CN105529734A - 具有电网损耗穿越能力的感应发电机*** - Google Patents

具有电网损耗穿越能力的感应发电机*** Download PDF

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CN105529734A CN201510678495.8A CN201510678495A CN105529734A CN 105529734 A CN105529734 A CN 105529734A CN 201510678495 A CN201510678495 A CN 201510678495A CN 105529734 A CN105529734 A CN 105529734A
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A.K.蒂瓦里
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Abstract

提供了一种发电***。所述***包括用于将第一能量转换为第二能量的原动机。所述***还包括操作耦合至原动机并且配置成使用第二能量生成电功率的感应发电机。所述***进一步包括电耦合至感应发电机以用于在电网损耗状态期间控制感应发电机的端电压的逆变器。所述***还包括操作耦合至逆变器以用于在电网损耗状态期间耗散由感应发电机生成的功率的功率耗散装置。

Description

具有电网损耗穿越能力的感应发电机***
技术背景
本发明的实施例通常涉及发电***并且更具体地，涉及具有电网损耗穿越能力的感应发电机***。
不同种类的发电***被用来从不同的能源生成功率。发电***可包括将第一形式的能量转变为第二形式的能量的原动机。由发电机使用第二形式的能量来生成电功率。发电***可包括同步发电机或异步发电机以生成功率。在具有异步发电机（备选地被称为感应发电机）的发电***中，感应发电机以期望的速度旋转来生成功率，所述功率经由AC链路被传输至电力网。
然而，在其中由于电力网上的故障而导致电网供电中断发生的情形中，原动机的速度增加，这导致耦合至原动机的感应发电机的速度的增加。这样的速度的增加导致不期望的结果。因此，在识别出电网供电中断时，原动机被强制且快速地关闭或者以其它方式被绕过以克服不期望的过速的结果。然而，这样的强制且快速的关闭可损坏驱动感应发电机的原动机。频繁的电网供电中断导致发电***随时间的性能退化以及更高的维护成本。
因此，存在有对于改进的***的需要以解决前述的问题。
发明内容
简短地说，根据一个实施例，提供了发电***。所述***包括用于将第一能量转换为第二能量的原动机。所述***还包括操作耦合至原动机并且配置成使用第二能量生成电功率的感应发电机。所述***进一步包括电耦合至感应发电机以用于在电网损耗状态期间控制感应发电机的端电压的逆变器。所述***还包括操作耦合至逆变器以用于在电网损耗状态期间耗散由感应发电机生成的功率的功率耗散装置。
在另一个实施例中，提供了用于在电网损耗状态期间感应发电机的穿越的方法。所述方法包括识别发电***中的电网损耗状态。所述方法还包括使用开关把电力网与感应发电机断开。所述方法进一步包括在识别出电网损耗状态时起动备用发电机。所述方法还包括控制逆变器来控制感应发电机的端电压。所述方法进一步包括使用功率耗散装置来耗散由感应发电机生成的功率。
在又一个实施例中，提供了用于将电网损耗穿越能力提供给发电***中的感应发电机的改型单元。所述改型单元包括操作耦合至感应发电机并且配置成在电网损耗状态期间控制感应发电机的端电压的逆变器和电耦合至逆变器并且配置成在电网损耗状态期间耗散由感应发电机生成的功率的功率耗散装置。
提供了技术方案1：
一种发电***，包括：
原动机，用于将第一能量转换为第二能量；
感应发电机，操作耦合至所述原动机并且配置成使用所述第二能量生成电功率；
逆变器，电耦合至所述感应发电机以用于在电网损耗状态期间控制所述感应发电机的端电压；以及
功率耗散装置，操作耦合至所述逆变器以用于在所述电网损耗状态期间耗散由所述感应发电机生成的功率。
提供了技术方案2：如技术方案1所述的***，其中所述原动机包括燃气轮机、蒸汽轮机、所述燃气轮机和所述蒸汽轮机的组合、或者风轮机。
提供了技术方案3：如技术方案1所述的***，其中所述原动机包括基于有机朗肯循环的发电***。
提供了技术方案4：如技术方案1所述的***，其中所述逆变器包括静止同步补偿器（STATCOM）。
提供了技术方案5：如技术方案1所述的***，其中所述功率耗散装置包括电阻元件。
提供了技术方案6：如技术方案1所述的***，还包括操作耦合至所述感应发电机的电容器组或者可用开关控制的电容器的组或者它们的组合。
提供了技术方案7：如技术方案6所述的***，其中所述电容器组或者所述可用开关控制的电容器的组或者它们的组合将无功功率提供给所述感应发电机。
提供了技术方案8：如技术方案1所述的***，还包括操作耦合至所述感应发电机的辅助负载。
提供了技术方案9：如技术方案8所述的***，其中所述辅助负载在所述电网损耗状态期间从所述逆变器接收功率。
提供了技术方案10：如技术方案1所述的***，还包括配置成连接所述感应发电机或者将所述感应发电机与电力网断开的开关。
提供了技术方案11：如技术方案1所述的***，还包括操作耦合至所述发电***的备用发电机。
提供了技术方案12：如技术方案11所述的***，其中所述备用发电机包括柴油发电机。
提供了技术方案13：
一种方法，包括：
识别发电***中的电网损耗状态；
使用开关将电力网与感应发电机断开；
控制逆变器以控制所述感应发电机的端电压；以及
使用功率耗散装置耗散由所述感应发电机生成的功率。
提供了技术方案14：如技术方案13所述的方法，还包括使用所述逆变器用于在起动所述备用发电机时使所述感应发电机与所述备用发电机同步。
提供了技术方案15：如技术方案13所述的方法，还包括在使所述感应发电机与所述备用发电机同步之后使用所述开关将所述备用发电机与所述感应发电机连接。
提供了技术方案16：如技术方案13所述的方法，还包括在恢复所述电力网时使用所述逆变器以使所述感应发电机与所述电力网同步。
提供了技术方案17：如技术方案13所述的方法，还包括在恢复所述电力网时控制所述逆变器以将无功功率提供给所述感应发电机。
提供了技术方案18：如技术方案13所述的方法，还包括在未启动所述备用发电机时使用所述原动机通过以预定速率降低所述感应发电机的速度来关闭所述感应发电机。
提供了技术方案19：如技术方案13所述的方法，还包括使用电容器组或者可用开关控制的电容器的组来将无功功率提供给所述感应发电机。
提供了技术方案20：
一种***，包括：
改型单元，用于将电网损耗穿越能力提供给发电***中的感应发电机，其中所述改型单元包括：
　　逆变器，操作耦合至所述感应发电机并且配置成在电网损耗状态期间控制所述感应发电机的端电压；以及
　　功率耗散装置，电耦合至所述逆变器并且配置成在所述电网损耗状态期间耗散由所述感应发电机生成的功率。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面和优势将变得更好理解，其中整个附图中相同的记号代表相同的部分，其中：
图1是根据本发明的实施例的发电***的框图表示。
图2是根据本发明的实施例的包括逆变器和功率耗散装置的图1的改型单元的图示。
图3是根据本发明的实施例的包括图1的改型单元的另一个实施例的发电***的框图表示。
图4是根据本发明的实施例的包括耦合至AC链路的功率耗散装置的图3的改型单元的图示。
图5是根据本发明的实施例的包括操作耦合至AC链路的电容器组的发电***的框图表示。
图6是根据本发明的实施例的包括操作耦合至AC链路的辅助负载的发电***的框图表示。
图7是根据本发明的实施例的描述包含在用于将电网损耗穿越能力提供给发电***中的感应发电机的方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例包括具有电网损耗穿越能力的感应发电机***和用于同样的感应发电机***的方法。所述***包括用于将第一能量转换为第二能量的原动机。所述***还包括操作耦合至原动机并且配置成使用第二能量生成电功率的感应发电机。所述***进一步包括电耦合至感应发电机以用于在电网损耗状态期间控制感应发电机的端电压的逆变器。所述***还包括操作耦合至逆变器以用于在电网损耗状态期间耗散由感应发电机生成的功率的功率耗散装置。
工厂包括多个工业负载，所述工业负载需要高功率用于它们的操作。因此，工厂使用独立的发电***，所述独立的发电***生成功率用于操作工业负载。在一些工厂中，发电***不能匹配工业负载的需要。在这样的情况下，工业负载所需要的功率和发电***的输出之间的差额由来自例如电力网的外部源的功率来满足。在一些情形中，故障可发生在电力网处，由于这个而导致电网供电中断或电网损耗状态可出现，其中电力网不能将任何功率提供给工业负载。为了克服这样的情形，起动例如柴油发电机的备用发电机来将功率提供给工业负载直到电力网开始运行为止。然而，备用发电机在接收到起动命令之后可能会花费高达几分钟来启动它的操作，这可能会不利地影响工厂中的发电***。因此，描述了改进的发电***来克服前述的问题。
图1是根据本发明的实施例的包括发电***100的工厂10的框图表示。发电***100包括将第一能量转变成第二能量的原动机110。在一个实施例中，原动机110可包括燃气轮机、蒸汽轮机、燃气轮机和蒸汽轮机的组合、或者风轮机。在另一个实施例中，原动机110可包括基于有机朗肯循环的发电***（anorganicrankingcyclebasedpowergenerationsystem）。在特定的实施例中，基于有机朗肯循环的发电***可包括生物质发电厂、地热发电厂、太阳能热力发电厂。在一个示例中，燃气轮机使用天然气和大气来生成高温和高压流出，这被用来生成机械输出。类似地，蒸汽轮机使用水而不是天然气和大气来由热生成机械输出。在另一个示例中，风轮机使用风能来生成机械输出。在一个示例中，燃气轮机和蒸汽轮机的组合可包括联合循环发电厂，其中蒸汽轮机包括余热回收蒸汽发生器。在特定的示例中，余热回收蒸汽发生器可基于有机朗肯循环进行操作以便从燃气轮机回收废热或者从工厂回收任何废弃的过程热。原动机110操作耦合至感应发电机120，感应发电机120基于已知的操作原理由机械输出生成电功率。此外，感应发电机120电耦合至工业负载130并且将电功率传输至工业负载130用于它们的操作。
工厂10还耦合至电力网140，电力网140进一步将功率提供给工业负载130。在工业负载的所需功率高于发电***100生成的电功率的情况下，工厂10从电力网140接收所需功率和发电***100生成的电功率之间的功率差额。相反，如果发电***100生成的电功率高于工业负载130所需的功率，则由发电***100生成的过剩电功率被传输至电力网140。
工厂10还包括备用发电机160。在一个实施例中，备用发电机160可包括柴油发电机。备用发电机160和电力网140可经由开关配电板170操作耦合至工业负载130。在一个实施例中，开关配电板170可包括自动干线故障面板。开关配电板170被用来将工业负载130耦合至或者电力网140或者备用发电机160。
在正常操作期间，工业负载130操作耦合至感应发电机120和电力网140。感应发电机120和电力网140将感应发电机120生成的电功率和来自电力网140的电功率供给工业负载130。然而，电力网140处故障的发生可导致电网损耗状态。在一个实施例中，电网损耗状态可包括其中电力网140未工作并且不能将功率提供给工业负载130的状态。在这样的电网损耗状态期间，开关配电板170将电力网140与工业负载130断开并且将备用发电机160耦合至工业负载130。此外，在识别出这样的电网损耗状态时，起动备用发电机160；然而，备用发电机160需要预定时间来启动它的操作。如本文中所讨论的，术语“起动了的”表示其中备用发电机160接收到命令以起动它的操作的状态。如本文中所讨论的，术语“启动了的”表示其中备用发电机160在接收到前述的命令后可供使用并且准备好支持工业负载130的状态。
发电***100还包括经由AC链路150电耦合至感应发电机120的逆变器180和开关190。在一个实施例中，开关190可包括机械开关。开关190被用来连接感应发电机120或者将感应发电机120与工业负载130断开。开关190被用来将感应发电机120与工业负载130断开并且在这样的断开时逆变器180控制感应发电机120的端电压直到备用发电机160的操作被启动为止。在一个实施例中，开关190和开关配电板170可同时改变相应的开关状态或者开关190可在开关配电板170已经将工业负载130耦合至备用发电机160之后改变它的状态。在特定的实施例中，开关190的开关状态可包括第一状态（其中感应发电机120耦合至工业负载130）和第二状态（其中感应发电机120与工业负载130断开）。
在一个实施例中，逆变器180可包括静止同步补偿器（STATCOM）。逆变器180控制感应发电机120的端电压使得感应发电机120的定子上的同步频率在其中备用发电机160启动它的操作的预定时间期间被维持。此外，在另一个实施例中，逆变器180可电耦合至功率耗散装置200，功率耗散装置200被用来在用于备用发电机160的启动的预定时间期间耗散由感应发电机120生成的电功率。在一个实施例中，逆变器180可电耦合至DC电容器。在示范的实施例中，功率耗散装置200可包括电阻元件或能量存储元件。功率耗散装置200还可包括以并联配置操作耦合至电阻元件或能量存储元件的DC斩波器。因此，发电***100中逆变器180和功率耗散装置200的使用将穿越能力提供给感应发电机120，这允许感应发电机120在电网损耗状态期间以及在其中备用发电机160启动它的操作的预定时间期间操作。在一个实施例中，逆变器180和功率耗散装置200形成改型单元210，改型单元210可操作耦合至任何先存在的发电***以在先存在的发电***中引入电网损耗穿越能力。
此外，在启动备用发电机160时，逆变器180使感应发电机120的端电压能够与备用发电机160生成的电压同步。一旦端电压与备用发电机160生成的电压同步，开关190就将感应发电机120与工业负载130连接并且感应发电机120将功率传输至这样的工业负载130直到电力网140被恢复为止。此外，在备用发电机160的操作期间，逆变器180在待机模式下操作或者备选地，逆变器180可在发电***中提供无功功率以提高发电***100生成的功率的质量。
然而，在一些情形中，备用发电机160可以在预定时间内不启动它的操作。在这样的情形中，可以以预定方式减慢原动机110以便以预定速率降低感应发电机120的速度直到关闭感应发电机120为止。与电网损耗状态的事件中的常规跳闸关闭程序相比，感应发电机120的这样的关闭程序导致对感应发电机120的最小损害/无损害。此外，与常规跳闸关闭程序相比，以预定速率关闭感应发电机使能使用具有更小的额定功率的功率耗散装置200，这导致功率耗散装置200的成本降低。
随后，在恢复电力网140时，逆变器180检测到电力网140的恢复并且使感应发电机120与电力网140重新同步。在一个实施例中，重新同步可包括使感应发电机120的频率与电力网140同步并且使逆变器180的电压与电力网140的电压同步。开关配电板170将工业负载130与备用发电机160断开并且将工业负载130耦合至电力网140。电力网140将功率供给电力网140并且停用备用发电机160，导致备用发电机160的关闭。在这样的情形中，逆变器180可以或者为感应发电机120执行无功功率控制或者可以保持空闲而不将任何电流注入发电***100。在一个实施例中，逆变器180调节感应发电机120的端电压直到电力网140开始支持工业负载130并且从备用发电机160到电力网140的转变完成为止。
图2是根据本发明的实施例的包括逆变器180和功率耗散装置200的图1的改型单元210的图示。在这个实施例中，逆变器180包括三相逆变器。逆变器180包括三条引线用于三个相应的相，它们以并联配置彼此至耦合。每条引线包括两个开关单元，其中每个开关单元包括并联耦合至彼此的开关和二极管。在一个实施例中，开关可包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或者它们的组合。此外，逆变器180包括经由逆变器开关230操作耦合至功率耗散装置200的DC电容器220。在导通状态下操作逆变器开关230以便将功率耗散装置200与逆变器180耦合。备选地，在非导通状态下操作逆变器开关230以便将功率耗散装置200从逆变器180去耦。
在其中备用发电机160启动它的操作的预定时间期间，逆变器180使用感应发电机（图1）生成的功率来为能量存储元件220充电。在充电间隔期间，在非导通状态下操作逆变器开关230直到DC电容器220的电压（Vdc）达到第一预定阈值极限。随后，在导通状态下操作逆变器开关230，其中逆变器开关230将DC电容器220与功率耗散装置200耦合。在这样的配置中，DC电容器220通过功率耗散装置200放电直到DC电容器220的电压（Vdc）达到第二预定阈值极限。前述的过程被重复直到备用发电机160启动它的操作为止。一旦备用发电机60启动它的操作，就将逆变器开关230切换至非导通状态使得DC电容器不会从逆变器得到充电。
图3是根据本发明的实施例的图1的发电***100的另一个实施例，其中与图1和图2形成对照，改型单元250中的功率耗散装置240可耦合至AC链路150。
图4是图3的改型单元250的图示，其描绘了经由一个或多个逆变器开关260耦合至AC链路150的功率耗散装置240。在这个实施例中，发电***（图3）是三相发电***并且因此，功率耗散装置经由三个逆变器开关260耦合至AC链路150。逆变器开关260中的每一个被用来将功率耗散装置240耦合至相应的相。在一个实施例中，逆变器开关260包括开关单元，其中开关单元中的每一个包括用于交流电的三极管（TRIAC）或绝缘栅双极晶体管（IGBT）。功率耗散装置和逆变器开关260的操作类似于上面关于功率耗散装置200和逆变器开关230所讨论的操作。
图5是根据本发明的实施例的包括操作耦合至AC链路150的电容器组270的图1的发电***100的框图表示。在这个实施例中，发电***100可以包括经由AC链路150可操作耦合至感应发电机120的电容器组270。除图1的逆变器180之外，电容器组270也可被用来将部分的无功功率提供给感应发电机120。电容器组270的使用帮助降低逆变器180的成本，因为具有更小的额定功率的逆变器可以与电容器组270一起使用来将相同的无功功率提供给感应发电机120。在一个实施例中，可以使用可用开关控制的电容器的组或者电容器组与可用开关控制的电容器的组的组合而不是电容器组来提供无功功率。
图6是根据本发明的实施例的包括操作耦合至AC链路150的辅助负载280的图5的发电***100的框图表示。在这个实施例中，发电***100可包括辅助负载280。通常，使用由感应发电机120提供的功率来操作辅助负载280。在常规***中，在电网损耗状态期间，感应发电机120被关闭，这又导致辅助负载的不工作，或者不间断电源（UPS）被用来将功率提供给辅助负载280。然而，在这个实施例中，逆变器180可将功率提供给辅助负载280。在一个实施例中，逆变器180可在备用发电机160用来启动它的操作所花费的预定时间期间将功率提供给辅助负载280。辅助负载280的存在还帮助降低逆变器180和功率耗散装置200的成本，因为具有更小的额定功率的逆变器可与辅助负载280一起使用，因为辅助负载280可使用由感应发电机120生成的功率中的至少一些。
图7是根据本发明的实施例的描述包含在用于将电网损耗穿越能力提供给发电***中的感应发电机的方法300中的步骤的流程图。方法300包括在步骤310中识别发电***中的电网损耗状态。在一个实施例中，逆变器识别电网损耗状态。在步骤320中使用开关将电力网与感应发电机断开。在一个实施例中，在识别出电网损耗状态时起动备用发电机。在一个实施例中，在起动备用发电机时，逆变器使感应发电机与备用发电机同步。在另一个实施例中，在使感应发电机与备用发电机同步之后，通过开关将感应发电机连接至备用发电机。此外，在步骤330中，逆变器控制感应发电机的端电压。在步骤340中，感应发电机生成使用功率耗散装置耗散的功率。方法300还包括在恢复电力网时停用备用发电机并且使用逆变器使感应发电机与电力网同步。在一个实施例中，如果在预定时间内没有启动备用发电机的操作，则可以使用逆变器通过以预定速率降低感应发电机的速度来关闭感应发电机。在另一个实施例中，在恢复电力网时，逆变器被控制以将无功功率提供给感应发电机。在一个实施例中，可通过电容器组、可用开关控制的电容器的组或者它们的组合来将无功功率提供给感应发电机。
将会理解，技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的可交换性并且所描述的各种特征以及每个特征的其它已知等效物可以被本领域一个普通技术员依照本公开的原理混合和匹配以构建附加的***和技术。因此，将会理解，所附的权利要求是用来覆盖落在本发明的真实精神之内的所有这样的修改和改变的。
尽管只有本发明的某些特征已经在本文中被说明和描述，但是本领域技术人员将会想到许多的修改和改变。因此，将会理解，所附的权利要求是用来覆盖落在本发明的真实精神之内的所有这样的修改和改变的。

Claims (10)

1.一种发电***，包括：
原动机，用于将第一能量转换为第二能量；
感应发电机，操作耦合至所述原动机并且配置成使用所述第二能量生成电功率；
逆变器，电耦合至所述感应发电机以用于在电网损耗状态期间控制所述感应发电机的端电压；以及
功率耗散装置，操作耦合至所述逆变器以用于在所述电网损耗状态期间耗散由所述感应发电机生成的功率。
2.如权利要求1所述的***，其中所述原动机包括燃气轮机、蒸汽轮机、所述燃气轮机和所述蒸汽轮机的组合、或者风轮机。
3.如权利要求1所述的***，其中所述原动机包括基于有机朗肯循环的发电***。
4.如权利要求1所述的***，其中所述逆变器包括静止同步补偿器（STATCOM）。
5.如权利要求1所述的***，其中所述功率耗散装置包括电阻元件。
6.如权利要求1所述的***，还包括操作耦合至所述感应发电机的电容器组或者可用开关控制的电容器的组或者它们的组合。
7.如权利要求6所述的***，其中所述电容器组或者所述可用开关控制的电容器的组或者它们的组合将无功功率提供给所述感应发电机。
8.如权利要求1所述的***，还包括操作耦合至所述感应发电机的辅助负载。
9.如权利要求8所述的***，其中所述辅助负载在所述电网损耗状态期间从所述逆变器接收功率。
10.如权利要求1所述的***，还包括配置成连接所述感应发电机或者将所述感应发电机与电力网断开的开关。
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