调整同步发电机产生或吸收的无功功率的方法以及同步发电机

摘要

一种调整由同步发电机产生或吸收的无功功率的方法，包括调整在定子绕组中工作的线圈(25a、26a、27a、28a、25b、26b、27b、28b)的数量，并且调整发电机工作点。本发明也涉及同步发电机。

说明书

技术领域

本发明涉及一种调整同步发电机产生或吸收的无功功率的方法以及同步发电机。

背景技术

下面参考附图1，其显示了同步发电机的典型功率图。

所述功率图具有定义为无功功率(每单位)的X轴和定义为无功功率(也是每单位)的Y轴。特别是它显示了由转子电流2、转子电流3和稳定界限4所限定的发电机运行界限；稳定界限4来源于被称为短路比的点9，短路比简写为SCR，其是设计参数。

此外，假设原动机是涡轮机，还显示了涡轮界限5。

定子电流6(由源自曲线图中心7的向量表示)和转子或励磁电流8(由源自SCR的向量表示)聚集于发电机工作点10。

连接到电网的负荷工作：

-如电阻，在这种情况下它们吸收有功功率，但是不吸收无功功率；

-如电感，在这种情况下它们不吸收有功功率，但是吸收无功功率；

-如电容，在这种情况下它们不吸收有功功率，但是产生无功功率。

典型地，负荷具有混合的工作状态，以使得它们吸收有功功率、并且同时也吸收或产生无功功率。

特别是，在正常运行时电网具有全部电阻和电感工作状态，以使得电网吸收有功功率和无功功率；相应地发电机必须提供有功功率和无功功率。这种运行状态通常被称为滞后功率因数运行并且与工作点10相对应。

众所周知，由电网吸收的有功和无功功率在一年中是变化的，并且在一些情况下，在一天中也是变化的；因此调整是必须的。

在同样的情况下(例如在夜间)由电网吸收的有功功率减少，并且同样地由电网吸收的无功功率也减少；在一些情况下电网开始如电容一样工作并且产生无功功率。

很明显当这种情况发生时连接到电网的发电机必须有能力吸收所述无功功率。

为了吸收来自电网的无功功率，工作点必须沿着涡轮界限5从点10向着稳定界限4移动(如箭头F所示)，以使发电机处于被称为超前功率因数的运行状态。

很明显这种调整受到稳定界限4的限制，这是因为当超过稳定界限4时发电机与电网失步。

因此这样的调整具有严格的限制并且仅有有限数量的无功功率以这种方式被吸收。

为了能够吸收足够数量的无功功率，用户通常要求发电机被制造成具有高设计SCR 9，以致于稳定界限4远离Y轴(事实上由于稳定界限4来自于SCR，SCR越大，通过沿着涡轮界限5移动来调整工作点而产生的无功功率越大)。

然而，在正常运行时(也就是在工作点10)SCR的增加引起转子或励磁电流8的增加；这将引起效率的下降和发电机尺寸的增加。

发明内容

因此本发明的技术目的是提供一种用于解决现有技术中上述问题的方法和同步发电机。

在所述技术目的的范围内，本发明的一个方面是提供一种方法和同步发电机，其在超前功率因数时具有大的无功功率调整窗口，在滞后功率因数时不影响发电机在额定工作点运行。

本发明的另一方面是提供高效的和具有限制尺寸的同步发电机。

技术目的、以及这些和另一方面，通过提供根据所附权利要求的方法和同步发电机来实现。

附图说明

通过对由附图中非限制实施例说明的方法和同步发电机的优选但非排它的实施例进行描述，本发明更多地特点和优势会变得更加明显，在附图中：

图1是传统同步发电机的功率图；

图2是本发明的一个实施例中的同步发电机的功率图；

图3、4显示了本发明的第一和第二实施例中发电机的绕组；

图5、6分别显示了第一实施例中在第一和第二运行配置时发电机的单相绕组；以及

图7、8分别显示了第二实施例中在第一和第二运行配置时发电机的单相绕组。

具体实施方式

调整由同步发电机产生的无功功率的方法包括调整在定子绕组中工作(in line with)的线圈的数量，以调整SCR。

线圈数量的减少使定子绕组的电抗以平方的形式减小，并且因为SCR与线圈数量的倒数的平方近似成比例(也就是SCR～1/n²，其中：SCR是短路比且n是线圈数量)，这种调整允许SCR被调整。

换而言之，如附图2所示，发电机包括两个功率图：

-第一功率图20，对应在定子绕组中工作的所有线圈；所述功率图典型地应用于滞后功率因数的运行；

-第二功率图22对应在定子绕组中工作的数量减少的线圈；所述功率图典型地应用于超前功率因数的运行。

因此在超前功率因数下运行时发电机工作点在大范围内被调整，没有超过稳定界限的危险(这将引起发电机与电网失步)。

换而言之，在额定工作点正常运行时发电机以滞后功率因数运行。

在这种情况下所有线圈在绕组中工作，并且发电机的功率图由参考标记20标识；如图所示的运行条件在滞后功率因数下运行时被优化(工作点10)，因为转子或励磁电流8低并且在滞后功率因数下运行时被优化。

然后，当无功功率必须被发电机吸收，发电机被驱动至少暂时在超前功率因数下运行。

例如，发电机工作点的调整是传统的调整，并且通过调整转子或励磁电流来实现。

当在超前功率因数下运行时在定子绕组中工作的线圈的数量被减小以增大SCR。

当这发生时发电机的功率图变成由参考标记22标识；也就是功率图横向移动以至于SCR增大并且稳定界限4如箭头F所示横向移动。

由于稳定界限4横向移动(朝向图2中图的左部，如箭头F所示)，无功功率因数的调整范围被增加。

自然地，当发电机必须从超前功率因数运行返回到滞后功率因数运行时，以传统方式调整工作点并且工作点以与箭头F(当以功率图22运行时)相反的方向沿着涡轮界限5移动；然后，当超过图20的稳定界限4时，在定子绕组中工作的线圈的数量被增加，以从功率图22(在超前功率下运行时被优化)切换到功率图20(在滞后功率下运行时被优化)。

优选地在定子绕组中工作的线圈的数量被减少或增加一个线圈；此外发电机的每一相线圈的数量和发电机每一极的线圈的数量被调整。

本发明也涉及同步发电机。

众所周知，发电机包括环形定子和在定子内可旋转的转子(现有技术中公知的特性并且没有在附图中显示)。

定子具有绕组24，绕组24具有三相U、V、W；附图3显示了本发明第一实施例中所有三相的定子绕组，并且附图5、6仅显示了同一实施例中的一相V。此外，附图4显示了本发明第二实施例中所有三相的定子绕组，并且附图7、8仅显示了同一实施例中的一相V。特别是，为了清楚起见，在这些附图中仅显示了用于每极和每相的四个线圈25a、26a、27a、28a和25b、26b、27b、28b。

在这些附图中，参考标记V₁表示相输出，参考标记V₂表示具有在定子绕组中工作的所有线圈的绕组的星形连接点(也就是，线圈端与其它相的线圈端星形连接)，并且参考标记V_2Z表示具有在定子绕组中工作的数量减少的线圈的绕组的星形连接点。

发电机包括开关30，用于调整在定子绕组24中工作的线圈25a、26a、27a、28a和25b、26b、27b、28b的数量，以及传统设备，用于例如通过调整转子或励磁电流来调整发电机工作点；无论怎样都很明显，根据特殊需求也可使用用于调整工作点的其它设备。

优选地开关30被提供在星形连接点V₂/V_2Z(这里电压为零)；很明显在不同实施例中(根据线圈的特殊结构)可以在电压端V₁另外设置开关或者代替在星形连接点V₂/V_2Z处的开关。

在不同的实施例中，开关30类似于高压抽头转换开关(机械开关)或电子开关。

附图3(显示了所有三相U、V和W)和仅显示了一相V的附图5、6显示了发电机的第一实施例。

附图5显示了具有在定子绕组中工作的所有线圈25a、26a、27a、28a和25b、26b、27b、28b的运行状态；箭头C显示了在这些线圈中电流环流的方向，此外实线表示其中存在电流环流的定子绕组部分，并且虚线表示不存在电流环流的绕组部分。

同样地，附图6仅显示了在定子绕组中工作的线圈26a、27a、28a和26b、27b、28b的运行状态(也就是线圈25a和25b不工作)；箭头C显示了在这些线圈中电流环流的方向，实线表示其中存在电流环流的绕组部分，并且虚线表示不存在电流环流的绕组部分。

如图所示，在所述实施例中线圈在相反方向上前进，也就是在绕组中电流环流顺序流过在反方向上切换的线圈；为了清楚起见箭头F1表示沿着线圈前进的方向。

附图4(显示了所有三相U、V和W)和仅显示了一相V的附图7、8显示了发电机的第二实施例。

特别是附图7显示了具有在定子绕组中工作的所有线圈25a、26a、27a、28a和25b、26b、27b、28b的运行状态；箭头C显示了在这些线圈中电流环流的方向，实线表示其中存在电流环流的绕组部分，并且虚线表示不存在电流环流的绕组部分。

同样地，附图8仅显示了工作的线圈26a、27a、28a和26b、27b、28b的运行状态(也就是线圈25a和25b不工作)；箭头C显示了在这些线圈中电流环流的方向，实线表示其中存在电流环流的绕组部分，并且虚线表示不存在电流环流的绕组部分。

如图所示，在所述实施例中每极的线圈在同一方向上前进；在这种情况下箭头F1也表示沿着线圈前进的方向。

所述实施例是优选的，因为它特别简单和便宜(例如与被描述的第一实施例比较时它要求更少数量的连接环)。

有益地，发电机具有规定数量的平行的定子绕组路径，也就是两极发电机：1或2；四极发电机1或2或4)。

所述调整实现了在超前功率因数时大的无功功率调整窗口(因为SCR大)，同时不影响在滞后功率因数时处于额定工作点的发电机运行状态(因为在额定工作点转子或励磁电流小)。

此外，因为在额定工作点转子或励磁电流小，发电机是高效的并且具有有限的尺寸。

自然地，被描述的特性相互独立地提供。

在实践中根据要求和现有技术的情况，使用的材料和尺寸可任意选择。

附图标记：

2转子电流

3定子电流

4稳定界限

5涡轮界限

6定子电流

7图中心

8转子或励磁电流

9SCR-短路比

10额定负荷时发电机工作点

20第一功率图

22第二功率图

24定子绕组

25a，26a，27a，28a，25b，26b，27b，28b  线圈

30开关

U，V，W相

C电流

F沿着工作点移动的方向

F1沿着线圈前进的方向