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具有电阻制动能力的发电系统和方法
申请号	CN201510912307.3	申请日	2015-12-11	公开(公告)号	CN105703390A	公开(公告)日	2016-06-22
申请人	通用电气公司;			发明人	A.帕诺斯延; C.贝尔德; H.肖姆伯格;
摘要	本发明题为具有电阻制动能力的发电系统和方法。一种发电系统包括发电机，其操作耦合至发动机，用于生成电功率并且向电网供应电功率。此外，所述发电系统包括电阻制动系统，其操作耦合在发电机与电网之间。电阻制动系统包括：机械开关，与电阻器并联连接；以及控制器，用于响应电网事件而控制来自发动机的功率，并且操作机械开关以在机械开关与并联连接电阻器之间重定向电流。
权利要求	1.一种发电系统，包括：发电机，操作耦合至发动机，用于生成电功率并且向电网供应所述电功率；电阻制动系统，操作耦合在所述发电机与所述电网之间，所述电阻制动系统包括：机械开关，与电阻器并联连接；以及控制器，用于响应电网事件而控制来自所述发动机的功率，并且操作所述机械开关以在所述机械开关与所述并联连接电阻器之间重定向电流。 2.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器配置成当检测到所述电网事件时发送第一控制信号以部分或完全切断所述发动机的点火装置，以控制来自所述发动机的功率。 3.如权利要求2所述的系统，其中，所述控制器配置成当检测到所述电网事件时发送第二控制信号以断开所述机械开关，其中所述机械开关在第一预定时间之前断开。 4.如权利要求3所述的系统，其中，所述电阻器充分确定大小用于当所述机械开关断开时吸收来自所述发电机的某些量的电功率和能量。 5.如权利要求3所述的系统，其中，所述控制器配置成在所述第一预定时间之后发送第三控制信号以部分或完全接通所述发动机的所述点火装置。 6.如权利要求5所述的系统，其中所述控制器配置成基于来自所述发动机的所述受控制的功率来调节所述发电机的速度。 7.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器配置成如果在自所述电网事件发生起的第二预定时间之前清除所述电网事件则发送第四控制信号以闭合所述机械开关。 8.如权利要求7所述的系统，其中所述控制器配置成如果在所述第二预定时间之后所述电网事件继续，则发送第五控制信号以切断所述发动机的所述点火装置。 9.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器配置成基于输入信号来检测所述电网事件。 10.如权利要求9所述的系统，其中，所述输入信号包括电压信号、电流信号、发电机功率信号、速度信号、转子角度信号、发动机功率信号、发动机转矩信号或者它们的任何组合。
说明书全文	具有电阻制动能力的发电系统和方法技术领域 [0001] 本发明一般涉及电能转换，以及更具体地，涉及用于连接到电力网、具有低惯性矩的小型发电机组的电阻制动能力的系统和方法。背景技术 [0002] 分布式能源(DER)系统是通常在从3 kW至10000 kW的范围中的小型发电机，其从各种源生成功率，并且将所生成功率传送到连接至发电机的电网。电网可以是电力网或孤岛电网。此外，电网收集从多个发电机所生成的功率，并且将功率传输到不同位置或者一个或多个客户负载。通常，DER系统是对传统电功率系统的替代或增强。小型发电机可由小型燃气涡轮机来供电，或者可包括例如燃料电池和/或风力发电机。DER系统降低传送电力中损失的能量的量，因为电力在极为接近它被使用的位置，也许甚至在同一大楼中生成。DER系统还减少必须被构造的电力线的大小和数量。然而，由于分布式发电的增加使用，许多电网规则正要求小型发电机组提供增强的能力，例如故障电压穿越。 [0003] 当电功率系统中的故障发生时，系统中的电压可能在短时间持续时间(通常小于500毫秒)下降显著的量，直到清除故障。诸如相导体连接到地(或者接地故障)或者相导体的短路的故障在闪电和暴风期间或者因传输线意外连接到地而可能发生。以往在无意故障和大功率扰动环境下，小型发电机组每当电压降发生时跳闸脱机已经是可接受和期望的。以这样的方法操作在小型发电机组的渗透水平低时对电力供应没有实际有害影响。然而，随着小型发电机组在电功率系统中的渗透增加，这些小型发电机组保持在线并且穿越这样的低电压条件，以保持与电力网同步，并且以能够在清除故障之后继续向电网供应功率是期望的。这类似于对大型发电机组所施加的要求。 [0004] 因此，确定将会解决上述问题的方法和系统是期望的。发明内容 [0005] 按照本发明的实施例，提供了发电系统。所述发电系统包括发电机，其操作耦合至发动机，用于生成电功率并且向电网供应电功率。此外，所述发电系统包括电阻制动系统，其操作耦合在发电机与电网之间。电阻制动系统包括：机械开关，与电阻器并联连接；以及控制器，用于响应电网事件而控制来自发动机的功率，并且操作机械开关以在机械开关与并联连接电阻器之间重定向电流。 [0006] 按照本公开的另一方面，提供了从发电机向电网供应电功率的方法，其中发电机耦合至连接在发电机与电网之间的电阻制动系统。电阻制动系统包括与电阻器并联连接的机械开关。所述方法包括在正常操作条件下通过机械开关向电网供应电功率。此外，所述方法包括在检测到电网事件时：(a)控制到发电机的功率；以及(b)操作机械开关，使得来自发电机的电流在机械开关与电阻器之间重定向。 [0007] 技术方案1：一种发电系统，包括：发电机，操作耦合至发动机，用于生成电功率并且向电网供应所述电功率；电阻制动系统，操作耦合在所述发电机与所述电网之间，所述电阻制动系统包括：机械开关，与电阻器并联连接；以及控制器，用于响应电网事件而控制来自所述发动机的功率，并且操作所述机械开关以在所述机械开关与所述并联连接电阻器之间重定向电流。 [0008] 技术方案2：如技术方案1所述的系统，其中，所述控制器配置成当检测到所述电网事件时发送第一控制信号以部分或完全切断所述发动机的点火装置，以控制来自所述发动机的功率。 [0009] 技术方案3：如技术方案2所述的系统，其中，所述控制器配置成当检测到所述电网事件时发送第二控制信号以断开所述机械开关，其中所述机械开关在第一预定时间之前断开。 [0010] 技术方案4：如技术方案3所述的系统，其中，所述电阻器充分确定大小用于当所述机械开关断开时吸收来自所述发电机的某些量的电功率和能量。 [0011] 技术方案5：如技术方案3所述的系统，其中，所述控制器配置成在所述第一预定时间之后发送第三控制信号以部分或完全接通所述发动机的所述点火装置。 [0012] 技术方案6：如技术方案5所述的系统，其中所述控制器配置成基于来自所述发动机的所述受控制的功率来调节所述发电机的速度。 [0013] 技术方案7：如技术方案1所述的系统，其中，所述控制器配置成如果在自所述电网事件发生起的第二预定时间之前清除所述电网事件则发送第四控制信号以闭合所述机械开关。 [0014] 技术方案8：如技术方案7所述的系统，其中所述控制器配置成如果在所述第二预定时间之后所述电网事件继续，则发送第五控制信号以切断所述发动机的所述点火装置。 [0015] 技术方案9：如技术方案1所述的系统，其中所述控制器配置成基于输入信号来检测所述电网事件。 [0016] 技术方案10：如技术方案9所述的系统，其中，所述输入信号包括电压信号、电流信号、发电机功率信号、速度信号、转子角度信号、发动机功率信号、发动机转矩信号或者它们的任何组合。 [0017] 技术方案11：如技术方案1所述的系统，其中，所述发动机包括燃气涡轮机、燃气发动机或者风力涡轮机。 [0018] 技术方案12：一种从耦合至电阻制动系统的发电机向电网供应电功率的方法，所述电阻制动系统连接在所述发电机与所述电网之间，所述电阻制动系统包括与电阻器并联连接的机械开关，所述方法包括：在正常操作条件下通过所述机械开关向所述电网供应所述电功率；在检测到电网事件时：(a)控制到所述发电机的功率；以及(b)操作所述机械开关，使得来自所述发电机的电流在所述机械开关与所述电阻器之间重定向。 [0019] 技术方案13：如技术方案12所述的方法，其中控制到所述发电机的功率包括控制耦合至所述发电机的发动机的功率。 [0020] 技术方案14：如技术方案13所述的方法，还包括当检测到所述电网事件时部分或完全切断所述发动机的点火装置。 [0021] 技术方案15：如技术方案13所述的方法，还包括在第一预定时间之后部分或完全接通所述发动机的所述点火装置。 [0022] 技术方案16：如技术方案13所述的方法，还包括如果在第二预定时间之前清除了所述电网事件则闭合所述机械开关。 [0023] 技术方案17：如技术方案16所述的方法，还包括如果在所述第二预定时间之后所述电网事件继续则切断所述发动机的所述点火装置。 [0024] 技术方案18：如技术方案12所述的方法，其中，所述电网事件基于输入信号来检测。 [0025] 技术方案19：如技术方案18所述的方法，其中，所述输入信号包括电压信号、电流信号、发电机功率信号、速度信号、转子角度信号、发动机功率信号、发动机转矩信号或者它们的任何组合。附图说明 [0026] 当参考附图阅读下面详细的描述时，将会更好地理解本发明的这些及其他特征、方面和优点，其中整个附图中，相同标号表示相同部件，其中：图1是在故障之前、期间和之后的电网规则定义的电压分布的图表；图2是根据本公开的方面的连接到电力网并且利用电阻制动系统的发电系统的图解表示；图3(a)-3(g)是根据本公开的方面的电阻制动操作的各个阶段的图解表示；以及图4是说明按照本公开的方面的用于从发电机向电网供应功率的方法的流程图。具体实施方式 [0027] 如下面详细讨论的，本发明的实施例起作用来提供用于连接到电网，具有低惯性矩的小型发电机组的电阻制动能力的系统和方法。 [0028] 图1说明了在发电机到电网的连接点(POC)的电网规则电压分布的示例的图表10。电网机构中的一些希望如果在POC处的电压高于示出的电压分布，发电机不应当从电网断开。然而，这是一种示范情况，并且电压分布要求可逐个国家或者逐个电网机构而改变。图表10示出按照毫秒来表示时间的水平轴12以及按照标称电压的百分比来表示电压的垂直轴14。故障在0毫秒发生。在故障之前，系统处于稳定条件，因此在POC处，即0毫秒之前的故障前电压16为100%或者每单位为1。由于电网中的故障，在0毫秒的电压18在故障开始时下降到低至5%。应当注意，POC处的电压降取决于故障离POC的距离、故障阻抗、故障的类型、电网特性等。在一个实施例中，电压可低于5%，或者在另一个实施例中，电压可大于5%。 [0029] 当电压下降到标称电压的5%时，发电机在低电压条件期间不能向电网输出全功率是可能的。如果同时原动机继续向发电机传递恒定机械功率，则这将引起发动机-发电机旋转质量的加速，并且转子速度将增加。转子速度的增加将引起同步发电机转子角度的过度增加，这可导致同步的丢失。在这样的环境中，发电机将跳闸并且不满足电网规则要求。这可通过将转子速度降低到或者低于同步速度以及随其在同步丢失之前阻止转子角度增加并且使发电系统恢复到稳定操作点来避免。转子速度的降低要求及时使旋转质量减速。在电网规则电压分布的示例中，故障事件持续时间示出为150 ms。 [0030] 图2示出按照本发明的实施例，利用电阻制动系统46连接到电网44的发电系统40。发电系统40包括原动机60和连接到电网44的发电机42。在一个实施例中，例如，发电机42可具有小额定功率，例如小于10 MW。此外，发电机42机械地耦合至原动机60，其在一个实施例中包括发动机。可注意的是，术语“原动机”和“发动机”可在下面描述中可互换地使用。在一个实施例中，发动机60可包括燃气涡轮机、燃气发动机或风力涡轮机。在一些实施例中，发电机42可通过功率电子转换器(未示出)耦合至电网44，而在其他实施例中，发电机42可无需任何功率电子转换器来耦合至电网44。可注意的是，电网44可以是向不同位置传输功率的电力网或者支持一个或多个客户负载的孤岛电网。 [0031] 在图2的实施例中，发电机42经由电阻制动系统46、变压器48和传输线50来连接至电网44。应当注意到，图2中示出的布置是一个示范配置，并且可使用其他配置。例如，电阻制动系统46可连接在变压器48与电网44之间。此外，应当注意，图2为了便于说明而示出电网44的单线图。 [0032] 如图2中描绘的，电阻制动系统46与发电机42串联连接，并且包括电阻器52、机械开关54和控制器56。电阻器52和机械开关54彼此并联连接。电阻器52可用来在电网事件期间吸收来自发电机42的电功率。在一个示例中，电网事件可包括电网44中的低电压条件。在电网事件期间或者紧接电网事件之后，输入到发电机42的机械功率将比输出到电网44的电功率要大，并且因此电阻器52用来吸收来自发电机42的电功率，以防止发电机42的加速。控制器56接收输入信号58，并且向机械开关54和发动机60提供一个或多个控制信号。在一个示例中，控制器56发送控制信号至发动机60的点火装置(未示出)，以控制发动机60的速度。可控制发动机60的速度，用于调整提供给发电机42的机械功率。 [0033] 在一个实施例中，输入信号58包括电压信号、电流信号、发电机功率信号、速度信号、转子角度信号、发动机功率信号、发动机转矩信号或者它们的任何组合。在一个电压信号示例中，电压信号可指示在连接点(POC)62或电网44的故障电压。作为另一个示例，电流信号可指示在发电机42处的电流。在又一个示例中，发电机功率信号可指示由发电机42所产生的电功率。转子角度信号可指示例如发电机42的定子电压与电网44中的电压之间的电角度。速度信号可指示耦合在发电机42与发动机60之间的可旋转轴的速度。最后，发动机功率信号和发动机转矩信号可分别指示在发动机60的机械功率和转矩。控制器56使用输入信号58来确定系统中是否已经发生电网事件或没有，并且如果电网事件发生，提供控制信号以控制发动机60和机械开关54的操作。 [0034] 在操作中，在正常条件期间，机械开关54闭合，并且处于导通或接通状态。在导通时，机械开关54当与电阻器52相比时具有可忽略的接通电阻，并且因此来自发电机42的电流通过机械开关54来定向。 [0035] 如果电网事件在电网44处发生，则发电机42的POC 62处的电压显著下降。电网事件可包括系统40中的低电压条件。在一个示例中，如果POC 62处的低电压条件持续阈值时间，则发电机42可因发电机转子与电网44之间的大角度而遭受到极高的电流。因此，发电机42应当从电网44断开，以保护自身免受这些高电流。发电机转子与电网44之间的增长的角度还可能导致发电机42与电网44之间的同步的丢失，这也要求将发电机42从电网44断开。然而，为了满足电网规则故障穿越要求，发电机42应当能够保持连接到电网44，并且在清除电网事件并且POC 62处的电压恢复到电网事件前水平之后继续向电网44供应功率。换言之，在电网事件条件期间，发电机速度和转子角度应当保持在可接受极限之内，只要POC 62处的电压高于由电网规则给定的电压分布。 [0036] 在本发明的一个实施例中，当电压在POC 62处由于电网44中的电网事件而下降时，控制器56检测电网事件，并且触发连接到发电机42的发动机60，以控制传递到发电机的功率并且因此控制发电机的速度。在一个示例中，控制器56可发送第一控制信号至发动机60的点火装置，以部分或完全切断发动机60的点火装置。由于发电机42在POC 62处的低电压条件期间能够向电网44供应有限的电功率，这又可减少或阻止发电机42加速。 [0037] 此外，控制器56可向机械开关54发送第二控制信号，以断开或关断机械开关54。在一个实施例中，控制器56可同时发送第一和第二控制信号。甚至当同时发送第一和第二控制信号时，也因开关断开所需的制动时间而将存在断开机械开关中的某个固有延迟。在一个示例中，制动时间可在大约50 ms至大约100 ms的范围中。 [0038] 在一个实施例中，机械开关54可在自电网事件的检测起的第一预定时间之前断开或关断。在其中机械开关花费大约100 ms断开的一个示例中，如果在自电网事件发生起的20 ms检测到电网事件，则机械开关可同时被触发，使得机械开关54可到自电网事件发生起的120 ms完全断开或关断。在这个时期期间，电流可继续经由机械开关54流动到电网44，并且发电机42可丢失与电网44的同步。为了克服这个问题，当检测到电网事件时，控制器56还可发送第一控制信号，来更迅速地部分或完全切断发动机60的点火装置。当发动机60的点火装置部分或完全切断时，提供给发电机42的机械功率被降低或被控制。这又在这个时期期间的可接受极限之内调节发电机速度和转子角度。此外，可在发电机42与电网44之间保持同步。 [0039] 当操作机械开关54为断开时，将来自发电机42的电流重定向至电阻器52，并且电功率可作为热量跨电阻器52来耗散。由电阻器52在电网事件条件期间消耗的有功功率2 取决于电阻器52两端的电压，并且一般通过Vr/R给出，其中Vr是电阻器52两端的均方根(RMS)电压，并且R是电阻器52的电阻值。因此，如果Vr为0.3 pu并且R为0.1 pu，则由电阻器52所消耗的功率为0.9 pu，其几乎相当于由发电机42所供应的总功率。换言之，在这种情况下，电阻器52可消耗高达由发动机60向发电机42供应的功率的90%，并且因此在低电压条件期间极大地减小发电机加速度。因此，发电机42能够将其旋转速度或转子角度保持在可接受范围中，并不需要在电网事件期间或之后从电网44断开。 [0040] 在另一示例实施例中，在第一预定时间(120 ms)之后，控制器56可发送第三控制信号至发动机60的点火装置，以部分或完全接通发动机60。当发动机点火装置在更长持续时间(例如一个或多个发动机循环)不能完全切断时，这是特别有用的。具体来说，如果发动机60在预定时期之内没有接通，则非燃烧气体可积聚在发动机60的排气侧中。这又可导致废气本身的燃烧，并且可损坏发动机60。因此，为了克服这个问题，发动机60在第一预定时间之后部分或完全接通。 [0041] 如果控制器56确定电网事件在第二预定时间（例如自电网事件起的250 ms）之内被清除，并且POC处的电压回到发电机42能够向电网44供应功率的可接受水平，则触发机械开关54以被接通。具体来说，控制器56可向机械开关54发送第四信号，以闭合或接通机械开关54。按照与存在断开机械开关中的固有物理延迟类似的方式，机械开关54将要求一些时间来闭合。在一个示例中，机械开关可到自电网事件条件起的450 ms闭合。一旦机械开关54完全接通，来自发电机42的电流可流经机械开关54，并且因此恢复正常操作或者电网事件条件前。 [0042] 但是，如果电网事件在第二预定时间(250 ms)之内没有被清除，并且发电机42停下来，则发电机42需要从电网44断开，以避免因发电机转子与电网44之间的大角度而遭受到极其高的电流。在这个实施例中，控制器56可发送第五控制信号以断开发电机42。在一个示例中，第二预定时间可在自电网事件发生起的从大约220 ms至280 ms的范围中。在其他示例中，第二预定时间可由操作员基于电网规则要求来决定，并且一般是故障电压穿越的所需最大持续时间。换言之，如果电网事件在第二预定时间之内没有清除，则发动机60被切断，最终没有引起由发电机42向电网44供应的功率。 [0043] 图3(a)-3(e)示出根据本公开的一个示例的电阻制动操作的各个阶段，以及图4是相关流程图。所有时期都只是为了举例。图3(a)示出正常条件或者无电网事件条件(t<0)，其中机械开关54导通，而电阻器52没有导通，如通过图4中的步骤402所表示的。当机械开关54在本文中描述为“导通”并且电阻器52描述为“不导通”时，意味着电流主要通过机械开关54，而不是意味着排除某些少量电流流经电阻器52的可能性。在这个阶段期间，发电机电流70流经机械开关54并且没有流经电阻器52。在t=0(图3(b))，电网事件在电网中发生，以及在t=20 ms(图3(c))，由电阻制动系统46检测到电网事件，如通过图4中的步骤404所表示的。在一个实施例中，电网事件可基于电压信号、电流信号、速度信号、功率信号、转矩信号、转子角度信号或者它们的任何组合来被检测。如在图3(b)和图 3(c)中能够看到的，在这些阶段期间，发电机电流70仍然流经机械开关54，因为控制动作尚未启动。应当注意，这里示出的定时(即，t=0、20、120、250 ms等)仅只是为了说明性目的，并且在其他实施例中，定时可基于系统和控制参数。 [0044] 此外，在t=20 ms，当由电阻制动系统检测到电网事件时，将第一控制信号发送给发电机发动机，以便部分或完全切断其点火装置，如通过图4中的步骤406所表示的。同时或者此后不久，将第二控制信号发送给机械开关54，以将其断开，如通过图4中的步骤408所表示的。然而，机械开关54可花费某些时间以完全断开。在这个时期期间，发电机电流70可继续流经机械开关54。 [0045] 此外，在第一预定时间或者在第一预定时间之前，例如t ≤ 120 ms，机械开关被断开或切断，并且结果发电机电流70仅流经电阻器52并且没有流经机械开关54，如图3(d)中描绘的。在这个阶段，电阻器52用来吸收来自发电机42的电功率。此外，在第一预定时间之后，发送第三控制信号以接通发动机60的点火装置，如通过图4中的步骤410所表示的。在一个示例中，发动机点火装置接通回到电网事件前功率水平。这一般在其中发动机点火装置在较长持续时间(例如一个或多个发动机循环)不能被切断的实施例中进行。 [0046] 此后，控制器56检查电网事件是否在第二预定时间之内已经清除，如通过图4中的步骤412所表示的。如果电网事件在第二预定时间（例如在t ≤ 250 ms (图3(e))）之内被清除，则触发机械开关54以闭合或接通，如通过图4中的步骤414所表示的。在一个实施例中，连同电网事件清除一起，可检查POC处的电压，以确认电压回到发电机42能够向电网44供应功率的可接受水平。 [0047] 在触发机械开关54之后，机械开关54可花费某些时间，例如t=450 ms来完全闭合。在这个时期期间，发电机电流70可继续流经电阻器52，如图3(e)中示出的。此外，一旦机械开关54完全闭合、例如t=450 ms，则电阻制动系统46恢复到在电网事件之前的正常条件期间的它的初始状态。在这个阶段，发电机电流可流经机械开关54，如图3(f)中描绘的。 [0048] 此外，如果电网事件在第二预定时间（例如在t>250 ms(图3(g))）之后没有清除，并且POC处的电压低于电网规则所给出的电压分布，则触发发动机点火装置来完全被切断(如通过图4中的步骤416所表示的)，从而引起处于关断状态的机械开关54和发动机点火装置两者。因此，发电机42快速从电网44断开，最终没有引起由发电机42向电网44供应的功率。 [0049] 本文中所公开实施例的优点中的一个是实现更快和更长电阻制动。具体来说，如果系统仅包括具有并联电阻器(没有发动机控制)的机械开关，则制动功率的量和持续时间通过电阻器的电和热性质来限定，而反应速度通过机械开关的断开速度来定义。因此，这样的电阻制动的反应时间通过机械开关的速度(其可能是例如50 ms或更多)来限制。此外，具有并联电阻器而没有发动机控制的机械开关不能调节发电机的速度。另一方面，如果系统仅包括发动机控制(没有具有并联电阻器的机械开关)，则系统可对电网事件几乎立即反应，并且可以通过部分或完全切断发动机点火装置来控制发电机的速度，但是这个速度控制针对短时间，因为发动机不能被切断太长时间。因此，通过使用示范系统和方法，具有并联电阻器的机械开关与发动机控制相结合，以实现具有发电机速度调节能力的快速动作电阻制动系统。 [0050] 尽管本文中仅已经说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员将会想到许多修改和改变。因此将要理解，所附权利要求书意图涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这样的修改和改变。

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