CN102449869A

CN102449869A - 用于发电厂的改进内部电气化方案

Info

Publication number: CN102449869A
Application number: CN2009801595774A
Authority: CN
Inventors: L·吉尔特玛; D·科昂; J·潘; 陈瑶; R·W·维塞尔; A·A·巴百
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2009-06-01
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2029-06-01
Also published as: WO2011059425A2; WO2011059425A3; CN102449869B; EP2438668A2

Abstract

本发明提供了一种在发电厂中使用的装置。该装置包括：至少两个调速驱动器，每个在交流侧连接到相关辅助电动机；至少一个无功功率消耗辅助设备，其连接至交流母线；控制器；和转换器，用于在所述交流母线和直流母线之间将交流电流转换为直流电流或者进行相反转换；至少一个电源，配置为提供向所述直流母线提供功率；以及其中所述至少两个调速驱动器中的每个在直流侧连接到所述直流母线。

Description

用于发电厂的改进内部电气化方案

技术领域

本发明一般性地涉及发电厂，更具体地涉及配送和控制发电厂辅助设备中的功率消耗，以提高电厂效力和能量效率。

背景技术

热力发电厂一直是例如矿石燃料厂和核电厂中的用于发电的主要措施之一。据估计所产生的能量中有8％至10％作为内部电消耗被消耗在所谓的辅助负载中。所述辅助负载包括例如风扇、压缩机、泵的电厂运行所必需的设备，从而执行例如供水、燃烧供气、燃料和废料的传输等。

在一个典型的大规模电厂中，最大的能量消耗负载是风扇、泵和压缩机驱动器，典型额定功率为1-5MW并每年消耗5-40GWh。考虑到能量效率的需求，在相同的CO₂排放下提供更多的电力是有益的。因此，期望减少辅助负载的能量消耗。不仅减少有功功率消耗是有益的，而且也是有益的是在整个电厂中避免配送无功功率消耗，从而使得无功功率是局部的，并因此减少在电缆中的配送损耗。

发明内容

本发明的目的在于：将提供一种装置以避免在整个电厂中配送无功功率消耗，从而使得无功功率是局部的，并减少在发电厂辅助设备所需电缆中的配送损失。

本发明的另一目的在于：将显著地减少对用于辅助功率配送的外部交流电流的依赖性。

依据本发明，提供了一种在发电厂中使用的装置。该装置包括：至少两个调速驱动器，每个在交流侧连接到相关辅助电动机；至少一个无功功率消耗辅助设备，其连接至交流母线；控制器；以及转换器，用于在所述交流母线和直流母线之间将交流电流转换成直流电流或者进行相反转换；至少一个电源，配置为向所述直流母线提供功率；以及其中所述至少两个调速驱动器中的每个在直流侧连接到所述直流母线。

这就允许了将无功功率从主发电机中分离出来，并使得减少了电厂中主发电机的无功功率消耗。这就使得主发电机能够产生更多的有功功率，这增加了发电厂的输出。此外，至少那些通过转换器被连接到DC母线的谐波源被隔离开，这就简化了安装并减少了谐波复杂度，例如AC(交流)谐振、谐波损耗等。而且，因为AC母线由DC母线供电，就不需要在电力干线的线路上昂贵的变压器。由于有用于辅助设备的多个电源，辅助设备就不太可能故障，这就增加了发电厂供电的安全性。

所述至少一个电源可以包括变速驱动汽轮发电机。该汽轮发电机可作为负载和电源两者作用。

所述至少一个电源可包括高惯量风扇。该高惯量风扇至少在DC母线上电压临时跌变时，也可作为负载和电源两者作用。

所述至少一个电源可包括用于所述发电厂的启动电源。

所述至少一个电源可包括所述发电厂的主发电机的三次绕组。使用所述三次绕组和所连接的转换器，整个发电厂的无功功率能够通过使用所述三次绕组和直流母线之间的转换器而被控制。

所述至少一个电源可从转动动能产生电力。

所述至少一个电源可从风扇的转动动能产生电力。

所述控制器可被配置为控制所述至少一个电源，以由此控制所述直流母线的电压。

所述控制器可被配置为控制多个电源中的至少一个电源，以由此控制所述直流母线的电压。

所述装置可进一步包括：开关设备，其提供在所述至少两个调速驱动器中每个的所述交流侧。

所述装置可包括两个直流母线，每个根据前述权利要求中的所述直流母线配置。

所述直流母线中的每个可被连接至共同交流母线。

一般而言，所有在权利要求中使用的术语将根据它们在技术领域中的惯常意义进行解释，除非在此另外地进行了明确地限定。除非另外进行了明确地说明，所有提及的“一/一个/元件、设备、组件、装置、步骤等”将被开放性地解释为指代：元件、设备、组件、装置、步骤等的至少一个实例。除非进行明确地说明，在此公开的任何方法中的步骤并非必须以所公开的准确顺序来执行。

附图说明

现通过例子参考所述附图对本发明进行描述，其中：

图1是描述本发明实施例与DC母线使用的示意图，

图2是在本发明实施例中的图1所示DC母线的示意图，

图3a和图3b是描述两个以图1中的DC母线进行布线的实施例的示意图，以及

图4是示出使用两条DC母线的本发明的实施例的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图，对本发明进行充分地说明，在附图中示出了本发明的特定实施例。但是，本发明可以许多不同的方式被实施，不应该将其解释为仅限于此处所提出的实施例；相反地，这些实施例通过示例而被提供，以使得公开是彻底而完整的，并向本领域技术人员完全传达本发明的范围。在通篇的描述中，相同的标号指的是相同的组件。

图1是描述本发明实施例与DC母线使用的示意图。DC母线通过转换器315””和可选变压器343被连接至用于辅助设备的AC母线106。功率能够在AC母线106和DC母线之间的两个方向中流动。开关设备344可提供于变压器343的任一侧。可选的，滤波器347被提供以使AC母线106上的功率更呈正弦曲线。

AC母线因此仅由DC母线供电，由此没有从主发电机汲取无功功率。即使DC母线是由干线提供功率，因为存在向直流(DC)的转变和从直流的转换，也所以没有无功功率消耗。在现有技术中已知的系统中，在从主发电机线路上汲取功率时，在主发电机线路上会有显著的无功功率消耗。

多个调速驱动器309a-z，其也称为变速驱动器，也被连接至DC母线312，以从DC母线312获得电力来驱动各个相关负载317a-z，例如用于风扇、泵的电动机等。这些电动机用于辅助负载。在本实施例中，各个调速驱动器309a-z包括逆变器315a-z，并且各个调速驱动器还被连接到电容313a-z以滤除高频分量，否则所述高频分量会被传送到DC母线312上。

所述DC母线还通过转换器315”’被连接至开关设备349a-b。一方面，开关设备349a-b可被连接至启动电源341。所述启动电源在发电厂启动时使用，例如所述起动源可为柴油发电机或者为二次电网，可选地是通过变压器而被连接。另一方面，开关设备349a-b可通过三次绕组被连接至主发电机103。这里，故障限流器348被提供以防止故障电流。要注意的是，电能可在从DC母线312至转换器315”’之间双向流动，这由控制器125控制。因此，传至变压器103或者来自变压器103的无功功率可被控制。

考察用于辅助装置107a-z的AC母线106，在现有技术中其被典型地连接至发电机101的输出，例如在传感器122a和传感器124b之间。这在发电机101和变压器103之间需要开关设备以便能够断开到AC母线的支线。在本实施例中，对于支线，开关设备349b而是被提供以期望的电压，这样，开关设备201可被置于变压器103和相连接的输电网202之间。通过将开关设备201置于高压，通过开关设备201的电流被减少，相比于在发电机101和连接至变压器103的支线之间需要开关设备，这就显著地减少了成本。

进一步地，变速发电机331通过转换器315”被连接至DC母线312。所述发电机被连接至单级或二级(1 step or 2 step)汽轮机332，该汽轮机接收抽汽337并提供所述抽汽到(辅助)冷凝器339。汽轮机332也被连接至供水泵333。该供水泵被连接至入口335和出口334。以这种布置，发电机将蒸汽压力形式的能量转换为电能，该电能被转换器315”转变为直流到DC母线312上。发电机也可相反地作为电动机进行工作，其从DC母线312收集电能，该电能通过转换器315”被转换为交流。这样，发电机/电动机331然后使用汽轮机332从在低蒸汽压力可获取的扭矩增加至泵的扭矩。换句话说，提供了一种在直流电能和扭矩、泵速之间的双向(可逆的)转换，从而允许蒸汽压力作为一个能量储存源。所述蒸汽可以多种方式被连接例如以获取合适压力。

高惯性风扇317’本质上是一辅助负载，其利用电容器313’通过调速驱动器309’被连接至DC母线312。所述调速驱动器包含逆变器315’。因为风扇的惯性，转动动能可用作电源，并被转换为电能，该电能由转换器315’转换为直流电流并被提供到DC母线312。因此，所述风扇也可用作电源，其使用存储为风扇中的转动动能的能量作为临时能量存储。因为风扇317’通过其自己的调速驱动器309’被连接至DC母线312，因此在启动时所述风扇通过调速驱动器309’被适当地控制。

利用这种布置，控制器125可控制使用多个不同组件的DC母线312的电压。有多个能量源，在这个实施例中为五个能量源：发电机331、风扇317’、启动电源341、主变压器103和AC母线106’。而且，调速驱动器309a-z也可被控制。这就提供了能量消耗和/或产生的很大灵活性。例如，电厂辅助设备的无功功率使用可被控制，而且有功功率可以很大的灵活性被控制。这能够有助于在正常运行时提供需要的功率或者能够在紧急情况时提供额外的电源。而且，针对DC母线使用多于一个的电源为在任何电源故障时提供了冗余。

将要注意的是，并非所有的电源都是必需的，任何电源的合适组合均可使用。

在一个实施例中，传感器被布置为向控制器125提供包含无功功率的信号。例如，存在有三个传感器124a、124b、124c，它们可测量由整个发电厂产生的无功功率，和三次绕组上传送的无功功率。例如传感器124a-c可包括电压计、电流计和相位计，以用于得到无功功率。在本实施例中，传感器124a-c包括在设备123中，以用于保护主变压器103。要注意的是，对于能够测量无功功率的传感器124a-c，仅仅需要传感器124a-c其中之一，而不必如图1中所示为两个或者三个；更多的传感器提供了检测变压器绕组故障的能力，并也提供了冗余。传感器124a-c发送信号到控制器125。这允许控制器125例如调整转换器315”’，以便得到整个发电厂的期望的无功功率(在误差范围中)。这个期望的无功功率可以为设定值，要么由电厂操作员指令，要么独立的，或是作为来自输电系统操作员的指令的结果。在一个例子中，所述输出到输电网202的期望的无功功率可为零。换句话说，仅有功功率从发电厂被输出。无功功率可为发电厂的期望电压控制的结果。

替代地或者附加地，第二组传感器122a-b测量主发电机101的无功功率，并将该无功功率以信号的形式提供给控制器125。这些传感器122a-b可实施于用于保护主发电机101的设备121中。

可选地，所有的传感器122a-b、传感器124a-c使用变压器被连接至内部电力母线，以加强安全性。

可选地，所有的传感器122a-b、传感器124a-c可通过数据总线118与控制器125通信，这简化了传感器122a-b、124a-c与控制器125之间的连接。附加地，从控制器至调速驱动器309a-z的信号可经相同的数据总线118进行发送，或者经不同的数据总线(未示出)进行发送。出于冗余目的，数据总线118可为两条物理母线。

在本实施例中，开关设备348a-z、349a-d被提供在转换器的交流侧。可选地，所述转换器包括断路器，其在转换器卸载时可被使用。

图2是图1中DC母线的实施例的示意图。DC母线312包括两条线，正线160和负线166。所述两条线通过两电容器162、164被相互串联地连接。在电容器162、164之间的连接中，有一线是接地168。以这种结构，需要注意的是，图1中的电容器313a-z没有直接连接到地；他们被连接以适应DC母线312的布置。

在本实施例中，对任何交流电流使用至少三相，对直流电流使用至少两条线。

图3a是显示了图1中DC母线的实施例的示意图，在该图中辅助电动机连接至电源转换器的AC电缆的长度被减少了。为了不使本公开难于理解和混乱，省去了阐明本实施例各方面所不需要的组件。DC母线312通过较长的DC电缆被连接至转换器309a-309d。这以DC母线312和转换器309a-d之间的DC线缆连接更长作为代价，允许了转换器309a-d与电动机317a-d之间的各个连接350a-d变短。

对于相同的额定功率，因为当DC电缆仅携带有功功率时AC电缆也不得不携带无功功率，所以可以使DC电缆可比等同的AC电缆更细。因此，这种布局导致了母线和最终的电动机317a-3d之间的电缆的成本降低。替代地，相比于AC电缆，用于DC电缆的相同尺寸电缆会造成更低的损失。

图3b是显示了图1中DC母线的实施例的示意图，该图中转换器309a-d被置于中心处。为了不使本公开难于理解和混乱，省去了阐明本实施例各方面所不需要的组件。此处，DC母线312被集中于中心位置，例如壳352处。各个转换器309a-d被置于壳352中。这就导致转换器309a-d和电动机317a-d之间的连接电缆更长。尽管这导致连接电缆的更高成本，但是通过允许一个壳352包含DC母线和转换器，使得安装被简化了。壳352可是基于一个或者多个联运货物集装箱，其允许在供应商处进行组装和初始测试，这就减少了复杂度和安装DC母线和转换器所需的时间。

图4是显示了本发明实施例的示意图，该图中使用两条DC母线312a-b。DC母线312a-b、转换器315”a-b、变速发电机331a-b、汽轮机332a-b、冷凝器339a-b、供水泵333a-b各自以对应于参照图1在前面所解释的方式进行工作。具体地说，DC母线典型地具有多个电源和连接于所述电源的使用功率的设备，尽管这样，出于清楚的原因，在此没有示出。具有一个蒸汽源337(尽管其可被分开为两个蒸汽源)。相似地，汽轮机332a-b可被结合在单个汽轮机中。AC母线106通过转换器被连接至两个DC母线。这就提供了一种安全冗余系统。

已经参照一些实施例，在上文主要地对本发明进行了描述。但是，易于被本领域技术人员理解的是，如所附专利权利要求书所限定的那样，除了上述公开的实施例以外的其它实施例同样可能在本发明的范围之内。

Claims

1.一种在发电厂中使用的装置，所述装置包括：

至少两个调速驱动器(309a-z，309’)，每个在交流侧连接到相关辅助电动机(317a-z，317’)；

至少一个无功功率消耗辅助设备(107a-z)，其连接至交流母线(106)；

控制器(125)；和

转换器，用于在所述交流母线和直流母线(312)之间将交流电流转换成直流电流或者进行相反转换；

至少两个电源，配置为向所述直流母线(312)提供功率；以及

其中所述至少两个调速驱动器(309a-z，309’)中的每个在直流侧连接到所述直流母线(312)。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个电源包括：变速驱动汽轮发电机。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器配置为控制所述变速驱动汽轮发电机，以由此控制所述直流母线的电压。

4.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个电源包括：高惯量风扇。

5.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个电源包括：用于所述发电厂的启动电源。

6.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个电源包括：所述发电厂的主发电机的三次绕组。

7.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个电源从转动动能产生电力。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述至少一个电源从风扇的转动动能产生电力。

9.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述控制器被配置为控制所述至少一个电源，以由此控制所述直流母线的电压。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器配置为控制多个电源中的至少一个电源，以由此控制所述直流母线的电压。

11.根据前述任一权利要求所述的装置，进一步包括：开关设备，其提供在所述至少两个调速驱动器中每个的所述交流侧。

12.根据前述任一权利要求所述的装置，其中所述装置包括两条直流母线(312a-b)，每条直流母线(312a-b)根据前述权利要求中的所述直流母线被配置。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述直流母线中的每条连接至共同交流母线。