[发明专利]高相序发电机

说明书

技术领域

本发明涉及高相序发电机装备领域。特别地，本发明涉及利用同步发电机进行发电，其中所述同步发电机经由静止变频器供电并且所述同步发电机产生偏离主频的频率。

更具体地，本发明涉及利用机械能产生电能的设备，该设备包括用于将机械能变换为多相交流电流的发电机和用于将所述多相交流电流变换为所期望的交流输出电流的矩阵变换器。此外，本发明还涉及用于运行该设备的方法。

背景技术

在发电中，在规定的输出下，涡轮机旋转速度的增加与尺寸和成本的减小相关联。也可以提高效率。迄今为止，70MW的发电涡轮机通过齿轮装置连接到发电机，从而允许在更高的涡轮机旋转速度下运行。当输出增加时，使用齿轮装置由于可靠性原因而变得越来越困难。在这种情况下，涡轮机以同步速度运行。

静止变频器(电力电子)的使用表现为可选择性地提供许多优点，例如在满足恒定产量和旋转速度、50Hz和60Hz的标准发电机、可调节速度的情况下降低发电机的成本，其中所述可调节速度能够恢复涡轮机的部分负荷效率、显著减少噪音、清洁(无油)冷却等。

在发电情况下和驱动情况下，降低静止变频器的损耗都将产生显著的成本节省。降低损耗最重要的是关系到投资成本，这是因为冷却占了变换器总成本的大部分。

静止变频器存在有间接的AC/DC/AC变换和直接的AC/AC变换。

间接变换(AC/DC/AC)是通过利用三相电源(在电动机情况下是干线；在发电情况下是发电机)产生直流电流或直流电压而进行的。随后，将该直流电流或直流电压通过逆变器变换回交流电流。将电感器(电流源型变换器)或电容器组(电压源型变换器)接入中间电路，以便降低电流的纹波成分或尖峰。

当前的变换器使用晶闸管。如果晶闸管的自然换向可行，则可以降低变换器的损耗。电压源型变换器使用固有开关损耗高的GTO，也使用IGBT或者IGCT。单个部件的功率容量都小于晶闸管的功率容量，因此对于规定的电压和规定的电流，需要更大数量的部件。电压源型变换器可以从使用脉宽调制技术中受益，这种脉宽调制技术可以改善电流曲线的波形并且减少谐波。除了关于损耗和电介质疲乏以外，开关频率越高越好。可以将电流主要产生为正弦形状，从而避免了电机的功率降额。

例如，利用所谓的周波变频器可以进行直接变换(AC/AC)。从电机的观点来看，直接变换提供显著的优点，这是因为电流或多或少是正弦形状而不是经斩波的直流电流。它降低了电机另外出现的损耗并且还防止脉动转矩。

然而，使用三相周波变换器会将可达到的频率范围限制为输入频率的0-1/3。三相周波变换器由3个单相的周波变换器组成，在平衡运行中，每个占功率的1/3。频率比超过1/3将导致严重的不平衡运行。在这种情况下，应该将每个单相周波变换器设计为大于总功率的1/3。在功率设计上，超规格(overdimensioning)可以高到额定功率中的系数3。

直接变换还可以由所谓的矩阵变换器提供，在该矩阵变换器中，多相电源(发电机或者干线)中的每一相通过双向开关与多相负载(干线、无源负载、电动机等)中的每一相连接或者可与多相负载(干线、无源负载、电动机等)中的每一相连接。开关包括足够数量的晶闸管，以经受相之间的差动电压和相电流，并允许电流反向。可以将它们看作是真正的双向部件，并且可以选择共同使用附加线路，例如缓冲器或者门极单元电源，该门极单元电源用于向反并联部件提供驱动脉冲。

以电源的m个相和负载的n个相，将所述开关布置成(m×n)矩阵。这提供可在输入相和输出相之间建立任何所需连接的选择；然而，与此同时它具有矩阵的特定开关状态不能被允许的缺点，这是因为如果允许将造成例如短路。此外，它需要执行从一相换向到另一相以便产生可能的最低开关损耗。

US A 5594636描述了一种矩阵变换器及其操作过程，其中相之间的换向部分是由自然换向实施的，而在自然换向不可能的情况下进行强制换向。尽管具有这种类型的选择，开关损耗由于自然换向而降低，但是那些由强制换向引起的开关损耗仍然保持。此外，可行的强制换向在矩阵的所有位置上必须使用可以被关断的部件。这大大地增加了开关成本。

然而，可以以仅使用自然换向的方式使矩阵变换器工作。只有在满足特定情况时，这才可以通过仅允许开关从发电机的选择的连接相切换到发电机的选择的未连接相来完成。这种矩阵变换器及其运行模式已经在DE 10051222 A1及相应的欧洲申请EP-A-1199794中披露了。尽管具有高效率和通用性，但是矩阵变换器及其运行模式的原理对于特定的应用通常具有关于谐波畸变和可能的频率比的缺点。