[发明专利]对静态能量供应单元的运行进行控制的方法以及用于静态能量供应单元的控制器

说明书

技术领域

本发明涉及用于静态能量供应单元的控制器，尤其是用于向交流供电网络或交流电网供应交流电的控制器类型。可对单元快速控制，典型的是再现连接于该供电网络的交流同步发电机的功率响应。

背景技术

在典型的交流电网系统中，发电单元可以向交流供电网络或电网提供交流电。发电单元通过带断路器以及相关控制器件的保护开关装置连接至供电网络。类似的，电负载也通过保护开关装置连接至供电网络。

发电单元可以包括一蒸气涡轮装置，该蒸气涡轮装置生成蒸气并供应至涡轮机组。涡轮机组的一轴与一交流同步发电机的转子直连或通过一齿轮箱相连。发电机的定子端部上的定子电压的交流频率与转子的转速成正比。供电网络的交流频率是被监控的并被用于控制发电单元的运行以将交流频率控制在一可接受的范围内，该可接受的范围通常由电网接入标准确定。例如，可用一闭环放大器将供电网络的实际频率与一参考频率(例如在欧洲为50Hz)进行比较。如果供电网络的频率下降，该下降可能是由于连接的电负载消耗的能量的增加导致的，则可通过增加涡轮机组的蒸气供给量来增加发电机的输出，反之亦然。由于供电网络的频率值与发电机的轴的转速直接关联，有时用轴的转速的测量值作为闭环放大器的一个输入会更加方便。

发电单元设计为随着需要的交流负载能量的增加，供电网络的频率仅发生微小变化。通过这样的设计，如果多个发电单元并联连接于供电网络，它们可以对交流负载能量的变化同时做出响应(并行下垂控制)。如果一个或多个并联发电单元与供电网络连接或断开，发电单元还能够受控制以对电能的变化做出响应。

类似的控制方案可以用于不同类型发电单元，例如燃气轮机装置或柴油发电机，以改变供应至发电机的能量。

当交流同步发电机的负载较小时，相比供电网络的交流电压向量而言，其电动势(emf)电压向量仅会具有一很小的(或甚至为零的)相移。然而，当交流同步电机负载较大时，相比供电网络的交流电压向量而言，其电动势(emf)电压向量会具有一很大的相移。这是交流同步发电机的基本动作，且容易理解的是相移将随负载的变化成比例增加。如果供电网络的频率突然下降，则相移会增大且由交流同步发电机提供的电能肯定会增加。该电能的增加最初来自交流同步发电机的转动惯量，这使用了交流同步发电机的固有属性，即相移增加会导致提供的功率的增大。该惯性能量会降低供电网络的频率的下降速率，然而，定子电压的频率会继续下降直至发电机控制器有时间提高涡轮的蒸汽供给量，而对涡轮的蒸气量的控制是通过其动作较慢的控制系统在测量交流供电网络的频率后做出的。

附图1图形化的示出了供电网络的瞬时运行状态。图形(a)示出了供电网络上的负载在时间T1突然增加。图形(b)示出了供电网络的频率如何从时间T1开始稳步下降直至在时间T2向涡轮机提供额外的蒸汽以将供电网络的频率稳定在一较低的水平。图形(c)示出了交流同步发电机如何在时间T1快速响应以及如何作为对由于如图形(a)所示供电网络上的负载的突然增加导致的相移的增加的响应而增加输出功率。该快速增加的输出功率的能量最初来源于发电机的作为对相变的固有响应产生的转动惯量。由于发电机控制系统测量到供电网络的频率降低，因此，在T1时间的快速增加之后，输出功率的增加变慢，直至在时间T2达到一具有较高输出功率但较低的供电网络频率的稳定运行状态。此后，就可控制系统将供电网络的频率恢复至期望的频率(例如50Hz)了。由此可见，一交流发电机的典型功率响应是由发电机控制系统基于对供电网络的频率的测量结果提供的一快但较小的最初基于惯量的响应以及一其后的慢但较大的最终响应的结合。该较小的最初基于惯量的响应与该慢但较大的最终响应的比主要决定于发电机的转动惯量与发电机的额定功率之比。这是因为该基于惯量的功率与发电机的转速、发电机的转动惯量以及供电网络频率的变化率成比例。因此，基于惯量的响应的幅度已经被发电机的转动部分的物理设计决定且不会轻易的被控制系统改变。

根据交流同步发电机的运行条件不同，在经历负载的突然变化的过程中，交流同步发电机为供电网络提供电能的方式有多种。例如，如果发电机处于最小输出状态时，其只能对负载的突然增加做出响应；相反，如果发电机处于最大输出状态时，其仅能对负载的突然减小做出响应。因此，对于一般的运行条件，发电机通过其转动惯量有效的降低负载的突然变化对供电网络频率的影响。