TWI385886B

TWI385886B - Generator system and generator vibration suppression module

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Publication number: TWI385886B
Application number: TW98134115A
Authority: TW
Original assignee: Univ Ishou
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2013-02-11
Also published as: TW201114136A

Description

發電機系統與發電機振動抑制模組

本發明是有關於一種發電機系統與一種發電機振動抑制模組，特別是指一種藉由抑制發電機系統發生故障時所產生的負序電流，進而抑制發電機系統因故障而產生振動之發電機系統及發電機振動抑制模組。

在一般發電機系統大都是採用三相電力系統，而當三相電力系統發生故障時，一般都是單相接地故障，因此，傳統一般斷路器都是以單極切換脫離方式設計以切斷故障相電路，同時令非故障相電路繼續供電，所以可以提升暫態穩定度，但是，這種技術因為只切斷了故障相電路，其他非故障相電路仍持續供電，在該故障相電路尚未恢復的這段期間，該三相電力系統將持續處在一相位不平衡運轉的狀態下，並產生一負序電流(Negative sequence current)，造成電磁轉矩兩倍系統頻率成分產生，如此一來將會使得該三相電力系統中之汽機葉片產生超同步高應力振動，換句話說，該三相電力系統發電機將會因其葉片的劇烈扭轉震動而減少使用壽命，甚至發生危險。

此外，該負序電流也會造成該三相電力系統中的轉子繞組過熱，使得電力系統減少使用壽命，故如何有效抑制因單極切換脫離而產生的負序電流對於提升一三相電力系統的使用壽命及操作安全性是相當重要的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種發電機系統，包含：一發電模組，用以產生一電力；一第一斷路模組，其具有一第一端與一第二端，且其第一端電連接於該發電模組，其包括；一發電機振動抑制模組，具有：一電感單元，其具有一第一端及一第二端，且該第一端與該發電模組電連接；一電感開關單元，其可切換地二端分別與該電感單元之第一端及第二端電連接；一電容單元，其具有一第一端與一第二端，且該第一端與該電感單元之第二端電連接，其第二端則接地；及一電容開關單元，其可切換地二端分別與該電容單元之第一端及第二端電連接；一傳輸模組，其具有一第一端與一第二端，且其第一端與該第一斷路模組之第二端電連接；及一第二斷路模組，其一端電連接於該傳輸模組之第二端；當該發電機系統處於故障狀態時，該電容開關單元將不導通，以抑制因故障所產生之一負序電流。

此外，本發明之另一目的為提供一種發電機振動抑制模組，適用於與一發電機系統電連接以抑制其因單相故障而產生的一負序電流，其包含：一電感單元，其具有一第一端及一第二端，且該第一端與該發電機系統電連接；一電感開關單元，其可切換地二端分別與該電感單元之第一端及第二端電連接；一電容單元，其具有一第一端與一第二端，且該第一端與該電感單元之第二端電連接，其第二端則接地；及一電容開關單元，其可切換地二端分別與該電容單元之第一端及第二端電連接；當該發電機系統處於故障狀態時，該電容開關單元將不導通，以抑制因故障所產生之一負序電流。

此外，本發明之另一目的為提供一種發電機振動抑制模組，適用於與一發電機系統電連接以抑制其因單相故障而產生的一負序電流，其包含：一電感單元，其具有一第一端及一第二端，且該第一端與該發電機系統電連接；一電感開關單元，其可切換地二端分別與該電感單元之第一端及第二端電連接；一第一電容，其具有一第一端與一第二端，且該第一端與該電感單元之第二端電連接；一第一電容開關單元，其可切換地二端分別與該電容單元之第一端及第二端電連接；一第二電容，其具有一第一端與一第二端，且該第一端與該該第一電容之第二端電連接，且其第二端則接地；及一第二電容開關單元，其可切換地二端分別與該第二電容之第一端及第二端電連接；當該發電機系統處於雙電路線服務狀態時發生單相故障，則該第一電容開關單元將不導通，且該第二電容開關單元將導通，以抑制因故障所產生之一負序電流；當該發電機系統處於單電路線服務狀態時發生單相故障，則該第一電容開關單元將導通，且該第二電容開關單元將不導通，以抑制因故障所產生之一負序電流。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

第一較佳實施例

參閱圖1，本發明發電機振動抑制模組1之第一較佳實施例，包含：一電感單元11、一電容單元12、一電感開關單元13，及一電容開關單元14，且該電感單元11、電容單元12、電感開關單元13、電容開關單元14分別具有一第一端與一第二端。其中，該電感單元11之第一端與該電感開關單元13之第一端電連接，該電感單元11之第二端、該電感開關單元13之第二端、該電容單元12之第一端及該電容開關單元14之第一端電連接，該電容單元12之第二端與該電容開關單元14之第二端電連接於一接地端(Ground)。

本較佳實施例中之發電機振動抑制模組1適用於一發電機系統，聯合參閱圖2、3，以一發電機系統2為例來加以說明如下：該發電機系統2包含：一發電模組21、一傳輸模組22一第一斷路模組23，及一第二斷路模組24，且每一斷路模組23、24分別包括二斷路元件231、232、241、242。該發電模組21所產生之電力經由該傳輸模組22輸送至一外部電力網路9中，而該傳輸線模組22之二端分別與該第一、二斷路模組23、24電連接，使得當單相故障發生時，該第一、二斷路模組23、24可以有效隔離故障相電路，其中該第一、二斷路模組23、24皆可獨立切換脫離。

舉例來說假設一單相故障發生時，在本實施例發電機系統中對應之該等斷路器會切換脫離以隔絕故障相電路。其中，每一斷路元件231、232、241、242分別包含：三切換器2311~2313、2321~2323、2411~2413、2421~2423，此外，該第一斷路模組23更包括三耦合電感201~203，及該發電機振動抑制模組1。其操作方式說明如下：當該發電機系統2維持在正常狀態時，此時，該電感開關單元13為不導通狀態且該電容開關單元14為導通狀態，因此，電流將不會流過該電容單元12，所以不會影響發電模組21傳送電力至傳輸模組22，而且由於該電感單元11導通可以有效壓抑當單相故障發生時所產生的瞬間故障電流量。

而當單相故障發生時，此時，可分為一故障期間(fault period)與一消弧期間(dead time)。

故障期間

參閱圖4，當進入故障期間時，該等切換器2311、2411切換為不導通狀態，使得該等斷路元件231、241之故障相電路得以切換為脫離狀態，參閱圖5，因為其三序網路(3-sequence network)狀態為串聯關係，所以該故障電流計算方式如下所示：

其中，為故障電流，且I _a ₀ 為零序電流。

參閱圖6，然後根據其零序網路來進行電感單元11之電抗配置，首先假設該傳輸模組22為一雙電路傳輸線(double circuit transmission line)並以一pi模型(π-model)表示，因此，由故障點P ₁ 所觀察到的等效電抗計算方式如下：

(3X _LG +X _t )//X _C =0.....(F .2)

其中，3X _LG 、X _C 分別為該電感單元11及電容單元12之等效電抗，X _t 為發電模組21之等效電抗。

值得注意的是，因為該發電模組21之等效電抗X _t 遠小於該電感單元11之等效電抗3X _LG ，因此可以忽略不計。

因為並聯共振效應(parallel resonance effect)，其電感單元11之電抗配置方式如下：

消弧期間

接著進入一消弧期間後，參閱圖7，該電感開關單元13導通且該電容開關單元14為不導通，參閱圖8，因為其三序網路(3-sequence network)狀態為並聯關係，所以該故障電流計算方式如下所示：

I _pos +I _neg +I _zero =0.....(F. 4)

其中，I _pos 為一正序電流(Positive-sequence current)、I _neg 為一負序電流(Negative-sequence current)、I _zero 為一零序電流(Zero-sequence current)。

參閱圖9，然後根據其零序網路來進行電容單元12之阻抗配置，該零序阻抗之計算方式如下所示：

其中，X _t 、X _L 、X _G 分別為發電模組21、傳輸模組22、中性接地點之等效電抗。

而根據方程式(F .4)，該負序電流又可計算如下所示：

由方程式(F .6)可知，當零序等效阻抗Z _zero 為零時，則可使得負序電流I _neg 為零。因此，將方程式(F .5)中的零序等效阻抗Z _zero 設為零時，則中性接地點之等效電抗X _G 可被配置如下：

而中性接地點之等效電容值C _G 如下所示：

也就是說，當該零序電流I _zero 等於該正序電流I _pos 時，該負序電流I _neg 即可被消除掉。

第二較佳實施例

參閱圖10，本發明之第二較佳實施例與該第一較佳實施例之最大的不同是在於，該第一較佳實施例是假設電力傳輸的過程中僅發生一單相故障，因此，此時該第一、二斷路模組23、24中分別只有一切換器2311、2411為不導通狀態，這種狀態稱之為雙電路線服務(Double-circuit line in service)，而若是電力傳輸的過程中發生多數相故障的話，則該電容單元12將需要重新設計之。

因此，我們假設在該第一斷路模組23之斷路元件231上發生二相以上的故障時，該斷路元件231中之三切換器2311~2313將全部切換為不導通狀態，當然，對應的該該斷路元件241中之三切換器2411~2413也將全部切換為不導通狀態，此時，當該第一斷路模組23中另一斷路元件232上又發生單相故障時，此時，將該切換器2321將切換為不導通狀態(當然，該斷路元件242之對應的該切換器2421亦為不導通狀態)，因為此時該第一、二斷路模組23、24中分別有四切換器2311~2313、2321、2411~2413、2421為不導通狀態，這種狀態稱之為單電路線服務(Single-circuit line in service)，所以因故障而產生的負序電流將變得相當大，因此，藉由上述公式(F. 4)~(F .8)即可重新設計適當的電容單元12的電容值，以消除掉所產生之負序電流。

第三較佳實施例

參閱圖11，本發明之第三較佳實施例與該第二較佳實施例之最大的不同是在於該發電機振動抑制模組1中該電容單元12包括一第一電容121與一第二電容122，且該電容開關單元14包括一第一電容開關141與一第二電容開關142，其中該第一電容121之電容值與該第一較佳實施例中之電容單元12之電容值相當，而該第二電容122之電容值與該第二較佳實施例中之電容單元12之電容值相當。

聯合參閱圖11、12，當該發電機系統2為一般雙電路線服務狀態時，發生單相故障之後，此時，該切換器2311、2411為不導通狀態以將故障相電路斷開，進入消弧期間後，該電感開關13切換為導通，且該第一電容開關141切換為不導通狀態，因此，該第一電容121將可有效消除當發電機系統2處在單電路線服務狀態時，因單相故障而產生之負序電流。

聯合參閱圖11、13，當該發電機系統2變成單電路線服務狀態之後，再度發生單相故障時，此時，該等切換器2311~2313、2321、2411~2413、2421為不導通狀態，以將故障相電路斷開，進入消弧期間後，該電感開關13切換為導通，且該第二電容開關142切換為不導通狀態，因此，該第二電容122將可有效消除當發電機系統2處在單電路線服務狀態時，因單相故障而產生之負序電流。

綜上所述，應用本發明之發電機振動抑制模組於一發電機系統內時，不論該發電機系統為雙電路線服務狀態或單電路線服務狀態，當該發電機系統發生單相故障時，可以藉由一接地電容限制故障電流量，並有效抑制該負序電流，因此，可以達到立即脫離該故障電路，並使得該發電機系統在故障期間及消弧期間內可以降低因相位不平衡所產生的高應力振動，以延長其使用壽命，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．發電機振動抑制模組

11．．．電感單元

12．．．電容單元

121．．．第一電容

122．．．第二電容

13．．．電感開關單元

14．．．電容開關單元

141．．．第一電容開關

142．．．第二電容開關

2．．．發電機系統

21．．．發電模組

22．．．傳輸模組

23．．．第一斷路模組

231．．．斷路元件

232．．．斷路元件

2311~2313．．．切換器

2321~2323．．．切換器

24．．．第二斷路模組

241．．．斷路元件

242．．．斷路元件

2411~2413．．．切換器

2421~2423．．．切換器

201~203．．．耦合電感

9．．．外部電力網路

圖1是本發明之第一較佳實施例之電路圖；

圖2是一發電機系統之示意圖；

圖3是該發電機振動抑制模組於正常狀態時與一斷路模組之聯結電路示意圖；

圖4是該發電機振動抑制模組於故障期間與該斷路模組之聯結電路示意圖；

圖5是故障期間之三序網路示意圖；

圖6是故障期間之零序網路示意圖；

圖7是該發電機振動抑制模組於消弧期間與該斷路模組之聯結電路示意圖；

圖8是消弧期間之三序網路示意圖；

圖9是消弧期間之零序網路示意圖；

圖10是本發明之第二較佳實施例之電路圖；

圖11是本發明之第三較佳實施例之電路圖；

圖12是該第三較佳實施例中，發電機系統處於雙電路線服務狀態時，該發電機振動抑制模組於消弧期間之電路示意圖；及

圖13是該第三較佳實施例中，發電機系統處於單電路線服務狀態時，該發電機振動抑制模組於消弧期間之電路示意圖。

1．．．發電機振動抑制模組

11．．．電感單元

12．．．電容單元

13．．．電感開關單元

14．．．電容開關單元

Claims

一種發電機系統，包含：一發電模組，用以產生一電力；一第一斷路模組，其具有一第一端與一第二端，且其第一端電連接於該發電模組，其包括；一發電機振動抑制模組，具有：一電感單元，其具有一第一端及一第二端，且該第一端與該發電模組電連接；一電感開關單元，其可切換地二端分別與該電感單元之第一端及第二端電連接；一電容單元，其具有一第一端與一第二端，且該第一端與該電感單元之第二端電連接，其第二端則接地；及一電容開關單元，其可切換地二端分別與該電容單元之第一端及第二端電連接；一傳輸模組，其具有一第一端與一第二端，且其第一端與該第一斷路模組之第二端電連接；及一第二斷路模組，其一端電連接於該傳輸模組之第二端；當該發電機系統處於故障狀態時，該電容開關單元將不導通，以抑制因故障所產生之一負序電流。
依據申請專利範圍第1項所述之發電機系統，該第一斷路模組更包括：三耦合電感，每一耦合電感分別具有一第一端與一第二端，其第一端與該發電機振動抑制模組電連接；二斷路元件，每一斷路元件分別具有一第一端與一第二端，其第一端與該等耦合電感之第二端電連接，其第二端與該傳輸模組電連接，其中，每一斷路元件分別具有三切換器，每一切換器用以決定傳輸一單相電力之路徑。
依據申請專利範圍第2項所述之發電機系統，其中，當發電機系統處於雙電路線服務狀態時發生單相故障，於一故障期間時，該電感開關單元不導通，而該電容開關單元導通，且單相故障所對應之該等切換器將脫離，以隔絕該單相故障。
依據申請專利範圍第2項所述之發電機系統，其中，當發電機系統處於雙電路線服務狀態時發生單相故障，於一消弧期間時，該電感開關單元導通，而該電容開關單元不導通，且單相故障所對應之該等切換器將脫離，以隔絕該單相故障。
依據申請專利範圍第2項所述之發電機系統，其中，當發電機系統處於單電路線服務狀態時發生單相故障，於一故障期間時，該電感開關單元不導通，而該電容開關單元導通，且單相故障所對應之該等切換器將脫離，以隔絕該單相故障。
依據申請專利範圍第2項所述之發電機系統，其中，當發電機系統處於單電路線服務狀態時發生單相故障，於一消弧期間時，該電感開關單元導通，而該電容開關單元不導通，且單相故障所對應之該等切換器將脫離，以隔絕該單相故障。
一種發電機振動抑制模組，適用於與一發電機系統電連接以抑制其因單相故障而產生的一負序電流，其包含：一電感單元，其具有一第一端及一第二端，且該第一端與該發電機系統電連接；一電感開關單元，其可切換地二端分別與該電感單元之第一端及第二端電連接；一電容單元，其具有一第一端與一第二端，且該第一端與該電感單元之第二端電連接，其第二端則接地；及一電容開關單元，其可切換地二端分別與該電容單元之第一端及第二端電連接；當該發電機系統處於故障狀態時，該電容開關單元將不導通，以抑制該負序電流。
依據申請專利範圍第7項所述之發電機振動抑制模組，其中，當發電機系統處於雙電路線服務狀態時發生單相故障，於一故障期間時，該電感開關單元不導通，而該電容開關單元導通。
依據申請專利範圍第7項所述之發電機振動抑制模組，其中，當發電機系統處於雙電路線服務狀態時發生單相故障，於一消弧期間時，該電感開關單元導通，而該電容開關單元不導通。
依據申請專利範圍第7項所述之發電機振動抑制模組，其中，當發電機系統處於單電路線服務狀態時發生單相故障，於一故障期間時，該電感開關單元不導通，而該電容開關單元導通。
依據申請專利範圍第7項所述之發電機振動抑制模組，其中，當發電機系統處於單電路線服務狀態時發生單相故障，於一消弧期間時，該電感開關單元導通，而該電容開關單元不導通。
一種發電機振動抑制模組，適用於與一發電機系統電連接以抑制其因單相故障而產生的一負序電流，其包含：一電感單元，其具有一第一端及一第二端，且該第一端與該發電機系統電連接；一電感開關單元，其可切換地二端分別與該電感單元之第一端及第二端電連接；一第一電容，其具有一第一端與一第二端，且該第一端與該電感單元之第二端電連接；一第一電容開關單元，其可切換地二端分別與該電容單元之第一端及第二端電連接；一第二電容，其具有一第一端與一第二端，且該第一端與該該第一電容之第二端電連接，且其第二端則接地；及一第二電容開關單元，其可切換地二端分別與該第二電容之第一端及第二端電連接；當該發電機系統處於雙電路線服務狀態時發生單相故障，則該第一電容開關單元將不導通，且該第二電容開關單元將導通，以抑制因故障所產生之一負序電流；當該發電機系統處於單電路線服務狀態時發生單相故障，則該第一電容開關單元將導通，且該第二電容開關單元將不導通，以抑制該負序電流。
依據申請專利範圍第12項所述之發電機振動抑制模組，其中，當該發電機系統發生單相故障時，該電感開關單元為導通。