专利名称：涉及可变速发电机的系统和方法
技术领域：
本发明实施例大致涉及电力发电机，并且更具体地涉及启动和运 行可变速电力发电机。
背景技术：
在这方面，同步发电机系统一4殳以给定速度工作，产生与电力网匹配的稳定输出频率，例如50Hz和60Hz。如果电网上的电力负荷增 加超过了该电网的发电容量，那么就可能存在发电机减速的结果，这 可能降低电网上的频率。如果负荷降低，导致发电容量过剩，那么发 电机可能加速并且电网频率增加。因此，期望使用节省成本的系统和方法，其能够在电网负荷有危 险超过电网的发电容量时，协助限制电网上发电机的减速。发明内容本发明的示范实施例包括示范发电系统，所述示范发电系统包含 发电机，其中该发电机包括定子部分和转子部分，可变频率发电机 (VFG)激励器(exciter)，其中VFG激励器包括被连接到DC链路的可操 作以将DC电流转换成AC电流的第一转换器(converter)和被连接到 DC链路的可操作以将DC电流转换成AC电流的第二转换器，第一开 关，第一开关可操作以在发电机工作在启动状态时，在闭合时将第一 转换器连接到定子部分，其中在发电机工作在运行状态时，第一开关 打开，和第二开关，第二开关可操作以在发电机工作在运行状态时， 在闭合时将第一转换器和第二转换器并联连接到转子部分，其中在发 电机工作在启动状态时，第二开关打开。;七，器，所述可变频率发电机(VFG)激励器包含被连接到DC链路的第 一转换器， 可操作以将DC电流转换成AC电流，和净皮连接到DC链路的第二转 换器，可操作以将DC电流转换成AC电流，其中第二转换器被电气 连接到发电机转子，第一开关，第一开关可操作以在发电机工作在启 动状态时，在闭合时将第一转换器连接到定子部分，其中在发电机工 作在运行状态时，第一开关打开，和第二开关，第二开关可操作以在 发电机工作在运行状态时，在闭合时将第一转换器和第二转换器并联 连接到转子部分，其中在发电机工作在启动状态时，第二开关打开。本发明的示范实施例包括启动和操作VFG系统的方法，该方法 包含，闭合第一开关，其中所闭合的第一开关可操作以将第一转换器 连接到发电机的定子，启动该第一转换器，其中第一转换器可操作以 将DC功率转换为AC功率并控制该定子，启动第二转换器，其中第 二转换器被电气连接到转子，并可操作以将DC功率转换成AC功率 并且控制该转子，启动发电^/L，打开该第一开关，由此将该第一转换 器从定子打开，闭合第二开关，其中闭合第二开关将第一转换器和第 二转换器并联连接，并且控制该第一转换器和第二转换器并联工作以 将功率发送到转子。
当参考附图、阅读下面详细说明时，本发明的这些和其它特征、 方面以及优点将变得更容易理解，在附图中类似的符号表示类似的部 分，其中图1是具有三相转子的发电机的示范系统的示意图。 图2是具有三相推挽式转子(push-pull rotor)的发电机的示范系统 的示意图。图3是具有六相转子的发电机的示范系统的示意图。 100 系统102 发电才几(generator)104 可变频率发电机(VFG)激励器103 第一开关(S1)105 第二开关(S2)106 DC链路108 动态制动器(dynamic brake)110 动态制动器电阻器(dynamic brake resistor)112 转换器(Gl)114 3.3kV源116 电感器(inductor)118 断路器(breaker)119 断路器120 第一转换器(Rl) 122 第二转换器(R2) 124 电感器126 电感器128 发电机步进装置(GSU)(generator step-up unit)130 高压(HV)电网132 辅助负载(auxiliary loads)150 谐波滤波器151 第三绕组(tertiary winding)200 系统201 地202 发电才几205 第二开关(S2)207 4KV输入209 + 4KV输入300 系统302 发电机305 S2307 输入309 输入具体实施方式
在下面详细说明中，阐述了许多具体细节以提供本发明的各个实 施例的全面理解。然而，本领域技术人员将明白，本发明的实施例可 以不以这些具体细节而实践，本发明不受限于所描述的实施例，并且 本发明可以以多种可选实施例而实践。在其它实例中，熟知的方法、 程序和组件没有被详细描述。在这方面，参考图1,系统100包括发电机102。在所示例的示 范实施例中，发电机102是具有额定(rated for)为4kV、 3.6kA的三相 转子(未示出)和额定为18kV的定子(未示出)的燃气涡轮发电机，然而 发电机102可以根据设计的需要而额定为其它负载或者可以是其它类 型的发电机，诸如(例如)涡轮或柴油发电机之类。在所示例的实施例 中，发电机102包括3个滑动环(slip ring)。发电机102转子和定子经 由第一开关(S1)103和第二开关(S2)105而被连接到可变频率发电机 CVFG)激励器104。VFG激励器104是3.3kV激励器，并且包括DC链路106。被连 接到动态制动器电阻器110的动态制动器108可以被耦合到DC链路 106。转换器(G1)112经由电感器116和断路器118而被连接到DC链 路106和3.3kV源114。 VFG激励器104也包括各自连接到DC链路 106的第一转换器(R1)120和第二转换器(R2)122。 R2也被连接到发电 机102转子。Rl 120被连接到Sl 103和S2 105，从而当Sl被闭合时， Rl 120与R2 122并联连接到发电机102转子。当S2 105闭合并且Sl 103打开时，Rl 120被连接到发电机102定子。电感器124可以被布 置在R2 122和发电机102转子之间，而电感器126可以被布置在R1120和SI 103以及S2 105之间。在所示例的示范实施例中，发电机102定子的功率输出经由断路 器119而被连接到发电机步进装置(GSU)128上的第三绕组。GSU将 功率输出到3.3kV源114和高压(HV)电网130。断路器118可以被布 置在HV电网130和辅助负载132之间。辅助负载132可以包括(例如) 燃油泵、促动器(actuator)以及电源用于发电机102控制系统。系统100的操作模式包括运行和启动。在运行操作中，VFG激励 器104经由断路器118而从3.3kV源U4接收AC功率。Gl 112经由 电感器116而4^收AC功率并且将AC功率转换为DC功率以对DC 链路106供电。Gl 112也可以在将AC功率转换为DC功率之前将 3.3kV源114的AC电压变换为合适的电压。Rl 120和R2 122从DC链路106接收DC功率并为发电机102 转子将DC功率转换为AC功率(4kV、 3.6kA)。当在运行操作中时， SI 103打开并且S2 105闭合。因此，Rl 120和R2 122经由电感器126 和124而并联连接到发电机102转子。发电机102经由发电机断路器119而将AC功率输出至用于电压 转换的GSU128。在所示例的实施例中，GSU 128包括第三绕组151。 GSU将发电才几102的输出电压(18kV)转换为3.3kV源114和HV电网 130的合适的电压。在所示例的例子中，GSU128发送3.3kV、 12MVA 到3.3kV源114并且发送230MVA到HV电网130。断路器118可以 -故布置在HV电网130和辅助负载132之间。谐波滤波器150可以被 包括在3.3kV源114和发电机102转子上。所示例的示范实施例中的第三绕组151的使用使连接到发电机 102的输出的设备最小。其它实施例可以包括连接到发电机102输出 的单独的变压器。因此，GSU的配置可以^F又决于系统100的应用。断路器118被作为系统100的示范实施例而提供并且断路器118 可以位于备选位置或者在适当时取决于系统100的应用而不被包括在 系统100中。所示例的实施器108和动态制动器电阻器110。优选地，可以包括动态制动器108 以在电网故障期间保护激励器。
在启动操作中，发电机102定子从VFG激励器104接收功率(转 矩电流)以转动发电机102。发电机102转子也从VFG激励器104接 收功率。发电机102的转动旋转发电机102原动机(primemover)(未示 出)。 一旦原动机以适当的速度旋转，启动模式可以结束并且系统可以 被切换到上面描述的运行状态，因而发电机102开始生成功率。
在这方面，当在启动操作中时，发电机断路器119打开，Sl 103 闭合并且S2105打开。因此，VFG激励器104经由R1 120而提供功 率至发电机102定子，并且也经由R2 122而^是供功率至发电才几102 转子。 一旦发电机102原动机启动，就不再需要到发电机102定子的 功率，并且系统IOO转变进入运行操作。因此，Rl 120被阻塞(block), Sl 103打开并且S2 105闭合，使Rl 120和R2 122并联放置。VFG激 励器104独立于速度(在滑动范围内)而使跨发电机断路器119的电压 无效，并且发电机断路器可以闭合以将功率提供给HV电网130。
在运行操作中，当发电机102受到来自HV电网130的负载时， 发电机102转子从R1 120和R2 122接收功率，然而在启动操作中， 发电机102上的负载较小。因此，发电机102可以使用Rl 120而启动 以将功率提供给发电机102转子并且利用R2 122用于对发电才几102 定子供电。因此，系统IOO保留了发电机102的启动操作和运行操作
所需要的转换器的数量。
VFG系统的可选实施例在图2中示例。在这方面，图2示出了系 统200。系统200类似于图1中示例的系统100，然而系统200包括 发电机202，所述发电机202包括额定为+/ - 4kV、 1.8kA的三相推挽 式转子(未示出)。发电机202转子包括各自连接到单独的滑动环的三 个绕组。
转换器Rl 120和R2 122被配置在推挽式装置中。R2 122被连接 到发电机202转子的+ 4kV输入209。 Rl 120经由Sl 103而,皮连4妻到发电机202定子。Rl 120也经由第二开关(S2)205而被连接到发电机 202转子的-4kV输入207。 S2 205也可以切换至地201，因而将-4KV 输入207连接到地201。
系统200工作在类似于系统100的运行操作和启动操作。在运行 操作中，R2 122提供+ 4kV到发电机202转子的+41^输入209。31 103 打开并且S2 205闭合从而使得Rl 120提供-4kV到发电机202转子的 4kV输入207。
在启动操作中，R2 122提供+ 4kV到发电机202转子的+ 4kV输 入209。 Sl 103闭合，从而VFG激励器104将功率经由Rl 120而提 供到发电机202定子(未示出)。S2 205被闭合从而使得发电机202转 子的-4kV输入207 4皮连接到地201。因此，发电机202转子的-4kV绕 组207实际上具有0V。
系统200在启动操作期间使用转子绕组的 一 半，因而用于启动原 动机(未示出)的可用转矩实际上是系统100中可用的转矩的一半。然 而，系统200的一个优点是推挽式装置允许发电机以全负载而两个转 换器(R1 120和R2 122)中的一个不起作用来操作，因而增加了系统200 的可靠性。
图3示例了 VFG系统的另一个可选示范实施例。在这方面，系 统300类似于其它所示例的实施例，但包括具有六相转子(未示出)的 发电机302。在所示例的配置中，发电机302转子具有两层三相绕组(未 示出)。三相绕组的第一层被连接到发电机302转子的输入309,而同 时三相绕组的第二层被连接到发电机302转子的输入307。
系统300工作在类似于系统100的运行操作和启动操作中。在运 行操作中，R2 122将4KV的第一三相提供给发电机302转子的输入 309。 Sl 103打开而S2 305闭合，从而使得Rl 120将4kV的第二三 相提供给发电机302转子的输入307。
在启动操作中，R2 122将4KV的第 一三相提供给发电机302转 子的输入309。 Sl 103闭合，从而VFG激励器104将4KV的第二三相经由R1 120而提供给发电机302定子。S2打开，从而发电机202 转子的输入307实际上从Rl 120接收0V。
系统3的其它可选实施例可以包括在转子上具有多于六相的发电 机302。在该配置下，可以需要额外的转换器和开关以满足设计考虑。
的发电机。这些发电机可能需要VFG激励器中可选(alternate)数量的 转换器。例如，Rl 120和R2 122可以包括多个并联的转换器。无论 VFG激励器104的额定依赖的配置如何，在启动操作和运行操作之间 转变的Sl 103和S2 105可以以相似的方式配置。
进一步，各种操作可以以多个分立的步骤来描述，以有助于理解 本发明实施例的方式来执行。然而，说明的顺序不应解释为暗示这些 操作需要以提出它们的次序来执行，或者甚至解释为它们是与次序相 关的。此外，重复使用短语"在实施例中"并不一定指同一实施例， 尽管可能是。最后，如在本申请中使用的术语"包含"、"包括"、 "具有"等除另有指出外均确定为同义。
本书面说明使用例子来公开本发明，包括最佳模式，并且也为了 使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或者系 统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求来限 定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它例子。如果这些其它例 子具有与权利要求的文字语言相同的结构性成分，或者如果它们包括 与权利要求的文字语言无实质性不同的等同结构性成分，那么它们就 会被确定为在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种发电系统(100)，包含发电机(102)，其中所述发电机包括定子部分；和转子部分；可变频率发电机(VFG)激励器(104)，其中所述VFG激励器包括连接到DC链路(106)的可操作以将DC电流转换成AC电流的第一转换器(120)；和连接到所述DC链路(106)的可操作以将DC电流转换成AC电流的第二转换器(122)；第一开关(103)，所述第一开关(103)可操作以在所述发电机(102)工作于启动状态时，在闭合时将所述第一转换器(120)连接到所述定子部分，其中，在所述发电机(102)工作于运行状态时，所述第一开关(103)打开；和第二开关(105)，所述第二开关(105)可操作以在所述发电机(102)工作于所述运行状态时，在闭合时将所述第一转换器(120)和所述第二转换器(122)并联连接到所述转子部分，其中，在所述发电机(102)工作于所述启动状态时，所述第二开关(105)打开。
2. 根据权利要求1所述的发电系统，其中所述VFG激励器(104) 还包括第三转换器(112),所述第三转换器(112)可操作地从AC源(207) 接收AC电流，将所述AC转换成DC电流，并且将所述DC电流发 送至所述DC链路(106)。
3. 根据权利要求2所述的发电系统，其中所述第三转换器(112) 还可操作以将来自所述AC源(207)的第一 AC电压变换成第二 AC电 压。
4. 根据权利要求1所述的发电系统，其中所述VFG激励器(104) 还包括动态制动器(l08)和动态制动器电阻器(l 10)，可才乘作以在电网(130) 故障期间保护所述激励器。
5. 根据权利要求1所述的发电系统，其中所述第一开关(103)和 所述第二开关(105)位于所述VFG激励器中。
6. 根据权利要求1所述的发电系统，还包含连接到所述转子的谐 波滤波器(150)。
7. 根据权利要求1所述的发电系统，还包含在发电机步进部分上 的第三绕组(151)，其中所述第三绕组(151)可操作以从所述定子部分接 收输出功率、变换所述输出功率电压，并且将所述输出功率发送至电 力网(130)。
8. 根据权利要求7所述的发电系统，其中所述第三绕组(151)还 可操作以将第二输出功率发送到第二电压输出。
9. 根据权利要求8所述的发电系统，还包括被连接到所述第二电 压输出的谐波滤波器(150)。
全文摘要
本发明名称为涉及可变速发电机的系统和方法，提供了包含发电机(102)的发电系统。发电机(102)包括定子部分，和转子部分，以及可变频率发电机(VFG)激励器(104)。VFG激励器(104)包括第一转换器(120)和第二转换器(122)。该系统包括第一开关(103)，在发电机(102)工作在启动状态时，所述第一开关(103)闭合以将第一转换器(120)连接到定子部分。所述系统还包括第二开关(105)，在发电机(102)工作在运行状态时，第二开关(105)闭合以将第一转换器(120)和第二转换器(122)并联连接到转子部分。
文档编号H02P9/08GK101557192SQ200910134838
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月7日 优先权日2008年4月7日
发明者C·D·哈布特, E·V·拉森, J·M·富加蒂 申请人:通用电气公司