發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法，其發(fā)電機(jī)采用多支路定子繞組結(jié)構(gòu)，每條支路獨(dú)立運(yùn)行，各支路發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流、逆變后分別給負(fù)載供電，采集輸出功率最大支路的端電壓作為反饋信號(hào)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，維持其端電壓恒定。與發(fā)電機(jī)作為整體統(tǒng)一發(fā)、輸電的傳統(tǒng)獨(dú)立電源相比，當(dāng)發(fā)電機(jī)容量在兆瓦級(jí)以上時(shí)，本發(fā)明克服了大容量輸電線路存在的大電流接觸器問題，避免了使用變頻器供電時(shí)電流等級(jí)和冷卻困難等問題，解決了提高獨(dú)立電源系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和擴(kuò)大容量急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，具有很大的實(shí)用價(jià)值。
【專利說明】發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電氣工程領(lǐng)域，涉及一種發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法。

【背景技術(shù)】
[0002]本專利受國家863項(xiàng)目(2012AA061303)及國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ05024207)資助。近年來，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源分布不均衡而造成的電力緊缺現(xiàn)象突出，使獨(dú)立電源在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用更為明顯。與集中式供電相比，獨(dú)立供電系統(tǒng)呈現(xiàn)出了突出的優(yōu)點(diǎn)，它具有可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)模塊化和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，其作為主電源或備用電源在船舶、航空、醫(yī)院、應(yīng)急、救災(zāi)、礦山、石化等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，與大電網(wǎng)配合，獨(dú)立電源可大大的提高供電可靠性，可在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害情況下，維持重要用戶供電，可避免一些災(zāi)難性后果。
[0003]隨著原油價(jià)格猛增，促進(jìn)了對(duì)致密油氣、頁巖油氣以及煤層氣等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)，對(duì)獨(dú)立電源的單機(jī)容量要求越來越高，迫切需求大容量的發(fā)電機(jī)組，同時(shí)大量高性能艦船的生產(chǎn)也加劇了這種需求。目前，對(duì)于功率等級(jí)在500kW以上的中大型電機(jī)，為了減小定子電流，通常采用6kV以上的電壓等級(jí)，這種電壓等級(jí)不僅給電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)帶來諸多問題，更重要的是相應(yīng)的高壓變頻器以及電力電子器件價(jià)格昂貴，性價(jià)比低；石油、礦山、石化、船舶等領(lǐng)域通常采用低壓用電設(shè)備，為了省去中間變壓環(huán)節(jié)，常采用低壓發(fā)電機(jī)組；采用低電壓等級(jí)時(shí)，會(huì)使定子電流過大，低壓大功率變頻器常常需要采用水冷的冷卻方式，并且目前低壓大功率變頻器的極限電流值在2000A以內(nèi)，大電流變頻器及電力電子器件價(jià)格昂貴。
[0004]針對(duì)上述現(xiàn)狀，為了降低低壓發(fā)電機(jī)組、輸電線路、用電設(shè)備中的電流，擴(kuò)大獨(dú)立電源的容量，國內(nèi)外的研宄比較活躍。代表性的專利有:發(fā)明專利“低壓大功率多支路交流電動(dòng)機(jī)的多變頻器調(diào)速系統(tǒng)”(200810011050.4)，發(fā)明專利“一種低壓大功率多支路永磁同步電動(dòng)機(jī)”(200810010920.6)，發(fā)明專利“一種低壓大功率多支路三相異步電動(dòng)機(jī)”(200810010919.3)，上述三個(gè)發(fā)明專利針對(duì)的都是低壓大功率多支路電動(dòng)機(jī)，介紹了電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和供電方式；發(fā)明專利“多定子繞組永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法”(201210475820.7)針對(duì)的是多定子永磁發(fā)電機(jī)，多個(gè)定子發(fā)出的電能各自整流并聯(lián)電容值相等的電容后串聯(lián)，各個(gè)串聯(lián)的電容分別通過逆變器與電網(wǎng)相連，其側(cè)重點(diǎn)在于如何通過控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并網(wǎng)。上述專利從不同角度，不同程度上降低了供電系統(tǒng)中的流通電流，但還不夠全面，不能徹底解決整個(gè)低壓供電系統(tǒng)中的大電流問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:
為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法，發(fā)電機(jī)采用多支路繞組結(jié)構(gòu)，各支路間彼此相互獨(dú)立，在原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，多支路發(fā)電機(jī)各個(gè)支路發(fā)出的三相交流電先經(jīng)整流模塊整流，得到的直流電通過逆變器變?yōu)殡妷悍?、頻率可控的三相交流電給負(fù)載供電。
[0006]數(shù)據(jù)處理單元輸出最大負(fù)載支路的電壓信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)電路后控制原動(dòng)機(jī)的燃料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速維持該支路端電壓恒定，使原動(dòng)機(jī)燃料閥隨負(fù)載的變化而變化，當(dāng)然，這里只是以這種控制策略舉例，該控制策略也適用于其它控制策略的發(fā)電機(jī)組。
[0007]技術(shù)方案:
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的:
一種發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法，其特征在于:供電策略為多支路發(fā)電機(jī)各支路的引接線獨(dú)立引出連接到電機(jī)的接線板，各支路發(fā)出的交流電能分別經(jīng)整流、逆變電路獨(dú)立為負(fù)載供電。
[0008]發(fā)電機(jī)組包括原動(dòng)機(jī)、多支路發(fā)電機(jī)和整流模塊；多支路發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，多支路發(fā)電機(jī)的各個(gè)支路獨(dú)立引出接線端子、獨(dú)立運(yùn)行，各支路發(fā)出的交流電通過交流電抗器后分別輸入各整流模塊的輸入端，各整流模塊的正極輸出端通過直流電抗器和直流母線連接逆變器的正極輸入端，整流模塊的負(fù)極輸出端通過預(yù)充電回路連接逆變器的負(fù)極輸入端，能耗制動(dòng)電路與電容組并聯(lián)，電容組并聯(lián)在逆變器輸入端的正極與負(fù)極之間；逆變器的輸出端連接負(fù)載；多支路發(fā)電機(jī)輸出端設(shè)有電壓、功率檢測(cè)元件，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元、PI調(diào)節(jié)器后作為控制信號(hào)調(diào)節(jié)燃料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，燃料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0009]發(fā)電機(jī)為多支路發(fā)電機(jī)，且各支路彼此相互獨(dú)立運(yùn)行。
[0010]根據(jù)負(fù)載的種類、數(shù)量、容量，決定發(fā)電機(jī)引出的并聯(lián)支路數(shù)，同時(shí)，由多個(gè)支路為同一個(gè)大容量的負(fù)載供電，當(dāng)某一支路發(fā)生故障時(shí)，切換到其它或備用支路，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。
[0011]優(yōu)點(diǎn)和效果:
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下:
1、當(dāng)采用永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，轉(zhuǎn)子無需勵(lì)磁，省去了勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，具有顯著的節(jié)能效果，同時(shí)省去了電刷、滑環(huán)，減少了電力電子器件，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本。
[0012]2、本發(fā)明中發(fā)電機(jī)無需發(fā)出恒定頻率的交流電，通過電壓反饋實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，替代了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的機(jī)械式的轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。
[0013]3、逆變器采用IGBT作為開關(guān)器件，配合續(xù)流二極管可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，采用不可控整流電路控制簡單，成本低，每條直流母線并聯(lián)的電解電容具有能量存儲(chǔ)、緩沖的功能，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量回饋，如位能負(fù)載下降時(shí)，可將其產(chǎn)生的能量回饋到直流母線，供其它負(fù)載使用，大大提高了系統(tǒng)的效率，具有節(jié)能效果。
[0014]4、該系統(tǒng)用整流后得到的直流電源通過逆變器給負(fù)載供電，通過調(diào)整逆變器的參數(shù)，該獨(dú)立電源可以同時(shí)給不同額定電壓、額定頻率的負(fù)載供電，適用性強(qiáng)，采用逆變器取代了傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器，降低了成本。
[0015]5、該系統(tǒng)采多支路發(fā)電機(jī)發(fā)電，各支路經(jīng)整流后分別給負(fù)載供電，可以降低每條直流輸電線路電流，減少損耗；該供電系統(tǒng)可以留有備用支路，使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，若某一支路發(fā)生故障可以及時(shí)切換，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性、可靠性。
[0016]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明的功能結(jié)構(gòu)框圖1，此時(shí)各路直流母線分別為各自的負(fù)載供電。
[0017]圖2為本發(fā)明的功能結(jié)構(gòu)框圖2，此時(shí)存在多路直流母線為同一負(fù)載供電。
[0018]圖3為3路直流母線為同一負(fù)載供電時(shí)直流母線、逆變器與負(fù)載的連接示意圖。
[0019]圖4為8支路發(fā)電機(jī)接線板的示意圖，此時(shí)各支路繞組采用星接，且中性點(diǎn)已在繞組端部短接。
[0020]圖中:1-原動(dòng)機(jī)、2-多支路發(fā)電機(jī)、3-交流電抗器、4-直流電抗器、5-預(yù)充電回路、6-能耗制動(dòng)電路、7-電容組、8-直流母線、9-電壓、功率檢測(cè)元件、10-整流模塊。
[0021]【具體實(shí)施方式】:
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說明:
本發(fā)明原理如下:
本發(fā)明采用多支路發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，對(duì)于大功率發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)可以采用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)。在不調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)，由于電壓調(diào)整率的存在，發(fā)電機(jī)的輸出電壓與負(fù)載大小有關(guān)，感性負(fù)載時(shí)隨著負(fù)載的增大而降低。數(shù)據(jù)處理單元采集各支路的輸出功率，把輸出功率最大支路對(duì)應(yīng)的端電壓輸出作為反饋信號(hào)來調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的燃料控制閥。由于其它支路的負(fù)載相對(duì)較小，輸出電壓會(huì)高于電壓給定值，此時(shí)，可通過可控整流電路把輸出電壓降至額定值以滿足負(fù)載需求，若通過逆變器給負(fù)載供電，由于其電壓輸入范圍較大，也可采用不可控整流。
[0022]發(fā)電機(jī)的支路數(shù)可以根據(jù)負(fù)載的情況確定，其中，發(fā)電機(jī)采用雙層整距繞組時(shí)，發(fā)電機(jī)的最大支路數(shù)等于電機(jī)的極數(shù)；發(fā)電機(jī)采用雙層分?jǐn)?shù)槽繞組時(shí)，發(fā)電機(jī)的最大支路數(shù)等于電機(jī)的極數(shù)與每極每相槽數(shù)分母的比值；發(fā)電機(jī)采用單層繞組時(shí)，發(fā)電機(jī)的最大支路數(shù)等于電機(jī)的極對(duì)數(shù)。
[0023]發(fā)電機(jī)采用多支路分擔(dān)了原有發(fā)電機(jī)的額定電流，降低了電機(jī)繞組電流，采用多路直流母線并行傳輸，分擔(dān)了輸電線路中的電流，降低了整流模塊和逆變器的容量?？梢愿鶕?jù)負(fù)載的大小，決定投入運(yùn)行的支路數(shù)，提高系統(tǒng)的負(fù)載率，提高節(jié)能效果，當(dāng)負(fù)載的容量相差較大時(shí)，針對(duì)大容量的負(fù)載，可以使用多個(gè)支路為該負(fù)載供電，為了使一同供電的多個(gè)逆變器輸出相同的電壓幅值、頻率、相位相同，采用一個(gè)主逆變器，多個(gè)從逆變器，主逆變器與從逆變器通過同步信號(hào)線連接。
[0024]剛接通電源瞬間，電容器兩端相當(dāng)于短路，為了保護(hù)整流器的元件不會(huì)因電容器瞬間的短路電流而損壞，在各支路中設(shè)置了預(yù)充電電路，預(yù)充電電路在這里起到了限制電源接通瞬間對(duì)電容器充電電流的作用。
[0025]當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，而其它負(fù)載不足以吸收該回饋能量時(shí)(或無其他負(fù)載)，為了消耗多余的能量，各個(gè)支路加入了能耗制動(dòng)電路，包括制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元的控制電路，當(dāng)直流回路的電壓超過規(guī)定的限值時(shí)，接通耗能電路，使直流回路通過制動(dòng)電阻后以熱能方式釋放能量。
[0026]實(shí)施例1:
圖1是一種發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法，其供電策略為多支路發(fā)電機(jī)各支路的引接線獨(dú)立引出連接到電機(jī)的接線板，各支路發(fā)出的交流電能分別經(jīng)整流、逆變電路獨(dú)立為負(fù)載供電。該供電方法的發(fā)電機(jī)組包括原動(dòng)機(jī)1、多支路發(fā)電機(jī)2、交流電抗器3，整流模塊，直流電抗器4，預(yù)充電回路5，能耗制動(dòng)電路6，電容組7，電壓、功率傳感器9，PI調(diào)節(jié)器，燃料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和逆變器等構(gòu)成。該供電系統(tǒng)的能量流動(dòng)方向?yàn)?原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)多支路發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，其中原動(dòng)機(jī)可以為內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)等，發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)可控整流電路后變?yōu)橹绷麟娫?，直流電源通過逆變器給負(fù)載供電。為了降低發(fā)電機(jī)輸出側(cè)電流的諧波含量，提高其功率因數(shù)，每條支路加入了交流電抗器3和直流電抗器4。為了保護(hù)整流器的元件不會(huì)因電容器瞬間的短路電流而損壞，在啟動(dòng)原動(dòng)機(jī)的時(shí)候?qū)㈩A(yù)充電回路5的開關(guān)斷開，限制電源接通瞬間對(duì)電容器充電電流，當(dāng)電容兩端電壓穩(wěn)定后將開關(guān)閉合，避免電阻耗能。整流電路中的電容組7具有能量存儲(chǔ)、緩沖的作用，當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)，且反饋能量大于其它負(fù)載的需求時(shí)，接通能耗制動(dòng)電阻，使多余的反饋能量通過制動(dòng)電阻以熱的形式消耗掉。數(shù)據(jù)處理單元采集各支路的輸出功率，把輸出功率最大支路對(duì)應(yīng)的端電壓輸出作為反饋信號(hào)來調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的燃料控制閥，通過改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速維持輸出功率最大支路的電壓不變，由于其它支路的負(fù)載相對(duì)較小，輸出電壓會(huì)高于電壓給定值，此時(shí)，可通過可控整流電路把輸出電壓降至額定值以滿足負(fù)載需求。
[0027]如圖1所示，發(fā)電機(jī)采用8支路時(shí)的實(shí)施方式為:8支路發(fā)電機(jī)的各個(gè)支路星接后分別引出三條輸出線到接線板如圖4所示，各支路分別整流后經(jīng)8路直流母線傳輸給逆變器為各自負(fù)載供電。
[0028]如圖2所示，存在多路直流母線為同一負(fù)載供電情況，8條支路中的三路并聯(lián)后為負(fù)載Ml供電，兩條并聯(lián)后為負(fù)載M2供電，另外三條各自獨(dú)立運(yùn)行，分別為負(fù)載M3、其它負(fù)載、備用負(fù)載供電。為了實(shí)現(xiàn)多并聯(lián)支路為同一負(fù)載供電，需要各并聯(lián)逆變器同步運(yùn)行，為了實(shí)現(xiàn)主逆變器和兩個(gè)從逆變器的同步運(yùn)行，采用圖3所示方法。主逆變器通過兩個(gè)同步信號(hào)線與兩個(gè)從逆變器連接，使三者輸出幅值、頻率、相位相同的電壓為負(fù)載供電。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法，其特征在于:供電策略為多支路發(fā)電機(jī)各支路的引接線獨(dú)立引出連接到電機(jī)的接線板，各支路發(fā)出的交流電能分別經(jīng)整流、逆變電路獨(dú)立為負(fù)載供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法，其特征在于:發(fā)電機(jī)組包括原動(dòng)機(jī)(1)、多支路發(fā)電機(jī)(2)和整流模塊；多支路發(fā)電機(jī)(2)由原動(dòng)機(jī)(I)驅(qū)動(dòng)，多支路發(fā)電機(jī)(2)的各個(gè)支路獨(dú)立引出接線端子、獨(dú)立運(yùn)行，各支路發(fā)出的交流電通過交流電抗器(3)后分別輸入各整流模塊的輸入端，各整流模塊的正極輸出端通過直流電抗器(4)和直流母線(8)連接逆變器的正極輸入端，整流模塊(10)的負(fù)極輸出端通過預(yù)充電回路(5)連接逆變器的負(fù)極輸入端，能耗制動(dòng)電路(6)與電容組(7)并聯(lián)，電容組(7)并聯(lián)在逆變器輸入端的正極與負(fù)極之間；逆變器的輸出端連接負(fù)載；多支路發(fā)電機(jī)(2)輸出端設(shè)有電壓、功率檢測(cè)元件(9)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元、PI調(diào)節(jié)器后作為控制信號(hào)調(diào)節(jié)燃料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，燃料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)(I)的轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法，其特征在于:發(fā)電機(jī)為多支路發(fā)電機(jī)，且各支路彼此相互獨(dú)立運(yùn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)各支路獨(dú)立運(yùn)行的高容錯(cuò)性供電方法，其特征在于:根據(jù)負(fù)載的種類、數(shù)量、容量，決定發(fā)電機(jī)引出的并聯(lián)支路數(shù)，同時(shí)，由多個(gè)支路為同一個(gè)大容量的負(fù)載供電，當(dāng)某一支路發(fā)生故障時(shí)，切換到其它或備用支路，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。
【文檔編號(hào)】H02P103/00GK104485863SQ201410721619
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】馮桂宏, 何功飛, 張炳義, 張化光 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)