專利名稱：涉及可變速發電機的系統和方法
技術領域：
本發明實施例大致涉及電力發電機，并且更具體地涉及啟動和運 行可變速電力發電機。
背景技術：
在這方面，同步發電機系統一4殳以給定速度工作，產生與電力網匹配的穩定輸出頻率，例如50Hz和60Hz。如果電網上的電力負荷增 加超過了該電網的發電容量，那么就可能存在發電機減速的結果，這 可能降低電網上的頻率。如果負荷降低，導致發電容量過剩，那么發 電機可能加速并且電網頻率增加。因此，期望使用節省成本的系統和方法，其能夠在電網負荷有危 險超過電網的發電容量時，協助限制電網上發電機的減速。發明內容本發明的示范實施例包括示范發電系統，所述示范發電系統包含 發電機，其中該發電機包括定子部分和轉子部分，可變頻率發電機 (VFG)激勵器(exciter)，其中VFG激勵器包括被連接到DC鏈路的可操 作以將DC電流轉換成AC電流的第一轉換器(converter)和被連接到 DC鏈路的可操作以將DC電流轉換成AC電流的第二轉換器，第一開 關，第一開關可操作以在發電機工作在啟動狀態時，在閉合時將第一 轉換器連接到定子部分，其中在發電機工作在運行狀態時，第一開關 打開，和第二開關，第二開關可操作以在發電機工作在運行狀態時， 在閉合時將第一轉換器和第二轉換器并聯連接到轉子部分，其中在發 電機工作在啟動狀態時，第二開關打開。;七，器，所述可變頻率發電機(VFG)激勵器包含被連接到DC鏈路的第 一轉換器， 可操作以將DC電流轉換成AC電流，和凈皮連接到DC鏈路的第二轉 換器，可操作以將DC電流轉換成AC電流，其中第二轉換器被電氣 連接到發電機轉子，第一開關，第一開關可操作以在發電機工作在啟 動狀態時，在閉合時將第一轉換器連接到定子部分，其中在發電機工 作在運行狀態時，第一開關打開，和第二開關，第二開關可操作以在 發電機工作在運行狀態時，在閉合時將第一轉換器和第二轉換器并聯 連接到轉子部分，其中在發電機工作在啟動狀態時，第二開關打開。本發明的示范實施例包括啟動和操作VFG系統的方法，該方法 包含，閉合第一開關，其中所閉合的第一開關可操作以將第一轉換器 連接到發電機的定子，啟動該第一轉換器，其中第一轉換器可操作以 將DC功率轉換為AC功率并控制該定子，啟動第二轉換器，其中第 二轉換器被電氣連接到轉子，并可操作以將DC功率轉換成AC功率 并且控制該轉子，啟動發電^/L，打開該第一開關，由此將該第一轉換 器從定子打開，閉合第二開關，其中閉合第二開關將第一轉換器和第 二轉換器并聯連接，并且控制該第一轉換器和第二轉換器并聯工作以 將功率發送到轉子。


當參考附圖、閱讀下面詳細說明時，本發明的這些和其它特征、 方面以及優點將變得更容易理解，在附圖中類似的符號表示類似的部 分，其中圖1是具有三相轉子的發電機的示范系統的示意圖。 圖2是具有三相推挽式轉子(push-pull rotor)的發電機的示范系統 的示意圖。圖3是具有六相轉子的發電機的示范系統的示意圖。 100 系統102 發電才幾(generator)104 可變頻率發電機(VFG)激勵器103 第一開關(S1)105 第二開關(S2)106 DC鏈路108 動態制動器(dynamic brake)110 動態制動器電阻器(dynamic brake resistor)112 轉換器(Gl)114 3.3kV源116 電感器(inductor)118 斷路器(breaker)119 斷路器120 第一轉換器(Rl) 122 第二轉換器(R2) 124 電感器126 電感器128 發電機步進裝置(GSU)(generator step-up unit)130 高壓(HV)電網132 輔助負載(auxiliary loads)150 諧波濾波器151 第三繞組(tertiary winding)200 系統201 地202 發電才幾205 第二開關(S2)207 4KV輸入209 + 4KV輸入300 系統302 發電機305 S2307 輸入309 輸入具體實施方式
在下面詳細說明中，闡述了許多具體細節以提供本發明的各個實 施例的全面理解。然而，本領域技術人員將明白，本發明的實施例可 以不以這些具體細節而實踐，本發明不受限于所描述的實施例，并且 本發明可以以多種可選實施例而實踐。在其它實例中，熟知的方法、 程序和組件沒有被詳細描述。在這方面，參考圖1,系統100包括發電機102。在所示例的示 范實施例中，發電機102是具有額定(rated for)為4kV、 3.6kA的三相 轉子(未示出)和額定為18kV的定子(未示出)的燃氣渦輪發電機，然而 發電機102可以根據設計的需要而額定為其它負載或者可以是其它類 型的發電機，諸如(例如)渦輪或柴油發電機之類。在所示例的實施例 中，發電機102包括3個滑動環(slip ring)。發電機102轉子和定子經 由第一開關(S1)103和第二開關(S2)105而被連接到可變頻率發電機 CVFG)激勵器104。VFG激勵器104是3.3kV激勵器，并且包括DC鏈路106。被連 接到動態制動器電阻器110的動態制動器108可以被耦合到DC鏈路 106。轉換器(G1)112經由電感器116和斷路器118而被連接到DC鏈 路106和3.3kV源114。 VFG激勵器104也包括各自連接到DC鏈路 106的第一轉換器(R1)120和第二轉換器(R2)122。 R2也被連接到發電 機102轉子。Rl 120被連接到Sl 103和S2 105，從而當Sl被閉合時， Rl 120與R2 122并聯連接到發電機102轉子。當S2 105閉合并且Sl 103打開時，Rl 120被連接到發電機102定子。電感器124可以被布 置在R2 122和發電機102轉子之間，而電感器126可以被布置在R1120和SI 103以及S2 105之間。在所示例的示范實施例中，發電機102定子的功率輸出經由斷路 器119而被連接到發電機步進裝置(GSU)128上的第三繞組。GSU將 功率輸出到3.3kV源114和高壓(HV)電網130。斷路器118可以被布 置在HV電網130和輔助負載132之間。輔助負載132可以包括(例如) 燃油泵、促動器(actuator)以及電源用于發電機102控制系統。系統100的操作模式包括運行和啟動。在運行操作中，VFG激勵 器104經由斷路器118而從3.3kV源U4接收AC功率。Gl 112經由 電感器116而4^收AC功率并且將AC功率轉換為DC功率以對DC 鏈路106供電。Gl 112也可以在將AC功率轉換為DC功率之前將 3.3kV源114的AC電壓變換為合適的電壓。Rl 120和R2 122從DC鏈路106接收DC功率并為發電機102 轉子將DC功率轉換為AC功率(4kV、 3.6kA)。當在運行操作中時， SI 103打開并且S2 105閉合。因此，Rl 120和R2 122經由電感器126 和124而并聯連接到發電機102轉子。發電機102經由發電機斷路器119而將AC功率輸出至用于電壓 轉換的GSU128。在所示例的實施例中，GSU 128包括第三繞組151。 GSU將發電才幾102的輸出電壓(18kV)轉換為3.3kV源114和HV電網 130的合適的電壓。在所示例的例子中，GSU128發送3.3kV、 12MVA 到3.3kV源114并且發送230MVA到HV電網130。斷路器118可以 -故布置在HV電網130和輔助負載132之間。諧波濾波器150可以被 包括在3.3kV源114和發電機102轉子上。所示例的示范實施例中的第三繞組151的使用使連接到發電機 102的輸出的設備最小。其它實施例可以包括連接到發電機102輸出 的單獨的變壓器。因此，GSU的配置可以^F又決于系統100的應用。斷路器118被作為系統100的示范實施例而提供并且斷路器118 可以位于備選位置或者在適當時取決于系統100的應用而不被包括在 系統100中。所示例的實施器108和動態制動器電阻器110。優選地，可以包括動態制動器108 以在電網故障期間保護激勵器。
在啟動操作中，發電機102定子從VFG激勵器104接收功率(轉 矩電流)以轉動發電機102。發電機102轉子也從VFG激勵器104接 收功率。發電機102的轉動旋轉發電機102原動機(primemover)(未示 出)。 一旦原動機以適當的速度旋轉，啟動模式可以結束并且系統可以 被切換到上面描述的運行狀態，因而發電機102開始生成功率。
在這方面，當在啟動操作中時，發電機斷路器119打開，Sl 103 閉合并且S2105打開。因此，VFG激勵器104經由R1 120而提供功 率至發電機102定子，并且也經由R2 122而^是供功率至發電才幾102 轉子。 一旦發電機102原動機啟動，就不再需要到發電機102定子的 功率，并且系統IOO轉變進入運行操作。因此，Rl 120被阻塞(block), Sl 103打開并且S2 105閉合，使Rl 120和R2 122并聯放置。VFG激 勵器104獨立于速度(在滑動范圍內)而使跨發電機斷路器119的電壓 無效，并且發電機斷路器可以閉合以將功率提供給HV電網130。
在運行操作中，當發電機102受到來自HV電網130的負載時， 發電機102轉子從R1 120和R2 122接收功率，然而在啟動操作中， 發電機102上的負載較小。因此，發電機102可以使用Rl 120而啟動 以將功率提供給發電機102轉子并且利用R2 122用于對發電才幾102 定子供電。因此，系統IOO保留了發電機102的啟動操作和運行操作
所需要的轉換器的數量。
VFG系統的可選實施例在圖2中示例。在這方面，圖2示出了系 統200。系統200類似于圖1中示例的系統100，然而系統200包括 發電機202，所述發電機202包括額定為+/ - 4kV、 1.8kA的三相推挽 式轉子(未示出)。發電機202轉子包括各自連接到單獨的滑動環的三 個繞組。
轉換器Rl 120和R2 122被配置在推挽式裝置中。R2 122被連接 到發電機202轉子的+ 4kV輸入209。 Rl 120經由Sl 103而,皮連4妻到發電機202定子。Rl 120也經由第二開關(S2)205而被連接到發電機 202轉子的-4kV輸入207。 S2 205也可以切換至地201，因而將-4KV 輸入207連接到地201。
系統200工作在類似于系統100的運行操作和啟動操作。在運行 操作中，R2 122提供+ 4kV到發電機202轉子的+41^輸入209。31 103 打開并且S2 205閉合從而使得Rl 120提供-4kV到發電機202轉子的 4kV輸入207。
在啟動操作中，R2 122提供+ 4kV到發電機202轉子的+ 4kV輸 入209。 Sl 103閉合，從而VFG激勵器104將功率經由Rl 120而提 供到發電機202定子(未示出)。S2 205被閉合從而使得發電機202轉 子的-4kV輸入207 4皮連接到地201。因此，發電機202轉子的-4kV繞 組207實際上具有0V。
系統200在啟動操作期間使用轉子繞組的 一 半，因而用于啟動原 動機(未示出)的可用轉矩實際上是系統100中可用的轉矩的一半。然 而，系統200的一個優點是推挽式裝置允許發電機以全負載而兩個轉 換器(R1 120和R2 122)中的一個不起作用來操作，因而增加了系統200 的可靠性。
圖3示例了 VFG系統的另一個可選示范實施例。在這方面，系 統300類似于其它所示例的實施例，但包括具有六相轉子(未示出)的 發電機302。在所示例的配置中，發電機302轉子具有兩層三相繞組(未 示出)。三相繞組的第一層被連接到發電機302轉子的輸入309,而同 時三相繞組的第二層被連接到發電機302轉子的輸入307。
系統300工作在類似于系統100的運行操作和啟動操作中。在運 行操作中，R2 122將4KV的第一三相提供給發電機302轉子的輸入 309。 Sl 103打開而S2 305閉合，從而使得Rl 120將4kV的第二三 相提供給發電機302轉子的輸入307。
在啟動操作中，R2 122將4KV的第 一三相提供給發電機302轉 子的輸入309。 Sl 103閉合，從而VFG激勵器104將4KV的第二三相經由R1 120而提供給發電機302定子。S2打開，從而發電機202 轉子的輸入307實際上從Rl 120接收0V。
系統3的其它可選實施例可以包括在轉子上具有多于六相的發電 機302。在該配置下，可以需要額外的轉換器和開關以滿足設計考慮。
的發電機。這些發電機可能需要VFG激勵器中可選(alternate)數量的 轉換器。例如，Rl 120和R2 122可以包括多個并聯的轉換器。無論 VFG激勵器104的額定依賴的配置如何，在啟動操作和運行操作之間 轉變的Sl 103和S2 105可以以相似的方式配置。
進一步，各種操作可以以多個分立的步驟來描述，以有助于理解 本發明實施例的方式來執行。然而，說明的順序不應解釋為暗示這些 操作需要以提出它們的次序來執行，或者甚至解釋為它們是與次序相 關的。此外，重復使用短語"在實施例中"并不一定指同一實施例， 盡管可能是。最后，如在本申請中使用的術語"包含"、"包括"、 "具有"等除另有指出外均確定為同義。
本書面說明使用例子來公開本發明，包括最佳模式，并且也為了 使本領域技術人員能夠實踐本發明，包括制造和使用任何裝置或者系 統以及執行任何結合的方法。本發明的可專利范圍由權利要求來限 定，并且可以包括本領域技術人員想到的其它例子。如果這些其它例 子具有與權利要求的文字語言相同的結構性成分，或者如果它們包括 與權利要求的文字語言無實質性不同的等同結構性成分，那么它們就 會被確定為在權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種發電系統(100)，包含發電機(102)，其中所述發電機包括定子部分；和轉子部分；可變頻率發電機(VFG)激勵器(104)，其中所述VFG激勵器包括連接到DC鏈路(106)的可操作以將DC電流轉換成AC電流的第一轉換器(120)；和連接到所述DC鏈路(106)的可操作以將DC電流轉換成AC電流的第二轉換器(122)；第一開關(103)，所述第一開關(103)可操作以在所述發電機(102)工作于啟動狀態時，在閉合時將所述第一轉換器(120)連接到所述定子部分，其中，在所述發電機(102)工作于運行狀態時，所述第一開關(103)打開；和第二開關(105)，所述第二開關(105)可操作以在所述發電機(102)工作于所述運行狀態時，在閉合時將所述第一轉換器(120)和所述第二轉換器(122)并聯連接到所述轉子部分，其中，在所述發電機(102)工作于所述啟動狀態時，所述第二開關(105)打開。
2. 根據權利要求1所述的發電系統，其中所述VFG激勵器(104) 還包括第三轉換器(112),所述第三轉換器(112)可操作地從AC源(207) 接收AC電流，將所述AC轉換成DC電流，并且將所述DC電流發 送至所述DC鏈路(106)。
3. 根據權利要求2所述的發電系統，其中所述第三轉換器(112) 還可操作以將來自所述AC源(207)的第一 AC電壓變換成第二 AC電 壓。
4. 根據權利要求1所述的發電系統，其中所述VFG激勵器(104) 還包括動態制動器(l08)和動態制動器電阻器(l 10)，可才乘作以在電網(130) 故障期間保護所述激勵器。
5. 根據權利要求1所述的發電系統，其中所述第一開關(103)和 所述第二開關(105)位于所述VFG激勵器中。
6. 根據權利要求1所述的發電系統，還包含連接到所述轉子的諧 波濾波器(150)。
7. 根據權利要求1所述的發電系統，還包含在發電機步進部分上 的第三繞組(151)，其中所述第三繞組(151)可操作以從所述定子部分接 收輸出功率、變換所述輸出功率電壓，并且將所述輸出功率發送至電 力網(130)。
8. 根據權利要求7所述的發電系統，其中所述第三繞組(151)還 可操作以將第二輸出功率發送到第二電壓輸出。
9. 根據權利要求8所述的發電系統，還包括被連接到所述第二電 壓輸出的諧波濾波器(150)。
全文摘要
本發明名稱為涉及可變速發電機的系統和方法，提供了包含發電機(102)的發電系統。發電機(102)包括定子部分，和轉子部分，以及可變頻率發電機(VFG)激勵器(104)。VFG激勵器(104)包括第一轉換器(120)和第二轉換器(122)。該系統包括第一開關(103)，在發電機(102)工作在啟動狀態時，所述第一開關(103)閉合以將第一轉換器(120)連接到定子部分。所述系統還包括第二開關(105)，在發電機(102)工作在運行狀態時，第二開關(105)閉合以將第一轉換器(120)和第二轉換器(122)并聯連接到轉子部分。
文檔編號H02P9/08GK101557192SQ200910134838
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月7日 優先權日2008年4月7日
發明者C·D·哈布特, E·V·拉森, J·M·富加蒂 申請人:通用電氣公司