專利名稱：用于修改同步發(fā)電機勵磁機中的限制和保護軟件從而和渦輪發(fā)電機的容量相匹配的方法 ...的制作方法
一般要求用于和同步發(fā)電機一道操作而設計的勵磁機通過限制發(fā)電機在發(fā)電機容量曲線的過激區(qū)域內(nèi)操作來保護發(fā)電機的磁場繞組，所述發(fā)電機容量曲線受磁場繞組的發(fā)熱限制。在發(fā)電機容量曲線的欠激區(qū)域，操作必須被限制，因為可能發(fā)生定子端匝發(fā)熱和定子疊層過電壓。因為過大的定子電流會引起過熱，所以必須限制在額定KVA、額定滯后功率因數(shù)和額定KVA、功率因數(shù)為1之間的操作。雖然用于實現(xiàn)這些功能的常規(guī)的固定的硬件或軟件算法可以正確地保護發(fā)電機，例如通用電氣公司的GENERREX-CPS，GENERREX-PPS，SHUNT-SCR，ALTERREX，STATIC BUS FED EXCITATION和SILCO 5等控制算法，但是現(xiàn)有技術的這些方案不能在冷卻條件變壞時響應變壞的冷卻條件。另一個問題是，現(xiàn)有技術的限制器方案沒有考慮改善的冷卻條件和與所述改善的冷卻劑條件相關的發(fā)電機定額的可能的增加。的確，“跟隨環(huán)境的”燃汽輪機對冷卻劑條件的改變很敏感，因為其輸出功率容量隨冷卻條件的改變而發(fā)生大的改變。
由此看來，需要根據(jù)冷卻劑條件的改變協(xié)調(diào)發(fā)電機勵磁機的限制和保護功能，從而提供改進的整個發(fā)電機的性能。
本發(fā)明披露的裝置和方法在冷卻劑條件從正常條件變化時，在由(1)磁場繞組發(fā)熱，(2)定子電流發(fā)熱和(3)在維持發(fā)電機的全輸出容量的同時的欠激容量限制的區(qū)域內(nèi)精確地保護發(fā)電機。在優(yōu)選實施例中，用硬件或軟件實現(xiàn)的合適的算法被自動地選擇，以便優(yōu)化在由磁場電流或定子電流發(fā)熱表征的容量曲線的區(qū)域內(nèi)對于氫冷或風冷發(fā)電機的補償，同時實現(xiàn)一種跳接器或其它的開關裝置，用于選擇在欠激區(qū)域中的合適的補償。優(yōu)選實施例的優(yōu)點包括，通過限制器和保護算法的自動協(xié)調(diào)，可以實現(xiàn)非常精確的限制器的補償，從而實現(xiàn)在改變的冷卻條件下更有效地使用發(fā)電機。
因為限制和保護算法可以被提供在發(fā)電機的勵磁機中，按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，需要時限制和保護功能協(xié)調(diào)，并在冷卻條件改變時保持所述協(xié)調(diào)。因而，本發(fā)明提供了一種非常精確的裝置和方法，用于隨著冷卻條件的改變協(xié)調(diào)限制和保護功能，從而允許渦輪發(fā)電機的全容量輸出，同時保持非常精確的保護功能。作為一個附加的利益，可以附加冷卻劑補償?shù)亩ㄗ与娏飨拗乒δ埽员阍谌萘壳€的從額定滯后功率因數(shù)下的額定KVA到功率因數(shù)等于1時的額定KVA的區(qū)域內(nèi)操作。
更具體地說，發(fā)電機根據(jù)在現(xiàn)有的操作點的冷卻條件的不同而具有不同的定額。如上所述，現(xiàn)有技術的勵磁機實行利用固定的限制和保護硬件或軟件算法，其既不能在額定冷卻條件之外的情況下提供保護，也不能使發(fā)電機的操作隨著冷卻條件的改進而增加容量，從而獲得發(fā)電機的全容量輸出。對于環(huán)境跟隨燃氣輪機的情況，這尤其是重要的，如前所述。因而，本發(fā)明的方法實行固定的參數(shù)限制和保護算法，還提供全限制和保護補償，其中調(diào)節(jié)溫度或水壓(根據(jù)冷卻系統(tǒng)的類型)，使得勵磁機的容量和發(fā)電機的定額相匹配。因而，提供一種在限制和保護算法之間的自動協(xié)調(diào)。
按照優(yōu)選實施例，對于欠激限制(UEL)使用這種兩部分特征具有的附加好處是能夠提供補償信號，以便在由定子電流定額或定子KVA確定的發(fā)電機容量曲線的區(qū)域內(nèi)操作。這允許使用被補償冷卻劑條件的固定的參數(shù)定子電流限制。


圖1表示一般的風冷發(fā)電機的容量曲線；圖2表示一般的氫冷發(fā)電機的容量曲線；圖3表示一般的歐洲制造者的風冷發(fā)電機的容量曲線；圖4表示按照優(yōu)選實施例利用冷卻劑補償?shù)墓潭ǖ南拗坪捅Ｗo的方塊圖；圖5表示按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的氫壓和環(huán)境溫度輸入；以及圖6表示按照本發(fā)明用于補償水壓和環(huán)境溫度的欠激限制和定子電流限制器的結(jié)構(gòu)。
圖1表示一般的風冷發(fā)電機的無功容量曲線。在額定的入口空氣溫度下的發(fā)電機的額定容量由通過點A，B，C，D的曲線給出。圖1中還示出了兩個其它的容量曲線，其表示在和額定溫度不同的溫度下操作時發(fā)電機的容量。從A到B的曲線受到發(fā)電機中磁場繞組發(fā)熱的限制，并產(chǎn)生對于穩(wěn)態(tài)操作允許的最大的磁場電流值。使用過激限制(OEL)和相關的保護來限制發(fā)電機工作在容量曲線的這個部分上。曲線BC受到定子電流發(fā)熱的限制。定子電流限制用于當發(fā)電機的輸出落在其容量曲線的這個范圍內(nèi)時限制發(fā)電機的操作。曲線CD反應受端鐵發(fā)熱和定子疊層過電壓限制的在容量曲線的一個區(qū)域內(nèi)工作的發(fā)電機的容量。曲線EFGD和HJKD分別表示發(fā)電機在50℃和-18℃時的容量。
圖2說明一般的氫冷發(fā)電機的容量曲線。在氫冷發(fā)電機的情況下，在最大氫壓下發(fā)電機額定值增加，在氫壓降低時，額定值減小。額定的氫壓容量曲線如圖2的曲線ABCD所示，對于最低的氫壓的容量曲線由EFGD表示。容量曲線限制和圖1的曲線類似。即在圖2中，曲線AB受磁場繞組發(fā)熱的限制，曲線BC受定子電流發(fā)熱的限制，端鐵發(fā)熱和定子疊層過電壓限制曲線CD。
圖3表示來自歐洲制造者的一般的風冷發(fā)電機容量曲線。代替在圖的左側(cè)上的表示零功率軸的美國通用曲線，圖3所示的標準的歐洲曲線用于表示在圖的右方的零功率點。容量曲線限制和圖1的曲線類似。曲線AB受磁場繞組發(fā)熱限制。曲線BC受定子電流發(fā)熱限制。端鐵發(fā)熱和定子疊層過電壓限制曲線CD。從C到D，G到D和K到D的曲線說明這些發(fā)電機和標準的美國風冷發(fā)電機之間的不同。這些曲線沒有表示隨冷卻劑溫度的任何改變。
按照上述的優(yōu)選實施例，提供了一種用于同步發(fā)電機的勵磁機的限制器和保護裝置以及方法(以后稱為“算法”或“函數(shù)”)。特別是，這里披露的限制器通過調(diào)劑作用來把勵磁機和發(fā)電機的操作限制在發(fā)電機容量曲線的一個可接受的操作區(qū)域內(nèi)。在另一方面，保護算法沒有任何調(diào)節(jié)功能，而是在發(fā)電機和勵磁機的操作落在發(fā)電機的容量曲線之外時發(fā)生跳閘。如此處所述，提供一種限制器算法，其能夠有效地強制勵磁機在穩(wěn)態(tài)下在容量曲線之內(nèi)工作，并且可以補償冷卻劑條件。
此外，優(yōu)選實施例對于系統(tǒng)事件允許暫時越過容量曲線的冷卻劑補償禁止區(qū)域，因而在使發(fā)電機最大程度上保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對限制器和保護功能執(zhí)行類似的算法，可以有效地在限制器和保護功能之間協(xié)調(diào)。因而，在OEL的情況下，可以確保在限制器工作時，能夠限制發(fā)電機工作在由發(fā)電機磁場繞組發(fā)熱限制的發(fā)電機容量曲線的冷卻劑補償區(qū)域內(nèi)。這確保保護不會發(fā)生不需要的調(diào)閘，借以使發(fā)電機在一般會發(fā)生調(diào)閘的時間間隔內(nèi)具有較長時間的在線。換句話說，限制器算法控制流過磁場繞組的電流量，并和保護算法協(xié)同操作。
具體地說，在發(fā)電機的磁場電路內(nèi)，磁場繞組的總的溫度是一個重要的準則?？偟拇艌隼@組的溫度受磁場繞組中的電流和環(huán)境以及冷卻劑溫度的影響。一般地說，在汽輪機中使用的發(fā)電機趨于在固定的冷卻氣體溫度下工作，而不跟隨環(huán)境溫度的變化。在這種情況下，改變氣體壓力，并且發(fā)電機的容量隨氣體壓力的降低而減少。在氣體冷卻的發(fā)電機中，發(fā)電機磁場電流和氣體壓力之間的關系可以由本領域技術人員熟知的雙對數(shù)(log-log)函數(shù)限定。具體地說，如果當前氣體絕對壓力是(PGAS＋14.7)1bs/in2(以后壓力和溫度的單位，例如℃，不再標出，應當理解)，在該壓力下最大允許的磁場電流是IF@PGAS＝IF_RAT*((PGAS＋14.7/(PGAS_RATED＋14.7))^(H2FEXP/10000)(1)IF_RAT(額定磁場電流)和H2FEXP可以由關于特定用途的發(fā)電機數(shù)據(jù)確定。IF@PAGS是由制造者規(guī)定的特定氣壓下的磁場電流額定值。H2FEXP是由發(fā)電機制造者提供的磁場電流和氫壓數(shù)據(jù)估算的指數(shù)，在式(1)中的除數(shù)10000從用于工程單位的相關的數(shù)字計算的特定算法得到。一般地說，對于氫冷發(fā)電機，(H2FEXP/10000)在0.4和0.5之間改變。優(yōu)選實施例使式(1)表示的近似精度最大，以便提高兩個絕對溫度信號與在0.4和0.5之間改變的功率的比值。
在這方面，式(1)的兩側(cè)可以除以IF_RAT，在這樣修改的式(1)的右側(cè)，產(chǎn)生一個乘數(shù)，用于修改(a)反饋信號與/或(b)限制參考設置點。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)能夠進行冷卻劑改變的補償?shù)谋Ｗo功能和限制器，同時仍然使用用于保護和限制功能的固定的算法。
圖4是在欠激限制(UEL)，OEL(限制器和保護)以及定子電流限制下的冷卻劑補償?shù)膬?yōu)選實施例的方塊圖。其中只詳細說明了用于實現(xiàn)冷卻劑補償?shù)姆綁K。標號為UELIN的方塊400是用于UEL功能的輸入方塊，其通過1/TV2提供標稱化功能、低通濾波功能、選通和絕對值電路功能。輸入功率P和端電壓VT被提供給方塊400。方塊405，即查閱表，是一個任意的函數(shù)發(fā)生器，用于實現(xiàn)在額定冷卻劑容量曲線上的從點C到點D的容量曲線。標號為UELOP的方塊415用于從冷卻劑補償?shù)腣ar參考中，即從方塊410，UELHT方塊的輸出中除去1/VT2標稱化。方塊EIPFV即方塊425使用HTSMAXVA(下面說明)修改定子電流限制參考，使得增加和降低指令被發(fā)送給自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)(未示出)，用于限制定子電流和冷卻條件一致。使用比例塊430修改OEL磁場電流調(diào)節(jié)器參考。使用比例塊435修改限制和保護算法的磁場電流反饋信號。
圖5說明用于產(chǎn)生乘數(shù)(HTS_BIAS)的優(yōu)選技術，所述乘數(shù)用于補償氫冷發(fā)電機的過激限制器(OEL)和保護算法。HTS@IN是和發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)(未示出)相關的并且一般由發(fā)電機制造者提供的氫壓傳感器的輸出信號。該信號通過低通濾波器500除去不需要的AC分量。此外，HTSOFS(氫溫檢測器補償)被選擇通過求和塊515除去由于使用例如4-20ma的電流信號傳送氫壓而導致的任何偏移(如同在HTS@IN中實施的)。在氫冷發(fā)電機的情況下，電流信號表示冷卻劑條件，如前所述。通常使用補償傳感器(4-20ma)，使得不允許0信號電平，并且例如小于2ma的信號電平被認為是開路。
在比例塊520中的HTSSCL(氫溫比例)提供在額定的絕對壓力下對于10000計數(shù)的絕對水壓信號進行比例處理的能力。10000計數(shù)除法器的使用是任意的，根據(jù)實施的考慮可以使用任何合適的值。被送到比較器545的HTSFAL(水溫檢測器故障)允許檢測來自傳感器的例如引起開路的輸入信號(HTS@IN)中的故障。這用于產(chǎn)生信號HTSENBAD(水壓檢測器壞)，該信號用于診斷(當需要時)，并且最好通過開關530把該輸入信號轉(zhuǎn)換成值HTSNOM(水溫檢測器正常)，使得當檢測器或傳感器故障時不提供補償。HTSSENSE提供代表開關530的輸出的診斷信號。塊525對從比例塊520輸出的值提供上限(HTSULM)和下限(HTSLLM)。
在這種情況下，TMPRAT(額定溫度)作為0被輸入，其來自最上通路即功能塊550的自動選擇部分，如圖5的右側(cè)所示。這使得產(chǎn)生作為水的絕對壓力的函數(shù)的HTS-BIAS(乘數(shù))，用于補償OEL和保護。在優(yōu)選的實施方法中，HTS_BIAS在乘法塊575中對于等于單位比的10000計數(shù)進行按比例處理。優(yōu)選的技術也使用比例塊(圖4)用10000/HTS乘反時限保護算法的反饋信號(IFG)，用HTS_BIAS/10000乘OEL的參考(FCR-REF)(分別是比例塊435和430)，借以對固定的限制和保護算法提供補償參考值。
和蒸汽帶動的發(fā)電機相反，由燃汽輪機帶動的發(fā)電機在固定的氣壓下(對于風冷發(fā)電機應當是0)在環(huán)境跟隨方式下操作。磁場電流和氣體溫度之間的關系基于在本領域技術容易熟知的二次內(nèi)插函數(shù)。當氣體溫度小于額定值時，磁場電流的公式如下IF@TLOW＝SQRT((IF_RAT^2＋TMPSFB*(TGAS-TGAS_RATED))(2)當氣體溫度大于額定值時，由下式給出的一個不同的內(nèi)插函數(shù)是合適的IF@THTGH＝SQRT((IF_RAT^2＋TMPSFA*(TGAS-TGAS_RATED))(3)系數(shù)TMPSFA和TMPSFB可以由發(fā)電機制造者提供的關于在給定的冷卻劑溫度下的磁場電流和在額定溫度下的磁場電流的關系的發(fā)電機數(shù)據(jù)使用公式(2)或公式(3)確定。和水壓補償類似，公式(2)和(3)的兩邊可以除以IF_RAT，從而產(chǎn)生用于修改反饋信號與/或用于修改限制設置點的乘數(shù)，使得可以使用固定的保護和限制器算法。在優(yōu)選實施例中，這個乘數(shù)再次被稱為HTS_BLAS，并在乘法塊575中對單位比進行10000計數(shù)的處理。優(yōu)選實施例根據(jù)輸入的額定溫度(TMPRAT)通過開關570自動地在水壓或溫度補償之間進行選擇。即TMPRAT是0時選擇水壓補償，而不是0時則選擇溫度補償。關于水壓，優(yōu)選實施例利用補償電流信號，使得容易檢測開路狀態(tài)。在溫度的情況下，需要TMPRAT具有非0輸入，使得通過求和塊540計算信號WRK14，其代表實際的溫度和額定溫度之差。因為TMPRAT具有不為0的值，所以通過開關570選擇在圖5的右上方的下通路，即功能塊555。在公式(2)或(3)的兩邊被IF_RAT除時，這使得正確地運算公式(2)或(3)，其中由5000個計數(shù)的計數(shù)值代替IF_RAT。使用5000個計數(shù)是因為設備一般在AFFL(其中AFFL是在全負荷、額定功率因數(shù)和額定溫度下所需的磁場電流)對5000計數(shù)進行比例處理。不過，這個計數(shù)值是任意的，并且可以根據(jù)實施的環(huán)境而改變。優(yōu)選的技術是使用比例塊對于反時限保護算法的反饋信號乘以1000/HTS-BIAS，對于OEL(FCR_REF)的參考乘以HTS_BIAS/10000，如圖4方塊435，430所示。即反饋信號以需要的方式被截取并被修改。
欠激限制(UEL)最好應當考慮端鐵過熱、定子疊層過電壓，并且穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性涉及得到一種足以保護發(fā)電機并維持系統(tǒng)穩(wěn)定性的設置。
圖1表示風冷的燃汽輪機驅(qū)動的發(fā)電機的容量曲線。在優(yōu)選實施例中，通過修改函數(shù)發(fā)生器，提供一種用于修改在發(fā)電機容量曲線的區(qū)域內(nèi)的UEL的方法和裝置，所述容量曲線由端鐵發(fā)熱和定子疊層過電壓限制。所述函數(shù)發(fā)生器用于接近發(fā)電機的欠激容量(圖1所示的曲線CD)。在0有功功率時發(fā)電機的欠激容量是一個單一的值，在其它的功率值時，則根據(jù)冷卻劑溫度或冷卻劑壓力而改變。優(yōu)選的UEL冷卻劑補償?shù)膶嵤├鐖D6所示。在圖6中，函數(shù)發(fā)生器的輸出被表示為UEH@IN，并且被用作UELHT方塊410的求和方塊650的輸入。然后優(yōu)選實施例利用隨著冷卻劑條件而改變的函數(shù)(5000-HTSMAXVA)*(UEHTC1或UEHTC2)(其中HTSMAXVA隨冷卻劑狀態(tài)而改變)乘以有功功率或者乘以有功功率的平方來修改函數(shù)發(fā)生器的輸出，如功能塊615，620，625，630，670和675所示。一般地說，對于氫冷發(fā)電機，使用有功功率，對于風冷發(fā)電機，使用有功功率的平方能夠獲得最好的結(jié)果。使用跳接器或開關塊695通過設置0選擇有功功率，通過設置1選擇有功功率的平方。UEHTC1是用于根據(jù)水壓或環(huán)境溫度(對于大于額定溫度的環(huán)境溫度)修改函數(shù)發(fā)生器的輸出的冷卻劑系數(shù)，UEHTC2是用于對于小于額定溫度的環(huán)境溫度修改函數(shù)發(fā)生器的輸出的冷卻劑系數(shù)。從圖1所示的發(fā)電機容量曲線中，選擇函數(shù)發(fā)生器，即方塊405用于近似曲線DCL，其中從C到L的曲線只是從在0.95的功率因數(shù)下的額定KVA到等于額定KVA的120％的有功功率點的額定溫度曲線的擴展。對于圖1所示的情況，使用UEHTC4對容量曲線附加一個例如10％的裕度，因而得到虛線的曲線MNP。為了實現(xiàn)所需的UFL特性，增加通過點N和Q的直線，并使用圖6的方塊660選擇“最大值”。圖1的通過N和Q的直線的斜率按照(sin(arccos(0.95)-margin))/(1-0.95)計算。然后利用1000乘通過N和Q的直線的斜率求得UEHTC3。對于圖1的容量曲線，UEHJMP.0即方塊695被設置為1，用于第二級內(nèi)插，并使用以下公式求取UEHTC1UEHTC1＝5000*VAR1*GEN_MVA^2/(WATT1^2*(GEN_MVA-MVA@WATT1))(4)其中VR1是在點G的高溫發(fā)電機容量曲線和額定溫度容量曲線DCL之間的差，單位是MVARS，GEN_MVA是在額定溫度下的發(fā)電機的額定值，WATT1是在點G的額定值，單位是MWATTS，MVA@WATT1是發(fā)電機在點G的MVA額定值。類似地，UEHTC2通過使用取自低溫容量曲線DK的數(shù)據(jù)由下面的公式求取UEHTC2＝5000*-VAR2*GEN_MVA^2/(WATT2^2*(GEN_MVA-MVA@WATT2))(4)其中VAR2是在點K和在額定的發(fā)電機容量曲線DCL之間的差，單位是MVARS，WATT2是點K的MWATT額定值，MVA@WATT2是點K的MVAR額定值。
對于氫冷發(fā)電機的情況，UEHJMP.0，即塊659，對于利用功率進行的線性內(nèi)插被設置等于0，并且UEHTC1由下式給出UEHTC1＝5000*(VAR1*GEN_MVA)/(WATT1*(GEN_MVA-MAXVA))(5)其中VAR1是在保持恒定的定子MVA的最低的水壓和最超前的功率因數(shù)下的曲線和在額定水壓下的曲線之差，單位是MVARS。WATT1是在保持恒定的定子MVA的最低的水壓和最超前的功率因數(shù)下的發(fā)電機的額定值，單位是MWATTS。MAXVA是發(fā)電機在最低水壓下的MVA額定值。因為水壓被假定為額定或小于額定，所以UEHTC2即塊625被輸入0。在UEHTC4即塊655中輸入裕度，在UEHTC3即塊685中輸入斜率，如同對風冷發(fā)電機那樣。
圖5表示用于獲得HTSMAXVA的值的優(yōu)選的方法。對于氫冷發(fā)電機，發(fā)電機的KVA隨著絕對水壓的對數(shù)函數(shù)而改變，但是對于風冷發(fā)電機，卻由二次內(nèi)插函數(shù)限定。這和磁場電流隨著冷卻條件的變化類似，不過對于氫冷發(fā)電機使用不同的指數(shù)系數(shù)，對于風冷發(fā)電機使用二次內(nèi)插函數(shù)是合適的。這些函數(shù)在圖5的右側(cè)的底部的中部被示出了，并且產(chǎn)生了信號HTSMAXVA，其用于在塊585中以單位的MAXKVA/GEN_KVA的比例進行5000計數(shù)的比例處理。和在磁場電流的情況下一樣，如果TMPRAT，即塊580被輸入0，HTSMAXVA的優(yōu)選實施例自動地選擇水壓。用于風冷發(fā)電機的值根據(jù)溫度是大于或等于還是小于額定值在塊560，565和580中進行選擇。
為了正確地對HTSMAXVA進行標稱化，考慮到發(fā)電機端電壓的變化，需要利用每個單位發(fā)電機電壓的平方導出HTSMAXVA。這在圖5中使用塊505，510，535，536，537，538，539，和541來實現(xiàn)。方塊537，538，539和541包括數(shù)字低通濾波器，其具有在塊538輸入的濾波器時間常數(shù)UELVLP。濾波的發(fā)電機電壓被用于除去本地發(fā)電機瞬變的任何干擾。比例塊505和510用于利用單位發(fā)電機電壓除方塊585的輸出。對乘法器方塊505的一個輸入是20000，其使得來自塊585的信號乘以20000。塊510是比例塊，其使在x的輸入，即20000乘以塊585的輸出除以在y的輸入，即濾波的發(fā)電機電壓。在這個特定的實施例中，值20000被用于額定發(fā)電機電壓。可以使用任何合適的值。然后，塊535和536用每單位發(fā)電機電壓除塊585，即每單位發(fā)電機電壓的輸出，在塊536的輸出得到所需的信號，該信號被(1/每單位發(fā)電機電壓平方)正確地補償。
一般地說，發(fā)電機具有在欠激下在額定的KVA下在某個導前的功率因數(shù)下操作的能力，所述功率因數(shù)可以和額定的滯后功率因數(shù)相同或者不同。這由圖1的點C說明。當達到這個功率因數(shù)點時，在曲線中具有一個間斷點，其確定欠激限制。對于超過間斷點的有功功率值的欠激限制由恒定的KVA或者由作為具有通過圖1的點N和Q的恒定的斜率的直線的定子電流曲線確定。如果試圖考慮到間斷點來修改圖4的函數(shù)發(fā)生器UEH@IN的輸出，則要獲得一個補償項是困難的，因為在兩個區(qū)域中的斜率非常不同，如圖1所示。在優(yōu)選實施例中，利用高值門660(圖6)在來自求和塊655(下面說明)的補償函數(shù)發(fā)生器和來自補償恒定KVA函數(shù)，即除法器方塊690之間進行選擇。雖然應當能夠精確地產(chǎn)生恒定KVA函數(shù)，但是優(yōu)選實施例利用直線近似表示恒定KVA函數(shù)。這樣是為了消除在恒定KVA函數(shù)中的無窮大(或非常大)斜率(Δ乏/Δ瓦)的可能性，這將引起無窮大或非常高的增益，對欠激限制(UEL)的穩(wěn)定不利。這在圖6所示的優(yōu)選實施例中被實現(xiàn)。
具體地說，在求和塊680，從有功功率信號(UELWATTS)中減去和在給定的冷卻條件(HTSMAXVA)下和最大KVA成比例的信號。然后所需的斜率(UEHTC3/1000)通過塊685和690乘這個差值。結(jié)果得到一個直線限制器特性，其隨著發(fā)電機的冷卻條件而改變，具有固定的斜率，所述斜率在發(fā)電機的容量曲線(曲線NQ)的發(fā)電機恒定KVA部分提供限制器操作。使用固定的斜率避免當執(zhí)行實際的恒定KVA曲線時，由在Δ乏/Δ瓦的特性中無窮大或非常大的斜率引起的不穩(wěn)定的可能性。被輸入到求和塊655的UEHTC4提供被加到欠激容量曲線的函數(shù)發(fā)生器部分上的裕度。這使得用戶能夠輸入實際容量曲線(圖1的DC)中的點，然后使用裕度作為單獨的輸入。直線限制通過點N&Q。
圖2表示氫冷發(fā)電機的一般發(fā)電機容量曲線。氫冷發(fā)電機的額定容量曲線如圖2的曲線ABCD所示，它們發(fā)生在最大發(fā)電機水壓下。
不同于額定壓力的定額產(chǎn)生較小的發(fā)電機容量。如在風冷發(fā)電機的情況下那樣，曲線DCL是發(fā)電機的欠激容量，其使用任意的函數(shù)發(fā)生器即圖4中的方塊405設置。使用圖6的方塊655把裕度加到曲線上，從而得到圖2的曲線MNP。對于氫冷發(fā)電機，UEHJMP.0即方塊695被設置為0，從而得到利用UELWATTS的線性內(nèi)差。UEHTC1，即方塊620被設置為UEHTC1＝5000*VAR1*GEN_MVA/(WATT1*(GEN_MVA-MAX_MVA)(6)其中VAR1和WATT1如圖2所示，并且MAX_MVA是圖2的在點G的發(fā)電機的MVA定額。因為假定水壓總是從額定值，UEHTC2，即塊625減少到0。關于風冷發(fā)電機，UEL特性由圖6中的塊660的最大值選擇電路確定，在曲線MGP和通過圖2的NQ的直線段之間。圖6的塊680，685，和690被用于產(chǎn)生直線段，其具有由UEHTC3即塊685確定的斜率。塊690用于對斜率標稱化，1000計數(shù)等于單位斜率。UEHTC5即塊665被用于限制UEL參考的限制值在-32767計數(shù)和UEHTC5計數(shù)之間。
對于發(fā)電機輸出值小于額定KVA當冷卻劑條件沒有變化時，利用UEL曲線的兩部分特性提供近似發(fā)電機欠激容量曲線的能力。這是通常的做法，特別是對于歐洲發(fā)電機制造者，并且產(chǎn)生一個欠激容量曲線，直到容量曲線的恒定KVA部分。這如圖3所示。對于給定的冷卻劑條件，在發(fā)電機KVA輸出值小于額定的情況下，UEL特性由函數(shù)發(fā)生器輸出即圖6的600確定。如果冷卻劑系數(shù)UEHTC1，即方塊620和UEHTC2即塊625被設置為0，則所述函數(shù)發(fā)生器輸出將不根據(jù)冷卻劑進行修改。所有的隨冷卻條件的變化都發(fā)生在恒定KVA區(qū)域內(nèi)，并且可以接著使用UEHTC3即塊685選擇正確的斜率。選擇中間溫度曲線作為額定溫度曲線。在圖2的點C，對每單位的MVAR定額加上所需的裕度(sin(arccos(0.95)-0.1)。圖2的斜率由下式求得Slope＝(sin(arccos(0.95))-0.1)/(1.24-(.95*1.24)))(7)UEHTC3，即塊685利用斜率乘以1000獲得，UEHTC4即塊655利用每個單位的裕度乘以5000獲得。圖3的曲線MNP說明在具有由UEHTC4附加的合適的裕度的欠激區(qū)域的發(fā)電機的容量。通過點NQ的直線說明在容量曲線的恒定定子MVA部分中的容量。直線的斜率由UEHTC3即方塊685確定，并由方塊690標稱化。隨著環(huán)境溫度的變化通過改變HTSMAXVA即圖5中的塊565來實現(xiàn)。UEL特性通過裕度即塊655由函數(shù)發(fā)生器的最大選擇部分確定，并且補償直線斜率，即塊690使用最大選擇函數(shù)即塊660確定。
在容量曲線(圖1的曲線AB，EF，HJ)的過激部分，磁場線圈發(fā)熱是限制參數(shù)，用于實現(xiàn)過激限制器(OEL)的技術已經(jīng)被說明了，對于冷卻劑條件其可以被補償，從而使勵磁機能夠足夠地保護發(fā)電機磁場，并仍然對于系統(tǒng)事件提供瞬變強制能力。在容量曲線的欠激部分，對于冷卻劑條件的改變，已經(jīng)表明欠激限制(UEL)可以使用最大值選擇通過圖6的兩部分特性的塊660被補償。在特定的冷卻劑條件下，可以被修改以便反應冷卻條件的函數(shù)發(fā)生器(圖4)用于實現(xiàn)在小于額定發(fā)電機KVA的容量曲線的區(qū)域中的限制特性。在恒定KVA部分中的直線限制可以對于冷卻條件被補償，并且已經(jīng)表明對在由給定冷卻劑條件下的額定KVA限制的區(qū)域中，欠激容量曲線提供非常好的近似。直線近似減少在UEL中的由實際容量曲線的非常高的斜率引起的不穩(wěn)定的可能性，特別是在功率因數(shù)等于1附近。不被OEL或UEL覆蓋的容量曲線的區(qū)域從額定滯后功率因數(shù)下的額定KVA到功率因數(shù)等于1時的額定KVA(圖1的曲線BQ)。這是發(fā)電機容量曲線的被渦輪機輸出和定子電流發(fā)熱限制的區(qū)域。作為減少發(fā)電機輸出KVA或發(fā)電機定子電流的裝置，勵磁機可以只暫時地影響需要勵磁機減少發(fā)電機無功輸出功率的有功功率。因而，需要一種定子電流限制器，其通過操作改變相關的自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)(未示出)的設置點，從而減少無功功率。在渦輪機環(huán)境跟隨應用中，需要能夠按照優(yōu)選實施例使定子電流限制器偏移，使得所述限制根據(jù)冷卻劑條件而改變。在優(yōu)選實施例中，這容易實現(xiàn)，因為可以用于修改限制器使得和在冷卻劑改變時發(fā)電機容量的改變相匹配的信號已經(jīng)存在。
具體地說，HTSMAXVA是一個在額定冷卻劑條件下對于5000計數(shù)進行比例處理并被補償發(fā)電機端電壓改變的信號。在冷卻劑條件改變時，這個信號改變，從而反應發(fā)電機容量的改變。例如，在風冷發(fā)電機中冷氣溫度從額定值的減少將產(chǎn)生HTSMAXVA，其根據(jù)恒定的TMPSSB而增加，對于小于額定的溫度，所述恒定的TMPSSB根據(jù)發(fā)電機定額進行選擇。TMPSSB由下式給出TMPSSB＝250,000*((MAXVA@T_LOW/GEN_MVA)^2-1)/(T_RAT-T_LOW)(8)其中MAXVA@T_LOW是在發(fā)電機的低溫定額下的發(fā)電機的定額，單位是MVA，T_RAT是發(fā)電機的額定溫度，單位是℃，T_LOW是發(fā)電機的低溫定額，單位是℃。
TMPSSA同樣由下式給出TMPSSA＝250000*(1-(MAXVA@HI_TEMP/GEN_MVA)^2)/(T_HIGH-T_RATED)(9)其中MAXVA@HI-TEMP是發(fā)電機在最高額定溫度下的定額，單位是MVA，T-HIGH是在最高額定溫度下的溫度，單位是℃。
因為定子電流限制利用固定的設置點實現(xiàn)，定子電流反饋最好被改變，以便提供對于溫度的補償。這通過使用EIPFV方塊，即圖4的方塊425來實現(xiàn)，其中包括能夠用HTSMAXVA/5000除實際的定子電流反饋信號。
優(yōu)選實施例產(chǎn)生一個發(fā)電機容量的精確的表示，用于改變用于風冷和氫冷發(fā)電機的冷卻劑，其中對于氫冷發(fā)電機使用常數(shù)H2SEXP，對于風冷發(fā)電機，使用TMPSSA和TMPSSB。在發(fā)電機容量中的這個變化可用于修改反饋變量，從而使得能夠使用固定設置點限制器。
因而，在優(yōu)選實施例中，在涉及磁場電流的OEL的情況下，最好提供一種磁場電流調(diào)節(jié)器。OEL成為發(fā)電機容量曲線的上部(圖1的曲線AB)。需要使勵磁機能夠瞬時地強制大于額定磁場電流的電流通過發(fā)電機磁場，因而可以提供一個反時限函數(shù)，用于近似表示發(fā)電機磁場的容量，從而適應瞬變磁場電流。按照優(yōu)選實施例，提供一種用于改變限制器和保護算法的能力，用于反應發(fā)電機磁場容量根據(jù)發(fā)電機的冷卻條件而改變這個事實。因而，在限制器和保護功能之間具有一個協(xié)調(diào)，即使在這些非額定的冷卻劑條件下。
UEL(欠激限制器)執(zhí)行類似的功能，但是在被端鐵發(fā)熱限制的發(fā)電機容量曲線的區(qū)域內(nèi)具有發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性。這基本上是圖1的下部(曲線DC，DG，或DK)。從點D到點C包括發(fā)電機從0有功功率到0.95每單位有功功率(在這種情況下，點C是1每單位KVA，在0.95的功率因數(shù)下)的發(fā)電機的欠激容量。這是一個實驗曲線。從點C到點B所示的曲線是中心在0瓦和0乏，半徑為1每單位KVA的圓。通過使用具有固定斜率的從點N到點Q的直線，這個曲線利用優(yōu)選實施例的UEL部分近似。使用具有固定斜率的直線近似而不使用實際的圓，這是因為在點Q圓的斜率具有無窮大的增益(ΔQ/ΔP)，其將在UEL調(diào)節(jié)器(未示出)中導致無窮大的增益。一個高值選擇電路即塊660用于取所示的從D到C的曲線的較高的部分，或者從N到Q的直線段。對于要求冷卻劑補償?shù)腢EL，沒有相應的保護功能，但是，瞬時執(zhí)行對于發(fā)電機容量曲線隨冷卻劑條件的改變提供了一種非常好的近似。
和UEL類似，定子電流限制功能被用于把發(fā)電機的操作限制在由發(fā)電機定子電流限制的容量曲線的區(qū)域內(nèi)。這是恒定KVA區(qū)域，示于圖1的容量曲線的右側(cè)(曲線BC)，并且是由UEL使用的同一個圓。在這種情況下，使用圓的特征是因為定子電流限制是一個具有非常低的帶寬設置點控制器。所披露的算法提供了根據(jù)發(fā)電機冷卻條件而變化的圓形發(fā)電機容量曲線的非常精確的實現(xiàn)。
雖然上面的上面包括多個細節(jié)，但是應當理解，所提供的這些細節(jié)只是用于說明，并不限制本發(fā)明的范圍。不脫離權利要求限定的本發(fā)明的構(gòu)思，本領域技術人員可以作出多種改變和改型，這由下面的權利要求書及其法律等效性限定。
權利要求
1.一種用于提供發(fā)電機保護的方法，包括以下步驟截取表示額定容量的函數(shù)發(fā)生器的反饋信號；根據(jù)所述發(fā)電機的冷卻劑條件，按照由于所述冷卻劑條件而引起的發(fā)電機性能的改變確定一個補償值；以及根據(jù)所述補償值，修改所述反饋信號以考慮發(fā)電機性能的所述改變。
2.如權利要求1所述的方法，還包括利用所述的補償值乘所述反饋信號。
3.如權利要求1所述的方法，還包括根據(jù)所述發(fā)電機的容量曲線補償反映操作限制的過激限制(OEL)和欠激限制(UEL)中的至少一個。
4.如權利要求1所述的方法，還包括補償和所述發(fā)電機相關的自動電壓調(diào)節(jié)器的設置點和反時限保護反饋信號中的至少一個。
5.如權利要求1所述的方法，還包括讀取溫度檢測器和壓力檢測器中的一個的輸出。
6.如權利要求1所述的方法，還包括確定所述輸出是否超過一個最小門限，如果沒有，則實施所述補償值確定，并使反饋信號修改步驟無效。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述方法可以用于操作蒸汽渦輪發(fā)電機和燃汽發(fā)電機中的至少一個。
8.如權利要求5所述的方法，還包括對所述輸出進行比例處理。
9.如權利要求5所述的方法，還包括對所述輸出和所述發(fā)電機的額定值求和。
10.如權利要求9所述的方法，還包括把所述求和步驟的結(jié)果上升為表示在所述發(fā)電機中在冷卻劑氣體壓力和可允許的磁場電流之間的雙對數(shù)關系的冪的步驟。
11.如權利要求9所述的方法，還包括在表示所述發(fā)電機中冷卻劑氣體溫度和可允許的磁場電流之間的二次關系的公式中使用所述求和步驟的結(jié)果的步驟。
12.如權利要求3所述的方法，還包括使用兩部分特性接近所述UEL。
13.一種用于控制發(fā)電機的方法，包括以下步驟確定所述發(fā)電機的定額；監(jiān)視所述發(fā)電機的冷卻條件；根據(jù)所述定額和冷卻條件計算一個用于限制所述發(fā)電機的容量曲線的預定部分的補償值；以及按照所述補償值修改對于固定的限制器功能的反饋信號。
14.如權利要求13所述的方法，還包括監(jiān)視溫度傳感器和壓力傳感器之一，以便監(jiān)視所述冷卻條件。
15.如權利要求14所述的方法，還包括低通濾波所述傳感器的輸出。
16.如權利要求13所述的方法，還包括對發(fā)電機的定額值和表示所述冷卻條件的值求和，并使用所得結(jié)果作為乘數(shù)用于實現(xiàn)所述修改步驟。
17.如權利要求13所述的方法，還包括自動選擇根據(jù)發(fā)電機冷卻劑溫度和冷卻劑壓力之一實現(xiàn)所述計算步驟。
18.如權利要求13所述的方法，其中所述計算步驟包括根據(jù)發(fā)電機磁場電流和冷卻劑壓力之間的雙對數(shù)關系進行計算。
19.如權利要求13所述的方法，其中所述計算步驟包括根據(jù)發(fā)電機磁場電流和冷卻劑壓力之間的二次關系進行計算。
20.如權利要求13所述的方法，還包括對于欠激固定限制器功能、過激固定限制器功能、自動電壓調(diào)節(jié)器以及反時限和保護功能中的至少一個改變反饋信號的步驟。
21.如權利要求13所述的方法，還包括對表示所述冷卻條件的值進行比例處理的步驟。
22.如權利要求13所述的方法，還包括控制所述發(fā)電機的磁場電流和定子電流中至少一個的步驟。
23.如權利要求13所述的方法，還包括相對于所述發(fā)電機端電壓標稱化所述補償值的步驟。
24.如權利要求13所述的方法，還包括電子模擬所述容量曲線的至少一部分的步驟。
25.如權利要求13所述的方法，還包括通過協(xié)調(diào)所述發(fā)電機的限制器功能和保護功能提供所述發(fā)電機的瞬時強制容量的步驟。
26.一種用于提供發(fā)電機保護的裝置，包括用于截取表示額定容量的函數(shù)發(fā)生器的反饋信號的裝置；用于根據(jù)所述發(fā)電機的冷卻劑條件和所述額定容量，按照由于所述冷卻劑條件而引起的發(fā)電機性能的改變確定一個補償值的裝置；以及用于根據(jù)所述補償值，考慮到發(fā)電機性能的所述改變修改所述反饋信號的裝置。
27.如權利要求26所述的裝置，還包括利用所述的補償值乘所述反饋信號的裝置。
28.如權利要求26所述的裝置，還包括補償過激限制(OEL)和欠激限制(UEL)中的至少一個的裝置。
29.如權利要求26所述的裝置，還包括用于補償和所述發(fā)電機相關的自動電壓調(diào)節(jié)器的設置點和反時限保護反饋信號中的至少一個的裝置。
30.如權利要求26所述的裝置，還包括用于讀取溫度檢測器和壓力檢測器中的一個的輸出的裝置。
31.如權利要求30所述的裝置，還包括用于確定所述輸出是否超過一個最小門限，如果沒有，則旁路所述確定補償值的裝置以及用于修改所述反饋信號的裝置。
32.如權利要求26所述的裝置，其中所述裝置可以用于操作蒸汽渦輪發(fā)電機和燃汽發(fā)電機中的至少一個。
33.如權利要求30所述的裝置，還包括用于對所述輸出進行比例處理的裝置。
34.如權利要求30所述的裝置，還包括用于對所述輸出和所述發(fā)電機的額定值求和的裝置。
35.如權利要求34所述的裝置，還包括用于把所述求和裝置的結(jié)果上升為表示在所述發(fā)電機中在冷卻劑氣體壓力和可允許的磁場電流之間的雙對數(shù)關系的冪的裝置。
36.如權利要求34所述的裝置，還包括用于在表示所述發(fā)電機中冷卻劑氣體溫度和可允許的磁場電流之間的二次關系的公式中使用所述求和裝置的結(jié)果的裝置。
37.如權利要求28所述的裝置，還包括用于使用兩部分特性接近所述UEL的裝置。
38.一種用于控制發(fā)電機的裝置，包括求和塊，其具有用于輸入所述發(fā)電機額定值和表示所述發(fā)電機的冷卻條件的值的輸入；用于根據(jù)所述求和塊的輸出計算用于限制所述發(fā)電機的容量曲線的預定部分的補償值的電路；以及比例塊和設置點塊中的至少一個，用于接收所述補償值并向所述發(fā)電機的固定限制功能輸出反饋信號。
39.如權利要求38所述的裝置，還包括溫度傳感器和壓力傳感器中至少一個，用于監(jiān)視所述冷卻條件。
40.如權利要求39所述的裝置，還包括低通濾波器，其被連接在所述傳感器和所述求和塊之間。
41.如權利要求38所述的裝置，還包括用于自動選擇根據(jù)發(fā)電機冷卻劑溫度和冷卻劑壓力之一實現(xiàn)計算的開關。
42.如權利要求38所述的裝置，其中所述電路包括用于根據(jù)發(fā)電機磁場電流和冷卻劑壓力之間的雙對數(shù)關系進行計算的裝置。
43.如權利要求38所述的裝置，其中所述電路包括用于根據(jù)發(fā)電機磁場電流和冷卻劑壓力之間的二次關系進行計算的裝置。
44.如權利要求38所述的裝置，還包括和欠激固定限制器功能、過激固定限制器功能、自動電壓調(diào)節(jié)器以及反時限和保護功能中的至少一個的輸入端的連接。
45.如權利要求38所述的裝置，還包括比例處理塊，其被連接在求和塊的上游。
46.如權利要求38所述的裝置，還包括用于控制所述發(fā)電機的磁場電流和定子電流中至少一個的數(shù)量的裝置。
47.如權利要求38所述的裝置，還包括用于相對于所述發(fā)電機端電壓標稱化所述補償值的標稱化電路。
48.如權利要求38所述的裝置，還包括電子模擬所述容量曲線的至少一部分的查閱表。
49.如權利要求38所述的裝置，其中所述裝置包括所述發(fā)電機的勵磁機的一部分。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種用于補償從而和發(fā)電機的冷卻條件、保護和限制功能一致的方法和裝置。根據(jù)被補償?shù)陌l(fā)電機的類型,發(fā)電機的容量曲線的限制,包括過激區(qū)域、欠激區(qū)域和由定子電流發(fā)熱限制的區(qū)域,響應冷卻劑壓力或溫度的改變而被修改。根據(jù)改變的冷卻劑條件,對于固定保護和限制功能提供的反饋信號和設置點被截取,并按照發(fā)電機額定值和發(fā)電機性能之間的關系被修改。保護和限制功能可以被自動地協(xié)調(diào)。因而,可以改善發(fā)電機的總體性能。
文檔編號H02P9/10GK1327630SQ00802190
公開日2001年12月19日 申請日期2000年8月4日 優(yōu)先權日1999年8月6日
發(fā)明者R·A·勞森, W·R·佩爾森, J·E·庫蘭 申請人:通用電氣公司