阅读说明：本技术 发电系统 (Power generation system ) 是由 M.贝希莱 R.韦泽 P.阿尔-霍卡耶姆 E.罗尔 于 2018-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种发电系统,包括：用于将机械功率转换成输出侧处的电功率的同步发电机(3),所述输出侧被配置用于连接AC电网(1)；第一整流器(12)和第二整流器(13),每个整流器具有连接到发电机(3)的输出侧的AC侧(14)和DC侧(15)；被配置用于激励所述发电机(3)的励磁器(9)；以及具有输入侧(17)和输出侧(19)的选择器装置(18),所述输入侧(17)连接到第一整流器(12)的DC侧(15)和第二整流器(13)的DC侧(15),并且所述输出侧(19)连接到励磁器(9),由此选择器装置(18)被配置用于串联或并联地切换DC侧(15),或者用于对应于任意分流比率将DC功率从第一整流器(12)和第二整流器(13)传输到输出侧(19)。(The invention relates to a power generation system comprising: a synchronous generator (3) for converting mechanical power into electrical power at an output side, the output side being configured for connection to an AC electrical grid (1); a first rectifier (12) and a second rectifier (13), each rectifier having an AC side (14) and a DC side (15) connected to an output side of the generator (3); an exciter (9) configured for exciting the generator (3); and a selector means (18) having an input side (17) and an output side (19), the input side (17) being connected to the DC side (15) of the first rectifier (12) and the DC side (15) of the second rectifier (13), and the output side (19) being connected to the exciter (9), whereby the selector means (18) is configured for switching the DC sides (15) in series or in parallel, or for transferring DC power from the first rectifier (12) and the second rectifier (13) to the output side (19) corresponding to an arbitrary shunt ratio.)

发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统，包括：用于将机械功率转换为电功率的同步发电机，并且包括：场绕组（field winding）；连接到发电机并且被配置用于连接AC电网的升压变压器，使得升压变压器串联连接在发电机和电网之间；以及被配置用于通过向场绕组馈送DC功率来激励发电机的励磁器。

背景技术

同步发电机是商业电能的主要来源，并且通常用于将蒸汽涡轮机、燃气涡轮机、往复式发动机或水力涡轮机的机械功率输出转换成馈送给电网的电功率。同步发电机通常包括转子，该转子布置在包含磁体的发电机的中心，由此定子电连接到诸如电网之类的负载。磁体生成磁场，该磁场引导转子旋转并且因此磁场以相同的速度旋转，从而感生（induce）电流到固定的电枢中。通常，同步发电机经由升压变压器连接到电网，并且发电机的场绕组经由励磁器馈送。调节器（governor）控制使发电机的转子旋转的原动机（primary mover）的机械功率，该发电机的转子又被供应有DC场电流。励磁器通常通过降压变压器提取从电网接收的AC功率，并且将DC功率提供给同步发电机的场绕组。

在正常操作状况下，电枢/定子处的电压每单位为一。然而，电网可能经历各种单个或多个线到线或者线到地故障，这导致端子处的电压的大幅下降。当这种下降发生在发电机的端子处时，它影响降压变压器的输入处的电压，并且导致向同步发电机的场绕组馈送的励磁器的输出端子处的功率下降。如果这种故障持续相对长的时间段，则发电机可能失去同步性，并且包括该发电机的发电厂关闭，从而导致电网上的大规模纹波和大的经济损失。

文献WO2014/032668A1描述用于将发电机连接到DC电功率系统的连接系统。第一整流器与第二整流器并联连接。仅在电压超过DC链路电压的AC等量时第一整流器或第二整流器将整流。

文献CN102185550A示出连接到电网的风力涡轮机。励磁器具有由具有专用能源的励磁控制器激励的励磁绕组。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于延长发电厂电网故障的操作持续时间的发电系统和相应的方法。

本发明的目的通过独立权利要求的特征来解决。优选实施例在从属权利要求中被描述。

因此，该目的通过发电系统来解决，该发电系统包括：用于将机械功率转换成输出侧处提供的电功率的同步发电机，该输出侧被配置用于连接AC电网；包括第一整流器和第二整流器的至少两个整流器，每个整流器具有连接到升压变压器的AC侧和DC侧；被配置用于激励发电机的励磁器；以及具有输入侧和输出侧的选择器装置，输入侧连接到至少两个整流器的DC侧，并且输出侧连接到励磁器，由此选择器装置被配置用于串联或并联地切换DC侧，或者用于对应于任意分流比率（split ratio）将功率从至少两个整流器传输到输出侧。

因此，本发明的关键点在于，发电系统能够通过例如串联切换DC侧从而使电压加倍来增加可用于励磁器的电压，而无需要求诸如电池或电容器之类的第二电功率源。换句话说，发电系统虑及在发电机的端子处的电压下降期间，即在所谓的低电压穿越LVRT期间，在线动态地重新配置包括第一整流器、第二整流器、励磁器和选择器装置的励磁系统的拓扑。因此，发电系统可在电网中由于各种类型的故障而引起的严重电压骤降（voltage dip）期间增加励磁系统电压能力，从而确保励磁系统符合电网规范要求。

在正常操作状况期间，作为第一整流器和第二整流器的输出的DC侧可以并联连接。在LVRT状况期间，选择器装置可以串联连接第一整流器和第二整流器的输出，从而经由励磁器增加可用于场绕组的总输出电压。当与需要第二电功率源的现有技术解决方案相比时，具有至少两个整流器，即第一整流器和第二整流器，虑及了冗余操作，并导致显著降低所需成本和空间。所提出的解决方案具有进一步的优点，即，由于第二整流器和励磁器所需的附加硬件仅需要较小的体积，因此可以容易地升级现有的装置。

总之，发电系统的特征在于，在设计升压变压器和整流器以用于连续操作（例如在冗余操作的情况下）或用于短时间操作（例如仅期望在LVRT期间的电压增加的情况下）的极大灵活性。所提出的励磁系统可以应用于直接激励系统以及具有或不具有外部源的间接励磁系统。例如，可以将额外机柜（cabinet）附着到现有的励磁系统，该额外机柜通过在故障期间将整流器的DC侧并联地切换来提供额外的电压提升，同时在正常操作状况期间处于待机。此外，所提出的解决方案对于改造（retrofit）情形而言非常有吸引力，同时它还允许减少其中现有励磁系统尺寸过大的情况以便处置更长时间段的穿越状况。

同步发电机可以被提供为从现有技术中已知的任何同步发电机，例如作为永磁体发电机，由此转子的磁场由永磁体产生。其它合适类型的发电机可使用电磁体以在转子绕组中产生磁场，由此转子场绕组中的直流电流由同一轴上的无刷励磁器提供。升压变压器优选地被提供为从现有技术中已知的变压器，优选地被提供为所谓的中压MV功率变压器。AC电网具有例如110 kV的电压。

对应于任意分流比率将功率从第一整流器和第二整流器传输到输出侧可涉及根据分流比率相对于第二整流器的操作设置点来调整第一整流器的操作设置点。在基于晶闸管的整流器（诸如晶闸管桥式整流器）的示例性情况下，相应的操作设置点能够通过调整对应整流器的触发角（firing angle）来调整。触发角通常称为整流器的AC侧上的电压或电流的循环（cycle）。例如，第一整流器的触发角可被设置成提供要供应的总功率的两个部分，并且第二整流器的触发角可被设置成提供要供应的总功率的三个部分，从而得出2:3的分流比率。采用相同的方式可获得其它分流比率。调整诸如基于晶闸管的整流器的情况下的触发角之类的操作设置点能够扩展为具有多于两个整流器的配置，即，对应于任意分流比率将功率从多个整流器传输到输出侧可涉及根据分流比率相对于彼此来调整相应的整流器的操作设置点。作为进一步示例并且作为备选方案，对包括整流器的配置而言，每个整流器具有基于晶闸管的配置（诸如晶闸管桥式整流器），一个整流器可被配置为电压源，并且一个或多个另外的整流器可被配置为晶闸管桥式整流器。在预定或可调整的时间量已过去之后，电压源可被耗尽（例如被切断），从而得出对应于该时间量的任意分流比率。

对应于分流比率将功率从第一整流器和第二整流器传输到输出侧意味着：例如在分流比率为2:3的情况下，DC功率的两个部分由第一整流器供应并且DC功率的三个部分由第二整流器供应到励磁器。在进一步实施例中，提供了多于两个整流器，每个整流器具有连接到升压变压器的AC侧和DC侧，由此选择器装置的输入侧连接到整流器的DC侧，并且选择器装置被配置用于串联或并联地分别切换连接所有整流器的DC侧，或者用于对应于分流比率将功率从整流器传输到输出侧。因此，例如，利用三个整流器，分流比率可以是3:1:1。通常，分流比率可以是[r1:r2:r3]，其中r1、r2和r3各自可以是实数以使得功率注入（甚至提取）中的分流以任意方式进行是可能的。根据分流比率分流功率优选地通过分别控制整流器来进行，这优选地在两个整流器串联连接时进行。

根据优选实施例，发电系统包括：连接到发电机的输出侧并且被配置用于连接AC电网的升压变压器，使得升压变压器串联连接在发电机和电网之间；串联连接在至少两个整流器的AC侧和升压变压器之间的第一降压变压器；串联连接在至少两个整流器中的至少一个整流器的AC侧和升压变压器之间的第一降压变压器，以及串联连接在至少两个整流器中的至少另一个整流器的AC侧和升压变压器之间的第二降压变压器；或者串联连接在至少两个整流器中的至少一个整流器的AC侧和升压变压器之间的第一降压变压器，以及串联连接在至少两个整流器的AC侧之间的第二降压变压器。第二降压变压器可以具有相同的输入-输出电压，并且因此用于电隔离。

在如前所述的第二备选方案的情况下，使所述两个降压变压器各自与相应整流器串联布置并且在选择器装置与升压变压器之间并联布置意味着为每个整流器转换器提供单独的降压变压器，其中它的初级侧优选地连接到发电机的定子/电枢。第三备选方案利用第一降压变压器作为主变压器，其将电压从发电机的定子/电枢供应到两个整流器，由附加变压器（即，布置在两个整流器之间的第二降压变压器）进行补充，由此所述第二降压变压器提供两个整流器转换器之间的电隔离。优选地，第三备选方案中的第二降压变压器包括1:1的电压比，而备选的比率也是可能的。

根据另外的优选实施例，降压变压器和/或被提供为具有隔离的次级绕组的单个变压器的第二降压变压器，被提供具有或不具有相移方案和/或包括delta-Y连接。进一步优选的是，第一降压变压器和/或第二降压变压器通过它的初级侧连接到发电机的定子和/或电枢。以这种方式，可以通过连接到发电机的定子和/或电枢的第一降压变压器和/或第二降压变压器，向第一整流器和/或第二整流器馈送有AC电压。

根据另一个优选实施例，至少两个整流器中的至少一个整流器被提供为晶闸管桥式整流器，包括与至少两个整流器中的至少一个整流器串联连接的存储装置，和/或彼此电隔离。优选地，存储装置被提供为电池或电容器。

根据另一个优选实施例，至少两个整流器中的至少一个整流器包括串联和/或并联连接的多个三相晶闸管桥式整流器。优选地，第一整流器和/或第二整流器包括晶闸管逆变器、定向二极管整流器，或者包括与二极管整流器并联布置的诸如IGBT之类的自换向半导体装置。此外，第一整流器和/或第二整流器可以通过使用从现有技术中已知的用于将交流电流整流成直流电流的任何部件来实现，例如作为六脉冲二极管整流器。

如前所述，第一整流器和第二整流器优选地被提供为三相晶闸管桥式整流器。在这种情况下，根据另一个优选实施例，每个DC侧包括第一电位上的第一线和第二电位上的第二线，由此第二电位低于第一电位，选择器装置包括布置在第一整流器的第二线和第二整流器的第一线之间的开关，并且第一整流器的第二线与第二整流器的第二线连接到励磁器，并且第二整流器的第一线与第一整流器的第一线连接到励磁器。优选地，第一电位被提供为正电位，由此优选地，第二电位被提供为负电位。

采用这种方式，向两个晶闸管桥馈送有AC电压，该AC电压优选地通过连接到发电机的定子端子的一个或多个降压变压器来提供。在正常操作期间，开关优选地断开，并且至少一个变换器（即，两个整流器中的至少一个整流器）在操作中经由励磁器提供DC电流，例如给转子绕组或无刷地提供DC电流。在这种正常操作期间，另一转换器（即另一整流器）可以用于共享电流，例如用于负载平衡，或者作为备用转换器和/或整流器。

根据在这方面的进一步实施例，选择器装置包括第一二极管和第二二极管，并且第一整流器的第二线经由布置在阻断方向上的第一二极管与第二整流器的第二线连接到励磁器，并且第二整流器的第一线经由布置在正向方向上的第二二极管与第一整流器的第一线连接到励磁器。采用这种方式，当开关闭合时，第一二极管和第二二极管将进入阻断状态，使得可用于激励发电机的总输出电压增加，这在LVRT状况期间是特别有利的。

在这方面的备选实施例中，选择器装置包括第一断路器和第二断路器，并且第一整流器的第二线经由第一断路器与第二整流器的第二线连接到励磁器，并且第二整流器的第一线经由第二断路器与第一整流器的第一线连接到励磁器。优选地，第一断路器和/或第二断路器与第一二极管和/或第二二极管并联布置，以便旁路相应的二极管。提供断路器具有在正常操作期间减少传导损耗的优点。

根据进一步优选实施例，开关被提供为电开关、机械开关、机械断路器和/或半导体开关（例如包括IGBT），从而允许容易且有成本效益的实现。

如前面简要概述的那样，可以采取不同的方式提供发电机。根据特别优选的实施例，发电机包括主机器，并且励磁器包括用于激励主机器的场绕线（field wound）或无刷转子。在另一个优选实施例中，同步发电机包括场绕组，并且励磁器被配置用于通过向场绕组馈送有DC功率来励磁发电机。在更进一步优选实施例中，发电机包括转子、定子和使转子旋转的原动机，降压变压器连接到定子，并且发电系统包括连接到发电机并且被配置用于控制原动机的机械功率的调节器。

在另一优选实施例中，选择器装置被配置用于对应于分流比率将功率从第一整流器和第二整流器传输或交换到输出侧，由此分流比率是1:3、1:4、1:5或1:6。此外，分流比率可以是[1：r]，其中r是实数以使得在功率注入（甚至提取）中的分流可能以任意方式进行。这种方式，可以根据给定比率，通过将从第一整流器和第二整流器提供的DC功率的比率进行分流来实现负载共享功能性。对于冗余操作，在分流比率为1:1的情况下，第一降压变压器和/或第二降压变压器的磁路优选地被设计用于额定负载条件。

本发明的目的还通过在发电系统期间延长操作的方法来解决，该发电系统包括同步发电机，用于将机械功率转换成输出侧处提供的电功率，该输出侧被配置用于连接到AC电网；至少两个整流器，包括第一整流器和第二整流器，每个整流器具有连接到升压变压器的AC侧和DC侧；励磁器，被配置用于利用DC功率来激励发电机和选择器装置，具有输入侧和输出侧，该输入侧连接到至少两个整流器的DC侧，并且该输出侧连接到励磁器，由此该方法包括以下步骤：由选择器装置串联或并联地切换DC侧，或者用于对应于任意分流比率将DC功率从至少两个整流器传输到所述输出侧。

根据进一步优选实施例，该方法包括：连接到发电机并且被配置用于连接到AC电网的升压变压器，使得升压变压器串联连接在发电机和电网之间；串联连接在AC侧和升压变压器之间的第一降压变压器；串联连接在至少两个整流器中的至少一个整流器的AC侧和升压变压器之间的第一降压变压器，以及串联连接在整流器中的至少另一个整流器的AC侧和升压变压器之间的第二降压变压器；或者串联连接在至少两个整流器中的至少一个整流器的AC侧和升压变压器之间的第一降压变压器，以及串联连接在至少两个整流器的AC侧之间的第二降压变压器。

由本领域技术人员与如上所述的发电系统类似地将导出该方法的另外的实施例和优点。该方法虑及有利地增加可用于励磁器的电压，而不需要诸如电池或电容器之类的第二电功率源。第一整流器和第二整流器可以有利地用于在低电压穿越期间的冗余操作和电压增加，从而与现有技术方法相比显著地降低成本和空间要求。

附图说明

本发明的这些和其它方面将从下文描述的实施例中是清楚的，并将参考下文描述的实施例进行阐述。

在附图中：

图1采用示意图示出了根据本发明的优选实施例的发电系统，

图2采用示意图示出了根据本发明的优选实施例的发电系统的具有选择器装置的第一整流器和第二整流器，

图3采用示意图示出了根据本发明的进一步实施例的发电系统，

图4采用示意图示出了根据本发明的更进一步实施例的发电系统，以及

图5采用示意图示出了本发明的进一步优选实施例中的第一整流器。

具体实施方式

图1、图3和图4各自采用示意图示出了根据本发明的优选实施例的发电系统。AC电网1经由升压变压器2连接到同步发电机3。发电机3包括转子4、定子5以及使转子4旋转的原动机6。降压变压器2连接到定子4。调节器7被提供用于控制原动机6的机械功率。发电机3还包括场绕组8，可由用于激励发电机3的励磁器9向该场绕组8馈送有DC功率。备选地或附加地，发电机3包括主机器10，以及励磁器9包括用于激励主机器10的场绕线或无刷转子11。

提供了第一整流器12和第二整流器13，每个整流器具有AC侧14和DC侧15。第一整流器12的和第二整流器13的交流侧14经由第一降压变压器16连接到升压变压器2和/或发电机3。第一整流器12的和第二整流器13的DC侧15两者都连接到选择器装置18的输入侧17。选择器装置18的输出侧19连接到励磁器9。

例如被提供为开关的选择器装置18，被配置用于串联或并联地切换DC侧15到输出侧19。此外，选择器装置18被配置用于对应于分流比率将DC功率从第一整流器12和第二整流器13传输到输出侧19。在分流比率为示例性的1:2的情况下，提供给励磁器9的DC功率三分之一源自第一整流器12，并且三分之二源自第二整流器13。

在正常操作状况下，第一整流器12和第二整流器13的DC侧可以通过选择器装置18并联连接，使得向励磁器9馈送具有某个电压的DC功率，例如，由第一整流器12和第二整流器13提供的每个1000V DC。然而，在低电压穿越LVRT期间，选择器装置18可以串联连接第一整流器12和第二整流器13的DC侧15，从而根据本示例将提供给励磁器9的DC功率的电压增加到2000V DC。因此，在相对长的低电压穿越期间并联连接DC侧15防止发电机13失去同步性，并且同样防止连接到发电机13的发电厂关闭，从而导致电网1上的大规模（large-skill）的纹波和相应的巨大经济损失。

图2示出了第一整流器12、第二整流器13和选择器装置18的示例性实施例。第一整流器12和第二整流器13两者都被提供为三相晶闸管桥式整流器20。虽然未示出，但是串联和/或并联连接的多个三相晶闸管桥式整流器20可以被提供为第一整流器12和/或第二整流器13。每个DC侧15包括在第一电位上（相应地在正电位上）的第一线21以及在第二电位上（相应地在负电位上）的第二线22。

选择器装置18包括第一二极管23、第二二极管24和开关25。开关25布置在第一整流器12的第二线22和第二整流器13的第一线21之间。第一整流器12的第二线22还经由布置在阻断方向上的第一二极管23与第二整流器13的第二线22连接到励磁器9。此外，第二整流器13的第一线21经由布置在正向方向上的第二二极管24与第一整流器的第一线21连接到励磁器9。

采用这种方式，在正常操作期间，开关25断开，并且至少一个转换器（即，至少第一整流器12或第二整流器13）处于操作中，并且向励磁器9提供DC电流。特别地，在第一整流器12用于向励磁器9提供DC电流和/或DC功率的情况下，第二整流器13可用于共享DC电流或作为备用单元。然而，在LVRT状况期间，开关25可以闭合，并且第一二极管23和第二二极管24进入阻断状态，使得提供给励磁器9的DC电压增加。

开关25可以被提供为例如机械断路器或被提供为半导体开关（例如被提供为IGBT）。在备选实施例中，第一二极管23和第二二极管24可以被旁路和/或由断路器23、24代替，以便在正常操作期间减少传导损耗。

三相晶闸管桥式整流器20中的任何一个或每个的触发角可以是可调整的。例如，对于图2中的左手侧上的三相晶闸管桥式整流器（20）中的晶体管中的每个晶体管的公共触发角可设置为第一角，并且对于图2中的右手侧上的三相晶闸管桥式整流器20中的晶体管中的每个晶体管的另一个公共触发角可设置为第二角。对应于第一角对第二角的比率，可独立于第二角来调整第一角以达到的整流器20的分流比率。同样，在具有多于两个整流器的配置中，相应的触发角可采用类似方式独立于彼此来调整。

图3和图4示出了两个另外的实施例，每个实施例包括附加的第二降压变压器26，但在其他方面与图1所示的实施例相同。在图3中所示的实施例中，第二降压变压器26串联连接在第二整流器13的AC侧14与升压变压器2之间。采用类似的方式，第一降压变压器16串联连接在第一整流器12的AC侧14和升压变压器2之间，使得在一侧上的第一降压变压器16和第一整流器12以及在另一侧上的第二降压变压器26和第二整流器13并联连接在升压变压器2和/或发电机3与选择器装置18之间。采用这种方式，单独的变压器16、26与每个整流器变换器12、13相关联。

在图4所示的实施例中，第一降压变压器16将第二整流器13连接到升压变压器2。第二降压变压器26与第一降压变压器16串联连接在第一整流器12和升压变压器2之间。在该实施例中，第二降压变压器26提供第一整流器12和第二整流器13之间的电隔离。

图5示出了包括与相应的第一整流器12和/或相应的第二整流器13串联连接的存储元件27的第一整流器12和/或第二整流器13的实施例。存储元件可以被提供为例如与相应的晶闸管桥串联连接的电池或电容器。

虽然在附图和前文的描述中，已经详细图示并且描述了本发明，但这种图示和描述要被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。由本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时根据对附图、本公开以及所附权利要求的研究能够理解并且实现针对所公开的实施例的其它改变。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施的事实不指示这些措施的组合不能用于获得益处。权利要求中的任何参考符号都不应被解释为限制范围。

参考符号列表

1 电网

2 升压变压器

3 同步发电机

4 转子

5 定子

6 原动机

7 调节器

8 场绕组

9 励磁器

10 主机器

11 无刷转子

12 第一整流器

13 第二整流器

14 DC侧

15 AC侧

16 第一降压变压器

17 输入侧

18 选择器装置

19 输出侧

20 三相晶闸管桥式整流器

21 第一电位

22 第二电位

23 第一二极管、第一断路器

24 第二二极管、第二断路器

25 开关

26 第二降压变压器

27 存储装置