發電機的靜態勵磁系統以及此類勵磁系統的操作方法

專利名稱：發電機的靜態勵磁系統以及此類勵磁系統的操作方法
技術領域：
本發明主要涉及發電機技術領域，并且尤其涉及如權利要求1的前序部分所述的靜態勵磁系統，以及這種勵磁系統的操作方法。
背景技術：
用于為發電機的勵磁繞組(field winding)饋電的靜態勵磁系統被廣泛使用。它們的特征在于其魯棒性以及較短的響應時間。圖1示出了一種已知類型的靜態勵磁系統。圖1中的該靜態勵磁系統10與發電機16相連，后者經由(3相)母線19和電機變壓器(machinetransformer)11連接到網格系統(圖1中未示出)。靜態勵磁系統10用來給發電機16的勵磁繞組17饋電，并構成了勵磁變壓器(excitertransformer)12，該勵磁變壓器12連接到母線19，并且該勵磁變壓器12輸出的交流電壓通過晶閘管橋(thyristor bridge)18轉換為直流電壓，該晶閘管橋18與晶閘管21裝在一起，驅動晶閘管橋18內的晶閘管21，從而通過自動電壓調節器(AVR)14來控制直流電壓的幅度，該自動電壓調節器(AVR)14基于呈現在經由電壓互感器(voltage transformer)13抽頭的母線19上的發電機電壓，以及在勵磁裝置10中流動并且經由電流互感器(current transformer)15測量的電流。由晶閘管橋18產生的直流電壓可以驅動通過勵磁繞組17的勵磁電流If。
通過將勵磁變壓器12的輸出電壓設置為高于標稱水平的12倍，來提高勵磁系統10的響應速度，從而可以通過暫時轉換到晶閘管橋18的全波控制，來確保必要的電流梯度dIf/dIt(響應時間)以及必要的最大值Ifmax(無功分量的短暫增長)。相應的峰值系數，即最大勵磁電壓與額定勵磁電壓的比值，在1.5到2.0的范圍內。如此的有限值大體是正常的，以便處理標準網格系統的干擾。
盡管有這樣的有余量的設計，在常規靜態勵磁系統中仍存在問題，原因如下網格系統的干擾通常是由于傳輸線上的短路造成的，諸如此類的短路降低了網格系統相對鄰近區域以及附近電力站的電壓。由于勵磁變壓器是由發電機母線來饋電的，因此勵磁變壓器的電壓同樣會降低。如果在預定的時間窗口內能夠成功地自動重合閘(短路情況下)，則可以自動地重新連接到網格系統。為了保證發電機/網格系統在重新連接后的穩定性，期望將短暫的無功分量電涌引入返回網格系統中。這需要發電機處于過勵磁(overexcited)狀態中。然而，這只能部分實現，因為短路期間以及短路剛過后的電壓不支持建立短暫無功分量電涌。甚至引用的峰值系數也不能確保在這段時間內所有情況下的足夠勵磁。
文件US-A-3,818,317描述了電容器電壓給勵磁系統模擬信號環路的一系列饋電。該饋電是由欠壓繼電器觸發的，該繼電器對發電機電壓進行采樣，經這種方法修改的信號用于自動電壓調節器(AVR)的輸入。該文件沒有提及通過由附加能量源饋電而引起的勵磁電路中的功率的短暫增加。
US-B1-6,339,316既描述了勵磁源的交流電壓側的電容器輔助的不中斷電源(圖1-4)，也描述了以直流充電且與勵磁繞組的輸電線并聯的電容器(圖5-8)。在這兩種配置下，發電機的有效性受到了很大的不良影響，因為當配置中的其中一個所述部件失效時，整個勵磁就會失效。連接到勵磁繞組的電容器使用半導體開關來對從晶閘管10流出的電流進行整流，再使其返回晶閘管10。這樣會導致電壓尖峰，并對發電機的晶閘管或勵磁繞組造成故障或引起破壞。

發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠短暫增加勵磁(勵磁強化)的靜態勵磁系統，其避免了已知勵磁系統的缺點，以高功能可靠性和簡單、節約空間的設計為特征，并且能夠指定其操作方法。
可以通過綜合權利要求1以及14至19的特征來實現所述目的。
本發明的實質在于提供靜態勵磁系統中發送電能的第二模塊，該第二模塊在必要時將附加能量短暫地饋送到勵磁電路，其中，將正向偏置二極管插入到勵磁電路，以及其中，第二模塊從反向偏置方向連接到二極管，來給勵磁電路饋送能量。
根據發明的系統的一個改進之處的特征在于第一模塊包括勵磁變壓器，該勵磁變壓器連接到發電機的母線，以及，整流電路，其連接到勵磁變壓器的輸出；該整流電路是可控整流電路，特別是晶閘管橋；自動電壓調節器用于控制該整流電路或該晶閘管橋；以及該自動電壓調節器在輸入側經由電壓互感器連接到發電機母線；第二模塊可以通過開關連接到二極管；該開關是半導體的開關，特別是晶閘管(Th)，或者是能夠被關閉的半導體開關，特別是GTO或IGBT；該開關可以基于發電機電壓和/或自動電壓調節器的設置值而工作。
該勵磁系統無需連接到發電機線圈(generator rail)。例如，其同樣可以連接到內部電站源上。因為這樣最終還是連接到了網格系統，效果相同。
本發明的另一個改進之處還在于，第二模塊是由充電電容形成的，在這種情況下，特別之處在于，該電容包括一個電容器或串聯的多個電容器。如果電容包括的多個電容器能夠相互獨立地連接到二極管，則通過適當的開關將電容器能量以特定的可變方式饋送給勵磁電路。
從空間需求、能量密度、可靠性和安裝成本的角度看，如果電容器是能量密度在1至10Wh/kg的超級電容器或特級電容器將是很有利的。
例如，提供充電單元是為了給電容充電。
如果勵磁的短暫增加是為了便于從中央點進行控制，那么若用于第二模塊連接的開關能通過有線信號或無線信號經由接收器被操控是很有利的。


在下文中，將引用示例性實施例并結合附圖，對本發明進行更加詳細地闡述，其中
圖1示出了根據現有技術的靜態勵磁系統的簡化電路圖；圖2示出了根據本發明的第一示例性實施例的靜態勵磁系統的簡化電路圖，其具有電容作為能量來源，該電容經由開關，在反向偏置方向上連接到勵磁電路中的二極管；圖3示出了從電容連接(tON)后直到電容完全放電(t’)為止的時間內的勵磁電壓(Uf)、勵磁電流(If)、電容器電壓(Uc)、電容器電流(Ic)和二極管電流(ID)的波形的例子；圖4與圖3形成對比，前者示出了從電容連接(tON)后直到電容的過早斷開(tOFF)為止的時間內的勵磁電壓(Uf)、勵磁電流(If)、電容器電壓(Uc)、電容器電流(Ic)和二極管電流(ID)的波形的例子；圖5示出了本發明的其它示例性實施例，其中，阻抗器與二極管并聯，以便可以生成反向勵磁電流和/或改變電容的放電時間，其中，該電容包括串聯的多個單獨的電容器，以及將不同的半導體開關(晶閘管、GTO、IGBT)用作開關；圖6示出了獨立連接的多個電容器，這些電容器并行連接，以產生連續放電曲線；以及圖7示出了圖6中所示電路的一種變化。
具體實施例方式
圖2示出了根據本發明的第一示例性實施例的靜態勵磁系統的簡化電路圖。其再一次基于具有勵磁繞組17的發電機16，該發電機16通過母線19和電機變壓器11連接到網格系統。勵磁繞組中有來自靜態勵磁系統20的勵磁電流If，該靜態勵磁系統20主要包括勵磁變壓器12以及其后的安裝有晶閘管21的晶閘管橋18。晶閘管橋18由自動電壓調節器(AVR)14驅動，該自動電壓調節器(AVR)14驅動接收輸入變量，一方面經由電壓互感器13將發電機電壓施加到母線19上，而另一方面電流經由電流互感器15存在于勵磁系統中。晶閘管橋18的輸出側連接到勵磁繞組17，并共同構成勵磁電路。
二極管22安裝在勵磁電路中的正向偏置方向上。充電電容23能通過開關24與二極管22并行連接，而電容23連接到二極管22的反向偏置方向。電容23能通過與其連接的充電單元25進行充電。可以通過多種方式驅動開關24，如圖2中的各條虛線所示。
在正常操作期間，流經二極管22的勵磁電流If是直流，對勵磁電路的運行不產生任何影響。例如，電容23是由所謂的超級電容器或特級電容器所形成的，并且由充電單元25維持在預定的電容器電壓Uco上。電容充電的極性對應于二極管22的反向偏置方向。當開關24閉合時，電容器電壓Uc加性地串聯連接到晶閘管橋18釋放的電壓上，從而形成總體上相當高的勵磁電壓Uf，將該勵磁電壓Uf施加到勵磁繞組17(圖3的tON時間)。與此同時，二極管22變為反向偏置，二極管電流ID(圖3中的點劃線)變為0。為了簡化起見，下文中假定晶閘管橋18的恒定(固定)的控制角度。由于勵磁電壓Uf的增加，勵磁電流If開始增加，但因勵磁繞組17的感應造成了延遲。電壓互感器13上的電壓降到預定限度值之下時就能觸發開關24接通(圖2中的虛線連接)。這樣，當網格系統電壓降低時，就可以利用電容23儲存的能量，增加勵磁源。當將能量饋送給勵磁電路時，電容23持續放電(圖3中電容器電壓Uc的下降)，直到容器電壓Uc變為0為止(圖3的時間t′)。二極管22隨后開始再次導電，并保持正常的勵磁源。
AVR的操作方法可以持續不變。附加的電容器饋電通過勵磁電流檢測來進行附加處理，該勵磁電流檢測在AVR中總是存在的。
理想的電壓偏移是由電容的預充電來實現的。充電電壓可能達到勵磁器額定電壓的兩倍或更多倍，特別地，能達到3倍或更多倍。理想的支持持續時間通過電容值來設定。設置的支持時間(t′-tON)在1-20s的范圍內。
正如以上所提到的，例如將超級電容器或特級電容器用來構成電容23，例如在Maxwell公司的型號標識BOOSTCAPTM下的電容，或者在型號標識BCA0010或PC2500下的電容。諸如此類的超級電容器，例如在額定2.5V電壓下具有2600或2700F的電容值，具有各種優點其100％無需維護，有非常好的功率和能量容限(優于電解電容器10倍)。即使電容器失效——這是不太可能的——通過使用串聯連接的多個單獨的電容器29的模塊化設計來將產生的影響控制得非常小(參見圖5)。電容的大小和數量根據電壓偏移和所需的支持時間來定。
例如，安置的二極管22是盤式二極管。其失效會導致其內部短路，而這對勵磁系統的運行沒有任何影響。開關24可以具有與該開關24串聯的熔斷絲，來避免連接到失效的二極管。
最近的斷電表明，不能短暫地將提高的無功分量饋送給總體上過載網格系統。廣泛使用的在發電機母線上帶有自動電壓調節器AVR的靜態勵磁系統無法在這種關鍵情況下產生任何短暫增量，自動電壓調節器AVR必然跟隨網格系統電壓的下降。然而，根據本發明的靜態勵磁系統卻以簡單方法通過短暫地饋送存儲的能量，毫無問題地使其變為可能。當然，要在指定時間采取措施以減少網格系統的負載。這樣的措施包括，例如，減載、網格系統的斷開以及連接到備用發電機。
通過根據本發明的采用靜態勵磁系統的電容得到的附加饋電有以下特征和優點——不對勵磁器的高效能產生負面影響——即使二極管22和附加饋電的運行出現差錯，也不會影響勵磁器的良好可靠性——不影響晶閘管橋的電壓負載——不影響自動電壓調節器的工作，連接是獨立觸發的——為了簡單地確定最大附加電流(強化電流)和時間常量，可以根據標準化部件以模塊化方式形成——附加電壓是單調下降的直流電壓，沒有任何干擾尖峰；因此在連接階段勵磁繞組中只存在很小的附加電壓負載——設計簡單，且占用空間小——考慮到其在汽車工業中的重要性，示例中使用的超級電容器總是相對可靠且成本也相對低廉的。
——如果該設備與較小的接地電容隔離，則轉子(shaft)電壓不受影響——其代表了現有配置的簡單且健壯的更新套件正如以上所描述的，可以將把電容23連接到二極管22的開關24通過發電機輸出欠壓(圖2的虛線連接(a))而觸發。但是，其同樣可以由欠壓信號和自動電壓調節器14的設定值的組合觸發(圖2的虛線連接(b))。除此之外，在正常運行期間通過電容23的連接可以增加勵磁率。自動電壓調節器14的設定值可以引起觸發(圖2的虛線連接(b))。最后，在存在欠壓或附加的無功分量需求時，可以通過從網格系統監控中心發出的信號來連接電容23，例如，該信號可作為無線信號通過接收器26(圖2)經由天線27接收。
如圖5所描述，電容23可以由多個單獨的電容器29(例如超級電容)串聯和/或并聯而形成。在這種情況下，電容器29的串聯可由被動平衡模塊(圖5的阻抗30)或主動平衡模塊來補充。此外，當發電機沒有運行或電容23所在電容箱的門打開時，可以實現安全放電。最后，為了使放電時間長度超過10s(取決于用戶的需要)，可以將多個模塊化電容器組相互連接起來。甚至可以將此擴展到以下的程度勵磁變壓器12的電壓降低，通過電容23的連接來實現正常的峰值運行。
如果，如圖5所示，阻抗28與二極管22并聯，這一方面可以產生負的勵磁電流If。可以將此應用于具有背對背的并聯橋來產生特定負勵磁電流的勵磁系統的情況下。而在另一方面，當電容23連接后，并聯的阻抗28可以影響并設置放電時間常數。阻抗值的幅度變化級別與勵磁繞組17的阻抗值的幅度變化級別相同。晶閘管(Th)、GTO(可關斷晶閘管)或IGBT(絕緣柵雙極晶體管)可以用作開關24(圖5)。常規的晶閘管(Th)只允許電容的完全放電，因為為了關閉晶閘管，電流必須越過零值。而GTO或IGBT(其可被關斷)允許在任何需要的時間(圖4中的tOFF)中斷向勵磁電路饋送存儲的能量。
如圖6所示，可以在電容23中排列多個有不同電容和充電電壓的電容器C1，...，C3，從而通過相關的IGBT開關T1，...，T3對這些電容器C1，...，C3單獨連接。例如，可以對這些電容器C1，...，C3順序連接和/或按時間順序重疊，通過這種方式來產生預定的勵磁電流波形。二極管D1，...，D3保護IGBT T1，...，T3，使其免于被施加反向電壓。
舉一個例子電容器C1的電容小，充電電壓高，而電容器C2和C3的電容高，充電電壓低。這樣的組合與勵磁電流的迅速增加有關，并支持其持續增加。例如，電容器C1可能是由薄膜或電解電容器形成的，而電容器C2和電容器C3是由超級電容形成的。在所述例子中，所有的IGBT能在同一時間接通，電流隨后則會自然減小。圖7示出了這種情況下的簡化的電路變化。電容器C1的充電電壓高而電容小，電容器C2的充電電壓低而電容大。這兩個電容經由二極管D1和D2以串聯方式連接到共同的開關，在這種情況下由IGBT T表示。
包括二極管22、電容23和充電單元25的附加電路的隔離與勵磁電路的隔離是處在同一水平的。這樣設計很有好處，可以使小電容接地。
雙極性機械式直流開關可以斷開電容23中的電容器29與二極管22的連接，從而也就斷開了與勵磁電路的連接。這樣可以確保在發電機正常運行期間，在附加電路上可以執行維護任務。這樣的開關也可以代替半導體開關(Th，GTO，IGBT)。
充電單元25的供電可以來源于電站中的直流或交流輔助電源系統，或者來源于發電機16的勵磁變壓器12。基于以下設計示例，一個300MVA的發電機的充電功率大約是每小時1.5kW。對于困難的網格系統(有重復干擾)，為了使電容23更快地重新充電，也可以使用高電流充電單元。
以下設計了用于額定功率300MVA發電機的系統，其中具有2600F電容的BOOSTCAPTM超級電容作為單獨的電容器29，其基于2.5V的額定電壓，以及1mΩ的內部阻抗(假設控制角度保持不變)

舉個例子，ABB公司生產的型號為5SDD 60Q2800的二極管可以用作二極管22。根據圖5，ABB公司的型號為5STP 45Q2800的晶閘管、或者三菱電子(Mitsubishi Electric)公司的型號為FG600AU120D的GTO、或者eupec公司的型號為FZ3600R17KE3的IGBT都可以用作開關24。在這種情況下，即便使用本文中的各種設計，也只需要一個單獨的部件。
圖7示出了圖6中所示電路的一種變化，其中，兩個不同的電容器(C1，C2)通過共同的開關或IGBT(T)進行連接。
引用符號列表10，20 靜態勵磁系統11 電機變壓器12 勵磁變壓器13 電壓互感器14 自動電壓調節器(AVR)15 電流互感器
16發電機17勵磁繞組18晶閘管橋19母線(發電機)21晶閘管22二極管23電容24開關25充電單元26接收器27天線28，30阻抗29電容器C1，C2，C3電容器D1，D2，D3二極管If勵磁電流IC電容器電流ID二極管電流Uf勵磁電壓Uc電容器電壓T，T1，T2，T3 IGBTTh晶閘管
權利要求
1.一種靜態勵磁系統(20)，用于發電機(16)的勵磁繞組(17)，所述發電機(16)經由母線(19)連接到網格系統，所述靜態勵磁系統(20)包括產生直流電壓的第一模塊(12，18，21)，所述第一模塊(12，18，21)連接到所述勵磁繞組(17)并與所述勵磁繞組(17)一起形成勵磁電路；以及發出電能的第二模塊(23；29，C1，...，C3)，所述第二模塊(23；29，C1，...，C3)在需要時短暫地將附加能量饋送給所述勵磁電路，其特征在于將正向偏置二極管(22)插入到所述勵磁電路中，以及可以將所述第二模塊(23；29，C1，...，C3)在反向偏置方向上連接到所述二極管(22)，從而將能量饋送給所述勵磁電路。
2.如權利要求1所述的勵磁系統，其特征在于，所述第一模塊(12，18，21)包括與所述發電機(16)的母線(19)相連的勵磁變壓器(12)；以及與所述勵磁變壓器(12)的輸出端相連的整流器電路(18，21)。
3.如權利要求2所述的勵磁系統，其特征在于所述整流器電路是可控整流器電路，特別是晶閘管橋(18)；提供自動電壓調節器(14)，以控制所述整流器電路或晶閘管橋(18)；以及，所述自動電壓調節器(14)在輸入側經由電壓互感器(13)連接到所述發電機(16)的母線(19)。
4.如權利要求3所述的勵磁系統，其特征在于，所述第二模塊(23；29，C1，...，C3)可以通過開關(24)連接到所述二極管(22)。
5.如權利要求4所述的勵磁系統，其特征在于，所述開關(24)是半導體開關，特別是晶閘管(Th)，或可斷開的半導體開關，特別是GTO或者IGBT。
6.如權利要求4或5所述的勵磁系統，其特征在于，可以基于所述發電機電壓和/或所述自動電壓調節器(14)的設定值而對所述開關(24)進行操作。
7.如權利要求1至6中任何一項所述的勵磁系統，其特征在于，所述第二模塊(23)是由充電電容(23)形成的。
8.如權利要求7所述的勵磁系統，其特征在于，所述電容(23)包括一個電容器或多個電容器(29；C1，...，C3)，所述一個電容器或多個電容器(29；C1，...，C3)是串聯和/或并聯的。
9.如權利要求7所述的勵磁系統，其特征在于，所述電容(23)包括多個電容器(C1，...，C3)，所述多個電容器(C1，...，C3)可以相互獨立地通過適合的開關(24；T1，...，T3)連接到所述二極管(22)。
10.如權利要求8或9所述的勵磁系統，其特征在于，所述一個或多個電容器(29；C1，...，C3)是超級電容器或特級電容器，所述超級電容器或特級電容器具有1至10Wh/kg的特定能量密度。
11.如權利要求7至10中任何一項所述的勵磁系統，其特征在于，提供充電單元(25)，以對所述電容(23)或所述電容器(29；C1，...，C3)進行充電。
12.如權利要求4或5所述的勵磁系統，其特征在于，可以經由接收器(26)通過有線信號或無線信號來對所述開關(24)進行操作。
13.如權利要求1所述的勵磁系統，其特征在于，存在與所述二極管(22)并聯的阻抗。
14.一種對如權利要求1所述的勵磁系統進行操作的方法，其特征在于，當所述勵磁變壓器兩端的電壓低于預定值時，所述第二模塊(23；29，C1，...，C3)連接到所述二極管(22)。
15.一種對如權利要求3所述的勵磁系統進行操作的方法，其特征在于，基于所述發電機(16)上的欠壓以及所述自動電壓調節器(14)的設定值，所述第二模塊(23；29，C1，...，C3)連接到所述二極管(22)。
16.一種對如權利要求3所述的勵磁系統進行操作的方法，其特征在于，所述第二模塊(23；29，C1，...，C3)用于在常規運行期間提高勵磁率，隨后基于所述自動電壓調節器(14)的設定值來連接到所述二極管(22)。
17.一種對如權利要求12所述的勵磁系統進行操作的方法，其特征在于所述發電機(16)所連接的網格系統是由控制中心監視的；以及當出現欠壓或當所述網格系統中存在無功伏安的需求時，所述開關(24)是通過所述控制中心發出的有線信號或無線信號而進行操作的。
18.一種對如權利要求7所述的勵磁系統進行操作的方法，其特征在于，在連接后所述電容(23)與所述二極管(22)保持相連，直到所述電容(23)放完電為止。
19.一種對如權利要求7所述的勵磁系統進行操作的方法，其特征在于，在連接后所述電容(23)在預定的時間段內與所述二極管(22)保持相連，隨后再次斷開與所述二極管(22)的連接。
全文摘要
本發明涉及靜態勵磁系統(20)，用于發電機(16)的勵磁繞組(17)，并通過母線(19)連接到網絡，包括產生直流電壓的第一模塊(12，18，21)，所述第一模塊(12，18，21)連接到發電機(16)的母線(19)的輸入側，其輸出連接到勵磁繞組(17)，并與勵磁繞組(17)一起形成勵磁電路；以及第二模塊(23)，用于輸出電能，所述第二模塊(23)在需要時將短暫的附加電能供應給勵磁電路。根據本發明，可以以簡單、功能可靠和節省空間的方式，來實現勵磁的短暫增加，從而將流方向極性二極管(22)插入到勵磁電路中，以及用于向勵磁電路供應電能的第二模塊(23)在阻塞方向上可以具有與二極管(22)的極性連接。
文檔編號H02P9/30GK101048933SQ200580037139
公開日2007年10月3日 申請日期2005年10月13日 優先權日2004年10月28日
發明者萊因哈德·約霍 申請人:阿爾斯通技術有限公司