DE102009003709A1

DE102009003709A1 - Systeme und Verfahren zum Starten von Generatoren mit variabler Drehzahl

Info

Publication number: DE102009003709A1
Application number: DE102009003709A
Authority: DE
Inventors: Einar Vaughn Larsen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2009-10-08
Also published as: KR101543794B1; GB2458807A; US20090251109A1; KR20090106350A; GB0905606D0; JP2009254231A; US7977925B2; GB2458807B; JP5449831B2

Abstract

Geschaffen ist ein exemplarisches Verfahren zum Starten eines Generators, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: Starten eines Rotors mittels einer an den Rotor angelegten Wechselspannung; Starten eines Stators; und Steigerung einer Drehzahl des Rotors.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen allgemein Stromgeneratoren und speziell das Hochfahren und den Laufbetrieb von Stromgeneratoren mit variabler Drehzahl.
In Hinblick darauf werden viele elektrische Generatorenhochgefahren, indem mittels eines Statorkonverters in einem Stator Strom induziert wird, und indem mittels eines Rotorkonverters in einem Rotor Strom induziert wird. Der von dem Statorkonverter stammende Strom tritt in Wechselwirkung mit dem magnetischen Fluss in der Maschine, um in dem Generator ein Drehmoment zu erzeugen. Das Drehmoment treibt den Generatorrotor und einen Primärantrieb des Generators drehend an. Wenn der Generatorprimärantrieb eine nominale Startdrehzahl erreicht, wird in dem Primärantrieb des Generators Brennstoff gezündet. Sobald der Primärantrieb arbeitet, kann der Generator elektrisch abgeglichen werden, um Strom zu erzeugen.
Während der Startsequenz eines Generators, liefert der Statorkonverter dem Stator Strom, und ein Rotorkonverter liefert dem Rotor Strom. Die Verhältnisse zwischen den Spannungen und Frequenzen der Stator- und Rotorströme beeinflussen den magnetischen Fluss in dem Generator und das durch den Stator zum Starten des Generators induzierte Drehmoment. Während des Startvorgangs wird die Spannung in dem Stator erhöht, bis der Statorkonverter eine nominale Spannungs- und Frequenzgrenze erreicht. Die Bemessung der nominalen Spannung des Statorkonverters begrenzt den in dem Generator induzierten magnetischen Fluss, so dass der magnetische Fluss in Abhängigkeit von der Spannungsgrenze des Statorkonverters bei einer gewissen Drehzahl reduziert werden muss. Daraus ergibt sich eine Beschränkung des zum Starten des Generators verfügbaren Drehmoments.
Viele Stromgeneratoren benutzen Rotorkonverter, die dem Rotor Gleichstrom zuführen. Da der Gleichstrom keine Frequenz aufweist, ist eine Anpassung der Frequenz des Rotorstroms nicht möglich. Die Begrenzung einer Anpassung der Frequenz des Rotorstroms begrenzt das verfügbare Anfahrdrehmoment, das durch den Stator erzeugt werden kann.
Es besteht ein Bedarf, den verfügbaren magnetischen Fluss und das Drehmoment in einem Generatorstator während einer Anfahrsequenz zu steigern.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es handelt sich um ein Verfahren zum Starten/Anfahren eines Generators, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: Starten eines Rotors mittels einer an den Rotor angelegten Wechselspannung; Starten eines Stators; und Steigerung einer Drehzahl des Rotors.
Es handelt sich weiter um ein abgewandeltes Verfahren zum Starten eines Generators, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: Starten eines Rotors; Starten eines Stators mit einer ersten Phasenfolge; Steigern einer Drehzahl des Rotors; und Anwenden einer zweiten Phasenfolge auf den Rotor.
Es handelt sich weiter um ein Ausführungsbeispiel eines Stromerzeugungssystems zu dem gehören: ein Generator, wobei der Generator einen Stator, einen Rotor und eine Drehzahlsteuerung mit einer ersten Logik aufweist, die dazu dient, die Drehzahl des Generators zu steuern; eine frequenzveränderliche Generator-(VFG = Variable Frequency Generator)-Erregerstufe, wobei die VFG-Erregerstufe einen ersten Konverter, der dazu dient, dem Stator Wechselstrom zu liefern, und einen zweiten Konverter enthält, der dazu dient, dem Rotor Wechselstrom zu liefern; eine VFG-Erregerstufensteuerung mit einer zweiten Logik, die dazu dient, den Betrieb der VFG-Erregerstufe zu steuern, wobei die zweite Logik ferner dazu dient, einen zweiten Konverter zu starten, der dazu dient, dem Rotor mittels einer an den Rotor angelegten Wechselspannung Strom zuzuführen, einen ersten Konverter zu starten, der dazu dient, dem Stator Strom zuzuführen, und eine Drehzahl des Rotors zu steigern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:
1 zeigt in einem Blockschaltbild ein exemplarisches System zur Erzeugung elektrischen Stroms.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Starten eines elektrischen Generators.
3 zeigt vier grafische Darstellungen A–D, die exemplarische Parameter des exemplarischen Verfahrens zum Starten eines elektrischen Generators nach 2 veranschaulichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung sind zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Der Fachmann wird allerdings verstehen, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in der Praxis ohne diese speziellen Einzelheiten eingesetzt werden können, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und dass die vorliegende Erfindung in vielfältigen abgewandelten Ausführungsbeispielen verwirklicht werden kann. Im Übrigen wurden hinlänglich bekannte Verfahren, Prozeduren und Bauelemente nicht im Einzelnen erläutert.
Weiter können vielfältige Arbeitsschritte als mehrere einzelne Schritte beschrieben sein, die in einer Weise ausgeführt werden, die zum Verständnis der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Allerdings sollte die Reihenfolge der Beschreibung nicht implizieren, dass diese Schritte unbedingt in der unterbreiteten Reihenfolge auszuführen sind, oder dass sie sogar abhängig von der Reihenfolge sind. Darüber hinaus bezieht sich eine wiederholte Verwendung des Ausdrucks ”in einem Ausführungsbeispiel” nicht unbedingt auf dasselbe Ausführungsbeispiel, obwohl dies möglich ist. Schließlich sind die Begriffe ”umfassen”, ”enthalten”, ”mit” und dergleichen in dem hier verwendeten Sinne, falls nicht anders lautend angegeben, als Synonyme zu verstehen.
Mit Bezug auf 1 enthält das System 100 einen Generator 102. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Generator 102 ein Gasturbinengenerator mit einem (nicht gezeigten) für 4 kV, 3,6 kA bemessenen Dreiphasenrotor und einem (nicht gezeigten) Stator mit einer Nennspannung von 18 kV, je doch kann der Generator 102 dem Bedarf der Konstruktion entsprechend für andere Nennbelastungen ausgelegt sein. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der Generator 102 drei Schleifringe auf. Der Rotor und Stator des Generators 102 sind über einen ersten Schalter (S1) 103 und einen zweiten Schalter (S2) 105 mit einer frequenzveränderlichen Generator-(VFG = Variable Frequency Generator)-Erregerstufe 104 verbunden.
Die VFG-Erregerstufe 104 enthält ein Gleichstromverbindungselement 106. Ein Wandler (G1) 112 ist mit dem Gleichstromverbindungselement 106 und über einen Unterbrecher 118 mit einer 3,3 kV-Spannungsquelle 114 verbunden. Die VFG-Erregerstufe 104 enthält ferner einen ersten Konverter (R1) 120 und einen zweiten Konverter (R2) 122, die jeweils mit dem Gleichstromverbindungselement 106 verbunden sind. R2 ist ebenfalls mit dem Rotor des Generators 102 verbunden. R1 120 ist mit S1 103 und S2 105 verbunden, so dass, wenn S2 105 geschlossen ist, R1 120 in Parallelschaltung mit R2 122 mit dem Rotor des Generators 102 verbunden ist. Wenn S2 105 geöffnet ist und S1 103 geschlossen ist, ist R1 120 mit dem Stator des Generators 102 verbunden. Die VFG-Erregerstufe wird durch eine Steuereinrichtung gesteuert, die einen Prozessor enthält.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Leistungsausgang des Stators des Generators 102 über einen Unterbrecher 119 mit einer auf der Generatoraufspanneinheit (GSU = Generator Step-up Unit) 128 angeordneten Tertiärwicklung verbunden. Die GSU liefert der 3,3 kV-Spannungsquelle 114 und einem Hochspannungs-(HV)-Netz 130 Strom. Auf dem Weg zu dem Hochspannungsnetz 130 kann ein Unterbrecher 118 angeordnet sein. Betriebsarten des Systems 100 beinhalten den Laufbetrieb und das Starten. Im Laufbetrieb nimmt die VFG-Erregerstufe 104 über den Unterbrecher 118 Wechselstrom von der 3,3 kV-Span nungsquelle 114 auf. Ein Wandler G1 112 nimmt den Wechselstrom auf und wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um, um dem Gleichstromverbindungselement 106 Strom zuzuführen. Der Wandler G1 112 kann ferner die Wechselspannung der 3,3 kV-Spannungsquelle 114 vor einer Umwandlung des Wechselstroms in Gleichstrom auf eine geeignete Spannung transformieren.
R1 120 und R2 122 nehmen den Gleichstrom von dem Gleichstromverbindungselement 106 entgegen und wandeln den Gleichstrom für den Rotor des Generators 102 in Wechselstrom (4 kV, 3,6 kA) um. Während des Laufbetriebs ist S1 103 geöffnet und S2 105 geschlossen. Somit sind R1 120 und R2 122 in Parallelschaltung mit dem Rotor des Generators 102 verbunden.
Der Generator 102 liefert der GSU 128 über einen Generatorunterbrecher 119 Wechselstrom zur Spannungsumwandlung zu. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel enthält die GSU 128 eine Tertiärwicklung. Die GSU wandelt die Ausgangsspannung (18 kV) des Generators 102 in die geeigneten Spannungen für die 3,3 kV-Spannungsquelle 114 und für das Hochspannungsnetz 130 um. In dem veranschaulichten Beispiel überträgt die GSU 128 3,3 kV, 12 MVA an die 3,3 kV-Spannungsquelle 114 und 230 MVA an das Hochspannungsnetz 130. Der Unterbrecher 118 kann zwischen dem Hochspannungsnetz 130 und der GSU 128 angeordnet sein. In Verbindung mit der 3,3 kV-Spannungsquelle 114 und dem Rotor des Generators 102 können (nicht gezeigte) harmonische Filter verwendet werden.
Während des Anfahrvorgangs nimmt der Stator des Generators 102 von der VFG-Erregerstufe 104 Strom (Drehstrom) auf, um den Generator 102 drehend anzutreiben. Der Rotor des Generators 102 nimmt ebenfalls Strom von der VFG-Erregerstufe 104 auf. Das Drehen des Generators 102 treibt den Primärantrieb des Generators 102 drehend an. Sobald der Primärantrieb mit einer geeigneten Drehzahl rotiert, zündet der Brennstoff in dem Primärantrieb und der Generator 102 beginnt Strom zu erzeugen. Wenn der Generator 102 mit der Stromerzeugung beginnt, kann das System 100 konfiguriert werden, um in einem Laufbetrieb zu arbeiten.
Diesbezüglich ist während des Anfahrvorgangs der Generatorunterbrecher 119 geöffnet, S1 103 geschlossen und S2 105 geöffnet. Somit liefert die VFG-Erregerstufe 104 dem Stator des Generators 102 über R1 120 Strom, und führt auch dem Rotor des Generators 102 über R2 122 Strom zu. Sobald der Primärantrieb des Generators 102 gestartet ist, ist die Stromzuführung zu dem Stator des Generators 102 nicht mehr erforderlich, und das System 100 geht in den Laufbetrieb über. R1 120 wird daher gesperrt, S1 103 öffnet sich und S2 105 schließt sich, so dass R1 120 und R2 122 parallel geschaltet sind. Die VFG-Erregerstufe 104 setzt die an dem Generatorunterbrecher 119 anliegende Spannung unabhängig von der Drehzahl (innerhalb des Schlupfbereichs) auf Null, und der Generatorunterbrecher kann geschlossen werden, um Strom in das Hochspannungsnetz 130 einzuspeisen.
Ein rasches und effizientes Starten des Generators 102 kann mit größter Effizienz erreicht werden, wenn der Stator des Generators 102 unter Vorgabe der Konstruktion und Nennleistung der Komponenten in dem System 100 das größtmögliche Drehmoment ausgibt. Es ist daher wünschenswert ein Anfahrverfahren zu verwenden, das es dem Generator 102 erlaubt, ein höheres Drehmoment auszugeben als andere Verfahren.
Ein exemplarisches Anfahrverfahren ist in 2 und 3 näher erläutert. Unter Bezugnahme auf 2 wird in Block 202 R2 122 mit einer positiven Phasenfolge gestartet. Die Frequenz von R2 122 sollte die Erzeugung eines nominalen Rotor stroms und nominalen magnetischen Flusses des Generators innerhalb der Nennleistung des Konverters R2 122 erlauben. In Block 204 wird die Stromstärke gesteigert, bis der Generator 102 den nominalen Sättigungsmagnetfluss erreicht. In Block 206 wird der Konverter R1 120 gestartet. Die Frequenz des Konverters R1 120 ist die Frequenz von R2 122 plus der Drehzahl des Rotors. Zu Beginn ist die Frequenz des R1 120, da die Rotordrehzahl gleich Null ist, gleich der Frequenz des R2 122. Der Konverter R1 120 wird die Frequenz und Spannung des R2 122 abgleichen, um die Stromstärke zu erreichen, die erforderlich ist, um das Solldrehmoment zu erreichen. In Block 208 wird die Stromstärke in dem Stator erhöht, um in dem Generator 102 ein Solldrehmoment zu erreichen. In Block 209 wird das Statorsolldrehmoment mittels des Drehzahlreglers des Generators 102 angepasst, um die Solldrehzahl zu erreichen. Der Drehzahlbefehl kann zeitlich monoton wachsen.
Unter Bezugnahme auf 3 ergibt sich aus der grafischen Darstellung A, dass der magnetische Fluss in dem Generator 1 pu ist, während die Generatordrehzahl 0 pu ist. Die Rotorfrequenz beträgt, wie der grafischen Darstellung C zu entnehmen, in etwa 3 Hz, während die Statorstromfrequenz, wie der grafischen Darstellung B zu entnehmen, etwa 0,05 pu beträgt. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel beträgt die Nennfrequenz der Maschine 60 Hz, so dass 3 Hz an dem Rotor mit dem Wert 0,05 pu an dem Stator gleichzusetzen ist, d. h. die Stator- und Rotorfrequenz stimmen überein. Mit Bezug auf die graphische Darstellung D ist die Rotorspannung bei etwa 3,3 kV konstant, und die Statorspannung beträgt etwa 1,1 kV.
Wie den grafischen Darstellungen D und B zu entnehmen, steigen mit wachsender Drehzahl auch die Spannung und Frequenz des Stators. In Anwort auf das Erreichen der nominale Sta torspannungsgrenze durch den Stator wird in Block 210 die Phasenfolge des Rotors in Block 212 umgekehrt.
Sobald die Phasenfolge des Rotors umgekehrt ist, wird die Frequenz und Spannung des Stators reduziert. Da die Drehzahl weiter steigt, wird die Statorfrequenz und Spannung wieder steigen. In Block 215 fährt das Verfahren in Antwort auf das Erreichen der nominalen Statorspannungsgrenze des Stators in Block 214 mit Block 216 fort. In dem veranschaulichten Beispiel erreicht die Statorspannung die Nenngrenze bei einer Drehzahl von etwa 0,22 pu.
In Block 216 wird der Rotorstrom reduziert, um den magnetischen Fluss zu verringern, so dass R1 120 und R2 122, während die Drehzahl weiter ansteigt, bei einer konstanten Spannung arbeiten. Die konstante Spannung kann beispielsweise gleich den entsprechenden nominalen Spannungen von R1 120 und R2 122 sein. Die grafische Darstellung A veranschaulicht die Verringerung des magnetischen Flusses in dem Generator, während die Drehzahl des Generators erhöht wird. Aus der grafischen Darstellung D ist zu ersehen, dass die Spannung des Stators konstant bleibt, wenn die nominale Spannung des Stators erreicht ist.
Sobald die nominale Startdrehzahl des Primärantriebs (z. B. einer Gasturbine) erreicht ist, kann der Primärantrieb gestartet werden, und das System kann abgeglichen werden, um den Generator 102 in einem Laufbetriebsmodus zu betreiben, wie in Block 218 gezeigt.

Die folgende Tabelle fasst das Verfahren von 2 übersichtlich zusammen. Diesbezüglich sind drei allgemeine Stadien des Anfahrvorgangs vorhanden, die den Blöcken von 2 entsprechen.

Betriebsart	I	II	III
Entsprechende Blöcke von Fig. 2	202–210	212–215	216
Drehzahlbereich	0 bis Drehzahl 1	Drehzahl 1 bis Drehzahl 2	> Drehzahl 2
Magnetischer Fluss des Generators	nominal	nominal	abnehmend
Rotorstrom	konstant	konstant	abnehmend
Rotorfrequenz	minimal	minimal	steigend
Rotorphasenfolge	positiv	negativ	negativ
Rotorspannung	nominal	nominal	nominal
Statorfrequenz	von Minimum ausgehend steigend	von Minimum ausgehend steigend	steigend
Statorphasenfolge	positiv	positiv	positiv
Statorspannung	bis zum Nominalwert steigend	bis zum Nominalwert steigend	nominal

Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschließlich des besten Modus zu offenbaren, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit un wesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.

Geschaffen ist ein exemplarisches Verfahren zum Starten eines Generators, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: Starten eines Rotors mittels einer an den Rotor angelegten Wechselspannung; Starten eines Stators; und Steigerung einer Drehzahl des Rotors. Bezugszeichenliste

102	Generator
104	frequenzveränderliche Generator-(VFG)-Erregerstufe
103	erster Schalter (S1)
105	zweiter Schalter (S2)
106	Gleichstromverbindungselement
112	Wandler (G1)
114	3,3 kV-Spannungsquelle
118	Unterbrecher
119	Unterbrecher
120	erster Konverter (R1)
122	zweiter Konverter (R2)
128	Generatoraufspanneinheit (GSU)
130	Hochspannungs-(HV)-Netz

Claims

Verfahren zum Starten eines Generators (102), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Starten eines Rotors (Rotor) mittels einer an den Rotor (Rotor) angelegten Wechselspannung; Starten eines Stators (Stator); und Steigern einer Drehzahl des Rotors (Rotor).
Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner der Schritt gehört, eine Stromstärke in dem Rotor (Rotor) zu erhöhen, bis der Generator (102) einen nominalen Sättigungsmagnetfluss erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner der Schritt gehört, in Antwort auf das Starten des Stators (Stator) eine Stromstärke in dem Stator (Stator) zu erhöhen, um ein Statorsolldrehmoment zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rotor (Rotor) mit einer ersten Phasenfolge gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt, in Antwort darauf, dass eine Statorspannung eine nominale Statorspannungsgrenze erreicht, die erste Phasenfolge eines Rotorkonverters (120) umzukehren, wobei das Umkehren der Phasenfolge des Rotorkonverters (120) die Statorspannung senkt.
Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner der Schritt gehört, eine Drehzahl des Generators (102) zu steigern, bis eine Statorspannung eine nominale Statorspannungsgrenze erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner der Schritt gehört, eine Frequenz des Stroms in dem Rotor (Rotor) und eine Drehzahl des Rotors (Rotor) und eine Frequenz des Stroms in dem Stator (Stator) und die Drehzahl des Generators (102) zu steigern, bis eine erste Drehzahl des Generators (102) erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner der Schritt gehört, eine Frequenz des Stroms in dem Rotor (Rotor) und eine Drehzahl des Rotors (Rotor) und eine Frequenz des Stroms in dem Stator (Stator) und die Drehzahl des Generators zu steigern, bis eine Anfahrdrehzahl eines Primärantriebs des Generators (102) erreicht ist.
Verfahren zum Starten eines Generators (102), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Starten eines Rotors (Rotor); Starten eines Stators (Stator) mit einer ersten Phasenfolge; Steigern einer Drehzahl des Rotors (Rotor); und Anwenden einer zweiten Phasenfolge auf den Rotor (Rotor).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zweite Phasenfolge gegenüber der ersten Phasenfolge entgegengesetzt ist.