用于延长故障清除时间的设备和方法

摘要

本发明涉及一种用于延长故障清除时间的设备，其中具有在故障情况下能接入的负载电阻(14，18，21)，施加到轴中的涡轮功率直至电网恢复由发电机(5)电吸收并且转换为热量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于延长故障清除时间的设备以及一种用于延长 故障清除时间的方法。

背景技术

由于供电网中的可再生的能量发生器的大幅增长，存在电网运营商 对所有馈送单元在稳定性和供电安全性方面的持续提高的最低要求。对 此，存在要求一致的行为方式的电网规定(Grid-Codes)。因此，例如 在芬兰的电网规定“Fin-Grid”中，在每单位残余电压为零时要求250ms 的故障清除时间，所述故障清除时间对于一些发电机、尤其是同步发电 机在没有附加措施的情况下引起不同步的情况进而在电网电压恢复之 后引起限制的重新同步。图1示出多个电网规定要求。因此，前述 “Fin-Grid”设有附图标记1。其他的电网规定要求在此示例地对于E.on (德国意昂集团)2、西班牙REE 3以及北美WECC 4示出。

电网电压恢复之后的重新同步的过程能够要求若干分钟，在这若干 分钟期间，发电厂功率不可用于电网。这尤其在较大的发电厂停机时能 够造成电网不稳定并且在最差的情况下造成大面积的停电。

在短路期间，通过涡轮机施加到轴系中的机械功率不再在发电机上 吸收进而引起涡轮机组的加速。

如果同步发电机的磁极转子角超过临界的瞬时值，所述同步发电机 变为不同步并且必须重新同步。在电网规定中要求，发电厂在不进行电 网分离的情况下在变压器高压侧上的特定的残余电压下必须能够经过 预先限定的故障清除时间。如果所述所要求的故障清除时间超过对于涡 轮机组可实现的故障清除时间，那么必须采取附加预防措施。

在现有技术中，已知多种考虑所述情况的可能性。因此，例如在EP  1 805 887 B1中，有源升压电路在故障情况下经由滑环与发电机激磁绕 组串联地连接到已充电的电容器上，由此场电压突然升高。因此，发电 机在电网恢复时位于过激励的范围中，由此涡轮机组电网系统的稳定性 提高。

延长临界的故障清除时间的另一个可能性在于，提高轴系的惯性 矩，以便在短路情况下降低轴加速。

此外，对于一些涡轮机类型存在下述可能性，在蒸汽轮机上进行改 变，以便实现将水蒸气更快速地从涡轮机叶片去除，这称作为汽门快关 (Fast-Valving)。因此，应实现快速地降低施加到轴系中的涡轮机功率。

同样已知的是，在海上风力设施的情况下，构成具有负载电阻的类 似的设计方案。然而，风电厂例如经由高压DC连接装置与陆上变流器 设施连接，所述变流器设备在陆地侧短路的情况下将风电厂的过剩的能 量导出到负载电阻中。

值得期望的是，对于涡轮机组具有用于在短路情况下延长故障清除 时间的简单的可能性。

发明内容

在这一点上设计本发明，本发明的目的是，提出用于延长故障清除 时间的一种设备和一种方法。

这通过用于延长故障清除时间的设备来实现，所述设备包括发电 机、尤其是同步发电机和电负载以及构成为识别短路情况的组件，其中 设备构成为，使得在短路情况下，电负载与发电机连接。

有利地，这根据本发明在没有在给出的轴系或其部件上进行改变的 机械干预的情况下实现。

在第一有利的改进方案中，电负载构成为电阻。因此，遵循下述想 法：设置电阻，所述电阻在短路情况下作为电负载与发电机连接进而作 为能接入的负载电阻，所述负载电阻在故障情况下将促进轴加速的涡轮 机功率导出，而不将发电机与电网分离。由此，明显地延长临界的故障 清除时间。

有利的改进方案在从属权利要求中给出。因此，在一个有利的改进 方案中，设备构成为具有与发电机连接的变压器，其中电负载在短路期 间与变压器并联地设置。

在一个替选的实施方式中，设备构成为具有电负载，其中电负载与 变压器中性点处的短路路径串联地设置在高压侧上。

同样地，作为前述能接入的电阻的其他潜在的应用，能够实现发电 机功率开关的明显的减荷。

对于发电机功率开关的设计而言，通常存在在短路情况下尽可能快 地切断所述发电机功率开关的要求。

出现的突然的发电机短路由AC以及DC电流分量组成，所述电流 分量根据其时间常数以不同的速度衰减到稳态的短路电流。尤其地，短 路电流的DC分量对于电流曲线在几微秒之后才经过电流过零负有责 任。在断开功率开关之后，开关电弧燃烧一定时间，直至发生所述第一 次电流过零并且电弧能够熄灭。在此时，在开关中由于极热的电弧等离 子体出现明显的接触应力以及热学的放热。因此，期望的是，短路电流 的DC分量尽可能快地衰减。

时间常数(T)原则上经由位于短路路径中的电感器(L)以及短路 路径中的有效电阻(R)的比值来描述。经由公式T＝L/R明确的是，随 着有效电阻变大，能够降低时间常数。这能够极为有效地通过在出现故 障之后接入在此所描述的负载电阻来加速。

所述目的同样通过一种用于延长故障清除时间的方法来实现，其中 连接到耗电网络的发电机在短路情况下与附加的电负载连接。

附图说明

现在，根据实施例详细阐述本发明。图2和3以示意的方式示出：

图2示出根据本发明的设备的第一实施方式；

图3示出根据本发明的设备的第二实施方式。

具体实施方式

图2示出三相的发电机5、尤其是同步发电机，其中在输出端上构 成有第一相6、第二相7和第三相8。第一相6、第二相7和第三相8 连接到变压器9上。变压器9的次级侧10与电网11连接。在第一相6 中设有第一引线12，第一开关13和电负载14连接到所述第一引线上并 且与接地线15连接。第二相7包括第二引线16和连接到第二引线16 上的第二开关17和与接地线15连接的负载18。第三相8包括第三支路 19并且相应地包括第三开关20和又与接地线15连接的负载21。

在此，相6、7和8经由发电机开关25与变压器9连接。

图3示出本发明的一个替选的实施方式。与图2的不同之处在于， 负载14、18和21与变压器中性点处的短路路径串联地位于高压侧。与 负载14、18和21并联地分别设置有开关22、23和24。

发电机5经由涡轮机(未示出)驱动。在故障情况下，施加到轴中 的涡轮机功率直至电网恢复由发电机5经由能接入的负载14、18、21 接入并且转换为热量。换言之：在故障情况下，经由能接入的负载14、 18和21，施加到轴中的涡轮机功率直至电网恢复由发电机5电吸收并 且转换为热量。在故障时间期间，发电机5保持与电网11连接。因此， 取消电网重新同步并且能够实现更高的发电厂可用性。在不具有附加的 负载的情况下，对于相应的轴系临界的故障清除时间T_Ku能够普遍地根 据下式以分析的方式确定：

$T_{\mathrm{Ku}}=\sqrt{\frac{2·{\omega }_0·J}{P_T}·({{\delta }^{\prime }}_{\mathrm{Ku}}-{{\delta }^{\prime }}_0)}.$

在此：

ω₀表示额定角频率

J表示总轴系的惯性矩

δ′_Ku表示用于获得涡轮机组的稳定性的最大瞬时电压角

δ′₀表示在发生短路之前的瞬时电压角

P_T表示涡轮机功率

能够构成为电阻的负载14、18和21将在故障情况下促进轴加速的 涡轮机功率导出，由此明显地延长临界的故障清除时间，进而电发电机 5的、尤其同步发电机的瞬时稳定性经由在短路情况下能接入的负载电 阻14、18和21而增大。在图2中示出的负载电阻14、18和21与变压 器9并联地位于变压器低压侧，以便利用在短路情况下在变压器串联阻 抗上存在的短路残余电压。附加地应用能调节的电抗甚至还能够改进电 路的反应性。

图2示出本发明的所述第一实施方式的拓扑。

第二实施方式的拓扑在图3中示出。负载电阻14、18和21与变压 器中性点处的短路路径并联地位于高压侧。所述负载电阻通过断开并联 的开关22、23、24连接到短路中。

因此，有利地，在故障情况下对发电机5的临界的故障清除时间增 长，更确切地说不仅在变压器低压侧上、而且在变压器高压侧上增长。 电路拓扑的借助能接入的或能调节的电抗的扩展能够更进一步地增长 故障清除时间。

因此，根据本发明能够显著地提高临界的故障清除时间，而不必对 涡轮机和发电机5上进行结构方面的改变，这引起在此示出的本发明的 成本适宜的措施。此外，在暂时限制的短路期间不需要电网分离，使得 能够在不重新同步的情况下实现发电机5的长期的可用性。