电磁制动系统和方法
【专利摘要】发电系统的电磁制动系统包括耦合于可旋转轴的导电盘，该可旋转轴操作地耦合于原动机与发电机之间；控制器，用于从发电系统接收状态信号并且用于基于该状态信号产生控制信号；和感应单元，用于在由控制信号命令调节可旋转轴的旋转速度时在导电盘上施加电磁制动力。
【专利说明】电磁制动系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开一般来说涉及发电系统并且更具体地涉及用于在发电系统中维持发电机与电力网之间的同步的系统和方法。
【背景技术】
[0002]分布式能源(DER)系统是小的发电机，典型地在从3kW至IOOOOkW的范围内，其从各种源产生电力并且将产生的电力传递到连接到发电机的电力网。电力网收集从多个发电机产生的电力并且将电力传输到不同位置。典型地，DER系统是传统电力系统的备选或增强。小的发电机可由小的燃气轮机提供动力或可包括例如燃料电池和/或风力发电机。DER系统使在输电中损失的能量减少，这是因为在非常接近用电的地方产生电，甚至可能在相同的建筑物内。DER系统还使必须构造的电力线的尺寸和数量减少。
[0003]直到最近，许多国家中的网络操作员允许小的分布式发电机在严重的网络干扰情况下快速从网络断开。网络干扰可由于在DER系统操作期间出现的若干种故障而引起。典型地，电力网中的故障可以是平衡故障或不平衡故障。实际上，电力系统中故障中的大部分是不平衡单相故障。当在公用系统中出现故障时，系统中的电压可减小一定量。这样的电压减小可称为“电压骤降”或“电压跌落”。
[0004]这样的“电压骤降”或“电压跌落”的特性取决于若干方面，例如故障的类型和严重程度、故障的位置和故障的持续时间。典型地，在电力网中的任何位置处的“电压骤降”或“电压跌落”的幅度取决于故障的严重程度和到故障的距离。相似地，“电压骤降”或“电压跌落”的持续时间可取决于保护电路检测并隔离故障所需要的时间。“电压骤降”或“电压跌落”的持续时间通常可以是大约几百毫秒。
[0005]此外，在故障事件中，发电机和电力网的互连点处的电压的突然下降可导致发电机电力输出的突然下降。因此，发电机的电力输出与来自发动机的机械动力输入之间的不平衡可引起发动机加速，这可导致失去发电机与剩余电网之间的同步。从而，具有小的惯性的某些类型的发电机可迅速加速并且在故障事件期间失去同步。在非限制性示例中，某些类型的发电机包括小的同步或异步发电机。
[0006]在过去，在这些意外故障和大的电力干扰情况下，每当出现电压下降时小的发电机离线跳闸，这是可接受并且可期望的。当从这些小的发电机提供给电网的总电力与由所有其他发电单元提供给电网的总电力相比非常小时，采用这样的方式的操作对电力网的稳定性没有实际的不利影响。然而，随着电网中小的分布式发电机的渗入以及由这些小的分布式发电机提供给电网的电力的量在增加，如果在具有低电压条件的故障事件期间断开所有这样的发电机，可能危及电网的稳定性。因此，这些发电机仍然与电网同步、穿越低压条件并且能够在清除故障后立即将电力馈送到电网内，这是可期望的。因此，新兴电网码越来越需要小的发电机“穿越”由电网故障事件引起的某些电压条件。然而，这目前对具有小惯性的发电机代表着大的挑战，其趋于在“电压骤降”后迅速加速。
[0007]可采用各种技术来克服在故障条件期间发电机中迅速加速的问题。一个这样的技术是提供机械制动来使发电机中的原动机停止。然而，机械制动单元具有相对慢的反应时间并且因此对于具有小惯性的小的发电机是不充足的，这甚至在施加机械制动之前可能失去同步。另一个技术是增加发电机的惯性，例如通过添加飞轮，以在低电压条件期间使发电机加速减少。该技术导致具有附加重量和成本的发电机的动态性能降低。备选技术是对电制动提供制动电阻器来耗散电阻器中的电力以便在故障条件期间使发电机的加速停止。然而，电制动技术中的大部分包括昂贵的电力电子器件，其使系统的成本大大增加。
[0008]因此，需要有解决一个或多个上述问题的有效且廉价的故障穿越(FRT)发电系统的改进系统和方法。
【发明内容】
[0009]根据本文描述的一个实施例，电磁制动系统包括:导电盘，其稱合于发电系统的可旋转轴，其中该可旋转轴操作地耦合于原动机与发电机之间；控制器，用于从发电系统接收至少一个状态信号并且用于基于该至少一个状态信号产生控制信号；和感应单元，用于在由控制信号命令调节可旋转轴的旋转速度时在导电盘上施加电磁制动力。
[0010]根据本文描述的另一个实施例，方法包括:接收代表可旋转轴的旋转速度、电力网中的电压、发电机处的电流、由原动机生成的机械动力、发电机的转子角、由发电机生成的电力或其组合的至少一个状态信号；基于该至少一个状态信号确定控制信号；以及在由控制信号命令调节可旋转轴的旋转速度时在可旋转轴上施加电磁制动力。
[0011]根据本文描述的另一个实施例，发电系统包括:原动机，用于形成机械动力；发电机，其通过可旋转轴操作地耦合于该原动机用于基于该机械动力产生电流并且将该电流供应给电力网；和电磁制动单元，其操作地耦合于可旋转轴用于调节可旋转轴的旋转速度。
[0012]提供一种电磁制动系统，其包括:
导电盘，其耦合于发电系统的可旋转轴，其中所述可旋转轴操作地耦合于原动机与发电机之间；
控制器，用于从所述发电系统接收至少一个状态信号并且用于基于所述至少一个状态信号产生控制信号；
感应单元，用于在由所述控制信号命令调节所述可旋转轴的旋转速度时在所述导电盘上施加电磁制动力。
[0013]优选的,所述感应单元包括:
多个感应器；
电源，用于供应交流和直流中的至少一个给所述感应器以在所述导电盘中感应涡流；
以及
电开关，其耦合于所述感应器与所述电源之间用于如由所述控制信号命令的那样调节所述交流和所述直流中的至少一个。
[0014]优选的，所述感应器靠近所述导电盘设置来跨所述导电盘形成第一磁场，其中形成的第一磁场在所述导电盘旋转通过所述第一磁场时在所述导电盘中感应所述涡流。
[0015]优选的，所述导电盘中感应的涡流形成第二磁场，其与所述第一磁场相对来阻止所述导电盘的旋转。
[0016]优选的，所述至少一个状态信号代表所述可旋转轴的旋转速度、所述电力网中的电压、所述发电机处的电流、由所述原动机生成的机械动力、所述发电机的转子角、由所述发电机生成的电力或其组合。
[0017]优选的，所述控制器配置成促使所述控制信号在所述电力网中的电压是故障电压时启动和调节所述电磁制动力。
[0018]优选的，所述控制器配置成促使所述控制信号在所述可旋转轴的旋转速度在阈值速度之上以及所述发电机的转子角在阈值角之上中的至少一个时启动和调节所述电磁制动力。
[0019]优选的，所述控制器配置成促使所述控制信号在由所述原动机生成的机械动力在第一阈值功率之上或由所述发电机生成的电力在第二阈值功率之下时施加所述电磁制动力。
[0020]优选的，所述控制器配置成促使所述控制信号在所述发电机处的电流在阈值电流之上时启动和调节所述电磁制动力。
[0021]优选的，所述控制器配置成促使所述控制信号以基于接收的状态信号来停止或调节由所述原动机生成的动力。
[0022]提供一种方法，其包括:
接收代表可旋转轴的旋转速度、电力网中的电压、发电机处的电流、由原动机生成的机械动力、发电机的转子角、由发电机生成的电力或其组合的至少一个状态信号；
基于所述至少一个状态信号确定控制信号；以及
在由所述控制信号命令调节所述可旋转轴的旋转速度时在所述可旋转轴上施加电磁制动力。
[0023]优选的,在所述可旋转轴上施加所述电磁制动力包括:
跨耦合于所述可旋转轴的导电盘形成第一磁场；
在所述导电盘旋转通过所述第一磁场时在所述导电盘中感应涡流；以及使用所述导电盘中的感应涡流用于形成第二磁场，其与所述第一磁场相对来阻止所述导电盘的旋转。
[0024]优选的，所述导电盘周围形成所述第一磁场包括将交流和直流中的至少一个发送到多个感应器，其中所述交流和所述直流中的至少一个对应于所述控制信号。
[0025]优选的，所述方法进一步包括:
确定所述可旋转轴的旋转速度是否在阈值速度之上以及所述发电机的转子角是否在阈值角之上中的至少一个；
如果是这样的话，将所述控制信号发送到所述感应单元用于在所述可旋转轴上施加所述电磁制动力来维持所述发电机与所述电力网之间的同步。
[0026]优选的，所述方法进一步包括:
确定所述电力网中的电压是否是故障电压；
如果是这样的话，将所述控制信号发送到所述感应单元用于在所述可旋转轴上施加所述电磁制动力。
[0027]优选的，所述方法进一步包括:
确定由所述原动机生成的机械动力是否在第一阈值功率之上或由所述发电机生成的电力是否在第二阈值功率之下； 如果是这样的话，将所述控制信号发送到所述感应单元用于在所述可旋转轴上施加所述电磁制动力。
[0028]优选的，所述方法进一步包括:
确定所述发电机处的电流是否在阈值电流之上；
如果是这样的话，将所述控制信号发送到所述感应单元用于在所述可旋转轴上施加所述电磁制动力。
[0029]优选的，所述方法进一步包括:
确定由所述原动机生成的机械动力是否在第一阈值功率之上或由所述发电机生成的电力是否在第二阈值功率之下；
如果是这样的话，发送所述控制信号来持续预定时段地调节所述机械动力的产生。
[0030]提供一种发电系统,其包括:
原动机，用于形成机械动力；
发电机，其通过可旋转轴操作地耦合于所述原动机用于基于所述机械动力产生电流并且将所述电流供应给电力网；以及
电磁制动单元，其操作地耦合于所述可旋转轴用于调节所述可旋转轴的旋转速度。
[0031]优选的,所述电磁制动单元包括:
导电盘，其耦合于所述可旋转轴；以及 控制器，用于执行以下步骤:
接收至少一个信号，其代表所述可旋转轴的旋转速度、所述电力网中的电压、所述发电机处的电流、由所述原动机生成的机械动力、所述发电机的转子角、由所述发电机生成的电力或其组合；以及
基于所述至少一个信号确定控制信号，其中所述控制信号代表所述发电系统中的故障条件；和
感应单元，用于基于确定的控制信号在所述导电盘上施加电磁制动力。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]当下列详细描述参照附图(其中所有图中相似的符号代表相似的组件)阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中:
图1是图示电压骤降的深度和清除时间的电网码限定的电压分布的标绘图。
[0033]图2是根据本公开的方面利用电磁制动系统的发电系统的图示。
[0034]图3是根据本公开的方面的详细电磁制动系统的图示。
[0035]图4是根据本公开的方面的另一个详细电磁制动系统的图示。
[0036]图5是根据本公开的方面图示用于在发电系统中维持发电机与电力网之间的同步的方法的流程图。
[0037]图6是根据本公开的方面的导电盘的一侧上的感应器的图示。
[0038]图7是根据本公开的方面的导电盘的两侧上的感应器的图示。
[0039]图8是根据本公开的方面的耦合于单个电路的感应器的图示。以及 图9是根据本公开的方面的耦合于多个电路的感应器的图示。【具体实施方式】
[0040]如将在下文详细描述的，呈现发电系统中的示范性电磁制动系统的各种实施例和用于在发电系统中维持发电机与电力网之间的同步的方法。通过采用在下文描述的方法和电磁制动系统的各种实施例，以非常低的成本向发电系统提供LVRT (低电压穿越)或FRT(故障穿越)能力。
[0041]图1图示在故障事件期间在发电系统的连接点(POC)处的电压极限曲线的示例的标绘图100。电网码要求发电系统在没有断开的情况下穿越这样的故障事件。根据电网码要求，电网当局预期发电机在POC处出现一定幅度和持续时间的电压骤降时保持连接。电网码要求旨在防止大量发电机的突然断开，这有促使电压骤降并且对系统稳定性具有负面影响。电网码因此需要所有发电机保持连接到电力网，只要POC处的电压等于或高于示出的电压极限曲线即可。然而，这是一个示范性情况，并且电压极限曲线形状可因国家或电网当局而不同。在一个示例中，故障可由于闪电和风暴而引起。这些故障可引起一定幅度和持续时间的“电压骤降”，其取决于故障的类型和严重程度以及故障距POC的距离。
[0042]此外，标绘图100示出:水平轴112 (其代表以毫秒计的时间)和垂直轴114，其代表以百分比计的电压。故障在O毫秒处出现。在故障之前，系统处于正常条件，因此POC处(即，O毫秒前)的故障前电压116是100%或每单位I。当出现故障事件时，O毫秒处的电压118可在故障开始时下降95%以低至5%。典型地，需要发电机甚至在电压下降到低至5%时保持与电力网的连接。应该注意POC处的电压取决于故障距POC的电距离、故障的类型和严重程度等。在一个实施例中，电压下降可小于95%。在另一个实施例中，电压下降在POC处的零阻抗故障情况下可高达100%。
[0043]当POC处的电压由于某些故障事件而跌落时，如在图1中图示的，由发电机注入电网内的电力的量可能减少。同时，如果由原动机生成的机械动力不减少，由原动机输送到发电机的机械动力变得大于由发电机注入电网的电力。输送到发电机的机械动力与取自发电机的电力中的差被变换成使发动机和发电机的旋转质量加速的动能。这进而使转子的速度增加到同步速度之上，这导致发电机转子角增加。转子角的增加最终将导致在发电机与电网之间失去同步。而且，发电机可能跳闸并且可能不满足需要的电网码。这可以通过将转子速度减少至同步速度或阈值速度或减少到同步速度或阈值速度以下并且随之在失去同步之前使转子角停止增加并且将发电系统带回到稳定的操作点而避免。转子速度的减少需要按时使旋转质量减速。在电网码电压分布的示例中，故障事件持续时间示出为150ms。在150ms处，清除故障或区域保护中的一个被启用，从而电压上升到20%。此外在500ms处，启用其他区域保护并且电压在1500ms内回到90%。
[0044]参考图2，根据本公开的方面，描绘具有电磁制动单元212的发电系统200。发电系统200典型地用于将机械动力转换成电力。例如，在风系统中，穿过风轮机的风的动能被转换成机械动力。该转换的机械动力进而用于产生电力。
[0045]在图2的实施例中，发电系统200包括原动机202、可旋转轴204、导电盘206、发电机208和电磁制动单元212。发电机208向电力网210提供电力。原动机202可配置成形成机械动力。原动机202典型地包括转子(未示出),例如风轮机、燃气轮机、燃气发动机或柴油发动机。此外，原动机202通过可旋转轴204机械耦合于发电机208。在一个示例中，可旋转轴204包括第一端214和第二端216。可旋转轴204的第一端214稱合于原动机202,而可旋转轴204的第二端216耦合于发电机208的转子。而且，在一个实施例中，可旋转轴204可包括一个或多个齿轮箱(未示出)。可旋转轴204典型地用于将来自原动机202的机械动力运送到发电机208。例如，在原动机202处生成的机械动力可用于以预定速度使可旋转轴204旋转。可旋转轴204的该旋转进而使发电机208的转子旋转来产生电力。在一个实施例中，发电机208可包括三相发电机。
[0046]此外，在发电机208处产生的电力被传递到电力网210。要注意发电机208和电力网210的连接点218称为连接点(P0C)。在一些实施例中，发电机208可通过电力电子转换器(未不出)|禹合于电力网210,并且在其他实施例中，发电机208可在没有任何电力电子转换器的情况下耦合于电力网210。在另一个实施例中，发电机208可在具有或没有电力电子器件的情况下通过变压器(未示出)耦合于电力网210。电力网210收集从一个或多个发电机产生的电力并且将收集的电力传输到不同的位置用于一个或多个应用。
[0047]在图2的示范性实施例中，导电盘206刚性地耦合于可旋转轴204。用于导电盘206的传导材料可包括但不限于，铜、铝和/或钢。典型地，不同的材料提供不同的转矩-速度特性，因此，进一步的自由度对于本领域内技术人员实现需要的制动能力是可用的。导电盘206可以是小且轻的盘，其对发电机208的惯性几乎没有影响或具有可忽略的影响。在一个示范性实施例中，导电盘206可具有大约1.5cm的厚度和大约90cm的外径以在额定电流供应下提供大约HkNm的转矩能力。要注意导电盘206的尺寸可根据应用的类型而不同，并且从而，它们不应视为限于示范性的那些。由于导电盘206刚性地耦合于可旋转轴204，可旋转轴204的旋转速度可通过控制导电盘206的旋转速度而受控制。
[0048]在发电系统200的操作期间，由于系统200中的一个或多个故障事件，POC 218处的电压可跌落到预定水平之下，如在图1中描绘的。当在系统200中出现这样的电压跌落/下降时，由发电机208注入电网210的电力可能减少。如果由原动机202生成的机械动力相应地不减少，则过剩的机械动力变换成使发动机/原动机202和发电机208的旋转质量加速的动能。因此，发电机208的转子速度可增加，从而导致发电机转子角增加，这可导致在发电机208与电力网210之间失去同步。因此，发电机208将跳闸并且未能遵从需要的电网码。
[0049]为了解决这些缺点/问题，采用电磁制动单元212来帮助发电系统200调节可旋转轴204的旋转速度。此外，通过调节可旋转轴204的旋转速度，电磁制动单元212可维持发电机208与电力网210之间的同步。特别地，电磁制动单元212从发电系统200接收至少一个状态信号。该状态信号可代表可旋转轴204的旋转速度、电力网210中的电压、发电机208处的电流、由原动机202生成的机械动力、发电机208的转子角、由发电机208生成的电力或其组合。发电机208的转子角限定为发电机208的定子电压与电力网210的电压之间的电角。而且，该状态信号可指示发电系统200中的一个或多个故障事件/条件。
[0050]此外，电磁制动单元212可基于接收的状态信号产生控制信号。该产生的控制信号用于对可旋转轴204施加电磁制动力来调节可旋转轴204的旋转速度，这进而防止在发电机208与电力网210之间失去同步。维持发电机208与电力网210之间的同步的方面将参考图3和4更详细地解释。从而，通过采用电磁制动单元212控制可旋转轴204的旋转速度并且维持发电机208与电力网210之间的同步。这进而有助于发电系统200遵从需要的电网码，其包括LVRT电网码。[0051]参考图3，根据本公开的方面，描绘发电系统300中实现的详细电磁制动单元的图示。电磁制动单元212包括速度传感器302、控制器304和感应单元306。在一个实施例中，速度传感器302电耦合于可旋转轴204来确定可旋转轴204的旋转速度。特别地，速度传感器302将速度信号308 (其代表可旋转轴204的旋转速度)发送到控制器304。除速度信号外，控制器304还可从例如发电系统300的原动机202、发电机208和电力网210的组件接收至少一个状态信号。该状态信号可代表由原动机202生成的机械动力、由发电机208生成的电流、电力网210中的电压、发电机208的转子角、由发电机208生成的电力或其组
八
口 ο
[0052]在图3的示范性实施例中，控制器304可接收状态信号，其包括至少速度信号308、功率信号310、317、电流信号312、电压信号314、转子信号316或其组合。
[0053]在更特定的实施例中，控制器304从电力网210接收电压信号314。电压信号314可代表在电力网210中出现的一个或多个故障事件。在一个示例中，电压信号314可指示POC或电力网210处的故障电压，如在图1中描绘的。在一个实施例中，可在电力网210中米用一个或多个电压传感器(未不出)来确定电压信号314。
[0054]备选地或另外，控制器304可从发电机208接收电流信号312。电流信号312可代表由发电机208产生的电流。而且，电流信号312可指示发电机208处的电流是在阈值电流之上还是之下。在一个实施例中，一个或多个电流传感器(未示出)可设置在发电机208上或发电机208的输出端处来确定电流信号312。
[0055]备选地或另外，控制器304可从发电机208接收转子信号316。转子信号316可代表发电机208的转子角。转子角可通过整合轴204的变化速度和预定同步速度而测量。更具体地，转子角可指示发电机208的定子电压与电力网210中的电压之间的电角。在一个实施例中，可在发电机208和/或电力网210中采用一个或多个传感器(未示出)来确定转子信号316。在另一个实施例中，用于确定电流信号312的传感器还可用于确定转子信号316。
[0056]备选地或另外，控制器304可从发电系统300的原动机202接收功率信号310。该功率信号310可代表由原动机202生成的机械动力。而且，功率信号310可指示生成的机械动力是在第一阈值功率之上还是之下。在一个实施例中，一个或多功率传感器(未不出)可在原动机202中使用来确定功率信号310。
[0057]备选地或另外，控制器304可从POC 218接收电力信号317。电力信号317可代表由发电机208生成的电力。而且，功率信号310可指示生成的电力是在第二阈值功率之上还是之下。在一个实施例中，控制器304可基于由发电机208产生的电压和电流来确定电力。
[0058]当从发电系统300接收这些信号308、310、312、314、316、317中的一个或多个时，控制器304可产生控制信号318来启动和/或调节可旋转轴204上的电磁制动力/功率。在一个实施例中，施加在可旋转轴204上的电磁制动力的量与控制信号318的幅度成比例。在示范性实施例中，控制信号318可基于这些信号308、310、312、314、316、317中的一个或这些信号308、310、312、314、316、317的组合而产生。
[0059]在一个实施例中，控制器304可基于接收的电压信号314确定在电力网210中是否出现了故障事件。如果是这样的话，控制器304产生控制信号318，其对应于电力网210的故障事件。电压信号314可指示电力网210中的故障事件。
[0060]在另一个实施例中，控制器304可基于接收的速度信号308确定可旋转轴204的旋转速度是否在阈值速度之上。如果是这样的话，控制器304产生控制信号318，其对应于可旋转轴204的旋转速度。而且，控制器304可产生控制器信号318，其对应于可旋转轴204的旋转速度中的改变。例如，如果轴204的旋转速度是1510 rpm并且阈值速度是1500rpm，产生控制信号318来使旋转速度减少lOrpm。
[0061]在再另一个实施例中，控制器304可基于接收的功率信号310确定由原动机202生成的机械动力是否在第一阈值功率之上。如果是这样的话，控制器304可产生控制信号318，其对应于由原动机202生成的机械动力。而且，控制器304可产生控制信号318，其对应于在第一阈值功率之上的机械动力的量。在该实施例中，产生的控制信号318可用于在导电盘206上施加制动来使轴204的旋转速度减少。
[0062]米用相似的方式,控制器304可基于接收的功率信号310确定由原动机202生成的机械动力是否在第一阈值功率之下。如果是这样的话，控制器304可产生控制信号318，其对应于由原动机202生成的机械动力。在该实施例中，产生的控制信号318可用于将作用于导电盘206上的制动力去除。在一个实施例中，电力信号317可用作用于确定控制信号318的第一阈值功率。
[0063]在另一个实施例中，控制器304可基于接收的电力信号317确定由发电机208生成的电力是否在第二阈值电力之下。如果是这样的话，控制器304可产生控制信号318，其对应于由发电机208生成的电力。而且，控制器304可产生控制信号318，其对应于在第二阈值电力之下的电力的量。在该实施例中，产生的控制信号318可用于在导电盘206上施加制动来使轴204的旋转速度减少。在一个实施例中，从原动机202接收的功率信号310可用作用于确定控制信号318的第二阈值电力。
[0064]在一个或多个实施例中，控制器304可基于接收的电流信号312确定发电机208处的电流是否在阈值电流之上。如果是这样的话，控制器304可产生控制信号318，其对应于发电机208处的电流。而且，控制器304可产生控制信号318，其对应于在阈值电流之上的电流的量。
[0065]在另一个实施例中，控制器304可基于接收的转子信号316确定发电机208的转子角是否在阈值转子角之上。如果是这样的话，控制器302可产生控制信号318，其对应于发电机208的转子角。
[0066]此外,在再另一个实施例中，控制器304可基于从发电系统300接收的信号308、310、312、314、316、317的一些组合来产生控制信号318。在一个示例中，控制器304可仅当存在下列条件的每个时产生控制信号318:电力网210中的电压在阈值电压之下，发电机电流在阈值电流之上，以及轴204的旋转速度在阈值速度之上。否则，控制器318可忽略这些接收的信号308、310、312、314、316，并且不产生控制信号318。在组合方法的另一个示例中，如果电力网处的电压低于正常电压的50%并且发电机电流高于正常电流10%，控制器304可产生控制信号318。要注意正常电压和正常电流指它们在系统300中没有出现故障事件/条件时正常条件期间系统300中的相应电压和电流。
[0067]在一个实施例中，控制器可另外基于从发电系统300接收的信号308、310、312、314、316、317中的一个或多个来产生控制信号320。向原动机202提供控制信号320来持续确定时段地控制或调节机械动力的产生。在一个示例中，如果在发电系统中检测到故障(例如，电力网210中的故障电压)，控制器304可发送控制信号320来持续确定时段地停止或调节原动机202处的机械动力的产生。此外，一旦清除故障或故障持续原动机202的最大中断时段，控制器304可将另一个控制信号发送到原动机202来重新开始产生机械动力并且快速恢复全机械动力。通过另外控制原动机202处的动力产生，制动系统212的尺寸和制动能力以及有关的电力电子器件和电源可大大减少。
[0068]当确定控制信号318时，控制器304可配置成驱动感应单元306来启动和/或调节导电盘206上的电磁制动力。在一个实施例中，电磁制动力可根据由控制器304提供的控制信号318的幅度来调节或改变。而且，在一个或多个情形中，控制器304可驱动感应单元306来去除施加在导电盘206上的电磁制动力。例如，如先前指出的，如果原动机202的机械动力在第一阈值功率之下并且发电机的负荷角在阈值极限之下，或更一般地，已经清除故障事件，控制信号318可提供给感应单元306来停止或去除作用于导电盘206上的电磁制动力。在该情况下，控制器304提前确定轴204的旋转速度可由于原动机202的机械动力的下降而降低。从而,通过去除导电盘206上的电磁制动力，发电系统300可具有额外的时间来维持发电机208与电网210之间的同步。
[0069]在图3的实施例中，感应单元306通信地耦合于控制器304来接收控制信号318并且基于控制信号318施加电磁力。特别地,感应单兀306跨导电盘206形成第一磁场。在一个实施例中，该第一磁场对应于接收的控制信号318的幅度。
[0070]此外，耦合于可旋转轴204的导电盘206通过该形成的第一磁场旋转。更具体地，第一磁场的振幅和/或方向可在导电盘206正沿可旋转轴204旋转时改变。由于第一磁场中的这些变化(其与导电盘206的每个部分联系起来)，在导电盘206中感应涡流。这些感应的涡流可进一步形成第二磁场，其与第一磁场相对来阻止导电盘206的旋转。通过阻止导电盘206的旋转，可旋转轴204的旋转速度被控制在阈值速度之下来维持发电机208与电力网210之间的同步。在一个示例中，如果可旋转轴204的旋转速度在阈值速度之上，由电磁制动系统212阻止导电盘206的旋转来维持发电机208与电力网210之间的同步。而且，当阻止导电盘206的旋转时，发电机208处的加速功率可作为热而跨导电盘206耗散。施加电磁力的方面将参考图4更详细地解释。从而，通过施加和/或调节电磁制动力，调节可旋转轴204的旋转速度，这进而有助于发电机208维持与电力网210的同步并且遵从电网码要求。
[0071]图4是根据本公开的方面的发电系统400中的另一个详细的电磁制动单元的图示，其示出实施例的额外细节，其中感应单元306包括电源402、电开关404和感应器406。感应器406可包括靠近导电盘206设置的一个或多个电绕组。如本文使用的“靠近”意指足够接近导电盘使得可以实现描述的制动功能。在一个非限制性示例中，感应器位于距导电盘大约5mm处。这些绕组经由电开关404耦合于电源402来从电源402接收交流(AC)或直流(DC)电流。在一个实施例中，感应器406可布置在面向导电盘206的一个或多个层中。而且，感应器406可布置在面向导电盘206的一侧或导电盘206的两个侧的一个或多个组中。而且，这些感应器406的组可连接到单个电路或多个电路。在另一个实施例中，感应器406的组中的每个可独立连接到不同的电路(并行地)来改进制动动作的响应时间，并且还旨在使感应器406的组更好地匹配可用开关404和电源402。[0072]此外，电开关404配置成调节由电源402提供给感应器406的AC或DC电流。在一个实施例中，电开关404可包括“绝缘栅双极晶体管”(IGBT)开关，其可由发送到该开关的栅极端子的控制信号318控制。特别地，开关404根据从控制器304接收的控制信号318在ON状态与OFF状态之间转换。更具体地，控制信号318可包括一个或多个脉冲，其取决于导电盘206上所需要的电磁制动力的量。如果向开关404的栅极端子提供控制信号318的正脉冲，开关转向ON状态。相似地，如果向开关404的栅极端子提供控制信号318的负脉冲或不向其提供控制信号318，开关404转向OFF状态。当开关404处于ON状态时，向感应器406提供AC或DC电流，当开关404处于OFF状态时，不向感应器406提供AC或DC电流。从而，根据控制信号318中的脉冲序列，电开关404调节从电源402接收的AC或DC电流。例如，如果将开关404接通或关断100次并且接通或关断时段相同，开关404提供总电流的50%。
[0073]根据本公开的方面，感应器406基于从电源402接收的AC或DC电流跨导电盘206形成第一磁场。磁场的强度对应于从开关404接收的调节AC或DC电流。该形成的第一磁场进一步在导电盘206中感应涡流。特别地，当导电盘206旋转通过形成的第一磁场时在导电盘中感应涡流。这些感应的涡流可进一步形成第二磁场，其与第一磁场相对来阻止导电盘206的旋转。通过阻止导电盘206的旋转，可旋转轴204的旋转速度被控制在阈值速度之下来维持发电机208与电力网210之间的同步。而且，当阻止导电盘206的旋转时，发电机208处的加速功率可作为热而跨导电盘206耗散。从而，通过施加电磁制动力，发电机208维持与电力网210的同步，这进而遵从电网码要求。
[0074]参考图5，描绘根据本公开的方面的流程图500，其图示用于在发电系统中维持发电机与电力网之间的同步的方法。为了便于理解本公开，参考图2-4的组件描述该方法。该方法在步骤502处开始，在这里从发电系统300接收至少一个状态信号，其代表可旋转轴204的旋转速度、电力网210中的电压、发电机208处的电流、由原动机202生成的机械动力、发电机208的转子角、来自发电机的电力或其组合。为此，控制器304配置成从例如发电系统300的原动机202、发电机208和电力网210的组件接收状态信号。特别地，控制器304可接收状态信号，其包括来自电力网210的电压信号314、来自发电机208的电流信号312、来自可旋转轴204的速度信号308、来自原动机202的功率信号310、来自发电机208的转子信号316和/或来自发电机的功率信号317中的至少一个。在示范性实施例中，电压信号314可指示电力网210中的故障电压。速度信号308可指示轴204的旋转速度，电流信号312可指示由发电机208产生的电流，功率信号310可指示由原动机202生成的机械动力，转子信号316可指示发电机208的转子角，并且功率信号317可指示由发电机208生成的电力。
[0075]另外，在步骤504处，基于这些接收的状态信号308、310、312、314、316、317中的一个或多个确定控制信号318。在一个示例中，控制器304确定可旋转轴204的旋转速度是否在来自接收的状态信号的阈值速度之上。如果是这样的话，控制器304产生控制信号318，其对应于可旋转轴204的旋转速度。在另一个示例中，控制器304可证实状态信号来检测电力网210中的任何故障事件。如果已经在电力网210中出现故障事件，控制器304可确定对应于故障事件的控制信号318。在一个实施例中，如果在电力网210中未出现故障事件，控制器304可证实可旋转轴204的旋转速度。如果可旋转轴204的旋转速度在阈值速度之上，控制器304可确定与旋转速度(其增加到阈值速度之上)的量成比例的控制信号318。要注意控制器304可基于信号308、310、312、314、316、317的任何组合产生控制信号318并且不限于上文提到的组合。之后，确定的控制信号318提供给感应器306，其靠近导电盘206设置。
[0076]此外，在步骤506处，当由控制信号318命令调节可旋转轴204的旋转速度时，在可旋转轴204上施加电磁制动力，这进而有助于维持发电机208与电力网210之间的同步。为此，感应单元306可在可旋转轴204上施加电磁制动力。特别地，感应单元306可形成第一磁场，其对应于从控制器304接收的控制信号318。当导电盘206旋转通过第一磁场时，该第一磁场进一步在导电盘206中感应涡流。导电盘206中的感应涡流可在导电盘206周围形成第二磁场。该形成的第二磁场与第一磁场相对来阻止导电盘206的旋转。从而,经由导电盘206在可旋转轴204上施加电磁力来维持发电机208与电力网210之间的同步。
[0077]参考图6，描绘根据本公开的方面布置在导电盘206的一侧处的感应器406的图示。感应器406可布置在面向导电盘206的一个或多个层中。而且，在图6的实施例中，感应器406可布置在面向导电盘206的一侧的一个或多个组中。在一个实施例中，包括用于传导磁通的磁钢的护铁盘(未示出)可在感应器406的第一侧(其与面向导电盘206的第二侧相对)处耦合于感应器406。而且，感应器406和护铁盘可由相同的材料件制成和/或用作单个单元。
[0078]此外，在图7的实施例中，感应器406布置在面向导电盘的两个侧的一个或多个组中。采用与关于图6讨论的相似的方式，护铁盘(未示出)可耦合于感应器406用于传导磁通。由于感应器406布置在导电盘的两个侧上，施加在导电盘上的制动力的量可显著改进。
[0079]而且，感应器406的一个或多个组可连接到单个电路802，如在图8中描绘的。该电路802可包括例如图4的电开关404和电源402的组件。由于感应器406连接到一个电路802，电磁制动系统212中的电力电子器件的成本可大大减少。
[0080]此外，在图9的实施例中，感应器406可连接到多个电路902、904、906、908、910、912、914。特别地，感应器406的组中的每个可独立连接到不同的电路(并行地)来改进制动动作的响应时间，并且还旨在使感应器406的组更好地匹配可用开关404和电源402。
[0081]用于使发电机208与电力网210同步的系统和方法的各种实施例帮助以非常低的成本控制LVRT码。而且，在发电系统中采用的电力电子器件就功率而言(例如小于对于1000kW制动功率所需要的IkW功率)并且随之就大小和价格而言是非常小的。另外，采用小且轻的导电盘，其对发电机的惯性几乎没有影响，并且因此改进发电机的动态性能。此外，电磁制动力不依赖于电压条件和电网强度。
[0082]尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和变化。因此，要理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和变化，它们落入本发明的真正精神内。
[0083]要素列表
【权利要求】
1.一种电磁制动系统,包括: 导电盘，其耦合于发电系统的可旋转轴，其中所述可旋转轴操作地耦合于原动机与发电机之间； 控制器，用于从所述发电系统接收至少一个状态信号并且用于基于所述至少一个状态信号产生控制信号； 感应单元，用于在由所述控制信号命令调节所述可旋转轴的旋转速度时在所述导电盘上施加电磁制动力。
2.如权利要求1所述的电磁制动系统，其中，所述感应单元包括: 多个感应器； 电源，用于供应交流和直流中的至少一个给所述感应器以在所述导电盘中感应涡流；以及 电开关，其耦合于所述感应器与所述电源之间用于如由所述控制信号命令的那样调节所述交流和所述直流中的至少一个。
3.如权利要求2所述的电磁制动系统，其中，所述感应器靠近所述导电盘设置来跨所述导电盘形成第一磁场，其中形成的第一磁场在所述导电盘旋转通过所述第一磁场时在所述导电盘中感应所述涡流。
4.如权利要求3所述的电磁制动系统，其中，所述导电盘中感应的涡流形成第二磁场，其与所述第一磁场相对来阻止所述导电盘的旋转。
5.如权利要求1所述的电磁制动系统，其中，所述至少一个状态信号代表所述可旋转轴的旋转速度、所述电力网中的电压、所述发电机处的电流、由所述原动机生成的机械动力、所述发电机的转子角、由所述发电机生成的电力或其组合。
6.如权利要求5所述的电磁制动系统，其中，所述控制器配置成促使所述控制信号在所述电力网中的电压是故障电压时启动和调节所述电磁制动力。
7.如权利要求5所述的电磁制动系统，其中，所述控制器配置成促使所述控制信号在所述可旋转轴的旋转速度在阈值速度之上以及所述发电机的转子角在阈值角之上中的至少一个时启动和调节所述电磁制动力。
8.如权利要求5所述的电磁制动系统，其中，所述控制器配置成促使所述控制信号在由所述原动机生成的机械动力在第一阈值功率之上或由所述发电机生成的电力在第二阈值功率之下时施加所述电磁制动力。
9.如权利要求5所述的电磁制动系统，其中，所述控制器配置成促使所述控制信号在所述发电机处的电流在阈值电流之上时启动和调节所述电磁制动力。
10.如权利要求5所述的电磁制动系统，其中，所述控制器配置成促使所述控制信号以基于接收的状态信号来停止或调节由所述原动机生成的动力。
【文档编号】H02P9/00GK103516272SQ201310263947
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2012年6月28日
【发明者】A.帕诺斯延, S.H.施拉姆, J.E.亨默尔曼, C.M.西勒, F.帕皮尼, 董晓婷, J.休伯 申请人:通用电气公司