用于从电力系统断开发电机的方法和系统

摘要

一种用于在发电机(3)和与之相连的电力系统(17)不同步时从电力系统(17)断开发电机(3)的方法。该方法包括以下步骤：确定在发电机(3)和电力系统(17)之间存在同步丢失，该同步丢失提供与发电机(3)相关的电气参数的幅度变化。该方法还包含：确定何时将出现电气参数的最小幅度，其中预测了最小幅度何时出现；提供用于从电力系统(17)断开发电机(3)的命令信号，其中该命令信号在到达电气参数的最小幅度之前被提供；以及在电气参数的确定的最小幅度出现时从电力系统(17)断开(S4)发电机(3)。还提出了一种用于电力系统(17)中的发电机(3)的保护系统(1)。

说明书

技术领域

本发明一般涉及电力系统中的电子设备的保护，并且尤其涉及 在发电机和电力系统失去同步时从电力系统断开发电机。

背景技术

可以在电力系统中提供电功率的发电机一般对于它们所连接的 电力系统的操作条件中的扰动很敏感。

电力系统中的扰动或故障条件可能导致失步条件，即电力系统 内不同区域之间的同步丢失，或备选地例如两个互连的电力系统之 间的同步丢失。

在失步条件期间，由于转子角在0和2π弧度之间变化而产生的 高峰值电流、截止频率以及脉动转矩可能导致对发电机的电气和机 械应力。转子角表示发电机的转子和定子的磁轴之间的角度。

当同步发电机失去同步，即当发生失步故障时，转子磁通失去 对定子磁通的控制，由此转子角将改变。结果，发电机丢失扭矩。 转子速度继而将增加，产生的电流也将增加。脉动扭矩可以是转子 角变化的结果。在这种情况中，一般希望从电力系统断开发电机以 防止对发电机的损害。

典型地，在电力系统的发电机端提供断路器。断路器(针对每 个电气相位提供至少一个)用于在发生故障条件时从电力系统断开 发电机，以断开电力系统的受影响部分中的电流路径。为了正确地 工作，断路器应当暴露于尽可能小的电气和机械应力。

在当前用于减小断路器上以及发电机上的应力的解决方案中， 在检测到失步条件之后，在预定数目的扭矩脉动之后，从电力系统 断开发电机。因此，发电机承受严重条件一直到断路器将发电机从 电力系统断开。当前解决方案的缺点在于，在从电力系统断开发电 机之前，断路器以及发电机暴露于高应力。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在失步条件下从电力系统断开发 电机的改进方法和系统。为此，一个目的是提供一种方法和系统， 其使得当从电力系统断开发电机时，与当前方法相比，发电机和断 路器承受较小的应力。

本发明的另一目的是提供一种方法和系统，其可以在发电机和 作为其中一部分且与之连接的电力系统失去同步时，在由于转子角 变化导致电气参数的幅度变化时，预测与发电机相关的电气参数的 最小幅度。

此处定义的电力系统一般包含用于产生电力的发电机、用于从 发电机运送电力的输电系统以及用于向其终端用户分配电力的配电 系统。此处电力系统也可以具有较小的尺寸，例如工业中的本地电 力网络。

在本发明的第一方面中，提供一种用于在发电机和与之连接的 电力系统不同步时从电力系统断开发电机的方法，其中该方法包含 以下步骤：

确定在发电机和电力系统之间存在同步丢失，该同步丢失提供 与发电机相关的电气参数的幅度变化，其中幅度变化的频率正比于 发电机的转子角变化，这种转子角变化由于发电机和电力系统之间 的同步丢失而出现，

确定何时将出现电气参数的最小幅度，其中已经预测了最小幅 度何时出现，

提供用于从电力系统断开发电机的命令信号，其中该命令信号 在到达电气参数的最小幅度之前提供，以及

大约在所确定的电气参数的最小幅度出现时从电力系统断开发 电机。

通过大约在所确定的电气参数的最小幅度出现时从电力系统断 开发电机可以获得的效果是：当从电力系统断开发电机时发电机将 承受较小的电气和机械应力。而且，因为断开发生在大约在电气参 数达到其最小幅度时，即使对最小幅度的出现的较不精确的预测也 不会导致电气参数的幅度中的大偏差。附加地，通过在信号幅度大 约在其最小值时从电力系统断开发电机，电场和磁场也将处于其最 小值，因而，当发电机从电力系统断开时将提供对发电机最小的影 响。

确定何时将出现最小幅度的步骤可以涉及确定幅度变化的斜 率，从而允许预测将在何时出现最小幅度。通过确定幅度变化的斜 率，可以更精确地确定最小值。

确定何时将出现最小幅度的步骤可以涉及确定幅度变化的频 率，从而允许预测将在何时出现最小幅度。通过确定幅度变化的频 率，可以更精确地确定最小值。

确定何时将出现最小幅度的步骤可以涉及确定电气参数的第一 最小幅度的出现。关于这点，断开可以涉及大约在到达电气参数的 第一最小幅度时从电力系统断开发电机。由此，发电机可以在第一 最小值处从电力系统断开，其中发电机将承受最小应力。

电气参数可以是与发电机相关的阻抗。备选地，电气参数可以 是发电机的定子电流。

命令信号可以被提供给至少一个断路器，其用于执行从电力系 统断开发电机的步骤。有利地，由于断开发生在达到时变的电信号 的最小值时发生断开，断路器也将承受最小电气和机械应力。

在本发明的第二方面中，提供一种用于连接到电力系统的发电 机的保护系统，该保护系统包含：

测量单元，布置为测量与发电机相关的电气参数；

处理单元，布置为：基于测量的电气参数确定在发电机和电力 系统之间存在同步丢失，该同步丢失提供电气参数的幅度变化，其 中幅度变化的频率正比于发电机的转子角变化，该转子角变化由于 发电机和电力系统之间的同步丢失而出现且用于预测何时将出现电 气参数的最小值；以及

至少一个断路器，

其中该处理单元布置为在到达最小幅度之前向该至少一个断路 器提供命令信号以从电力系统断开发电机，从而允许该至少一断路 器大约在出现最小幅度时将发电机从电力系统断开。

处理单元可以布置为在确定同步丢失之后确定测量的电气参数 的第一到达的最小幅度，其中命令信号被生成从而大约在出现第一 最小值时断开发电机。

处理单元可以布置为确定幅度变化的斜率从而预测何时将出现 最小幅度。

处理单元可以布置为确定幅度变化的频率从而预测何时将出现 最小幅度。

将在从属权利要求中提及且在下文中公开附加的可能的特征和 优选实施例。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明及其他优点。

图1示出根据本发明用于发电机的保护系统的示意图；以及

图2a-图2b示出在出现失步条件之前以及在出现失步条件之后 时变电气参数的图示。

图3示出根据本发明的一个实施例用于从电力系统断开发电机 的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了用于发电机3的保护系统1。系统1包括发电机3、 多个断路器9、测量单元11和处理单元13。在一个实施例中，测量 单元和处理单元可以集成到一个单元(未示出)。发电机3典型地 是同步发电机。

发电机3包含转子5和定子7。转子5在图1中使用定子7内部 的虚线示意性说明。转子5典型地具有转子绕组以电气式磁化转子。 备选地，转子5可以包含永磁体。

定子7具有在图1中未示出的定子绕组。转子绕组和定子绕组 随着转子旋转而互相作用。典型地，经整流的交流电流或dc电流被 施加给转子绕组，从而在转子绕组中感应出磁场且磁化转子5。由此， 当转子5在定子7中旋转时，将在定子的定子绕组和定子主体中感 应出磁场和定子电流。在优选实施例中，发电机3是3相发电机。 在备选实施例中，发电机可以是6相发电机或发电机可以具有任意 适当数目的定子绕组对，即具有任意数目的相位。

断路器9连接到发电机3并且经由变压器15连接到电力系统17。 断路器9因此用作电力系统17和发电机3之间的接口。电力系统17 可以通过电力网示例。在典型配置中，一个断路器9连接到发电机3 的每个相位。因此在这种情况中，在断路器和电气相位之间存在一 对一的对应关系。

有利地，保护系统1允许在发电机3和电力系统17之间存在同 步丢失时、在从电力系统17断开发电机3时保护发电机3和断路器 9免受高电气和机械应力。

电力系统17中的故障条件(例如由于接地故障导致的短路)可 以导致发电机3与电力系统17失步，即，在发电机3和电力系统17 之间存在同步丢失。在一个实施例中，测量单元11测量定子7的每 个磁极对之间的定子电压和定子电流。测量单元11可以是适于测量 在大高压电力系统中产生电压的发电机或者用于运送较低电压的小 电力系统的发电机中的电流和电压的任意类型的设备。

在一个实施例中，测量单元11连续地测量定子电流和定子电压。

在备选实施例中，定子电流和定子电压测量通过电力系统17中 的事件而触发。这种事件可以导致不同于预定电压和电流幅度范围 的定子电压和定子电流值。

当出现故障时，定子电流和定子电压将从其额定值偏离，该额 定值在电力系统17和发电机3的正常操作中出现。测量单元11连 接或集成到处理单元13。处理单元13典型地是可以处理与由测量单 元11测量的信号相关或从其转换的数字信号。

处理单元13分析与由测量单元11测量的信号相关的数据。当 检测到电力系统17中的故障条件时，处理单元13根据测量的数据 来确定失步条件。

在失步条件时，在定子磁极处出现发电机的输出信号(即定子 电流和定子电压)的特征脉动图案。而且，在发电机处可检测的阻 抗典型地开始变化。定子电流、定子电压和阻抗中的每一个组成与 发电机相关的电气参数。

取决于电力系统和发电机的地理区域，定子磁极的输出信号典 型地在正常操作期间具有50Hz或60Hz的基本上恒定的频率。取决 于施加的负载，频率可以从50Hz或60Hz少量波动。

如背景部分所解释的，脉动图案与转子磁通和定子磁通彼此失 去控制时的转子角变化相关。因此，定子磁极的输出信号以及与发 电机相关的阻抗将具有随时间变化的幅度。定子磁极的输出信号可 以看作是幅度调制信号，每个相位被正比于转子角变化的频率所调 制。调制频率典型地远低于输出信号的频率。例如，调制频率可以 比定子磁极的输出信号小10个数量级。当在短时间周期上看时，调 制信号，即输出信号的幅度变化基本上是周期性的。然而，可以看 作是脉冲(即调制信号的“半周期”)的幅度变化将通常随时间变 得越来越短。

当确定存在失步条件时，在一个实施例中，处理单元13确定与 发电机3相关的电气参数何时将达到其最小值，该电气参数由于失 步条件而具有变化的幅度。在一个实施例中，电气参数是与发电机3 相关的阻抗。

基于由测量单元11测量的定子电流和定子电压的测量来确定电 气参数的最小值。阻抗可以通过利用欧姆定律的算法而确定。最小 阻抗的确定可以通过确定变化阻抗的斜率以及通过确定阻抗幅度变 化的频率来预测。由此，可以预测脉冲或半周期的结束。

在备选实施例中，定子电流或定子电压组成电气参数。因此， 定子电流和定子电压其中之一可以用于确定何时将出现电气参数 (即定子电流或定子电压)的最小幅度。

处理单元13被布置为在预测出最小值的时间时向与处理单元13 连接的断路器9发送命令信号。命令信号在预定最小值之前发送， 从而允许断路器9将发电机3从电力系统17机械式断开所需的时间。 在典型的实施例中，可以设置何时从处理器13发送用于断开断路器 且由此在大约达到最小值时从发电机断开电力系统的命令的时间。 所设置的时间将通常取决于在系统中使用的断路器的类型。

在一个实施例中，在确定失步条件之后预测第一最小值。断路 器9在到达第一最小值之前接收命令信号，其中断路器9大约在出 现第一最小值时将发电机3从电力系统17断开。

有利地，通过在出现最小幅度时从电力系统17断开发电机3， 发电机3以及断路器9将承受较小的电气和机械应力。

图2a-图2b将提供附加信息以促进对本发明的理解。

图2a-图2b示出图1中的发电机3的定子7的磁极之一处测量 的一个电气相位的时变信号的图示。图2a示出在正常操作N中、当 出现故障F时以及当出现导致的失步条件O时定子电压的时间演变。

图2b示出针对与图2a中的定子电压相同的电气相位、定子电流 的时间演变。示出了在正常操作N期间、当出现故障F时以及当出 现导致的失步条件O时的定子电流。

图2a和图2b均示出50Hz信号，其中当出现失步条件O时，50Hz 信号被比定子电压和定子电流的频率小的频率分别进行幅度调制。 定子电流的幅度变化的斜率S在图2b中示出。而且，示出幅度变化 的大致半周期P/2。该周期典型地不恒定，而是将随着时间变得越来 越短。

如稍早前所述，通过确定定子阻抗或备选地定子电流或定子电 压的斜率和频率，可以确定第一最小值M1。尽管此处第一最小值 M1指示定子电流的第一最小值，对于确定阻抗的第一最小值而言， 原理相同。由此，命令信号可以从图1的处理单元3被发送到断路 器9，从而允许将发电机3从与之但失去同步的电力系统17断开。

图3示出流程图，该流程图一般性地描述当发电机以及与之相 连的电力系统不同步时用于从电力系统断开发电机的上述方法。

步骤S1是确定在发电机和电力系统之间存在同步丢失，该同步 丢失提供与发电机相关的电气参数的幅度变化，其中幅度变化的频 率正比于发电机的转子角变化，该转子角变化由于发电机和电力系 统之间的同步丢失而出现。所确定的电气参数可以是定子电流、定 子电压或涉及定子电流和定子电压的阻抗。

步骤S2是确定何时将出现电气参数的最小幅度，其中已经预测 了何时出现最小幅度。

步骤S3是提供用于从电力系统断开发电机的命令信号，其中在 到达电气参数的最小幅度之前提供该命令信号。

步骤S4是大约在所确定的时变电气参数的最小幅度出现时从电 力系统断开发电机。

尽管已经通过几个示例描述了本发明，应当理解本发明可以在 所附权利要求书的范围内变化。