向转子的励磁绕组供应励磁电流的方法、操作用于生成三相AC电压的装置的方法以及对应装置与流程

本发明还涉及一种操作用于生成三相ac电压以馈送到电网中的一个装置的方法。

本发明还涉及一种用于生成三相ac电压以馈送到电网中的装置，该装置具有至少一个涡轮机、通过该涡轮机驱动的至少一个三相发电机、以及至少一个控制和/或调节单元，该至少一个控制和/或调节单元控制和/或调节向该三相发电机的一个转子的一个励磁绕组供应励磁电流，其中涡轮机的一个涡轮机转子以可旋转地固定的方式连接到该转子。

用于生成三相ac电压以馈送到电网中的装置是众所周知的，并且这样的装置用于发电厂。这种装置可以具有至少一个涡轮机和至少一个三相发电机，尤其是通过涡轮机驱动的涡轮发电机。涡轮机可以是例如联合循环燃气涡轮机(ccgt)发电厂的燃气涡轮机、或燃气轮机厂的燃气涡轮机、或汽轮机发电厂的汽轮机。

涡轮机的一个涡轮机转子通常以刚性方式或可旋转地固定的方式连接到三相发电机的转子。为了能够使用三相发电机以通过涡轮机转子的旋转而在50hz或60hz的常规电网频率下生成三相ac电压、并将所述三相ac电压馈送到一个电网中，涡轮机转子由此通常必须在50hz或60hz的操作频率下旋转。

当这样的装置启动时，在已经达到了与电网的电网频率同步的旋转频率之后，该装置需要一定的时间，以便能够平衡电网频率与旋转频率之间可能的相移。该时间不可用于由装置生成的三相ac电压到电网中的馈入。

当以这种方式启动装置时，涡轮机转子或转子的旋转速度可以被加速，例如，被加速到3000rpm。在这种情况下，由于被形成为直流电流的励磁电流，导致在三相发电机的转子与一个定子之间通常生成在3000rpm下旋转的磁场，该励磁电流被供应给转子的励磁绕组。所述磁场在定子的一个定子绕组中感应出三相ac电压，该三相ac电压的频率与相应的电网频率(例如，50hz)相对应。在如上所述的可能的相移的平衡之后，一个发电机开关可以将三相发电机与电网互连。然后，涡轮机转子和转子与电网同步运行。装置承担负载，并将三相ac电压馈送到电网中。

在特定情况下、尤其是当这种装置在一个频率支撑操作中操作时，涡轮机转子或转子的旋转速度与电网频率匹配。在这种情况下，装置试图保持电网频率，以便通过反作用来稳定电网、尤其是通过变化旋转速度来稳定电网。对于这种类型的装置，出于转子动力学的原因以及出于涡轮机(尤其是燃气涡轮机)的压缩机的稳定性的原因，仅实现了一个特定频率范围，在该特定频率范围内，所描述的频率支撑操作是可能的。

本发明的一个目的是提高一种用于生成三相ac电压以馈送到一个电网中的装置的利用能力。本发明的另一目的是可以使用对应装置的涡轮机，该涡轮机的涡轮机转子旋转频率低于相应电网的电网频率，以便将在电网频率下的三相ac电压供应给电网。本发明的又一目的是改进一个对应装置的一个频率支撑操作。

根据本发明的向用于生成三相ac电压以馈送到一个电网中的一个装置的一个三相发电机的一个转子的一个励磁绕组供应励磁电流的方法，当转子的旋转频率偏离电网的电网频率时，一个脉冲励磁电流被供应给励磁绕组。

根据本发明，通过向转子的励磁绕组提供脉冲励磁电流，来平衡三相发电机的转子的旋转速度与电网的电网频率的偏差。结果，即使当转子的旋转频率与电网频率不同时，也可以借助于三相发电机生成在电网频率下的三相ac电压。因此，如常规一样，为了能够将由三相发电机生成的三相ac电压的频率与电网频率相匹配，不需要变化涡轮机转子的旋转速度、或以可旋转地固定的方式与该涡轮机转子连接的转子的旋转速度。相反，装置或该装置的诸如涡轮机和三相发电机之类的组件部分的尺寸可以被设置为用于最佳操作点并且在所述调节期间保持在操作点，这总体上提高了装置的效率。

例如，如果转子的旋转频率低于相应的电网频率，则可以将脉冲励磁电流供应给励磁绕组。结果，在三相发电机的转子与一个定子之间生成在与电网频率相对应的频率下旋转的一个磁场。因此，定子的一个定子绕组看到在与电网频率相对应的频率下旋转的一个磁场，由此在定子绕组中感应出在电网频率下的ac电压。

结果，即使在装置的启动期间或者在更早的时间，也可以在定子中生成在与电网频率相对应的频率下的三相ac电压。因此，即使在装置的启动期间的非常早的时间处，也可以在三相ac电压与电网之间发生同步，由此可以显著缩短该同步所需的时间。因此，同步早在转子的旋转频率不与电网频率相对应的时间就可以发生。结果，与常规装置相比较，这显著增加了装置的利用能力，如先前所述。在同步之后，可以向励磁绕组供应直流电流。由于更早的同步，所以与一个传统装置相比较，该装置可以显著更早地向电网提供电力。

由于在50hz的操作频率下的燃气涡轮机(50hz燃气涡轮机)的功率和效率大于对应的60hz燃气涡轮机的情况，因此也对使用50hz燃气涡轮机以向在60hz的电网频率下的电网(60hz电网)供电感兴趣。

通过向转子的励磁绕组供应脉冲励磁电流，可以在定子与转子之间形成旋转频率大于转子的旋转频率的一个旋转磁场、以及旋转频率低于转子的旋转频率的另一旋转磁场。给定转子的旋转频率(例如，50hz)，可以通过适当选择脉冲励磁电流，来形成在60hz的旋转频率下旋转的一个磁场、以及在40hz的旋转频率下旋转的一个磁场。这导致在定子绕组中感应出频率为60hz的ac电压以及频率为40hz的ac电压。40hzac电压可以通过合适的方式而被从通过三相发电机生成的三相ac电压中滤除，使得60hz三相ac电压被施加到一个机器变压器上，三相发电机借助于该机器变压器而连接到电网，以便能够向电网提供具有对应功率的所述电压。因此，可以使用根据本发明的方法，以通过涡轮机而将在电网频率下的三相ac电压馈送到电网中，该涡轮机的涡轮机转子旋转频率低于电网的电网频率。结果，可以实现更高的比功率。

通过向转子的励磁绕组提供脉冲励磁电流，定子的定子绕组因此可以看到在电网频率下旋转的一个磁场。结果，通过适当选择脉冲励磁电流，可以确保通过装置的频率支撑独立于转子的旋转频率。该装置尤其可以在比传统装置更宽的频率范围内提供频率支撑。装置的组件部分的尺寸不必使得装置的组件部分必须能够满足特定的频率支撑范围。相反，组件部分的尺寸可以被设计为针对特定操作点，在该特定操作点处该装置尤其具有高效率和高耐用性。因此，可以提供一种具有改进的频率支撑操作的装置。

优选地，脉冲励磁电流以这样的方式生成，使得脉冲励磁电流的频率与从电网频率减去旋转频率所产生的差异频率相对应。以下依据相应的旋转频率来生成脉冲励磁电流。

优选地，脉冲励磁电流以这样的方式生成，使得它随时间变化而具有正弦、方波、三角或锯齿的轮廓。结果，脉冲励磁电流可以最佳地匹配相应的应用情况。在向励磁绕组供应脉冲励磁电流期间，脉冲励磁电流的轮廓的形状也可以变化。

优选地，脉冲励磁电流以这样的方式生成，使得在三相发电机的转子与一个定子之间生成60hz旋转磁场、以及在与该60hz旋转磁场相反的方向上旋转的40hz旋转磁场。结果，在定子的定子绕组中生成60hz的ac电压和40hz的ac电压。可以从由三相发电机生成的三相ac电压中滤除所述40hz的ac电压，使得60hz的三相ac电压可以被提供给一个60hz电网。具体地，这使得特别是可以使用一个50hz涡轮机(例如一个50hz燃气涡轮机)，来生成60hz的三相ac电压。

根据本发明的操作用于生成三相ac电压以馈送到一个电网中的装置的方法，脉冲励磁电流使用根据前述改进中一种改进的方法或者所述改进中的至少两种改进的任何期望的彼此组合，而被供应给装置的一个三相发电机的一个转子的一个励磁绕组，其中由定子的一个定子绕组生成的三相ac电压中的、偏离电网频率的多个电压分量从三相ac电压中被滤除。

上文参考的向用于生成三相ac电压的一个装置的一个三相发电机的一个转子的一个励磁绕组供应励磁电流的方法涉及多个优点，所述多个优点与该方法对应地相关联。

脉冲励磁电流还在定子绕组中生成ac电压，该ac电压的频率与差异频率相对应，该差异频率与从转子的旋转频率减去脉冲励磁电流的频率相对应。通过合适方式而从由三相发电机生成的三相ac电压中滤除该电压分量。作为备选方案，可以从三相电流中滤除以另一方式生成的一个电压分量。

优选地，通过至少一个频率滤波器或至少一个串联谐振电路而从三相ac电压中滤除多个电压分量。对于所生成的三相ac电压的每个相，频率滤波器可以具有一个串联谐振电路。

根据本发明的一种用于生成一个三相ac电压以馈送到一个电网中的装置包括至少一个涡轮机、通过涡轮机驱动的至少一个三相发电机、以及至少一个控制和/或调节单元，该至少一个控制和/或调节单元控制和/或调节向三相发电机的一个转子的一个励磁绕组供应的励磁电流。涡轮机的一个涡轮机转子以可旋转地固定的方式连接到转子。控制和/或调节单元被配置为当转子的旋转频率偏离电网的电网频率时，向励磁绕组供应脉冲励磁电流。

上文参考这些方法所提及的优点对应地与装置相关联。该装置尤其可以用于执行所述方法。

涡轮机可以是一个燃气涡轮机或一个汽轮机。涡轮机尤其可以是一个50hz或60hz的燃气涡轮机或一个50hz或60hz的汽轮机。三相发电机可以以传统方式进行设计。控制和/或调节单元可以由一个装置电子系统的一部分形成或与该装置电子系统分开形成。控制和/或调节单元可以包括一个计算单元和一个存储单元。

优选地，控制和/或调节单元被配置为从电网频率中减去旋转频率，并且将由此产生的差异频率确定为脉冲励磁电流的频率。上文参考首先提及的方法的对应改进所提及的优点对应地与该改进相关联。

优选地，该装置包括至少一个频率滤波器或至少一个串联谐振电路，通过该频率滤波器或串联谐振电路，由三相发电机的一个定子的一个定子绕组生成的电压中的、偏离电网频率的多个电压分量可以从电压中被滤除。上文参考其次提及的方法的对应改进所提及的优点对应地与该改进相关联。

下文参考附图通过基于优选实施例的示例对本发明进行了解释，其中下文所呈现的特征，在无论是它们本身的各种情况还是以它们的各种组合，都可以构成本发明的一个方面。在附图中：

图1示出了根据本发明的一个装置的示例性实施例的示意图；

图2示出了根据本发明的一个装置的示例性实施例的一个三相发电机的示意性纵向截面；以及

图3示出了图2中所示的三相发电机的示意性横截面。

图1示出了根据本发明的用于生成三相ac电压以馈送到一个电网2中的一个装置1的示例性实施例的示意图。

装置1包括以一个燃气涡轮机形式的一个涡轮机3、通过涡轮机3驱动的一个三相发电机4、以及一个控制和/或调节单元5，该控制和/或调节单元5控制和/或调节向三相发电机4的一个转子(未示出)的一个励磁绕组(未示出)供应励磁电流。涡轮机3的一个涡轮机转子(未示出)以可旋转地固定的方式连接到转子。作为备选方案，装置1可以具有至少一个汽轮机6，而非涡轮机3，通过该汽轮机可以驱动三相发电机4的转子。

控制和/或调节单元5被配置为：当转子的旋转频率偏离电网2的电网频率时，向励磁绕组提供脉冲励磁电流。为此，控制和/或调节单元5可以具有一个脉动调制器。

特别地，控制和/或调节单元5被配置为从电网频率中减去旋转频率，并且将由此产生的差异频率确定为脉冲励磁电流的频率。因此，控制和/或调节单元5依据所述差异频率来生成脉冲励磁电流。脉冲励磁电流可以随时间变化而具有正弦、方波、三角或锯齿的轮廓。

装置1还包括一个频率滤波器7或至少一个串联谐振电路(未示出)，通过该频率滤波器7或串联谐振电路，由三相发电机4的一个定子(未示出)的一个定子绕组(未示出)的所生成的三相ac电压中的、偏离电网频率的多个电压分量可以从三相ac电压中被滤除。

图2示出了根据本发明的一个装置9的示例性实施例的一个三相发电机8的示意性纵向截面。

三相发电机8包括一个定子10，该定子10具有一个叠片堆(未更详细示出)和布置在该叠片堆上的一个定子绕组(未示出)。三相发电机8还包括具有一个励磁绕组12的一个转子11，向该励磁绕组12供应具有随时间t变化的方波轮廓的脉冲励磁电流i。

图3示出了图2所示的三相发电机8的示意性横截面。转子11包括磁极n(北极)和s(南极)。两个旋转磁场13和14的多个场线由虚线表示，该多个场线通过向转子11的励磁绕组(未示出)供应脉冲励磁电流而产生。两个旋转磁场13和14的旋转频率可以以这样的方式选择，使得两个旋转频率的总和与电网(未示出)的相应电网频率相对应。

尽管已经通过优选的示例性实施例对本发明进行了更详细的说明和描述，但是本发明并不以这种方式受到所公开的示例的约束，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中导出其他变型。