專利名稱：用于發(fā)電廠的改進(jìn)內(nèi)部電氣化方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及發(fā)電廠，更具體地涉及配送和控制發(fā)電廠輔助設(shè)備中的功率消耗，以提高電廠效力和能量效率。
背景技術(shù)：
熱力發(fā)電廠一直是例如礦石燃料廠和核電廠中的用于發(fā)電的主要 措施之一。據(jù)估計(jì)所產(chǎn)生的能量中有8%至10%作為內(nèi)部電消耗被消耗在所謂的輔助負(fù)載中。所述輔助負(fù)載包括例如風(fēng)扇、壓縮機(jī)、泵的電廠運(yùn)行所必需的設(shè)備，從而執(zhí)行例如供水、燃燒供氣、燃料和廢料的傳輸?shù)?。在一個(gè)典型的大規(guī)模電廠中，最大的能量消耗負(fù)載是風(fēng)扇、泵和壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器，典型額定功率為1-5MW并每年消耗5-40GWh?？紤]到能量效率的需求，在相同的CO2排放下提供更多的電力是有益的。因此，期望減少輔助負(fù)載的能量消耗。不僅減少有功功率消耗是有益的，而且也是有益的是在整個(gè)電廠中避免配送無功功率消耗，從而使得無功功率是局部的，并因此減少在電纜中的配送損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于將提供一種裝置以避免在整個(gè)電廠中配送無功功率消耗，從而使得無功功率是局部的，并減少在發(fā)電廠輔助設(shè)備所需電纜中的配送損失。本發(fā)明的另一目的在于將顯著地減少對用于輔助功率配送的外部交流電流的依賴性。依據(jù)本發(fā)明，提供了一種在發(fā)電廠中使用的裝置。該裝置包括至少兩個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)在交流側(cè)連接到相關(guān)輔助電動(dòng)機(jī)；至少一個(gè)無功功率消耗輔助設(shè)備，其連接至交流母線；控制器；以及轉(zhuǎn)換器，用于在所述交流母線和直流母線之間將交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流或者進(jìn)行相反轉(zhuǎn)換；至少一個(gè)電源，配置為向所述直流母線提供功率；以及其中所述至少兩個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器中的每個(gè)在直流側(cè)連接到所述直流母線。這就允許了將無功功率從主發(fā)電機(jī)中分離出來，并使得減少了電廠中主發(fā)電機(jī)的無功功率消耗。這就使得主發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生更多的有功功率，這增加了發(fā)電廠的輸出。此夕卜，至少那些通過轉(zhuǎn)換器被連接到DC母線的諧波源被隔離開，這就簡化了安裝并減少了諧波復(fù)雜度，例如AC(交流)諧振、諧波損耗等。而且，因?yàn)锳C母線由DC母線供電，就不需要在電力干線的線路上昂貴的變壓器。由于有用于輔助設(shè)備的多個(gè)電源，輔助設(shè)備就不太可能故障，這就增加了發(fā)電廠供電的安全性。所述至少一個(gè)電源可以包括變速驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。該汽輪發(fā)電機(jī)可作為負(fù)載和電源兩者作用。所述至少一個(gè)電源可包括高慣量風(fēng)扇。該高慣量風(fēng)扇至少在DC母線上電壓臨時(shí)跌變時(shí)，也可作為負(fù)載和電源兩者作用。所述至少一個(gè)電源可包括用于所述發(fā)電廠的啟動(dòng)電源。
所述至少一個(gè)電源可包括所述發(fā)電廠的主發(fā)電機(jī)的三次繞組。使用所述三次繞組和所連接的轉(zhuǎn)換器，整個(gè)發(fā)電廠的無功功率能夠通過使用所述三次繞組和直流母線之間的轉(zhuǎn)換器而被控制。所述至少一個(gè)電源可從轉(zhuǎn) 動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生電力。所述至少一個(gè)電源可從風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生電力。所述控制器可被配置為控制所述至少一個(gè)電源，以由此控制所述直流母線的電壓。所述控制器可被配置為控制多個(gè)電源中的至少一個(gè)電源，以由此控制所述直流母線的電壓。所述裝置可進(jìn)一步包括開關(guān)設(shè)備，其提供在所述至少兩個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器中每個(gè)的所述交流側(cè)。所述裝置可包括兩個(gè)直流母線，每個(gè)根據(jù)前述權(quán)利要求中的所述直流母線配置。所述直流母線中的每個(gè)可被連接至共同交流母線。一般而言，所有在權(quán)利要求中使用的術(shù)語將根據(jù)它們在技術(shù)領(lǐng)域中的慣常意義進(jìn)行解釋，除非在此另外地進(jìn)行了明確地限定。除非另外進(jìn)行了明確地說明，所有提及的“一 / 一個(gè)/元件、設(shè)備、組件、裝置、步驟等”將被開放性地解釋為指代元件、設(shè)備、組件、裝置、 步驟等的至少一個(gè)實(shí)例。除非進(jìn)行明確地說明，在此公開的任何方法中的步驟并非必須以所公開的準(zhǔn)確順序來執(zhí)行。


現(xiàn)通過例子參考所述附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述，其中圖1是描述本發(fā)明實(shí)施例與DC母線使用的示意圖，圖2是在本發(fā)明實(shí)施例中的圖1所示DC母線的示意圖，圖3a和圖3b是描述兩個(gè)以圖1中的DC母線進(jìn)行布線的實(shí)施例的示意圖，以及圖4是示出使用兩條DC母線的本發(fā)明的實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將參考附圖，對本發(fā)明進(jìn)行充分地說明，在附圖中示出了本發(fā)明的特定實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以許多不同的方式被實(shí)施，不應(yīng)該將其解釋為僅限于此處所提出的實(shí)施例；相反地，這些實(shí)施例通過示例而被提供，以使得公開是徹底而完整的，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在通篇的描述中，相同的標(biāo)號(hào)指的是相同的組件。圖1是描述本發(fā)明實(shí)施例與DC母線使用的示意圖。DC母線通過轉(zhuǎn)換器315””和可選變壓器343被連接至用于輔助設(shè)備的AC母線106。功率能夠在AC母線106和DC母線之間的兩個(gè)方向中流動(dòng)。開關(guān)設(shè)備344可提供于變壓器343的任一側(cè)?？蛇x的，濾波器 347被提供以使AC母線106上的功率更呈正弦曲線。AC母線因此僅由DC母線供電，由此沒有從主發(fā)電機(jī)汲取無功功率。即使DC母線是由干線提供功率，因?yàn)榇嬖谙蛑绷?DC)的轉(zhuǎn)變和從直流的轉(zhuǎn)換，也所以沒有無功功率消耗。在現(xiàn)有技術(shù)中已知的系統(tǒng)中，在從主發(fā)電機(jī)線路上汲取功率時(shí)，在主發(fā)電機(jī)線路上會(huì)有顯著的無功功率消耗。
多個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器309a_z，其也稱為變速驅(qū)動(dòng)器，也被連接至DC母線312，以從DC 母線312獲得電力來驅(qū)動(dòng)各個(gè)相關(guān)負(fù)載317a-z，例如用于風(fēng)扇、泵的電動(dòng)機(jī)等。這些電動(dòng)機(jī)用于輔助負(fù)載。在本實(shí)施例中，各個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器309a-z包括逆變器315a-z，并且各個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器還被連接到電容313a-z以濾除高頻分量，否則所述高頻分量會(huì)被傳送到DC母線 312 上。 所述DC母線還通過轉(zhuǎn)換器315”，被連接至開關(guān)設(shè)備349a_b。一方面，開關(guān)設(shè)備 349a-b可被連接至啟動(dòng)電源341。所述啟動(dòng)電源在發(fā)電廠啟動(dòng)時(shí)使用，例如所述起動(dòng)源可為柴油發(fā)電機(jī)或者為二次電網(wǎng)，可選地是通過變壓器而被連接。另一方面，開關(guān)設(shè)備349a-b 可通過三次繞組被連接至主發(fā)電機(jī)103。這里，故障限流器348被提供以防止故障電流。要注意的是，電能可在從DC母線312至轉(zhuǎn)換器315”’之間雙向流動(dòng)，這由控制器125控制。因此，傳至變壓器103或者來自變壓器103的無功功率可被控制?？疾煊糜谳o助裝置107a_z的AC母線106，在現(xiàn)有技術(shù)中其被典型地連接至發(fā)電機(jī) 101的輸出，例如在傳感器122a和傳感器124b之間。這在發(fā)電機(jī)101和變壓器103之間需要開關(guān)設(shè)備以便能夠斷開到AC母線的支線。在本實(shí)施例中，對于支線，開關(guān)設(shè)備349b而是被提供以期望的電壓，這樣，開關(guān)設(shè)備201可被置于變壓器103和相連接的輸電網(wǎng)202之間。通過將開關(guān)設(shè)備201置于高壓，通過開關(guān)設(shè)備201的電流被減少，相比于在發(fā)電機(jī)101 和連接至變壓器103的支線之間需要開關(guān)設(shè)備，這就顯著地減少了成本。進(jìn)一步地，變速發(fā)電機(jī)331通過轉(zhuǎn)換器315”被連接至DC母線312。所述發(fā)電機(jī)被連接至單級或二級(1 step or 2 step)汽輪機(jī)332，該汽輪機(jī)接收抽汽337并提供所述抽汽到(輔助)冷凝器339。汽輪機(jī)332也被連接至供水泵333。該供水泵被連接至入口 335和出口 334。以這種布置，發(fā)電機(jī)將蒸汽壓力形式的能量轉(zhuǎn)換為電能，該電能被轉(zhuǎn)換器 315”轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞯紻C母線312上。發(fā)電機(jī)也可相反地作為電動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作，其從DC母線 312收集電能，該電能通過轉(zhuǎn)換器315”被轉(zhuǎn)換為交流。這樣，發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)331然后使用汽輪機(jī)332從在低蒸汽壓力可獲取的扭矩增加至泵的扭矩。換句話說，提供了一種在直流電能和扭矩、泵速之間的雙向(可逆的)轉(zhuǎn)換，從而允許蒸汽壓力作為一個(gè)能量儲(chǔ)存源。所述蒸汽可以多種方式被連接例如以獲取合適壓力。高慣性風(fēng)扇317’本質(zhì)上是一輔助負(fù)載，其利用電容器313’通過調(diào)速驅(qū)動(dòng)器309’ 被連接至DC母線312。所述調(diào)速驅(qū)動(dòng)器包含逆變器315’。因?yàn)轱L(fēng)扇的慣性，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能可用作電源，并被轉(zhuǎn)換為電能，該電能由轉(zhuǎn)換器315’轉(zhuǎn)換為直流電流并被提供到DC母線312。 因此，所述風(fēng)扇也可用作電源，其使用存儲(chǔ)為風(fēng)扇中的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的能量作為臨時(shí)能量存儲(chǔ)。 因?yàn)轱L(fēng)扇317’通過其自己的調(diào)速驅(qū)動(dòng)器309’被連接至DC母線312，因此在啟動(dòng)時(shí)所述風(fēng)扇通過調(diào)速驅(qū)動(dòng)器309’被適當(dāng)?shù)乜刂啤＠眠@種布置，控制器125可控制使用多個(gè)不同組件的DC母線312的電壓。有多個(gè)能量源，在這個(gè)實(shí)施例中為五個(gè)能量源發(fā)電機(jī)331、風(fēng)扇317’、啟動(dòng)電源341、主變壓器 103和AC母線106’。而且，調(diào)速驅(qū)動(dòng)器309a-z也可被控制。這就提供了能量消耗和/或產(chǎn)生的很大靈活性。例如，電廠輔助設(shè)備的無功功率使用可被控制，而且有功功率可以很大的靈活性被控制。這能夠有助于在正常運(yùn)行時(shí)提供需要的功率或者能夠在緊急情況時(shí)提供額外的電源。而且，針對DC母線使用多于一個(gè)的電源為在任何電源故障時(shí)提供了冗余。將要注意的是，并非所有的電源都是必需的，任何電源的合適組合均可使用。
在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器被布置為向控制器125提供包含無功功率的信號(hào)。例如， 存在有三個(gè)傳感器124a、124b、124c，它們可測量由整個(gè)發(fā)電廠產(chǎn)生的無功功率，和三次繞組上傳送的無功功率。例如傳感器124a-c可包括電壓計(jì)、電流計(jì)和相位計(jì)，以用于得到無功功率。在本實(shí)施例中，傳感器124a-c包括在設(shè)備123中，以用于保護(hù)主變壓器103。要注意的是，對于能夠測量無功功率的傳感器124a_c，僅僅需要傳感器124a_c其中之一，而不必如圖1中所示為兩個(gè)或者三個(gè)；更多的傳感器提供了檢測變壓器繞組故障的能力，并也提供了冗余。傳感器124a-c發(fā)送信號(hào)到控制器125。這允許控制器125例如調(diào)整轉(zhuǎn)換器 315”’，以便得到整個(gè)發(fā)電廠的期望的無功功率(在誤差范圍中)。這個(gè)期望的無功功率可以為設(shè)定值，要么由電廠操作員指令，要么獨(dú)立的，或是作為來自輸電系統(tǒng)操作員的指令的結(jié)果。在一個(gè)例子中，所述輸出到輸電網(wǎng)202的期望的無功功率可為零。換句話說，僅有功功率從發(fā)電廠被輸出。無功功率可為發(fā)電廠的期望電壓控 制的結(jié)果。替代地或者附加地，第二組傳感器122a_b測量主發(fā)電機(jī)101的無功功率，并將該無功功率以信號(hào)的形式提供給控制器125。這些傳感器122a-b可實(shí)施于用于保護(hù)主發(fā)電機(jī) 101的設(shè)備121中?？蛇x地，所有的傳感器122a_b、傳感器124a_c使用變壓器被連接至內(nèi)部電力母線，以加強(qiáng)安全性?？蛇x地，所有的傳感器122a_b、傳感器124a_c可通過數(shù)據(jù)總線118與控制器125 通信，這簡化了傳感器122a-b、124a-C與控制器125之間的連接。附加地，從控制器至調(diào)速驅(qū)動(dòng)器309a-z的信號(hào)可經(jīng)相同的數(shù)據(jù)總線118進(jìn)行發(fā)送，或者經(jīng)不同的數(shù)據(jù)總線(未示出)進(jìn)行發(fā)送。出于冗余目的，數(shù)據(jù)總線118可為兩條物理母線。在本實(shí)施例中，開關(guān)設(shè)備348a-Z、349a-d被提供在轉(zhuǎn)換器的交流側(cè)。可選地，所述轉(zhuǎn)換器包括斷路器，其在轉(zhuǎn)換器卸載時(shí)可被使用。圖2是圖1中DC母線的實(shí)施例的示意圖。DC母線312包括兩條線，正線160和負(fù)線166。所述兩條線通過兩電容器162、164被相互串聯(lián)地連接。在電容器162、164之間的連接中，有一線是接地168。以這種結(jié)構(gòu)，需要注意的是，圖1中的電容器313a-z沒有直接連接到地；他們被連接以適應(yīng)DC母線312的布置。 在本實(shí)施例中，對任何交流電流使用至少三相，對直流電流使用至少兩條線。圖3a是顯示了圖1中DC母線的實(shí)施例的示意圖，在該圖中輔助電動(dòng)機(jī)連接至電源轉(zhuǎn)換器的AC電纜的長度被減少了。為了不使本公開難于理解和混亂，省去了闡明本實(shí)施例各方面所不需要的組件。DC母線312通過較長的DC電纜被連接至轉(zhuǎn)換器309a-309d。這以DC母線312和轉(zhuǎn)換器309a-d之間的DC線纜連接更長作為代價(jià)，允許了轉(zhuǎn)換器309a_d 與電動(dòng)機(jī)317a-d之間的各個(gè)連接350a-d變短。對于相同的額定功率，因?yàn)楫?dāng)DC電纜僅攜帶有功功率時(shí)AC電纜也不得不攜帶無功功率，所以可以使DC電纜可比等同的AC電纜更細(xì)。因此，這種布局導(dǎo)致了母線和最終的電動(dòng)機(jī)317a-3d之間的電纜的成本降低。替代地，相比于AC電纜，用于DC電纜的相同尺寸電纜會(huì)造成更低的損失。圖3b是顯示了圖1中DC母線的實(shí)施例的示意圖，該圖中轉(zhuǎn)換器309a_d被置于中心處。為了不使本公開難于理解和混亂，省去了闡明本實(shí)施例各方面所不需要的組件。此處，DC母線312被集中于中心位置，例如殼352處。各個(gè)轉(zhuǎn)換器309a_d被置于殼352中。這就導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器309a-d和電動(dòng)機(jī) 317a-d之間的連接電纜更長。盡管這導(dǎo)致連接電纜的更高成本，但是通過允許一個(gè)殼352包含DC母線和轉(zhuǎn)換器，使得安裝被簡化了。殼352可是基于一個(gè)或者多個(gè)聯(lián)運(yùn)貨物集裝箱，其允許在供應(yīng)商處進(jìn)行組裝和初始測試，這就減少了復(fù)雜度和安裝DC母線和轉(zhuǎn)換器所需的時(shí)間。圖4是顯示了本發(fā)明實(shí)施例的示意圖，該圖中使用兩條DC母線312a_b。DC母線 312a-b、轉(zhuǎn)換器315 ”a-b、變速發(fā)電機(jī)33 la-b、汽輪機(jī)332a-b、冷凝器339a-b、供水泵333a-b 各自以對應(yīng)于參照圖1在前面所解釋的方式進(jìn)行工作。具體地說，DC母線典型地具有多個(gè)電源和連接于所述電源的使用功率的設(shè)備，盡管這樣，出于清楚的原因，在此沒有示出。具有一個(gè)蒸汽源337 (盡管其可被分開為兩個(gè)蒸汽源)。相似地，汽輪機(jī)332a-b可被結(jié)合在單個(gè)汽輪機(jī)中。AC母線106通過轉(zhuǎn)換器被連接至兩個(gè)DC母線。這就提供了一種安全冗余系統(tǒng)。已經(jīng)參照一些實(shí)施例，在上文主要地對本發(fā)明進(jìn)行了描述。但是，易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的是，如所附專利權(quán)利要求書所限定的那樣，除了上述公開的實(shí)施例以外的其它實(shí)施例同樣可能在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在發(fā)電廠中使用的裝置，所述裝置包括至少兩個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器(309a-Z，309’)，每個(gè)在交流側(cè)連接到相關(guān)輔助電動(dòng)機(jī)(317a_z， 317，)；至少一個(gè)無功功率消耗輔助設(shè)備(107a-Z)，其連接至交流母線(106)；控制器(125)；和轉(zhuǎn)換器，用于在所述交流母線和直流母線(312)之間將交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流或者進(jìn)行相反轉(zhuǎn)換；至少兩個(gè)電源，配置為向所述直流母線(312)提供功率；以及其中所述至少兩個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器(309a-z，309’ )中的每個(gè)在直流側(cè)連接到所述直流母線(312)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述至少一個(gè)電源包括變速驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述控制器配置為控制所述變速驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)，以由此控制所述直流母線的電壓。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述至少一個(gè)電源包括高慣量風(fēng)扇。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述至少一個(gè)電源包括用于所述發(fā)電廠的啟動(dòng)電源。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述至少一個(gè)電源包括所述發(fā)電廠的主發(fā)電機(jī)的三次繞組。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述至少一個(gè)電源從轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生電力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述至少一個(gè)電源從風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生電力。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述控制器被配置為控制所述至少一個(gè)電源，以由此控制所述直流母線的電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述控制器配置為控制多個(gè)電源中的至少一個(gè)電源，以由此控制所述直流母線的電壓。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，進(jìn)一步包括開關(guān)設(shè)備，其提供在所述至少兩個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器中每個(gè)的所述交流側(cè)。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述裝置包括兩條直流母線(312a-b)， 每條直流母線(312a-b)根據(jù)前述權(quán)利要求中的所述直流母線被配置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述直流母線中的每條連接至共同交流母線。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在發(fā)電廠中使用的裝置。該裝置包括至少兩個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)在交流側(cè)連接到相關(guān)輔助電動(dòng)機(jī)；至少一個(gè)無功功率消耗輔助設(shè)備，其連接至交流母線；控制器；和轉(zhuǎn)換器，用于在所述交流母線和直流母線之間將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流或者進(jìn)行相反轉(zhuǎn)換；至少一個(gè)電源，配置為提供向所述直流母線提供功率；以及其中所述至少兩個(gè)調(diào)速驅(qū)動(dòng)器中的每個(gè)在直流側(cè)連接到所述直流母線。
文檔編號(hào)H02J11/00GK102449869SQ200980159577
公開日2012年5月9日 申請日期2009年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月1日
發(fā)明者A·A·巴百, D·科昂, J·潘, L·吉爾特瑪, R·W·維塞爾, 陳瑤 申請人:Abb研究有限公司