用于调节并联交流发电机以分配无功负载的方法与流程

当交流发电机组的交流发电机并联地耦接并且向负载的端子传送电力时，对于该交流发电机组的正确操作而言，重要的是使无功负载在所有交流发电机之间正确地分配。具体地，无功功率对交流发电机的励磁电流的值有影响，并且因此对施加在电机上的应力及电机的老化具有直接影响。良好的无功负载分配确保了这种并联交流发电机的平衡的应力。

用于实现该负载分配的一种已知方法是所谓的无功下垂方法。

专利申请ep2722955描述了采用所谓的无功下垂方法来调节并联交流发电机的系统的电压调节器。

图1所示的无功下垂方法基于以标称千伏安无功(kvar)的百分比表示的由交流发电机传送的无功功率的测量结果。传送的无功功率越高，电压降低越大，这种降低与下垂的直线的梯度成比例。因此，当交流发电机a与已经向负载传送电力的其他交流发电机耦接时，交流发电机a的电压等于其开路电压，这是因为在耦接期间其端子上没有负载，并且其他交流发电机的平均电压低于它们的开路电压，这是因为它们加载有负载。当自然地无功负载朝最高电压偏移时，交流发电机a的电压将随着其加载而逐渐减小，并且其他交流发电机的电压将增加，直至它们都达到平衡点。

无功下垂允许仍然可以利用调节器测量功率，并且可以轻松添加额外的交流发电机，这是因为其针对开路电压和无功下垂系数具有相同的设置，这就足够了。与之相比，对于理想的操作，所有交流发电机必须设置成具有相同的开路电压和相同的下垂梯度。在错误调整这两个参数之一的情况下，则不再正确地共享负载。因此调试很棘手。此外，由于电压根据下垂梯度而变化，因此无论负载如何都不能保持电压设定点。

另一种已知的方法是所谓的交叉电流补偿方法。

专利us7053503描述了用于使用交叉电流补偿方法控制电力的系统，该系统在于使用在交流发电机的电流测量之间物理地产生的回路来分配各种并联电机之间的无功负载。

如图2所示，负载经由用于测量定子电流的变压器之间产生的电流回路共享。在负载平衡或开路时，输入每个调节器的电流为零。因此，通过调节器进行功率测量是不可能的。无论无功负载如何，电压设定点始终保持在开路电压值处。

交叉电流补偿方法使得即使每个交流发电机的开路电压被错误调整也能够实现稳定的电压设定点并且也可以在交流发电机之间正确地分配无功负载，并且使得下垂梯度的潜在错误调整能够被补偿，这是因为交叉电流补偿方法仅用于设定达到电压设定点的速度。

然而，该方法需要复杂的布线方案。多个交流发电机之间的电流回路的严格创建可能导致隔离问题。因此，添加额外的交流发电机需要完全修改回路。此外，必须根据调节器、电机的标称无功功率以及用于测量定子电流的变压器的比率来确定电阻，并且必须使用开关来使未耦接至负载的交流发电机短路。必须在调节器中使用所谓的无功下垂方法的一部分，以允许电压设定点增加和减少。必须经由另一个电流测量结果输入来执行利用调节器进行的电力的测量。

除了无功下垂方法和交叉电流补偿方法以外，在现有技术中还存在另一种方法，该方法在于使用根据标准rs485的链路在调节器之间共享无功负载。这使得无功下垂电压降能够被补偿。该方法相当于经由现场总线共享跨串联连接的交流发电机的端子两端存在的总负载。然后经由简单的比例确定由每个交流发电机供应的负载值，相应地校正电压设定点。

需要进一步改进用于在并联操作的交流发电机之间分配无功负载的方法，特别地以确保并联操作的交流发电机的平衡的应力。

本发明的目的是为了满足这种需要，并且根据本发明的各方面借助于下述方法实现了该目的：一种用于调节包括至少两个交流发电机的交流发电机组的方法，所述至少两个交流发电机将它们的输出并联地传送至负载，所述交流发电机各自设置有：调节器，该调节器被配置成传送表示对应交流发电机的无功功率水平除以对应交流发电机的标称无功功率的输出信号；以及控制律，该控制律允许根据输入信号修改交流发电机的无功功率水平，在所述方法中，其中，用作这些调节器的输入信号的加权信号根据表示交流发电机中的每一个的无功功率水平的输出信号即由对应的调节器传送的信号生成，以使交流发电机中的每一个收敛至预定义无功功率水平。

借助于本发明，可以在简化的布线方案并且同时保持功率测量可用的情况下在并联操作的各种交流发电机之间共享无功负载，而无需添加额外的变压器，并且同时确保所传送的电压永久地等于电压设定点，而无论施加的负载的值如何。

借助于本发明，所有并联交流发电机向负载传送相同的预定义无功功率水平，并且还避免了交流发电机之间的无功电流的交换。可以容易地将额外的交流发电机添加至已经就位的交流发电机，而不必修改调节的布线方案和其他交流发电机的配置。优选地，加权信号是表示交流发电机中的每一个的无功功率水平的输出信号的算术平均值。本发明允许将由交流发电机传送的无功功率与并联操作的所有交流发电机的平均无功功率进行比较。

交流发电机的无功功率水平优选地以交流发电机的标称无功功率的百分比表示。

预定义无功功率水平有利地对应于特别地通过将负载的值除以所有交流发电机的标称无功功率之和计算的并且以百分比表示的平衡点。

预定义无功功率可以对应于所有并联交流发电机的无功功率水平的平均值。在执行根据本发明的调节方法期间，交流发电机中的每一个有利地收敛至相同的无功功率水平。

控制律有利地使用以下事实：当交流发电机并联耦接时，具有比电压的平均值低的电压的交流发电机将传送较低的无功功率，而具有比平均值高的电压的交流发电机将传送较高的无功功率。

根据一个有利的特征，根据当前无功功率水平与对应于输入信号的水平之间的差针对每个调节器计算新的电压设定点，该新的电压设定点允许交流发电机的无功功率水平偏移，以使交流发电机的无功功率水平更接近预定义功率水平。

控制律有利地允许在任何时间计算交流发电机的当前无功功率水平与加权信号之间的差。根据该差，优选地沿可参数化梯度的直线修改所讨论的交流发电机的电压设定点，以特别地使交流发电机的无功功率水平更接近预定义功率水平。

根据本发明，可以以模拟方式对输出信号进行加权。作为变型，以数字方式对输出信号进行加权。

根据本发明的另一方面，本发明的又一主题是括至少两个交流发电机的交流发电机组，所述至少两个交流发电机将它们的输出并联地传送至负载，所述交流发电机各自设置有：调节器，该调节器被配置成传送表示对应交流发电机的无功功率水平除以对应交流发电机的标称无功功率的输出信号；以及控制律，该控制律允许根据输入信号修改交流发电机的无功功率水平，调节器接收根据表示交流发电机中的每一个的无功功率水平的输出信号生成的加权信号作为输入，以使交流发电机中的每一个收敛至预定义无功功率水平。

每个交流发电机可以经由被配置成传送电压的模拟输出来传送每个交流发电机的无功功率水平。

在这种情况下，每个调节器的输入可以被配置成接收电压。输出信号优选地通过模拟集中电路进行加权。

集中电路可以有利地使用电阻器特别地为具有相同电阻的电阻器在连接至模拟输入的公共点处连接来自调节器的各种模拟输出。

作为变型，通过数字集中电路对输出信号进行加权。

优选地，集中电路是可编程逻辑控制器类型的外部系统。

每个调节器有利地通过被称为现场总线的类型的数字通信总线传送每个调节器的交流发电机的无功功率水平。

优选地，集中电路读取每个调节器的无功功率水平、确定加权信号并且经由所述数字通信总线将加权信号发送至每个调节器。

通过阅读以下对本发明的实现方式的非限制性示例的描述以及查看附图将更好地理解本发明，在附图中：

-上面描述的图1示出了根据现有技术的所谓的“无功下垂”电压控制律曲线，

-上面描述的图2示意性地示出了根据现有技术的使用交叉电流补偿方法调节的并联交流发电机组，

-图3和图4是根据本发明的分别具有模拟集中电路和数字集中电路的交流发电机组的示意图，

-图5示出了根据本发明的无功负载的分配的示例，以及

-图6示出了根据本发明的示例控制律。

图3示意性地示出了一组n个交流发电机，该组n个交流发电机经由母线11将它们的输出并联地传送至负载c。每个交流发电机包括调节器21、22、23、24。

在该示例中，每个交流发电机经由被配置成传送电压的模拟输出12、13、14、15来传送每个交流发电机的无功功率水平除以每个交流发电机的标称无功功率。

模拟集中电路20——其对表示交流发电机中的每一个的无功功率水平的输出信号进行加权——在公共点处通过电阻器ra、r1、r2……rn连接来自每个调节器21、22、23、24的各种模拟输出11、12、13、14形成。

如果加权信号对应于表示交流发电机中的每一个的无功功率水平的输出信号的算术平均值，则这些电阻器ra、r1、r2……rn有利地具有相同的电阻。在一个变型中，电阻器ra、r1、r2……rn具有不同的电阻。

然后，集中电路20的公共点连接至每个调节器21、22、23、24的模拟输入16、17、18、19，所述输入被配置成接收电压，以测量所有并联交流发电机的加权无功功率水平。

优选地，加权水平对应于平均水平。

如上所说明的，然后由调节器21、22、23、24中的每一个应用控制律，以使交流发电机中的每一个收敛至预定义无功功率水平。

优选地，预定义无功功率水平对应于所有并联交流发电机的无功功率的平均值。

图4示意性地示出了n个交流发电机经由被称为现场总线的类型的数字通信总线31连接至数字集中电路30的情况。在所描述的示例中，数字集中电路30是可编程逻辑控制器类型的外部系统。

每个调节器21、22、23、24通过现场总线31传送对应交流发电机的无功功率水平。

集中电路30读取每个交流发电机的无功功率水平、计算加权无功功率水平并且经由现场总线31将加权无功功率水平发送至每个调节器21、22、23、24。

优选地，加权无功功率水平对应于所有并联交流发电机的平均无功功率水平。

如上所说明的，然后由调节器21、22、23、24中的每一个应用控制律，以使交流发电机中的每一个收敛至预定义无功功率水平。优选地，预定义无功功率水平对应于所有并联交流发电机的无功功率的平均值。

图5示出了根据本发明的无功负载的分配的示例。

具有不同标称无功功率——分别等于100kvar和200kvar——的两个交流发电机1和2经由母线11将它们的输出传送至125kvar的无功负载c。在时间t处所测量的两个交流发电机的无功功率分别为它们的标称功率的75％和25％。此时无功功率水平的平均值为50％。在该示例中，预定义无功功率水平trp为41.6％，其对应于通过将负载c的值除以两个交流发电机1和2的标称无功功率之和计算的平衡点：trp＝125/(100+200)×100＝41.6％。

调节器1的控制律将使交流发电机1的无功功率降低，并且调节器2的控制律将使交流发电机2的无功功率增加，使得两个交流发电机收敛至它们的标称无功功率的41.6％。

图6示出了根据本发明的示例电压控制律。x轴对应于所讨论的电压的无功功率水平与所有并联交流发电机的无功功率的加权水平之间的差。

如上所说明的，控制律有利地在任何给定时间处计算特别地以其标称无功功率的百分比表示的交流发电机的当前无功功率水平与所有并联交流发电机的无功功率的加权水平之间的差。根据该差，优选地沿如图6所示的可参数化梯度的直线修改所讨论的交流发电机的电压设定点，以使交流发电机的无功功率水平更接近预定义功率水平。

通过示例的方式，已在图6中示出了图5的两个交流发电机的电压调节。在x轴上表示的功率水平的差如上所描述的其对应于每个交流发电机的无功功率水平与预定义无功功率水平之间的差，对于第一交流发电机1，该差等于tr1＝75-41.6＝33.6％，并且对于第二交流发电机2，该差等于tr2＝25-41.6＝-16.6％。该电压设定点直线在y轴上的投影给出了相应的电压值u1和u2，必须利用相应的电压值u1和u2对作为输入传送至调节器12和13的两个交流发电机1和2的设定点电压进行修改，以实现根据本发明的平衡负载分配。

本发明不限于刚刚描述的示例。例如，可以将其他调节措施与本发明进行组合。

根据本发明的交流发电机组的交流发电机在尺寸、标称功率和/或型号上可以相同或者不同。本发明特别地涉及包括一个或更多个微控制器的任何交流发电机调节器。