專利名稱：來自給變速電機(jī)饋電的感應(yīng)發(fā)電機(jī)的優(yōu)質(zhì)電力的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如在熱電聯(lián)合系統(tǒng)中，從感應(yīng)發(fā)電機(jī)向公用電力網(wǎng)供電，該感應(yīng)發(fā)電機(jī)還向與其關(guān)聯(lián)的變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電；通過以一種方式有效地控制電力以補(bǔ)充和補(bǔ)償不希望的諧波和功率因數(shù)，將電網(wǎng)接口處電力的功率因數(shù)和諧波分量(形狀)控制成正好在提供給公用電網(wǎng)的電力要求范圍內(nèi)。
背景技術(shù)：
組織機(jī)構(gòu)而不是發(fā)電站來發(fā)電并向公用電網(wǎng)供電，從而得到收入或扣除消費(fèi)者電業(yè)帳單，已經(jīng)變得很普遍了。重獲和利用否則會(huì)作為某些有用功能的副產(chǎn)品浪費(fèi)掉的能量(如熱量)正變成普遍現(xiàn)象。
在一些發(fā)電系統(tǒng)中，治理將操作發(fā)電機(jī)的能量的方式可能要求輔助設(shè)備，諸如電泵和風(fēng)扇。一個(gè)實(shí)例是熱電聯(lián)合系統(tǒng)，其利用在出版物US 2004/0088985 A1中所公開的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收諸如來自食品加工廠或填埋場(chǎng)的廢熱。在這種系統(tǒng)中，可壓縮流體以恒定的壓力以及各向同性的膨脹和壓縮來加入和排除熱量，這是眾所周知的。該過程可以是有機(jī)的，其中工作流體改變狀態(tài)，或者可以存在工作流體不改變狀態(tài)的過程。
為了經(jīng)濟(jì)效益，希望低成本發(fā)電機(jī)為所有輔助設(shè)備供電，同時(shí)提供具有都適合于公用電力網(wǎng)的接口的形狀(沒有諧波失真)、功率因數(shù)和頻率的電力。同步發(fā)電機(jī)是昂貴的，并且相比其它較便宜的發(fā)電機(jī)諸如感應(yīng)發(fā)電機(jī)要求附加的控制，在較便宜的發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子由在端部短路的簡單導(dǎo)電棒組成，其比同步發(fā)電機(jī)便宜得多。然而，感應(yīng)發(fā)電機(jī)比公用電網(wǎng)可接受的具有固有的較低功率因數(shù)。
作為諧波失真的特定實(shí)例，考慮圖1所示的電力發(fā)電機(jī)8，其產(chǎn)生270kW，由斷路器10連接到電網(wǎng)9，并連接到輔助變速電機(jī)11、12，這些電機(jī)總共消耗70kW?？捎糜诠┙o電網(wǎng)9的凈功率是200kW。變速電機(jī)11、12由具有開關(guān)控制器14的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開關(guān)橋式變換器13供電，其DC輸入15由三相二極管整流器16提供，如圖1所示。
在公用電網(wǎng)9處電流的典型最好情況諧波失真由于輔助設(shè)備11-16的原因可能是32％左右。這相當(dāng)于在公用接口處產(chǎn)生的200kW大約有8％的失真。發(fā)電站的典型要求包括小于5％的諧波失真。雖然可以使用連到電力總線17的諧波陷波器18，但它們將是應(yīng)用特定的，要求在每種情況下，也就是在每個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)中調(diào)整。電網(wǎng)9上的設(shè)備可以與陷波器18相互作用，使得陷波器將從電網(wǎng)吸收諧波能量，從而將分量加壓到預(yù)期的額定值以上。陷波器可以導(dǎo)致功率因數(shù)更加滯后。諧波陷波器還增加了成本和使用處的安裝空間要求。
使用由感應(yīng)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變速電機(jī)11、12使功率因數(shù)非常滯后，并因此低于公用電業(yè)通常所要求的(范圍在0.85和0.95之間)。這可通過大功率因數(shù)校正電容器20來校正，其增加了系統(tǒng)成本，消耗了空間，并且是用于自激勵(lì)的可能源，所有這些在許多安裝中都是不適當(dāng)?shù)?。這些電容器可能要求附加的龐大的串聯(lián)電感器，以便限制到電容器的諧波電流。
向公用電網(wǎng)提供所產(chǎn)生的電力的另一個(gè)要求稱為“反孤島效應(yīng)”，其要求只要電壓、頻率或功率因數(shù)變得超出某極限，發(fā)電機(jī)就從電網(wǎng)斷開。這可通過監(jiān)控功率因數(shù)來提供，因?yàn)樗a(chǎn)生電力的電壓或相位與公用電網(wǎng)上的電壓或相位之間的差異會(huì)將功率因數(shù)改變?yōu)樽阋钥蓹z測(cè)，并使互連斷路器跳閘。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面包括用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)電力；在具有與發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)并由發(fā)電機(jī)供電的輔助變速電機(jī)的系統(tǒng)中產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)電力，沒有降低所產(chǎn)生的可施加到公用電網(wǎng)的電力質(zhì)量；功率因數(shù)的校正沒有使用功率因數(shù)校正電容器；在采用與輔助變速電機(jī)相關(guān)聯(lián)的廉價(jià)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)中產(chǎn)生具有低諧波失真的形狀良好的電力；改進(jìn)了熱回收；改進(jìn)了在有機(jī)朗肯循環(huán)熱回收系統(tǒng)中的電力生成；在包含變速感應(yīng)電機(jī)作為其中的輔助設(shè)備的有機(jī)朗肯循環(huán)熱回收系統(tǒng)中生成具有低諧波失真、高功率因數(shù)和合適的反孤島效應(yīng)的電力；以及改進(jìn)了具有低諧波失真、高功率因數(shù)和反孤島效應(yīng)保護(hù)的電力生成。
根據(jù)本發(fā)明，向至少一個(gè)相關(guān)的輔助變速電機(jī)供電以及向公用電網(wǎng)供電的發(fā)電機(jī)采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開關(guān)橋式變換器(SBC)向至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)變速電機(jī)的IGBT SBC提供DC電力輸入。
本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)附圖所示的其示范實(shí)施例的以下詳細(xì)說明將變得更加明顯。


圖1是示范發(fā)電系統(tǒng)的簡化示意框圖，該系統(tǒng)由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并從二極管橋式變換器用DC功率給變速電機(jī)供電，以及向公用電網(wǎng)供電，這是現(xiàn)有技術(shù)已知的。
圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)例的簡化示意框圖，其從IGBT開關(guān)橋式變換器而不是從二極管橋式變換器給電機(jī)的IGBT開關(guān)橋式變換器提供DC電力。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，一個(gè)已知的系統(tǒng)利用三相二極管整流器16向IGBT變換器13提供輸入處的DC電壓15。變換器控制器14對(duì)來自系統(tǒng)過程控制器23的信號(hào)21、22作出響應(yīng)?？刂破?3對(duì)電流和電壓信號(hào)26、27作出響應(yīng)，這些信號(hào)表示電力發(fā)電機(jī)8生成的功率，包括功率大小和功率因數(shù)?？刂破?3還對(duì)來自原動(dòng)機(jī)28的信號(hào)29作出響應(yīng)，并向原動(dòng)機(jī)提供控制信號(hào)30。原動(dòng)機(jī)例如可以是熱回收裝置，諸如有機(jī)朗肯循環(huán)熱回收裝置。
二極管整流器在反相位的分離脈沖內(nèi)從總線17提取電流，該脈沖等同于高度失真的半正弦波。電感器19使整流器16提取的電流更加接近正弦波，但是不足以對(duì)于要供給電網(wǎng)9的電力而在總線17上按順序提供可接受的波形。
參考圖2，本發(fā)明借助于IGBT開關(guān)橋式變換器(SBC)13a，解決所有上述關(guān)于諧波失真、功率因數(shù)和反孤島效應(yīng)的關(guān)注，SBC 13a的開關(guān)由SBC控制器14a控制。SBC 13a包含所要求的線路電感器35，以便控制電流，并向DC鏈路15a提供升壓功能。在圖2中，系統(tǒng)過程控制器23a對(duì)表示總線17上電流的信號(hào)27和表示總線17上電壓的信號(hào)26作出響應(yīng)。本發(fā)明可與驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)8的任何合適的原動(dòng)機(jī)一起使用。
通用算法是眾所周知的，并廣泛公布了。根據(jù)本發(fā)明，這些算法可以設(shè)計(jì)成已知形式，以便獲得采用本發(fā)明時(shí)特別期望的結(jié)果。
系統(tǒng)過程控制器23a將根據(jù)特定設(shè)備的特性和/或客戶因素等等生成所命令的功率設(shè)定點(diǎn)。此外，系統(tǒng)過程控制器將根據(jù)施加到電網(wǎng)9的電力所希望的功率因數(shù)，相對(duì)于總線17上電力的電壓和電流所指示的功率因數(shù)，生成命令的功率因數(shù)校正。此外，所命令的功率因數(shù)校正可包括抖動(dòng)，使得施加到電網(wǎng)的實(shí)際功率因數(shù)例如可以在大約0.90和0.95之間。如果信號(hào)26、27指示的電壓、頻率或功率因數(shù)高于或低于設(shè)定極限，則那是本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)形成孤島效應(yīng)的一個(gè)指示；這將以常規(guī)形式使斷路器10跳閘。
防止反孤島效應(yīng)的另一方法是改變寄生(內(nèi)部)負(fù)載所用的實(shí)際功率。例如，系統(tǒng)中的一個(gè)負(fù)載(諸如電機(jī)11、12)可以是從控制器供電的20個(gè)風(fēng)扇的子系統(tǒng)。風(fēng)扇所用的實(shí)際功率可以在零點(diǎn)幾秒和幾秒之間的每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)動(dòng)態(tài)地一次改變5kW，優(yōu)選為每兩秒改變一次。這將防止基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)變得調(diào)整到外部負(fù)載，因?yàn)閬碜韵到y(tǒng)的實(shí)際功率和無功功率決不會(huì)匹配到任何外部負(fù)載。由此在電網(wǎng)停電的情況下，系統(tǒng)將不會(huì)“形成孤島效應(yīng)”。
線路37上來自控制器23a的命令以如下形式產(chǎn)生其使得產(chǎn)生DC電壓15a，同時(shí)在總線17上提供適當(dāng)?shù)?、形狀良好的正弦波，它與電網(wǎng)9同相。系統(tǒng)過程控制器告訴SBC控制器工作在什么功率和功率因數(shù)；SBC控制器然后運(yùn)行SBC。當(dāng)系統(tǒng)上存在故障時(shí)，或者如果功率因數(shù)的抖動(dòng)使電壓、頻率或功率因數(shù)超出某一范圍，斷路器10將打開。在圖2的系統(tǒng)內(nèi)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子的激勵(lì)要求來自公用電網(wǎng)或伏特/安培無功電源的伏特/安培無功功率支持。
權(quán)利要求
1.一種電力生成和利用系統(tǒng)，包括原動(dòng)機(jī)(28)；三相感應(yīng)發(fā)電機(jī)(8)，由所述原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并在三相總線(17)上提供電力；所述三相總線，具有負(fù)載(35、13a、14a、11-14)，并還可由三相電路斷路器(10)連接到三相電網(wǎng)(9)；所述負(fù)載，包含至少一個(gè)感應(yīng)電機(jī)(11、12)；至少一個(gè)第一絕緣柵雙極晶體管開關(guān)橋式變換器(13、14)，向所述至少一個(gè)感應(yīng)電機(jī)提供三相電力；其特征在于至少一個(gè)第二絕緣柵雙極晶體管開關(guān)橋式變換器(13a、14a)連接(35)到所述總線，并被控制成向所述至少一個(gè)第一開關(guān)橋式變換器提供DC電力(15a)；以及控制器(23a)，對(duì)所述總線上的電壓(26)和電流(27)作出響應(yīng)，以控制所述至少一個(gè)第二開關(guān)橋式變換器向所述至少一個(gè)第一開關(guān)橋式變換器提供所述DC電壓，同時(shí)提高所述總線上電力的功率因數(shù)，并且不使所述總線上的電力波形失真。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器(23a)控制所述至少一個(gè)第二開關(guān)橋式變換器(13a、14a)使所述總線(17)上的電力的所述功率因數(shù)在極限內(nèi)抖動(dòng)，所述控制器響應(yīng)于所述總線上的所述電壓(26)和電流(27)確定實(shí)際的功率因數(shù)，并且如果所確定的電壓、頻率或功率因數(shù)不在所述功率因素所指示的所述極限內(nèi)，則使所述電路斷路器(10)跳閘。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載(35、13a、14a、11-14)被控制成改變實(shí)際功率，其中它在零點(diǎn)幾秒和幾秒之間的每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)一次消耗幾千瓦。
4.一種在系統(tǒng)中生成和利用電力的方法，所述系統(tǒng)包含原動(dòng)機(jī)(28)；三相感應(yīng)發(fā)電機(jī)(8)，由所述原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并在三相總線(17)上提供電力；所述三相總線，具有負(fù)載(35、13a、14a、11-14)，并還可由三相電路斷路器(10)連接到三相電網(wǎng)(9)；所述負(fù)載，包含至少一個(gè)感應(yīng)電機(jī)(11、12)；以及至少一個(gè)第一絕緣柵雙極晶體管開關(guān)橋式變換器(13、14)，向所述至少一個(gè)感應(yīng)電機(jī)提供三相電力；所述方法其特征在于從連接(35)到所述總線的至少一個(gè)第二絕緣柵雙極晶體管開關(guān)橋式變換器(13a、14a)，向所述至少一個(gè)第一開關(guān)橋式變換器提供DC電力(15a)；以及響應(yīng)于所述總線上的電壓(26)和電流(27)，控制所述至少一個(gè)第二開關(guān)橋式變換器向所述至少一個(gè)第一開關(guān)橋式變換器提供所述DC電壓，同時(shí)提高所述總線上電力的功率因數(shù)，并且不使所述總線上的電力波形失真。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括通過響應(yīng)于所述總線上的所述電壓(26)和電流(27)確定實(shí)際的功率因數(shù)，并且如果所確定的電壓、頻率或功率因數(shù)不在所述功率因素所指示的極限內(nèi)，則使所述電路斷路器(10)跳閘，來控制所述至少一個(gè)第二開關(guān)橋式變換器(13a、14a)使所述總線(17)上電力的所述功率因數(shù)在所述極限內(nèi)抖動(dòng)。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括控制所述負(fù)載(13a、14a、11-14)改變實(shí)際功率，其中它在零點(diǎn)幾秒和幾秒之間的每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)一次消耗幾千瓦。
全文摘要
熱回收系統(tǒng)中的原動(dòng)機(jī)(28)驅(qū)動(dòng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)(8)，該感應(yīng)發(fā)電機(jī)通過斷路器(10)向公用電網(wǎng)(9)饋電，而且給包含輔助感應(yīng)電機(jī)(11、12)的負(fù)載供電。為了提供可接受的波形和功率因數(shù)，輔助設(shè)備通過IGBT開關(guān)橋式變換器(13)由IGBT開關(guān)橋式變換器(13a)而不是三相二極管整流器(16)產(chǎn)生的DC電壓(15)驅(qū)動(dòng)。開關(guān)橋式變換器控制器(14a)對(duì)系統(tǒng)過程控制器(23a)作出響應(yīng)，該系統(tǒng)過程控制器使開關(guān)橋式控制器(13a)響應(yīng)于發(fā)電機(jī)總線(17)上的電壓(26)和電流(27)被驅(qū)動(dòng)。這消除了對(duì)諧波濾波器(18)和功率因數(shù)電容器(20)的需要，同時(shí)改進(jìn)了產(chǎn)生的電力質(zhì)量。如果電壓、頻率或功率因數(shù)超限，則控制器(23a)使斷路器跳閘。
文檔編號(hào)H02P9/04GK101057390SQ200580038165
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月4日
發(fā)明者S·J·弗雷德特, R·格拉弗 申請(qǐng)人:Utc電力有限責(zé)任公司