技术领域
[0001] 本
发明涉及热电厂并且更具体地涉及用于改进热电厂中的发电的方法和装置。
背景技术
[0002] (在完整AC
波形周期上)造成在一个方向上的
能量净传送的功率流部分称为实功率(或者有用或者有功功率)。由于负载中的存储能量在每个周期中向电源返回所致的该功率流部分称为
无功功率。表观功率是实功率与无功功率的矢量和。
[0003] AC功率系统的功率因子定义为实功率与表观功率之比并且是在0与1之间的数。当波形完全为正弦曲线时，功率因子是在
电流与
电压正弦波形之间的相
角 的余弦。功率因子在电压和电流同相时等于1并且在电流比电压超前或者滞后90度时为零。如果负载完全为电抗性，则电压和电流异相90度并且无净能量流。功率因子通常标识为“超前”或者“滞后”以表示相角的符号，其中超前指示为负号。
[0004] 对于传输相同数量的实功率的两个AC功率系统，具有较低功率因子的系统将由于从负载中的能量储存器向电源返回的能量而具有较高循环电流。功率系统中的这些较高电流将产生较高损耗并且降低整个的传输效率。较低功率因子的
电路将针对相同数量的实功率传送而具有较高表观功率和较高损耗。因此希望在AC功率系统中维持高功率因子。
[0005] 传输运营商，比如独立服务运营商(ISO)和地区传输运营商(MW)补偿发
电机的实功率(以兆瓦为单位(MW)给出)、但是通常未补偿发电机的无功功率(以兆伏安无功(MVar)为单位给出)。然而无功功率是在
电网上维持适当电压电平所必需的。无这样的电压支持，将不利地影响实功率的传送和分配。出于这一原因，传输运营商经常要求发电机提供某一数量的无功功率以便连接到传输运营商运行的电网。通常，提供这样的所需无功功率减少发电机原本可以供应的实功率数量并且降低发电机生成的功率的功率因子。
[0006] 本发明涉及一种用于改进从热电厂的功率供应的方法和装置。
发明内容
[0007] 根据本发明，提供一种用于改进热电厂中的发电的方法，该热电厂具有连接到高电压
母线的发电机。根据该方法，提供包括一个或者多个功率
电子器件的动态无功补偿系统(DRCS)。DRCS连接到电厂的高电压母线并且被操作成提供需要从热电厂提供的无功功率的大部分。
[0008] 根据本发明也提供一种热电厂，该热电厂包括用于连接到传输网络的高电压母线。发电机连接到高电压母线。动态无功补偿系统(DRCS)连接到高电压母线并且包括一个或者多个功率电子器件。DRCS可操作用于提供需要从热电厂提供的无功功率的大部分。
附图说明
[0009] 本发明的特征、方面和优点将在参照下文描述、所附
权利要求和以下附图时变得更好地被理解，其中：
[0010] 图1是发电站的示意图，可以在该发电站中利用本发明的方法和装置；
[0011] 图2是可以在发电站中使用的动态无功补偿系统(DRCS)的第一
实施例的电路示意图；
[0012] 图3是可以在发电站中使用的DRCS的第二实施例的电路示意图；
[0013] 图4是可以在发电站中使用的DRCS的第三实施例的电路示意图；
[0014] 图5是可以在发电站中使用的DRCS的第四实施例的电路示意图；
[0015] 图6是无DRCS的发电站的发
电能力曲线；
[0016] 图7是有DRCS的第一实施例的发电站的发电能力曲线；
[0017] 图8是有DRCS的第二实施例的发电站的发电能力曲线；
[0018] 图9是有DRCS的第三实施例的发电站的发电能力曲线；
[0019] 图10是控制发电站的电厂控制系统的示意布局；并且
[0020] 图11是DRCS控制系统的示意图，该控制系统是电厂控制系统的部分。
具体实施方式
[0021] 应当注意，在下文具体描述中，相同部件无论是否在本发明的不同实施例中示出它们都具有相同标号。也应当注意，为了清楚和简洁地公开本发明，附图可以未必按比例，并且可以用有些示意的形式示出本发明的某些特征。
[0022] 现在参照图1，示出了发电站10的示意图，可以在该发电站中利用本发明的方法和装置。发电站10可以是热电厂(比如燃
煤电厂、核电厂、
太阳能电厂或者地热电厂)。发电站10包括根据一个或者多个
蒸汽驱动的
涡轮机(未示出)供应的机械能发电的发电机12。发电机12的输出通常具有范围从约2kV到约30kV的电压。升压主
变压器14将来自发电机12的电功率转换成适合于传输的电压(例如大于110kV)。主变压器14由
断路器18连接到高电压母线16。高电压母线16又在发电机共同耦合点(GPCC)24连接到传输网络22。高电压母线16通常具有范围从约30kV到约765kV或者更多的电压。一个或者多个变电站26连接到传输网络22。每个变电站26逐步降
低电压并且通过分配网络30向终端用户客户28提供生成的功率。传输网络22和分配网络30帮助形成电网。
[0023] 在发电站10以内，动态无功补偿系统(DRCS)32直接并接连接到高电压母线16(即与发电机12并联连接到高电压母线16)。DRCS 32位于发电站10的
开关场(switch yard)相邻处或者该开关场以内。DRCS 32用来增加发电站10的实功率输出。DRCS 32动态提供需要来自发电站10的无功功率的大部分，而发电机12提供需要来自发电站10的实或者有功功率。通过从DRCS 32而不是发电机12提供无功功率的大部分，发电机12可以提供更多有功功率并且仍然保持于
指定的功率因子范围内。当然，发电机12仍将提供少量无功功率。DRCS 32通常提供范围从±1MVar到±600MVar或者更大的MVar。由于DRCS
32安装于发电站10中，发电站10(发电机12)输出的实功率数量可以从0增加至约15％、更通常从约5％到约15％、进而更通常从约5％到约10％而又满足所需功率因子。此外，发电机12与它的额定实功率输出很接近地操作(通常从约95％到约99.8％)。
[0024] 可以根据多个不同实施例之一构造DRCS 32。在图2中示出了标号32a标示的在这些实施例中的第一实施例；在图3中示出了标号32b标示的在这些实施例中的第二实施例；在图4中示出了标号32c标示的在这些实施例中的第三实施例；并且在图5中示出了标号32d标示的在这些实施例中的第四实施例。DRCS 32的每个实施例包括以下设备中的一个或者多个设备：闸
流管控制的电抗器(TCR)36、闸流管切换的电容器(TSC)38、机械切换的电容器(MSC)40和电压源转换器(VSC)系统150。
[0025] TCR 36(在图2-4中示出)可操作用于在步进
基础或者连续可变基础上供应负无功功率。TCR 36包括与一个或者多个大型电抗器(电感器)46
串联连接的双向闸流管
阀44。在TCR 36的所示实施例中，闸流管阀44连接于一对电抗器46之间。如果电抗器46之一出故障(比如可能由于短接
匝或者闪络而出现)，则两个电抗器46的使用限制经过闸流管阀44的
故障电流。当在连续基础上操作时，闸流管阀44根据从电压过零测量的激发角按照供应
频率的交替半周期导通。改变激发角改变TCR 36供应的负无功功率。当在连续基础上操作时，TCR 36产生谐波电流，因为闸流管阀44仅针对周期的部分允许电抗器46中的导通。
[0026] TSC 38(在图2-4中示出)可操作用于以切换(步进)方式供应正无功功率。TSC38包括与一个或者多个电容器48串联连接的双向闸流管阀44。在TSC 38的所示实施例中，闸流管阀44连接于小型电抗器50与多个并联连接的电容器48之间。电抗器50允许TSC38调谐至希望的谐波频率并且最小化涌入电流。TSC 38在闸流管阀44导通时供应正无功功率。
[0027] MSC 40(在图3和图5中示出)包括连接到断路器56的一个或者多个电容器54。小型电抗器57与电容器54和断路器56串联连接。当断路器56闭合时，MSC 40供应正无功功率。
[0028] VSC 150系统(在图5中示出)包括与包括一个或者多个电容器156的DC桥接器或者母线154并联连接的VSC 152。来自DC母线154的DC电压由VSC 152转换成正弦AC电压。VSC 152包括并联连接的多个切换桥接器。每个切换桥接器包括一个或者多个切换器件。每个切换器件可以是
绝缘栅双极晶体管(IGBT)和反并联
二极管。
控制器使用
脉宽调制(PWM)来控制切换器件的操作，其中打开和闭合切换器件以产生系列电压脉冲，其中平均电压是峰值电压乘以占空比(即“脉冲”的“通”和“断”时间)。以这一方式，可以使用系列可变宽度的正和负电压脉冲来逼近正弦波。可以通过改变PWM模式来改变正弦波的
相位和幅度。以这一方式，控制器可以产生任何希望的无功功率。
[0029] 现在参照图2，DRCS 32a包括断路器58和单个大型静态VAR补偿器(SVC)60，该SVC可操作用于在所需范围内向高电压母线16连续供应可变无功功率。SVC 60包括
降压变压器62、以连续方式操作的一个TCR 36和以步进方式操作的两个TSC 38。TCR 36和TSC38连接到DRCS母线64。谐波电容器组66也可以连接到DRCS母线64。谐波电容器66可操作用于滤波TCR 36产生的谐波。TCR36、TCR 38和谐波电容器组66并联连接。变压器
62的初级侧由断路器58连接于其中的线路72连接到高电压母线16。变压器62的次级侧连接到DRCS母线64。
[0030] 现在参照图3，DRCS 32b包括断路器58、SVC 70和MSC 40。SVC 70和MSC 40一起可操作用于在所需范围内向高电压母线16供应无功功率。SVC 70小于SVC 60并且包括降压变压器62、以连续方式操作的一个TCR 36和以步进方式操作的一个TSC 38。TCR 36和TSC 38两者连接到DRCS母线64。SVC 70可操作用于连续供应可变无功功率并且在尺寸上设定成
覆盖完全的负无功功率范围。谐波电容器组66也可以连接到DRCS母线64。谐波电容器66再次可操作用于滤波TCR 36产生的谐波。TCR36、TSC 38和谐波电容器组66并联连接。变压器62的初级侧由断路器58连接于其中的线路72连接到高电压母线16。变压器62的次级侧连接到DRCS母线64。MSC 40连接到线路72并且可操作用于以步进方式供应正无功功率。
[0031] 现在参照图4，DRCS 32c包括断路器58和单个大型SVC74，该SVC以步进方式操作以在所需范围内向高电压母线16供应无功功率。SVC74包括降压变压器62、以步进方式操作的一个TCR 36和以步进方式操作的三个TSC 38。TCR 36和TSC 38连接到DRCS母线64并且相互并联连接。变压器62的初级侧由断路器58连接于其中的线路72连接到高电压母线16。变压器62的次级侧连接到DRCS母线64。
[0032] 现在参照图5，DRCS 32d包括断路器58、降压变压器62、VSC系统150、高通
滤波器160和MSC 40。小型平滑电抗器162可以串联连接于变压器62与VSC系统150之间。VSC系统150和MSC 40一起可操作用于在所需范围内向高电压母线16供应无功功率。VSC系统150可操作用于连续供应可变无功功率并且在尺寸上设定成覆盖完全的负无功功率范围。变压器62的初级侧由断路器58连接于其中的线路72连接到高电压母线16。变压器
62的次级侧连接到DRCS母线64。MSC 40连接到线路72并且可操作用于以步进方式供应正无功功率。
[0033] 在DRCS 32的前述实施例中，DRCS母线64通常具有范围从约480V到约150kV的电压。因此如果需要变压器62，则变压器62的初级侧电压通常范围从约30kV到约765kV或者更多并且变压器62的次级侧电压通常范围从约480V到约150kV。
[0034] 尽管已经示出和描述DRCS 32的四个不同实施例，但是应当理解可以提供DRCS32的其它实施例而未脱离本发明的范围。这些实施例涉及到TCR 36、TSC 38、VSC系统150和MSC 40的不同组合。例如在DRCS 32d中，可以使用VSC系统150而无MSC 40。VSC系统150也可以与TCR 36与一个或者多个TSC 38一起使用。在一些实施例中，可能希望仅使用功率电子器件(比如SVC或者VSC)而不使用任何机械切换的器件，比如MSC40。不能快速切换机械切换器件。例如MSC 40仅能每5-10个周期切换。对照而言，SVC 60、70、74可以一个周期切换两次。VSC系统150甚至更快并且可以在单个周期期间切换数百次。
[0035] 除了具有其它不同配置之外，DRCS 32还可以连接到发电机母线(在发电机12与降压主变压器14之间)而不是直接连接到高电压母线16。有了这一不同连接，DRCS 32的各种实施例将无需降压变压器62。
[0036] 在本发明的第一示例应用中，发电机12具有实功率的695MW额定输出并且可以提供约±52MVar。要求发电站10在超前为0.90和滞后为0.95的功率因子处供应功率。在无DRCS 32时，发电站10仅能提供625.5MW的实功率，因为发电机12除了实功率之外还必须供应无功功率。在图6中示出了发电站10在这一情形中的发电能力曲线。线条80代表无DRCS 32的实功率(625.5MW)，而线条82代表期望的实功率输出(例如693MW)。
[0037] 然而在DRCS 32被安装并且供应无功功率时，发电机12(并且因此发电站10)可以供应增加数量的实功率(即希望的数量(比如693MW))。这是增加了67.5MW或者约10.8％。
[0038] 在图7中示出了针对第一示例应用在安装DRCS 32a时发电站10的发电能力曲线。DRCS 32a(SVC 60)可操作用于在从-175MVar到+283MVar的范围中连续供应MVar。TCR36在尺寸上设定成并且可操作用于提供上至-208MVar。每个TSC 38在尺寸上设定成并且可操作用于提供+125MVar。谐波滤波器66在尺寸上设定成并且可操作用于提供+33MVar。
[0039] 在图8中示出了第一示例应用在安装DRCS 32b时发电站10的发电能力曲线。总言之，DRCS 32b可操作用于在从-175MVar到+283MVar的范围中供应MVar。SVC 70可操作用于在从-175MVar到+175MVar的范围中连续供应MVar，而MSC 40可操作用于供应+108MVar。TCR 36在尺寸上设定成并且可操作用于提供上至-208MVar。TSC 38在尺寸上设定成并且可操作用于提供+142MVar。谐波滤波器66在尺寸上设定成并且可操作用于提供+33MVar。
[0040] 在图9中示出了第一示例应用在安装DRCS 32c时发电站10的发电能力曲线。DRCS 32c(SVC 74)可操作用于在从-175MVar到+283MVar的范围中以步进方式供应MVar。
DRCS 32c(SVC 74)可以提供各自为+94.33MVar的三个步进和各自为-87.5MVar的两个步进。TCR 36在尺寸上设定成并且可操作用于提供上至-175MVar。第一TSC 38在尺寸上设定成并且可操作用于提供+163MVar，第二TSC 38在尺寸上设定成并且可操作用于提供+80MVar，并且第三TSC 38在尺寸上设定成并且可操作用于提供+40MVar。
[0041] 现在参照图10，发电机12和DRCS 32二者由电厂控制系统100控制，该系统主要包括都连接到局域网(LAN)110的
锅炉控制系统102、
涡轮机控制系统104和发电控制系统106。在
发电厂10的控制室114中的操作者工作站112连接到LAN 110并且与锅炉控制系统102、涡轮机控制系统104和发电控制系统106通信。操作者工作站112可以是具有人机
接口113的工业化个人计算机，操作者可以通过该接口输入命令和数据。电厂控制系统
100可以连接到位于发电厂10中或者从发电厂10远离的
位置的企业资源规划(ERP)办公室118。如果ERP办公室118位于远处，则电厂控制系统100可以通过因特网119连接到ERP办公室118。
[0042] 发电控制系统106包括DRCS控制系统120和发电机控制系统122。DRCS控制系统120通过LAN 110与发电机控制系统122通信。
[0043] 现在参照图11，DRCS控制系统120包括DRCS计算机130。I/O
机架132和阀控制单元(VCU)134。DRCS计算机130包括主CPU 136和多个数字
信号处理器(DSP)板140。在DSP板140中运行高速应用(比如生成用于闸流管阀44的快速激发控制脉冲)，而在主CPU 136中运行更少需求的功能(比如序列和互
锁方案)。DRCS计算机130通过
现场总线(比如CAN总线)与VCU 134和I/O机架132通信。
[0044] 在VCU 134内，来自DSP板140的控制脉冲由中央单元板接收。从中央单元板向光学单元继续传递控制脉冲。(每个相位和方向一个单元)，其中它们被转换成短光学激发脉冲并且经由光导向位于闸流管阀44中的控制单元发送。控制单元将光学激发脉冲转换成向闸流管阀44的
门提供的电激发脉冲。
[0045] 从DRCS计算机130向I/O机架132发送DRCS计算机130为器件(比如MSC 40)生成的
控制信号。I/O机架132由接线连接到器件。
[0046] 在发电厂10的正常操作期间，发电机控制系统122基于针对发电厂10的负载需求来确定针对DRCS 32的MVar要求。负载需求包括所需实功率和功率因子。负载需求可以由发电机控制系统122自动确定、可以从已经通过操作者工作站112的HMI 113人工输入它的操作者接收或者可以从传输运营商接收。发电机控制系统122通过LAN 110向DRCS控制系统120发送MVar要求。
[0047] 在紧急(比如电压尖峰值或者电压下陷)的情况下，发电机控制系统122可以自动命令DRCS 32供应所有可用正无功功率(针对电压下陷)或者所有可用负无功功率(针对电压尖峰值)。
[0048] 如常规的那样，发电站10包括向驱动辅助设备(比如
泵、
风扇和
压缩机)的
电动机提供功率的辅助功率系统。这些辅助设备执行比如向锅炉抽运给
水并且向火炉提供燃烧空气和
燃料这样的任务。可以通过具有有源
整流器单元的可调速
驱动器向驱动辅助设备的电动机提供功率。可以提供辅助功率控制系统，该系统可操作用于控制辅助功率系统的可调速驱动器和电容源以便控制辅助功率系统的功率因子而又提供稳态电压调节和动态电压支持。在标题为“Method and Apparatus for Improving the Operation of an Auxiliary Power System of a Thermal Power Plant”的第PCT/US2010/053822号PCT
申请中公开了这样的辅助功率控制系统，该PCT申请提交于2010年10月22日并且要求自2009年10月25日提交的第61/254,708号美国(临时)
专利申请的优先权；通过引用将两份前述专利申请结合于此。
[0049] DRCS 32的操作可以与辅助功率控制系统协调。这一协调可以包括让辅助功率系统提供MVar要求中的原本由DRCS 32提供的部分。在这样的情形中，DRCS 32和辅助功率系统将一起提供需要从发电站10输出的无功功率的大部分。当然，辅助功率系统提供的部分将比DRCS 32的少得多。
[0050] 将理解前述示例实施例的描述旨在于仅举例说明而不是穷举本发明。本领域普通技术人员将能够对公开的主题内容的实施例做出某些添加、删除和/或
修改而未脱离如所附权利要求限定的本发明的精神实质或者它的范围。
