需要增加装备中导体的大小以承载有功功率和无功功率两者。
发明内容
一种可连接到电力网的混合发电单元和同步调相机系统包括：燃气轮机，所述燃气轮机耦接到第一轴并且可操作以向所述第一轴提供旋转能；齿轮箱，所述齿轮箱耦接到所述第一轴；以及第一离合器部分，所述第一离合器部分耦接到所述第一轴。马达选择性地耦接到所述齿轮箱以转动所述齿轮箱和所述第一轴，第二离合器部分连接到第二轴，并且发电机耦接到所述第二轴。所述发电机可选择性地连接到所述电网以在所述第一离合器部分和所述第二离合器部分脱离时充当同步调相机，并且在所述第一离合器部分和所述第二离合器部分接合时将来自所述第一轴的旋转能转换为电力。
在另一结构中，一种操作混合发电单元和同步调相机的方法包括：加速发电机以使所述发电机与输电网同步；改变所述发电机的励磁电压以改变所述发电机的无功功率输出；使马达与齿轮箱接合以使所述齿轮箱旋转；以及响应于所述齿轮箱的旋转将燃气轮机加速到点火速度。所述方法还包括：对所述燃气轮机进行点火；使所述燃气轮机加速到与所述发电机相同的速度；使离合器接合在所述燃气轮机与所述发电机之间，使得所述燃气轮机驱动所述发电机；以及将来自所述发电机的电力输出到所述电网。
在另一结构中，一种可连接到电力网的混合发电单元和同步调相机系统包括：第一轴；燃气轮机，所述燃气轮机耦接到所述第一轴并且可操作以向所述第一轴提供旋转能；第二轴，所述第二轴与所述第一轴共线；以及发电机，所述发电机耦接到所述第二轴并且可电连接到所述电力网。第三轴与所述第一轴和所述第二轴间隔开，马达连接到所述第三轴并且由变速驱动器驱动，齿轮箱被定位成选择性地耦接所述第一轴和所述第三轴以供旋转，并且离合器被定位成选择性地连接所述第一轴和所述第二轴。
前述内容已经相当广泛地概述了本公开内容的技术特征，使得本领域的技术人员可以更好地理解以下具体实施方式。在下文中将描述本公开内容的形成权利要求的主题的附加特征和优点。本领域的技术人员将了解，其可以容易地将所公开构思和具体实施例用作用于修改或设计用于执行本公开内容的相同目的的其他结构的基础。本领域的技术人员还将认识到，这种等效结构并不背离本公开内容的以其最广泛形式的精神和范围。
同样，在进行以下具体实施方式之前，应理解，在整个说明书中提供某些单词和短语的各种定义，并且本领域普通技术人员将理解，这种定义在许多情况下（即使不是大多数情况）适用于这种所定义单词和短语的先前和将来使用。虽然某些术语可以包括各种各样的实施例，但是所附权利要求可以将这些术语明确地限定到具体实施例。
附图说明
图1是现有技术简单循环燃气轮机和同步调相机系统的示意性图解。
图2是处于同步调相机操作模式的混合同步调相机和发电系统的示意性图解。
图3是处于发电启动模式的图2的系统的示意性图解。
图4是处于发电操作模式的图2的系统的示意性图解。
图5是处于发电启动操作模式的另一混合同步调相机和发电系统的示意性图解。
在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明在其应用上并不限于在以下描述中阐述或在以下附图中示出的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其他实施例并且以各种方式实践或执行。而且，应理解，本文中使用的措词和术语是出于描述目的，并且不应该被视为限制性的。
具体实施方式
现在将参考附图描述与系统和方法有关的各种技术，其中在说明书通篇中，相似附图标记表示相似元件。下文论述的附图以及在此专利文件中用于描述本公开内容的原理的各种实施例仅通过说明的方式进行并且不应以任何方式解释为限制本公开内容的范围。本领域的技术人员将理解，本公开内容的原理可以在任一经适当布置的装置中实现。应理解，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件实施。类似地，例如，一元件可以被配置成实施被描述为由多个元件执行的功能。将参考示例性非限制性实施例描述本申请的众多创新性教示。
而且，应理解，除非在一些示例中明确限制，否则本文中使用的词语或短语应该被广义地解释。例如，术语“包括”、“具有”和“包含”以及其派生词意指包括但不限于。单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指示。此外，如本文中所使用，术语“和/或”是指并且包含相关联所列举项目中的一者或多者的任何和所有可能组合。术语“或”是包括性的，意指和/或，除非上下文另外明确指示。短语“与…相关联”和“与之相关联”以及其派生词可以意指包括、包括在…内、与…互连、包含、包含在…内、连接到…或与…连接、耦接到…或与…耦接、可与…通信、与…协作、交错、并置、接近于、限制到…或与…限制在一起、具有、具有…的性质等等。
而且，虽然在本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等等来指代各种要素、信息、功能或动作，但是这些要素、信息、功能或动作不应受到这些术语的限制。相反，使用这些数字形容词来将不同要素、信息、功能或动作彼此区分开。例如，第一要素、信息、功能或动作可以称为第二要素、信息、功能或动作，并且，类似地，第二要素、信息、功能或动作可以称为第一要素、信息、功能或动作，而不背离本公开内容的范围。
另外，术语“相邻于”可以意指：一元件相对靠近于、但是并不接触另一个元件；或者所述元件与另一部分接触，除非上下文另外明确指示。此外，短语“基于”旨在意指“至少部分基于”，除非另外明确说明。术语“约”或“大致”或类似术语旨在涵盖值在所述尺寸的正常工业制造公差内的变化。如果无可用工业标准，则除非另外说明，否则20％的变化落入这些术语的含义内。
如今，公用事业非常关注在整个功率传输和分配系统中管理电压电平和无功功率(VAR)。包含电容器和电感器的负载（诸如，电动马达、泵、压缩机和现代电子器件中的电源）在电网上施加附加应变，因为这些负载的无功部分导致其与可比电阻性负载（诸如灯泡）在传送相同量的有功功率（千瓦）的情况下原本将汲取的电流相比，汲取更多电流。此额外电流在系统部件中导致额外热，这浪费能量并缩短使用寿命。未校正无功功率使得更难以稳定电网电压并且在整个电网中推动附加成本，因为每一部件（例如，导体、变压器和发电机）都必须被定大小成承载总功率。
线路上流动的无功功率越多，有功功率的“空间”就越少，并且传输和/或分配系统的效率就越低。因此，公用事业和其他发电机试图控制、并且优选地最小化给定传输线上的无功功率的量。
设备（诸如电容器组和特种变压器）可以位于变电站处或馈线上以控制无功功率或VAR。另外，可以使用同步发电机或调相机来控制无功功率。通过改变发电机的励磁，可以使发电机吸收无功功率（欠激励）或根据可能需要向系统供应无功功率（过激励）。通常，自动电压调节器是控制发电机励磁以根据需要维持电压和功率因数（有功功率与无功功率的比）的励磁器系统的一部分。
然而，分布式发电、并且特别是来自通常无法控制无功功率的小型发电机的分布式发电（诸如风力和太阳能发电）的增长以及大型集中式发电机的减少使无功功率的控制更困难。
图1示出公共发电单元10，其包括呈燃气轮机15形式的原动机、马达20、离合器25和发电机30，并且公共发电单元可操作以产生功率并充当同步调相机。燃气轮机15是简单循环燃气轮机，但是可以是联合循环系统或其他系统布置的一部分。诸如这种的布置通常设置有新风力或太阳能发电装置以在夜间或者在风平静时提供功率。如众所周知，燃气轮机15包括压缩机区段、燃烧区段和涡轮机区段。压缩机区段和涡轮机区段耦接到第一轴35，使得它们一致地旋转。压缩机区段吸入空气并压缩空气以供递送到燃烧区段。压缩空气的一部分与燃料流混合并燃烧以产生燃烧产物流，所述燃烧产物与剩余压缩空气混合。然后，将此混合物递送到涡轮机区段，在涡轮机区段处，其膨胀以产生旋转能以驱动压缩机区段，并且向第一轴35提供附加旋转能。
马达20耦接到第一轴35以与第一轴35一致地旋转。在典型应用中，使用变速马达20（诸如DC马达、无刷DC马达或带有变频驱动器40的AC马达）作为马达20。为了启动或点火涡轮机15，涡轮机15必须以点火速度旋转。点火速度是向燃烧器区段提供足够压缩空气以维持操作的速度。使用马达20来将涡轮机15加速到所述点火速度以允许启动。一旦涡轮机15启动，涡轮机15便可以在其自身的动力下加速到同步速度，并且不需要马达20。
发电机30通常是多极同步发电机30，其优选地包括两个或更多个极。两极发电机30以3600 RPM的同步速度操作以输出60 Hz的三相电功率。当然，如果需要，可以采用其他速度来以不同频率产生功率。发电机30被支撑成在与第一轴35大致共线的第二轴45上旋转。如本文中所使用，“大致共线”意指轴35、45驻留在共同曲线上以供旋转。因由于轴35、45的长度和部件的质量所致的轴35、45中的下垂（sag），所述共同曲线实际上不是一条线。
发电机励磁器系统50根据需要向发电机场提供功率以产生旋转磁场以用于发电。如所论述的，发电包括有功功率和无功功率的产生。可以使用励磁器系统50来改变由发电机30产生的功率的功率因数（有功功率与无功功率的比）。例如，如可能期望的，可以通过使所述场欠激励来使发电机30吸收无功功率，或者通过使所述场过激励来供应无功功率。
离合器25定位在第一轴35与第二轴45之间，并且实现第一轴35和第二轴45的选择性接合和脱离。在燃气轮机15的启动期间，离合器25脱离以允许马达20仅使涡轮机15加速，从而实现与同时加速涡轮机15和发电机30将需要的马达相比，更小更便宜的马达20。
图2示出具有图1的部件的不同布置的发电单元55，其提供优于图1的发电单元10的多个结构、组装和维护优点。在图2的结构中，第一轴60连接涡轮机15、齿轮箱65的第一部分和离合器70的第一部分。第二轴75将发电机30连接到离合器80的第二部分。涡轮机15和发电机30基本上如关于图1所描述那样操作。离合器70的第一部分和离合器80的第二部分彼此选择性地接合以将第一轴60连接到第二轴75，其中第一轴60和第二轴75大致共线。
第三轴85将马达22连接到齿轮箱90的第二部分，并且平行于第一轴60和第二轴75设置，但是与第一轴60和第二轴75间隔开。齿轮箱65的第一部分和齿轮箱90的第二部分限定齿轮箱95，齿轮箱95包含两个或更多个齿轮，所述齿轮被布置成为马达22提供高机械优点。与可以在图1的布置中使用的马达相比，大机械优点允许使用更小、减小扭矩的高速马达22。更小马达22降低单元55的成本。另外，齿轮箱95被优选地布置成实现第三轴85与第一轴60的选择性接合和脱离。在脱离时，涡轮机15不必在不使用时向马达22提供能量以使马达22旋转。这提高单元55的操作效率，并且减少马达22及其支撑轴承上的磨损。
图2的单元55可按同步调相机模式、发电模式和启动模式配置，启动模式实际上是同步调相机模式与发电模式之间的过渡状态。图2示出处于同步调相机模式的单元55，在同步调相机模式中，齿轮箱65的第一部分与齿轮箱90的第二部分断开，并且离合器70的第一部分与离合器80的第二部分脱离，使得第一轴60、第二轴75和第三轴85中的每一者彼此独立。为按同步调相机模式操作，使用变速驱动器、辅助马达（pony motor）或其他设备100来使发电机30加速到同步速度，并且使发电机30与公用电网或其他电网同步。一旦同步，便使用励磁器50来根据需要欠激励或过激励发电机场以控制发电机30所连接到的电网上的无功功率。励磁器50可以包括自动电压调节器(AVR)，所述自动电压调节器(AVR)向旋转发电机30施加适当励磁以控制由发电机30产生的无功功率。
现在转向图3，按启动模式示出单元55。在此模式中，发电机30仍可以连接到电网，并且以同步速度（例如，3600 RPM）旋转。如果发电机30、并且因此整个单元55空转，则发电机30可以如关于图2所描述的那样被启动和同步。连接齿轮箱65的第一部分和齿轮箱90的第二部分以使第一轴60和第三轴85互连。然后，将马达22加速到对应于涡轮机15的点火速度的速度，并且启动涡轮机15。
图4示出单元55在按发电模式操作期间的布置。一旦涡轮机15被点火并且单元55如图3中示出那样布置，则可以断开齿轮箱95（如图4中所示），并且马达22返回到空转状态、同时涡轮机15加速到同步速度。一旦涡轮机15匹配发电机30的速度，则离合器70的第一部分和离合器80的第二部分接合以耦接第一轴60和第二轴75。现在，由涡轮机15产生的多余旋转能由发电机30转换为电力，而无由于必须使现在空转的马达22旋转而引起的损失。
图2-图4中示出的单元55是有利的，因为其需要较短轴布置，这减少对准、设备成本和其他维护问题。单元55还需要较小操作空间，因为单元55的总占用面积小于单元10。另外，在发电模式或同步调相机模式期间，马达22不旋转，从而针对马达22和相关联硬件实现更高效操作和更少维护。
图5示出发电单元155的另一布置，其类似于图2-图4中示出的单元55。像图2中示出的单元55一样，按发电启动模式示出图4的单元155。然而，图4的单元155包括第二离合器125，第二离合器125定位在齿轮箱90的部分或齿轮与马达22之间。第二离合器125实现马达22从齿轮箱90的所述部分的选择性接合或脱离以允许涡轮机15运转，而不转动马达22，并且不必脱离齿轮箱95内的齿轮。
虽然已经详细描述了本公开内容的示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，可以在不背离本公开内容按其最广泛形式的精神和范围的情况下，作出本文中公开的各种改变、替换、变化和改进。
本申请中的任何描述均不应理解为暗示任何特定要素、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围内的必不可少的要素：专利主题的范围仅由所允许权利要求限定。此外，这些权利要求中的任何一个都不旨在引起装置加功能权利要求（means plus functionclaim）结构，除非确切词语“用于…的装置”后跟分词。

Claims (20)

1.一种能够连接到电力网的混合发电单元和同步调相机系统，所述系统包括：
燃气轮机，所述燃气轮机耦接到第一轴并且可操作以向所述第一轴提供旋转能；
齿轮箱，所述齿轮箱耦接到所述第一轴；
第一离合器部分，所述第一离合器部分耦接到所述第一轴；
马达，所述马达选择性地耦接到所述齿轮箱以转动所述齿轮箱和所述第一轴；
第二离合器部分，所述第二离合器部分连接到第二轴；以及
发电机，所述发电机耦接到所述第二轴，所述发电机能够选择性地连接到所述电网以在所述第一离合器部分和所述第二离合器部分脱离时充当同步调相机，并且在所述第一离合器部分和所述第二离合器部分接合时将来自所述第一轴的旋转能转换为电力。
2.根据权利要求1所述的发电单元，其中所述第一轴和所述第二轴大致共线。
3.根据权利要求2所述的发电单元，其中所述马达沿着不与所述第一轴共线的轴线旋转。
4.根据权利要求1所述的发电单元，其进一步包括发电机励磁系统，所述发电机励磁系统可操作以在所述发电机充当同步调相机时改变所述发电机的励磁电压以改变所述发电机的无功功率输出。
5.根据权利要求1所述的发电单元，其进一步包括变速驱动器，所述变速驱动器可操作以使所述发电机加速到同步速度。
6.根据权利要求1所述的发电单元，其中所述马达是变速马达。
7.根据权利要求1所述的发电单元，其中所述马达支撑在平行于所述第一轴并且与所述第一轴间隔开的第三轴上。
8.根据权利要求1所述的发电单元，其中所述马达可操作以使所述燃气轮机加速到点火速度。
9.一种操作混合发电单元和同步调相机的方法，所述方法包括：
加速发电机以使所述发电机与输电网同步；
改变所述发电机的励磁电压以改变所述发电机的无功功率输出；
使马达与齿轮箱接合以使所述齿轮箱旋转；
响应于所述齿轮箱的旋转将燃气轮机加速到点火速度；
对所述燃气轮机进行点火；
使所述燃气轮机加速到与所述发电机相同的速度；
使离合器接合在所述燃气轮机与所述发电机之间，使得所述燃气轮机驱动所述发电机；以及
将来自所述发电机的电力输出到所述电网。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括操作变频驱动器以使所述发电机加速。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述燃气轮机、所述发电机和所述离合器在共用旋转轴线上旋转。
12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括马达，所述马达能够选择性地操作以驱动所述燃气轮机。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述燃气轮机绕第一轴线旋转，并且所述马达绕与所述第一轴线分离并且平行于所述第一轴线的第二轴线旋转。
14.根据权利要求12所述的方法，其中使所述燃气轮机加速到与所述发电机相同的速度的步骤包括使所述马达与所述齿轮箱脱离。
15.一种能够连接到电力网的混合发电单元和同步调相机系统，所述单元包括：
第一轴；
燃气轮机，所述燃气轮机耦接到所述第一轴并且可操作以向所述第一轴提供旋转能；
第二轴，所述第二轴与所述第一轴共线；
发电机，所述发电机耦接到所述第二轴并且能够电连接到所述电力网；
第三轴，所述第三轴与所述第一轴和所述第二轴间隔开；
马达，所述马达连接到所述第三轴并且由变速驱动器驱动；
齿轮箱，所述齿轮箱被定位成选择性地耦接所述第一轴和所述第三轴以供旋转；以及
离合器，所述离合器被定位成选择性地连接所述第一轴和所述第二轴。
16.根据权利要求15所述的发电单元，其中所述系统能够按同步调相机模式操作，在所述同步调相机模式中，所述齿轮箱脱离使得所述第一轴和所述第三轴不连接，并且所述离合器脱离使得所述第一轴和所述第二轴不连接。
17.根据权利要求16所述的发电单元，其中在按所述同步调相机模式操作期间，所述涡轮机处于空转状态。
18.根据权利要求16所述的发电单元，其进一步包括发电机励磁器系统，所述发电机励磁器系统可操作以当处于所述同步调相机模式中时，改变所述发电机的场电压以控制所述发电机的所述无功功率。
19.根据权利要求15所述的发电单元，其中所述系统能够按发电模式操作，在所述发电模式中，所述齿轮箱脱离使得所述第一轴和所述第三轴不连接，并且所述离合器接合使得所述第一轴和所述第二轴连接，并且所述发电机可操作以将由所述涡轮机产生的旋转动力转换为被引导到所述电力网的电力。
20.根据权利要求15所述的发电单元，其中所述系统能够按启动模式操作，在所述启动模式中，所述齿轮箱接合使得所述第一轴和所述第三轴连接，并且所述离合器脱离使得所述第一轴和所述第二轴不连接，并且所述马达可操作以使所述涡轮机加速到点火速度。
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