用於發電機的冗餘電制動器及保護系統的製作方法

2023-09-23 23:58:55

專利名稱：用於發電機的冗餘電制動器及保護系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於安全並可控地對發電機進行去激勵的技術。在本發明中，對發電機去激勵涉及平衡發電機軸上的動力，減小在發電機的轉動質量中存儲的轉動能量，並減小在發電機中存儲的電磁場能量。
背景技術：
在對動力的控制受限或不可行的實施例中，必需提供以可控方式對發電機去激勵的方法。一個示例是由風輪機驅動的發電機。例如，在存在強風的情況下，要停止風輪機就需要在風輪機的部件上施加不合理或過大的力。
為提供有效去激勵的一些嘗試已經採用了機械制動器。但是，機械制動器會較大、較昂貴，且如果需要經常制動則會被迅速磨損。這種系統需要周期性地維護及檢測以確保可靠性，而這至少會對產能造成一定損失。通常情況下，機械制動器具有相對過長的響應時間(數十秒)。在一些極端情況下，過長的響應時間會導致發電機超速。故難以使用機械制動器來控制去激勵過程。此外，這種系統必需具有失效保護，並需滿足很高的可靠性標準。
在對動力的控制有限或不存在的裝置中，通常通過急劇短路線路與機械制動器或整流器直流鏈路(dc-link)中的動態制動器的組合來降低發電機的速度。
需要的是一種用於發電機的冗餘可控低成本制動系統。優選地，該制動系統以迅速、安全及可靠的方式對發電機進行去激勵。

發明內容
通過本發明可克服或消除上述及其他缺陷及不足。
本發明揭示了一種電功率轉換器，其包括控制單元；發電機側轉換器；電網側轉換器；耦合所述發電機側轉換器以及所述電網側轉換器的共用直流總線；耦合至所述直流總線並設置用於從所述控制單元接收制動信號的動態制動器；以及耦合至所述發電機側轉換器並設置用於從所述控制單元接收另一制動信號的急劇短路線路。
本發明還揭示了一種用於將發電機去激勵的方法，包括以下步驟提供電功率轉換器，所述電功率轉換器包括控制單元；發電機側轉換器；電網側轉換器；耦合所述發電機側轉換器以及所述電網側轉換器的共用直流總線；耦合至所述直流總線並設置用於從所述控制單元接收制動信號的動態制動器；以及耦合至所述發電機側轉換器並設置用於從所述控制單元接收另一制動信號的急劇短路線路；從所述控制單元發出所述制動信號以及所述另一制動信號其中至少一者，以消耗來自所述發電機的功率；並且利用所述動態制動器以及所述急劇短路線路其中至少一者來消耗所述功率。
本發明還揭示了一種存儲在機器可讀媒介上的電腦程式產品，該產品具有將發電機去激勵的指令，該發電機包括電功率轉換器，其包括控制單元；發電機側轉換器；電網側轉換器；耦合所述發電機側轉換器以及所述電網側轉換器的共用直流總線；耦合至所述直流總線並設置用於從所述控制單元接收制動信號的動態制動器；以及耦合至所述發電機側轉換器並設置用於從所述控制單元接收另一制動信號的急劇短路線路，該指令包括用於從所述控制單元發出所述制動信號以及所述另一制動信號其中至少一者以消耗來自所述發電機的功率以及利用所述動態制動器以及所述急劇短路線路其中至少一者來消耗所述功率的指令。
本領域技術人員通過以下詳細描述及附圖將懂得並理解本發明的特徵及優點。


現在參考附圖，其中在數個附圖中以相同標號表示相同的元件，其中圖1示出了採用動態制動器及急劇短路線路作為冗餘保護系統的發電機的各個方面；及圖2是流程圖，示出了用於使用冗餘保護系統的示意性邏輯線路。
具體實施例方式
這裡的教導提供了具有動態制動器及急劇短路線路用於對發電機有效去激勵的冗餘保護系統。
在本說明書中，術語「幹擾」、「電網幹擾」、「故障」、「系統故障」、「瞬變」以及其他類似技術術語總體指引起(發電機電連接至其的)電網信號擾動的各種事件。會引起電網信號幹擾(例如，電網故障)的上述事件的示例是公知的，將不在本說明書中討論。不可避免地，因為各種發電設備對電網信號起作用並且會產生包括瞬變事件的各種現象，故電網信號分量會在某種程度上劣化或改變。當選擇電制動器及保護系統的自動響應時，通常由系統管理員來選擇對信號擾動的容許量。
在本說明書中，發電機產生三相電信號。但是，應該理解的是，對三相信號的討論僅是為便於說明，而並不構成對本發明的限制。例如，本發明可應用於單相、雙相及其他多相或復相(poly-phase)信號。
本領域技術人員將理解，對本發明而言，對風輪機的引用僅為說明而非限制。例如，用於發電機的其他動力可以包括水力渦輪機、燃氣輪機以及其他類似設備。因此，應當理解的是，示例性實施例的某些方面與其他實施例具有相應部件，並享有類似(而非相同)的術語命名。
現參考圖1，示出了風輪機100的示例性方面。在圖1的示例中，風輪機100包括與定子總線102耦合的發電機101。定子總線102耦合至提供到電網180的耦合的變頻器103。耦合至電網180通常涉及利用電網耦合變壓器181及主開關182。在本示例中，發電機101包括用於對發電機101進行制動的制動單元105。
變頻器103(也被稱為「電力轉換器」)包括用於產生與電網180同步的電信號的各種部件。與變頻器103相關的非限制性部件包括與定子總線102及發電機側轉換器111相耦合的發電機接觸器110。發電機側轉換器111從發電機101接收交流(AC)輸入信號，並將此電氣輸入轉換為直流(DC)信號。發電機側轉換器111通過DC總線130向電網側轉換器121提供DC信號。電網側轉換器121將該DC信號轉換為適於向電網180供應的AC輸出信號。通過線路接觸器120向電網180進行供應。通過轉換器控制單元140來控制變頻器103中各種部件中至少一部分的工作。
風輪機100還包括動態制動器210及急劇短路線路220。剩餘負載(dump load)電阻器221通過急劇短路線路220及剩餘負載接觸器222中至少一者被使用。動態制動器210與急劇短路線路220兩者均耦合至轉換器控制單元140用於控制其工作。在本示例中，至少一個剩餘負載電阻器221與發電機接觸器110並聯耦合到定子總線102。急劇短路線路220及剩餘負載接觸器222到定子總線102的耦合也為並聯，並串聯在剩餘負載電阻器221之後。
在本示例中，通過風輪機控制單元190來對風輪機100的工作進行控制。在本示例中，風輪機控制單元190耦合至制動單元105、剩餘負載接觸器222及轉換器控制單元140。通常，風輪機控制單元190向轉換器控制單元140、剩餘負載接觸器222及機械制動器105發出至少一個制動信號。轉換器控制單元140向動態制動器210及急劇短路線路220發出制動能分配信號。
風輪機100的各種接觸器以公知的方式實現開閉功能。
在本說明書中，動態制動器210與急劇短路線路220的組合與機械制動器105及剩餘負載接觸器222一同工作提供了用於風輪機100的冗餘保護系統。
作為設計冗餘保護系統的第一種方案，使用動態制動器210來防止DC總線130過壓，由此保護髮電機側轉換器111及電網側轉換器121。通過以此方式使用動態制動器210，僅需要偶而激活急劇短路線路220。因此，改進了在電網幹擾期間發電機側轉換器111的可控性。
作為設計冗餘保護系統的第二種方案，動態制動器210具有足夠大的功率額定值，由此可以消除或修改急劇短路線路220。但是，該第二方案通常需要昂貴且笨重的動態制動器210設計。
本領域的技術人員將理解，至少通過平衡本發明的各個方面來解決冗餘保護系統的設計問題。因此，可以調整用於風輪機100的冗餘保護系統設計，以降低動態制動器210的容量並限制對急劇短路線路220的激勵。也可以考慮其他方面。例如，動態制動器210可具有當與急劇短路線路220的設計特徵一同使用時獲得最快速去激勵的設計特徵。因此，可認為講冗餘保護系統通常包括「平衡設計」。
對於動態制動器210，其通常包括例如具有與發電機101的額定性能等同的額定性能的動態制動器電阻器211以及制動斬波器(brakechopper)212。通常將制動斬波器212設置在發電機側轉換器111與電網側轉換器121之間，並通常與至少一個DC電容器131並聯。在本示例中，動態制動器210以及至少一個DC電容器131與DC總線130耦合。
對於急劇短路線路220，剩餘負載接觸器222從轉換器控制單元140接收命令。可通過對急劇短路線路220的激勵以及對剩餘負載電阻器221的激勵其中至少一者來使用剩餘負載電阻器221。通常，對剩餘負載電阻器221的額定值與發電機101的額定值類似，但是，這僅是示例而非限制。在一些實施例中，剩餘負載電阻器221包括多個電阻器組。在這些實施例中，對剩餘負載電阻器221的使用可能需要在涉及對急劇短路線路220及剩餘負載接觸器222進行順序激勵的逐步處理中使用保護特性。
在常規操作中，冗餘保護系統通過使用發電機側轉換器111可提供與剩餘負載電阻器221及動態制動器210之和相等的總制動功率。當風輪機100並未電耦合至電網180時，通過發電機側轉換器111傳輸的過剩功率可在動態制動器電阻器211中消耗。如果制動功率小於動態制動器210的額定功率，則僅使發電機側轉換器111工作並將功率傳遞至動態制動器210。如果功率超過動態制動器210的額定功率，則至少一個剩餘負載電阻器221工作。在示例性實施例中，在動態制動器210的0.8至1每單位額定功率之間使得至少一個剩餘負載電阻器221工作。
在另一實施例中，在發電機側轉換器111的AC端子處設置急劇短路線路220以及在發電機側轉換器111的DC側端子處設置動態制動器210可對功率消耗提供很高水平的控制。對急劇短路線路220及動態制動器210兩者的控制可提供停止發電機101的性能同時遵循希望的轉矩-速度曲線。
本發明還提供了其他優點。例如，冗餘確保了保護系統可使用(例如，如果發電機側轉換器111與電網側轉換器121其中一者失效，則剩餘負載電阻器221可對任何渦輪機超速進行有效制動及減振)。因為可以有效地控制制動所需的轉矩，故可以減輕風輪機100內的機械應力。應用冗餘保護系統可縮短制動時間，相較於其他制動技術該制動時間更短。
雖然一些現有技術需要設計轉換器具有適於制動的額定功率，但在本發明中則不需要。即，通過冗餘保護系統，各個轉換器的額定功率獨立於制動轉矩需求。因此，每個轉換器均不需要增加的功率餘量，由此各個轉換器不會過大。即使發電機側轉換器111及急劇短路線路220失效，發電機接觸器110也可工作以在剩餘負載電阻器221中消耗功率。在此情況下，轉換器控制單元140也可與制動單元105協調以使發電機101停機。這些示例性優點以及其他優點有助於成本降低及安裝靈活性。
簡而言之，上述冗餘保護系統包括其中結合了兩個功率消耗路徑的系統。一條路徑包括發電機側轉換器111，另一條路徑包括剩餘負載電阻器221。還可以設計發電機側轉換器111以適應發電機101的定額輸出額定功率，同時剩餘負載電阻器221被設計大小以提供額外所需的制動功率(例如，如果所需最大制動功率兩倍於電網側轉換器121的額定值，則相應地設計剩餘負載電阻器221的大小以補償發電機側轉換器111的額定值與所需制動功率之間的差值)。
現參考圖2，提供了用於對發電機101進行制動的示例性邏輯。渦輪機制動300通過發出制動指令301開始工作。風輪機控制單元190進行發電機側轉換器111是否可使用的判定。如果發電機側轉換器111不能使用，則風輪機控制單元190使制動單元工作302。如果發電機側轉換器111可使用，則轉換器控制單元140進行所需制動功率大小的判定。如果所需制動功率小於發電機101的額定輸出功率，則轉換器控制單元140工作以在發電機側轉換器中消耗功率303。如果電網180可使用，則電網側轉換器121正常工作，然後將制動功率輸送至電網304(同時禁用動態制動器210)。如果電網180不可用，或者電網側轉換器121並未正常工作，則使動態制動器可工作305。
在所需制動功率超過輸出功率的情況下，使剩餘負載電阻工作306。當剩餘負載電阻工作306時，發電機側轉換器111通常將剩餘制動功率消耗。如果剩餘負載電阻工作306，則還進行電網180可用性的判定。如果電網180可工作，並且電網側轉換器121正常工作則將制動功率輸送至電網304(同時禁用動態制動器210)。如果電網180不可用，或者電網側轉換器121並未正常工作，則使動態制動器可工作305。
在剩餘負載電阻工作306時除了進行電網1 80是否可用的判定，還進行急劇短路線路220是否可用的判定。如果急劇短路線路220可用，則急劇短路線路工作307。如果急劇短路線路220不可用，則剩餘負載接觸器工作308。
通常，發出制動指令301涉及要求對發電機101進行制動及保護的操作員及風輪機控制單元190其中一者。在一個示例中，人工發出指令以斷開發電機101以進行維護。但是，在其他實施例中，可以響應系統故障來通過諸如風輪機控制單元190或轉換器控制單元140的系統監控設備自動發出指令。
當然，上述邏輯僅是示例性的，因此不是對在冗餘保護系統工作期間可能會發生的順序和事件的窮盡性描述。儘管這裡描述的示例性風輪機100包括具有在約100kW與5MW之間的額定輸出的發電機101，但這僅是示例性而非限制性。即，可以實現本發明而不被發電機101的額定功率所限。
對於冗餘保護系統工作的各個方面，當所需制動功率處於發電機側轉換器111的額定功率內時，通常禁用剩餘負載電阻器221，並使用發電機側轉換器111以適於所需制動功率。當發電機側轉換器111可在發出制動指令時調節所需制動功率時，通常遵循上述該方法。當所需制動功率超過發電機側轉換器111的額定功率時，使用剩餘負載電阻器221及發電機側轉換器111兩者。通常，轉換器控制單元140工作以調節制動功率。
當電網180可用且電網側轉換器121也可用時，發電機側轉換器111通常將向電網180供應高達100kW制動功率直至發電機側轉換器111的額定功率。或者，當電網180不可用或者電網側轉換器121處於故障狀態時，將激勵動態制動器210並在動態制動器電阻器211中消耗制動功率。快速響應時間(通常為數微秒)使得急劇短路線路220具有較高的工作優先級。通常通過使用諸如IGBT或半導體閘流管等的半導體來實現上述快速響應時間。如果急劇短路線路220處於故障狀態，則剩餘負載接觸器222閉合。
在另一實施例中，如果發電機側轉換器111不可用(例如，如果發電機側轉換器111處於故障模式或發電機側轉換器111與渦輪機控制單元190之間的通信處於故障模式)，則通過對剩餘負載接觸器222致動而使剩餘負載電阻器221工作，且制動單元105也被激勵。在此情況下，相較於機械制動單元105，剩餘負載電阻器221將有助於防止因快速響應時間而導致的超速。此外，剩餘負載電阻器221減小制動單元105的負載，由此延長制動單元105的壽命。
通常情況下，冗餘保護系統提供比在正常工作狀態下發電機101的額定輸出功率大很多的最大制動功率。例如，冗餘保護系統提供兩倍或甚至更多倍於發電機101的額定輸出的最大制動功率。
儘管已參考風輪機100描述了本發明，但本領域的技術人員將理解本發明還可應用於其他部件。例如，可有利地使用動態制動器210及急劇短路線路220以保護各種功率產生裝置及功率消耗裝置。可應用本發明的設備的非限制性示例包括其他類型的發電機轉換器；變速泵；燃料電池轉換器；變速風扇；以及變速處理控制設備。
雖然已經參考了示例性實施例描述了本發明，但本領域人員將理解的是可以進行各種改變且可利用等同物替換上述元件而不脫離本發明的範圍。此外，可以根據本發明的教導進行很多改進以適應具體情況或材料而不脫離其實質範圍。因此，本發明並不意在限於作為實施本發明的最佳示例所揭示的具體實施例，而可包括落入所附權利要求範圍內的全部實施例。
權利要求
1.一種電功率轉換器(103)，包括控制單元(140)；發電機側轉換器(111)；電網側轉換器(121)；耦合所述發電機側轉換器(111)以及所述電網側轉換器(121)的共用直流總線(130)；耦合至所述直流總線(130)並設置用於從所述控制單元(140)接收制動信號的動態制動器(210)；以及耦合至所述發電機側轉換器(111)並設置用於從所述控制單元(140)接收另一制動信號的急劇短路線路(220)。
2.如權利要求1所述的電功率轉換器(103)，其中所述動態制動器(210)包括至少一個動態制動器電阻器(211)，用於消耗來自所述發電機側轉換器(111)的制動功率。
3.如權利要求1所述的電功率轉換器(103)，其中直流電容器(131)與所述動態制動器(210)並聯地耦合至所述直流總線(130)。
4.如權利要求1所述的電功率轉換器(103)，其中所述動態制動器(210)包括斬波器(212)，用於消耗來自所述發電機側轉換器(111)的制動功率。
5.如權利要求1所述的電功率轉換器(103)，其中所述急劇短路線路(220)包括至少一個剩餘負載電阻器(221)，用於消耗來自所述發電機側轉換器(111)的制動功率。
6.一種用於將發電機(101)去激勵的方法，包括以下步驟提供電功率轉換器(103)，所述電功率轉換器(103)包括控制單元(140)；發電機側轉換器(111)；電網側轉換器(121)；耦合所述發電機側轉換器(111)與所述電網側轉換器(121)的共用直流總線(130)；耦合至所述直流總線(130)並設置用於從所述控制單元(140)接收制動信號的動態制動器(210)；以及耦合至所述發電機側轉換器(111)並設置用於從所述控制單元(140)接收另一制動信號的急劇短路線路(220)；從所述控制單元(140)發出所述制動信號以及所述另一制動信號其中至少一者，以消耗來自所述發電機(101)的功率；並且利用所述動態制動器(210)以及所述急劇短路線路(220)其中至少一者來消耗所述功率。
7.如權利要求6所述的用於對發電機(101)去激勵的方法，其中所述消耗步驟包括在所述動態制動器(210)的動態制動器電阻器(211)、所述劇短路線路(220)的剩餘負載電阻器(221)以及所述發電機側轉換器(111)其中至少一者中消耗所述功率。
8.如權利要求6所述的用於對發電機(101)去激勵的方法，其中所述發出步驟包括人工發出及自動發出其中一者。
9.如權利要求6所述的用於對發電機(101)去激勵的方法，其中消耗所述功率涉及將過剩功率傳輸至所述動態制動器(210)以及所述劇短路線路(220)其中至少一者。
10.如權利要求9所述的用於對發電機(101)去激勵的方法，其中將過剩功率傳輸至所述劇短路線路(220)包括逐步使所述劇短路線路(220)以及剩餘負載接觸器(222)工作。
全文摘要
本發明提供了一種用於發電機(101)的電控制動及系統保護的設備，其包括設計用於與功率轉換器配合以在命令時消耗功率的動態制動器(210)以及急劇短路線路(220)。動態制動器(210)包括至少一個電阻器，而急劇短路線路(220)包括至少另一電阻器，用於消耗來自發電機(101)的功率。本發明還提供了一種使用電控制動及系統保護的方法，涉及將功率分流至動態制動器(210)、急劇短路線路(220)以及發電機(101)側功率轉換器其中至少一者。
文檔編號H02P9/12GK101087122SQ20071010821
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月4日 優先權日2006年6月2日
發明者L·李, Z·盧, R·泰希曼, C·王, W·楊 申請人:通用電氣公司