CN1622446A - 使用多相电力发电机来启动燃气涡轮的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于启动具有静态启动驱动器(22)的组合单元燃气涡轮(28)和电力单元(10)的方法包括以下步骤：从静态启动驱动器(22)将变频电压施加于发电机的绕组(16)上以便将组合单元加速至涡轮自持速度(62)；通过施加由涡轮(28)产生的转矩而将组合单元加速(64)至超过自持速度，并且当组合单元加速至同步速度时，从静态启动驱动器(22)施加制动转矩(68)以便将组合单元稳定于同步速度上。

Description

使用多相电力发电机来启动燃气涡轮的方法及设备
技术领域
本发明整体涉及同步发电机领域，例如与燃气涡轮组合使用的那些。特别地，本发明涉及具有主输出绕组和辅助输出绕组的同步式涡轮发电机，其中辅助输出绕组联接于变频驱动系统上。
背景技术
同步发电机广泛地用于电力设备中来产生电能。发电机一般具有一个电磁转子，电磁转子被具有导电绕组的固定式定子所包围。通过旋转由转动的转子所产生的磁场，就在包围着转子的固定式定子中的电枢绕组中产生电流。由这些绕组产生的电流作为电力从发电机输出。定子一般具有两个或三个电枢绕组，每个绕组各具有感应电流。这些电流为同步式，但是互相异相。发电机产生两相或三相交流电来作为可由电力设备公司使用的电力。
同步发电机通常由燃气涡轮驱动。燃气涡轮具有联接于发电机的驱动轴和转子上的旋转驱动轴。当运行时，燃气涡轮使得驱动轴旋转，并且转子引起发电机发电。在燃气涡轮和发电机组合电力单元中，发电机通常适用于替代地用作燃气涡轮的启动电动机。为了启动燃气涡轮，发电机可临时作为从辅助电源供电的电动机运行。一旦发电电动机将驱动轴的旋转速度加速至足以启动燃气涡轮，则燃气涡轮就启动。一旦启动之后，燃气涡轮就开始向驱动轴和发电机输出电力，并且电动机转换回去作为发电机运行。
变频电源，例如闸流晶体管变频器(TFC)，驱动着作为电动机的发电机以便启动燃气涡轮。TFC可称作“静态启动”驱动。TFC向定子绕组施加交流电以便引起发电电动机转动，而其驱动着联接于燃气涡轮上的驱动轴。TFC逐渐地增大施加于定子上的电压的频率以便增大驱动轴的旋转速度。随着转子和驱动轴的旋转速度增大，涡轮就被加速至其额定启动速度，这时涡轮变为自持并且产生输出电力以便驱动发电机。
常规型燃气涡轮频率启动过程通过使发电机作为电动机运行而将燃气涡轮加速至自持旋转速度。发电电动机组合单元由静态启动驱动器(TFC)驱动，静态启动驱动器(TFC)由同步器控制电路接通和关断。特别地，静态启动驱动器接通以便驱动作为电动机的发电机，然后当燃气涡轮到达其额定启动速度时关断。涡轮的额定启动速度比涡轮发电机在发电过程中所运行于的同步速度慢得多。当涡轮从额定启动速度加速至同步速度时，TFC和激励器按照常规关断。
激励器向发电机转子的绕组施加低压直流电(D.C.)。在静态启动过程中，当TFC驱动着作为电动机的发电机时，激励器首先接通。激励器随后在静态启动驱动器关断并且在燃气涡轮到达其额定启动速度时关断。在同步过程中，当发电机的电力输出与所需负载例如电力网同步时，激励器最后再次接通。
由于接通、关断然后再次接通涡轮发电机组合单元的激励系统和静态启动驱动器对技术要求的增加，因而常规型静态启动过程一般都具有可靠性问题。常规型启动过程还难以应用涡轮调节器来使组合单元的速度与同步速度相匹配，在这个同步速度下，发电机可连接于平衡式电力负载上。相应地，涡轮发电机单元启动过程还长期需要更好地操纵将单元从涡轮额定启动速度加速至发电机上的电力负载的同步速度的过程。
发明内容
在第一实施例中，本发明为一种用于启动具有静态启动驱动器的组合单元燃气涡轮和电力单元的方法，包括以下步骤：从静态启动驱动器将变频电压施加于发电机的绕组上以便将组合单元加速至涡轮自持速度；通过施加由涡轮产生的转矩而将组合单元加速至超过自持速度，并且当组合单元加速至同步速度时，从静态启动驱动器施加制动转矩以便将组合单元稳定于同步速度上。
在第二实施例中，本发明为一种用于启动具有闸流晶体管变频器(TFC)的组合单元燃气涡轮和发电机的方法，所述方法包括：从TFC将启动变频电压施加于发电机的绕组上以便将组合单元加速至涡轮自持速度，其中启动变频电压由TFC根据对组合单元的实际旋转速度与自持速度参考值的比较而选择；通过施加由涡轮产生的转矩而将组合单元加速至超过自持速度参考值；当组合单元加速至同步速度时，将由TFC和发电机所施加的转矩减至最小，并且当组合单元向同步速度接近时，从TFC施加制动转矩电压以便将组合单元稳定于同步速度上，其中制动转矩值根据对组合单元的实际旋转速度与同步速度参考值的比较而选择。
在第三实施例中，本发明为一种用于启动组合单元燃气涡轮和发电机单元的设备，其包括：具有辅助电枢输出的发电机的辅助绕组；可连接于辅助电枢输出上并且还包括TFC控制器的闸流晶体管变频器(TFC)，其中所述TFC产生由所述TFC控制器确定的变频电压；控制着燃气涡轮功率输出的涡轮调节器；同步器，用于检测可连接于发电机上的电力系统负载的负载电压频率和发电机的电源电压频率输出，并且产生发往涡轮调节器和TFC的控制命令以便引起涡轮调节器和TFC调节燃气涡轮和发电机单元的速度。
附图说明
图1为示意图，示出了具有联接于发电机和涡轮调节器上的静态启动驱动器系统的涡轮发电机单元。
图2为时序图，示出了用于将燃气涡轮和发电机单元从涡轮启动速度加速至同步速度的现有技术的同步过程。
图3为时序图，示出了用于将燃气涡轮和发电机单元从涡轮启动速度加速至同步速度的新的同步过程。
图4为用于实现图3的时序图中所标识的同步过程的各个步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出了示意图，其概括地示出了具有定子12的发电机10，主输出绕组和辅助输出绕组都由主输出绕组电枢输出14和辅助输出绕组电枢输出16表示。主输出绕组电枢运送电力至平衡式电力负载系统18。负载系统18可为通常在40kV(千伏)至400kV范围内运行的线路传输电压系统。这些范围内的电压可以直接由发电机10通过其主电力电枢输出14提供至平衡式电力系统。
发电机10通过其辅助电枢输出16向平衡式辅助电力系统20提供电力。辅助电力系统20可为低压系统或其它辅助电力负载系统。辅助电力负载系统可以构成电力设备中的与发电机相关联的电负载。辅助绕组可从高压发电机10提供例如2kV至7kV的低压电力。
发电机能够通过其主输出绕组向电力负载系统18提供电力，该电力负载系统18在与同样由发电机供电的辅助电力负载系统20不同的电压和电流下运行。发电机既驱动主电力系统又驱动辅助电力系统，因为其具有其主输出绕组所用的电枢输出14和其辅助输出绕组所用的辅助电枢输出16。
静态启动驱动器(TFC)22可联接于发电机的辅助电枢输出16上。发电机的转子24使得联接于燃气涡轮28上的驱动轴26转动以便启动该涡轮。静态启动驱动器和发电电动机将涡轮发电机单元加速至一定速度，在这个速度下，燃气涡轮20能够通过燃烧在涡轮调节器40的控制下提供的燃料而保持旋转运动。
静态启动驱动器22可为变频式电源，例如闸流晶体管变频器(TFC)，其驱动着作为电动机的发电机以便使得转子24在与静态启动驱动器的频率成比例的可变旋转速度下转动。TFC22还可包括负载整流换向式变换器(LCI)或者脉宽调制(PWM)式驱动器。TFC所用的部件还可包括整流器、二极管以及其它先进的固态电子部件。静态启动驱动器所用的驱动电力从站辅助电力总线23提供，其可提供50Hz或60Hz的三相电流。
TFC包括控制器(例如位于TFC内部)，其确定着变频电压和要由TFC所产生的电压。控制器将来自轴速度传感器37的实际速度信号与参考速度值进行比较。可为TFC选择的参考速度可以为与燃气涡轮的自持旋转速度(“自持速度参考”)和在涡轮启动期间所使用的可变同步速度(“同步速度参考”)相对应的速度。速度选择开关31选择所要应用于TFC的比较器上的参考速度值。同步器控制器单元36控制着开关42以便在确定TFC所要产生的变频电压时，选择TFC控制器所要使用的参考速度值。
TFC22通过断路器或开关30可开关地经电力总线29连接于辅助电枢输出16上。类似地，辅助电力总线29通过第二断路器或开关32可开关地连接于辅助电力系统20的平衡上。例如，当发电机要用作电动机以便启动燃气涡轮时，断路器开关30闭合以便将TFC22联接于发电机10的辅助输出绕组16上。同时，在静态启动过程中和在TFC与辅助绕组接合时，发电机的辅助输出绕组与平衡式辅助电力系统20之间的断路器32打开以便将辅助输出绕组从辅助电力系统断开。
断路器30、32保证了在TFC22向发电机的辅助输出绕组提供变频电力时，辅助电力系统20不会从TFC引出电力。此外，在静态启动运行过程中，辅助电力系统20应当从发电机的辅助输出绕组上断开，以避免将变频电力送至辅助电力系统20中。替代地，当TFC22从辅助输出绕组上断开时，第一断路器30打开而第二断路器32闭合。这样，当TFC关闭时，辅助电力系统20的平衡就从发电机10的辅助绕组16接收电流。
激励电源(激励器)34向转子24的发电机磁场绕组提供磁化功率。通常，激励系统以较低电压，例如300至700伏的电压，向转子磁场绕组提供直流电(D.C.)。在燃气涡轮28启动序列过程中，激励电源34以各种为涡轮发电机速度的函数的水平向转子磁场绕组提供功率。TFC22和激励电源34通过控制电路连接起来以便在涡轮机启动序列过程中提供适当的功率水平。激励电源34通常向转子磁场绕组供以直流电而TFC22向辅助绕组供以变频电压，以便向转子施加转矩而同时发电机从其主和辅助定子绕组产生电力。激励电源34的电力可由辅助多相电力总线23提供。
同步器控制电路36向涡轮调节器40和选择开关32提供控制信号，其选择所要应用于TFC上的速度参考信号。同步器控制电路36在将平衡式电力系统18与主总线和发电机10连接起来的断路器开关42的任一侧检测通过多相主总线38的电流。涡轮28调节器控制着通向燃气涡轮的燃料流。
同步器36通过主电枢14的输出的频率来监控着涡轮发电机轴26的旋转速度。当逐渐增大的旋转速度稍微超过所需的同步速度时，同步器就向涡轮调节器40产生控制信号，而涡轮调节器40就调节流向燃气涡轮的燃烧器的燃料以便减小涡轮速度。
图2为在常规型同步过程44中的涡轮旋转速度与转矩的时序图。在图2中所示的过程之前，TFC22施加变频驱动电流以便驱动作为电动机的发电机，从而将涡轮发电机单元加速至一定速度，例如额定启动速度，在这个速度下，燃气涡轮可保持涡轮发电机单元的旋转。当TFC正在驱动发电机时，激励电源34向发电机的转子绕组施加直流电。当到达自持速度时，TFC按照常规通过打开开关30而切断，并且燃气涡轮开始加速涡轮发电机单元。TFC通常不参与图2中所示的常规同步过程。类似地，在达到涡轮自启动速度之后并且直到到达同步速度之前，激励电源34通常从发电机的转子上切断。当到达同步速度之后，激励电源再次接通以便使得发电机将会输出电力。
在TFC已经切断之后，(常规型系统中的)涡轮发电机单元的旋转速度46就由涡轮机28驱动，而涡轮机28由涡轮调节器40及其燃料控制器来控制。由调节器和涡轮提供的速度控制比较粗略并且较慢。通常，在调节器能够减少燃料流从而减小作用于驱动轴26上的转矩49之前，涡轮发电机单元就会加速至超过所需同步速度48。所施加的用于将轴加速至同步速度的转矩49的数值大于保持速度稳定所需的转矩。当速度到达同步速度48时，所施加的转矩将会将速度加速至超过同步速度，而在此之后由调节器进行的燃料流调节才会减小轴转矩。
按照常规方法，涡轮调节器40通过燃料流调节的步增而增大和减小涡轮的旋转速度，通过图2中所示的转矩的阶跃变化50可以看得很清楚。调节器难以实现精细、迅速的转矩调节，而这却是对实际速度进行调整以便与所需同步速度48相匹配的需要。涡轮调节器独自不能迅速、精确地减小应用于涡轮发电机上的转矩以避免将涡轮速度46加速或减速至或多或少地不同于所需的同步速度。当调节器工作以便匹配同步速度时，实际涡轮速度可能在同步速度附近波动。如图2中所示，涡轮发电机组合单元可一次地在同步速度附近加速和减速以便匹配所需的同步速度。
如图3中所示，通过接合TFC22以使实际涡轮速度与同步速度相匹配，可以实现对发电机涡轮组合单元的旋转速度的迅速而且更为精确的控制。TFC控制器能够迅速、精确地调节应用于辅助电枢绕组上的变频电压，以便实现对驱动轴26的快速、精确的转矩调节90。为了继续使驱动轴26旋转，在涡轮发电机的旋转速度到达涡轮自持速度之后，TFC仍保持连接于辅助绕组上。当涡轮发电机单元继续加速46至稳定同步速度48时，TFC22保持联接于辅助绕组上以助于调整涡轮发电机单元的速度从而与平衡式电力系统的所需同步速度48相匹配。在同步速度下，主发电机绕组14的电力输出频率与平衡式电力系统的电力负载的频率相匹配。
在涡轮发电机的速度超过涡轮自持速度之后，通过将断路器开关30保持闭合，TFC就保持连接于辅助电枢绕组上。涡轮调节器40通过例如调节供向燃气涡轮的燃烧器的燃料流而控制着由涡轮单元所施加的涡轮转矩92。此外，TFC控制着施加于辅助绕组上的电压的变频以便调节施加于发电机上的TFC转矩90。涡轮调节器对涡轮转矩92的控制为步增式并且在调节器作用与转矩调节之间存在较长的延迟。相反，TFC控制器可通过调节应用于辅助绕组上的频率和功率而从发电机上精确、迅速地调节TFC转矩90。相应地，TFC22控制器和涡轮调节器联合(并且在同步器36的监督下)控制着施加于涡轮发电机组合单元上的总94转矩，进而控制着该单元的旋转速度。
图3为在图4的流程图中所示的同步启动过程中运行的涡轮发电机组合单元的转矩和速度的时序图。在步骤62中，TFC驱动着涡轮发电机单元的旋转，直到达到额定启动速度(涡轮自持速度)为止。在初始启动周期60和步骤62中，TFC开关30闭合而开关32和42打开，以便使得TFC与辅助电枢输出16接合并且使得发电机绕组与平衡式电力系统18和辅助电力系统20切断。用以驱动TFC的电力可通过电力总线23从辅助电力系统20获得。此外，在初始启动周期60和62中，激励电源向转子绕组施加直流电。在启动周期60中，TFC转矩90为施加于驱动轴26上的总转矩94。TFC提供总转矩一直到轴速度46到达涡轮自持速度96为止。
当轴加速至超过自持速度时，燃气轮机有助于增加总转矩。当燃气涡轮在步骤64中驱动旋转时，TFC保持连接于辅助绕组16上但不对辅助电枢绕组施加电流。在紧随着涡轮变为自持的周期66中并且当轴加速46至所需同步速度48时，TFC和发电机10并未显著增加或制动施加于涡轮的轴上的转矩。在周期62中，激励电源并不向转子绕组施加直流电。在这个周期66中，涡轮基本上施加所需的全部总转矩94以便将涡轮发电机单元加速至同步速度48。
当涡轮发电机速度加速至某个预定的速度值，例如同步速度参考值48时，TFC和发电机就制动轴的加速过程(步骤68和周期67)。在周期67中，激励电源34向发电机转子绕组施加直流电。发电机的制动作用来自于TFC以与慢于实时的实际速度的轴速度相对应的频率施加电流。TFC施加制动转矩90以防止涡轮发电机加速至超过同步速度48。在周期67中，TFC控制器监控着轴26速度并且施加适当的电压和频率以便施加将轴保持于同步速度所需的转矩。
在步骤68中，当TFC制动涡轮发电机的加速过程时，在步骤70中，涡轮调节器40也可通过减小流向涡轮燃烧室的燃料速率而制动加速过程，以便也制动旋转速度。减少的燃料流使得涡轮减慢并且降低了其施加于轴26上的转矩92。涡轮调节器按照阶跃变化调节燃料流，其可能导致驱动轴发生较大增量(并且减慢以便见效)的转矩变化。这些较大的阶跃变化对于使轴速度与同步速度精确匹配来说可能太大或者太迟。
鉴于涡轮调节器的转矩控制响应慢并且不够精细，因且可以采用替代的过程，其中在周期67中，TFC独自调节总转矩94以便将速度稳定于同步速度。在这个替代过程中，调节器调节燃料流以便提供将轴速度46保持于固定同步速度48所需的稳定状态涡轮转矩92。TFC施加制动或者加速转矩90以便补偿涡轮发电机的任何超速或速度不足情况，从而将速度稳定保持于所需的同步速度。
当速度跃升至同步速度时，为了补偿由涡轮所施加的加速转矩，TFC可平滑地增大或减小由发电机施加于轴上的TFC转矩90。在步骤80中，TFC转矩控制可用作对涡轮发电机单元的速度进行的比较精细的调节，以便保证当发电机的输出通过闭合开关40而被联接于平衡式电力系统上时，该单元能够在同步速度48下稳定地旋转。一旦涡轮发电机稳定于同步速度上，则在步骤82中，就可通过打开开关30而将TFC从辅助输出电枢上断开。此外，在步骤82中，辅助电枢可通过闭合开关32而连接于辅助电力系统20上。
尽管以上结合目前被认为最实用和优选的实施例对本发明进行了描述，但应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，而相反，本发明意欲涵盖在附属权利要求的精神和范围内所包括的各种变型及等价设置结构。
元件清单：
   10     发电机
   12     定子
   14     主电枢
   16     辅助电枢
   18     平衡式电力负载系统
   20     平衡式辅助电力系统
   22     静态启动驱动器
   23     电力总线
   24     发电机转子
   26     驱动轴
   28     燃气涡轮
   29     总线
   30     开关
   31     参考速度选择开关
   32     第二开关
   34     激励电源
   36     同步器控制电路
   37     速度传感器
   38     多相主总线
   40     涡轮调节器
   42     断路器开关
   44     同步启动过程
   46     涡轮机的旋转速度
   48     同步速度
   49     转矩的转矩阶跃变化
   50     超速
   52     速度不足
   60     TFC静态启动
   62     TFC驱动旋转
   64     涡轮驱动旋转
   66     TFC中性周期
   66     TFC制动周期
   68     制动步骤
   80     连接于平衡式电力系统上
   82     连接于辅助电力系统上
   90     TFC转矩
   92     TFC转矩
   94     总转矩
   96    自行启动速度

Claims (10)

1.一种用于启动具有静态启动驱动器(22)的组合单元燃气涡轮(28)和电力单元(10)的方法，包括：
a.从静态启动驱动器(22)将变频电压施加于发电机的绕组(16)上以便将组合单元加速至涡轮自持速度(62)；
b.通过施加由涡轮(28)产生的转矩而将组合单元加速至超过自持速度(64)，以及
c.当组合单元加速至同步速度时，从静态启动驱动器(22)施加制动转矩以便将组合单元稳定于同步速度上(68)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中静态启动驱动器为闸流晶体管变频器(22)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)还包括对组合单元的实际旋转速度与同步速度参考值进行比较，并且根据比较结果来选择(31)由静态启动驱动器所施加的制动转矩。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在组合单元到达同步速度后，将发电机连接于平衡式电力系统(18)上。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括通过调节涡轮转矩输出并结合施加制动转矩来制动组合单元的加速过程(70)。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤(c)之后，将静态启动驱动器从发电机上断开(82)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中静态启动驱动器可连接于作为发电机的绕组的辅助电枢输出(16)上。
8.根据权利要求1所述的方法，其中静态启动驱动器由辅助电力系统(20)供电。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤(a)和(c)期间，将激励电源(34)施加于发电机的转子绕组上。
10.一种用于启动具有闸流晶体管变频器(TFC)(22)的组合单元燃气涡轮(28)和发电机(10)的方法，所述方法包括：
a.从TFC将启动变频电压施加于发电机的绕组上以便将组合单元加速至涡轮自持速度(62)，其中启动变频电压由TFC根据对组合单元的实际旋转速度与自持速度参考值的比较(31)而选择；
b.通过施加由涡轮(28)产生的转矩而将组合单元加速至超过自持速度参考值(64)；
c.在步骤(b)期间并且当组合单元加速至同步速度时，将由TFC和发电机所施加的转矩减至最小，以及
d.在步骤(b)之后并且当组合单元向同步速度接近时，从TFC施加制动转矩(68)以便将组合单元稳定于同步速度上，其中制动转矩值根据对组合单元的实际旋转速度与同步速度参考值的比较而选择。
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