RU2627227C2 - Способ и система для управления гидроэлектрическими турбинами - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системе управления для управления работой гидроэлектрической турбины. Техническим результатом является создание системы для преобразования электрической мощности, производимой турбиной, в форму, совместимую с системой передачи электроэнергии для передачи электрической мощности на берег с обеспечением оптимизации производительности отдельной турбины и групп турбин в целом. Система управления содержит систему преобразователя для преобразования мощности переменного тока, подаваемой генератором, соединенным с турбиной, и имеющей напряжение и частоту, которые зависят от скорости вращения турбины, в мощность переменного тока, имеющую напряжение и частоту системы передачи, для передачи мощности переменного тока к приемной подстанции. Система дополнительно содержит модуль управления для регулирования напряжения переменного тока, подаваемого генератором в зависимости от скорости потока воды через турбину для управления таким образом вращением турбины. Система преобразователя содержит преобразователь первой ступени и преобразователь второй ступени, при этом между этими преобразователями расположено звено постоянного тока. Преобразователь первой ступени выполнен с возможностью преобразования мощности переменного тока, подаваемой генератором, в мощность постоянного тока. Преобразователь второй ступени выполнен с возможностью преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока для передачи к приемной подстанции, причем преобразователь второй ступени представляет собой преобразователь типа инвертора напряжения. 19 з.п. ф-лы, 13 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к способу и системе для управления турбинами и, в частности, к способу и системе для обеспечения управления гидроэлектрическими турбинами для оптимизации производительности турбин.

Уровень техники

Гидроэлектрические турбины являются признанным средством для эффективного использования чистых и возобновляемых источников энергии. Группы гидроэлектрических турбин, установленных в море, используют естественные течения, вызываемые приливами или потоками рек вблизи их устий, чтобы тем самым генерировать электрическую мощность для снабжения местных энергосетей, установленных, как правило, на берегу.

Доступ к турбинам, установленным в море, является дорогим и опасным. Поэтому предпочтительно, где возможно, избегать использования компонентов, которые представляют какую-либо вероятность выхода из строя или износа. Так, турбинные лопасти с фиксированным шагом предпочтительнее лопастей с механизмами регулирования шага, тихоходные генераторы, соединенные непосредственно с турбиной, предпочтительнее быстроходных генераторов, соединенных через редукторы, а генераторы с возбуждением от постоянных магнитов предпочтительнее конструкций, в которых требуется использование щеток и токосъемных контактных колец или коммутаторов.

В большинстве случаев группы турбин содержат большое число турбин. С учетом большого числа используемых турбин непрактично и неэкономично поставлять мощность на берег по отдельному силовому кабелю, соединенному с каждой турбиной. Поэтому каждый силовой кабель, установленный для передачи мощности на берег, предпочтительно выполнен с возможностью сбора мощности от нескольких турбин. Для того, чтобы передавать значительное количество мощности от группы турбин к точке подключения к энергосети на берегу, которая может находиться, как правило, в нескольких километрах от турбин, силовой кабель работает под высоким напряжением. Однако, электрические элементы внутри турбины, например обмотки генератора, для повышения надежности и экономичности обычно выполнены с возможностью работы при намного более низких напряжениях.

Кроме того, турбулентность и неравномерная топография морского дна и ближайших береговых линий вызывают перепады скорости потока воды и соответственно перепады полезной мощности на каждой турбине в группе турбин, обслуживаемых одним кабелем. Для получения максимальной мощности от течения воды должна быть предусмотрена возможность регулирования скорости вращения каждой турбины, входящей в группу турбин, согласно преобладающей скорости потока воды. Таким образом, турбины в пределах группы работают, как правило, с различными скоростями и, если они оснащены генераторами с постоянным магнитом, турбины производят электрические мощности с различной частотой и напряжением.

Таким образом, задача данного изобретения состоит в предложении системы для преобразования электрической мощности, производимой турбиной, в форму, совместимую с системой передачи электроэнергии для передачи электрической мощности на берег, с обеспечением оптимизации производительности отдельной турбины и группы турбин в целом.

Раскрытие изобретения

Согласно данному изобретению, предложена система управления для управления работой гидроэлектрической турбины, причем система управления содержит

систему преобразователя, выполненную с возможностью преобразования мощности переменного тока, подаваемой генератором, соединенным с турбиной, и имеющей напряжение и частоту, которые зависят от скорости вращения турбины, в мощность переменного тока, имеющую напряжение и частоту системы передачи, для передачи мощности переменного тока к приемной подстанции;

причем система дополнительно содержит модуль управления, при этом модуль управления выполнен с возможностью совместной работы с системой преобразователя для регулирования напряжения переменного тока, подаваемого генератором, в зависимости от скорости потока воды через турбину, для управления таким образом вращением турбины.

Предпочтительно, мощность переменного тока, подаваемая генератором, имеет напряжение и частоту, пропорциональные скорости вращения турбины.

Предпочтительно, система преобразователя содержит преобразователь первой ступени и преобразователь второй ступени, при этом между преобразователями первой ступени и второй ступени расположено звено постоянного тока, причем преобразователь первой ступени выполнен с возможностью преобразования мощности переменного тока, подаваемой генератором, в мощность постоянного тока, а преобразователь второй ступени выполнен с возможностью преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока для передачи к приемной подстанции.

В альтернативном варианте система преобразователя содержит понижающий преобразователь частоты или матричный преобразователь, выполненный с возможностью преобразования переменного тока, подаваемого генератором, в мощность переменного тока для передачи к приемной подстанции.

Предпочтительно, звено постоянного тока содержит по меньшей мере один датчик для измерения постоянного тока и выполнено с возможностью подачи сигналов, связанных с измеренным постоянным током, в модуль управления.

Предпочтительно, звено постоянного тока содержит по меньшей мере один датчик для измерения напряжения постоянного тока и выполнено с возможностью подачи сигналов, связанных с измеренным напряжением постоянного тока, в модуль управления.

Предпочтительно, преобразователь первой ступени содержит выпрямитель.

Предпочтительно, выпрямитель представляет собой трехфазный фазоуправляемый выпрямитель, а модуль управления выполнен с возможностью регулирования угла задержки сигнала включения тиристора фазоуправляемого выпрямителя.

В альтернативном варианте преобразователь первой ступени содержит тиристорный контроллер переменного тока, включенный последовательно с диодным мостом.

Предпочтительно, преобразователь второй ступени представляет собой фазоуправляемый токовый инвертор с линейной коммутацией.

Предпочтительно, в ответ на скорость потока воды, меньшую, чем номинальное значение, модуль управления выполнен с возможностью регулирования угла отпирания тиристоров преобразователя второй ступени, чтобы регулировать напряжение звена постоянного тока до такого значения, чтобы обеспечить упомянутое оптимальное значение мощности постоянного тока в звене постоянного тока.

Предпочтительно, в ответ на скорость потока воды, меньшую, чем пороговое значение, модуль управления выполнен с возможностью установки режима работы преобразователя первой ступени, при котором он функционирует в качестве неуправляемого выпрямителя, определения тока звена постоянного тока, определения оптимального значения мощности постоянного тока, связанного со скоростью потока воды, для турбины, и регулирования работы преобразователя второй ступени, чтобы регулировать напряжение звена постоянного тока до такого значения, чтобы обеспечить упомянутое оптимальное значение мощности постоянного тока для упомянутого определенного тока звена постоянного тока.

Предпочтительно, в ответ на скорость потока воды, большую, чем номинальное значение, модуль управления выполнен с возможностью регулирования угла отпирания тиристоров преобразователя второй ступени, чтобы регулировать напряжение звена постоянного тока до порогового значения напряжения постоянного тока и регулировать угол отпирания тиристоров преобразователя первой ступени, чтобы обеспечить фиксированное значение тока звена постоянного тока для ограничения мощности постоянного тока упомянутым оптимальным значением мощности постоянного тока.

Предпочтительно, в ответ на скорость потока воды, большую, чем пороговое значение, модуль управления выполнен с возможностью регулирования преобразователя второй ступени, чтобы устанавливать напряжение звена постоянного тока в пороговое значение напряжения постоянного тока, определения оптимального значения мощности постоянного тока, связанной со скоростью потока воды для турбины, и регулирования преобразователя первой ступени, чтобы регулировать ток звена постоянного тока до такого значения, чтобы обеспечить фиксированное значение для ограничения мощности постоянного тока упомянутым оптимальным значением мощности постоянного тока.

В альтернативном варианте преобразователь первой ступени представляет собой преобразователь напряжения, а преобразователь второй ступени представляет собой преобразователь типа инвертора напряжения.

Предпочтительно, преобразователь первой ступени представляет собой преобразователь напряжения, работающий как активный выпрямитель, и выполнен с возможностью работы со звеном постоянного тока фиксированного напряжения.

Предпочтительно, преобразователь первой ступени и преобразователь второй ступени представляют собой трехфазные мосты с шестью устройствами, причем каждое устройство содержит переключатель и безынерционный диод.

Предпочтительно, переключатели выбирают из любых полупроводниковых переключателей, например переключающих устройств на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), коммутируемых по затвору запираемых тиристоров (IGCT) или запираемых (GTO) тиристоров.

Предпочтительно, переключающие устройства выполнены с возможностью приема сигналов и работы согласно сигналам, полученным от модуля управления.

Предпочтительно, параллельно с контактами постоянного тока преобразователей первой ступени и второй ступени соединен конденсатор, который выполнен с возможностью поддержания, по существу, неизменного напряжения звена постоянного тока в течение периода цикла переключения переключателей устройств.

Предпочтительно, модуль управления выполнен с возможностью управления устройствами преобразователя первой ступени, для управления таким образом напряжением, выдаваемым на входе переменного тока преобразователя первой ступени.

Предпочтительно, модуль управления выполнен с возможностью управления устройствами преобразователя первой ступени, чтобы устанавливать амплитуду и частоту напряжения на контактах генератора и соответствующие потоки активной и реактивной мощности.

Предпочтительно, преобразователем первой ступени управляют так, чтобы выдавать генератору напряжение переменного тока, которое изменяется в зависимости от частоты электрического тока таким образом, что результирующий переменный ток совпадает по фазе с электромагнитной силой, индуцируемой в обмотках генератора.

Предпочтительно, модуль управления выполнен с возможностью управления выходным напряжением переменного тока преобразователя второй ступени путем управления амплитудой и частотой выходного напряжения переменного тока посредством коммутационного сигнала, передаваемого в устройства преобразователя второй ступени.

Предпочтительно, модуль управления выполнен с возможностью изменения работы устройств контроллера первой ступени, чтобы регулировать частоту напряжения переменного тока на входных контактах преобразователя первой ступени для управления вращением турбины.

Предпочтительно, в ответ на скорость потока воды, меньшую, чем пороговое значение, модуль управления выполнен с возможностью определения тока звена постоянного тока, определения оптимального значения мощности постоянного тока, связанного со скоростью потока воды, для турбины, и регулирования работы преобразователя первой ступени путем изменения последовательности переключения устройств для регулирования значения частоты напряжения переменного тока на входных контактах таким образом, чтобы обеспечить оптимальное значение мощности постоянного тока для определенного тока звена постоянного тока.

Предпочтительно, в ответ на скорость потока воды, большую, чем пороговое значение, модуль управления выполнен с возможностью определения оптимального значения мощности постоянного тока, связанного со скоростью потока воды, для турбины, и регулирования работы преобразователя первой ступени путем изменения последовательности переключения устройств, чтобы регулировать значения частоты напряжения переменного тока на входных контактах таким образом, чтобы обеспечить фиксированное значение для ограничения мощности постоянного тока оптимальным значением мощности постоянного тока.

Предпочтительно, пороговое значение представляет собой нормальную рабочую скорость потока или номинальную скорость.

Предпочтительно, система управления выполнена с возможностью взаимодействия с управляющим контроллером, чтобы определять пороговое значение для турбины.

Предпочтительно, пороговое значение основано на любом из уровня производительности каждой турбины в пределах массива турбинных систем, схемы протекания потока воды через массив турбин и предпочтений оператора энергосети.

Предпочтительно, каждая турбинная система соединена с общим кабелем, идущим на берег.

Предпочтительно, уровень производительности турбины содержит выходную мощность каждой турбины турбинных систем в пределах массива турбин.

Предпочтительно, также предложена турбинная система, причем турбинная система содержит систему преобразователя и дополнительно содержит гидроэлектрическую турбину, соединенную с генератором, при этом генератор выполнен с возможностью выдачи выходной мощности переменного тока в качестве входного сигнала системы управления.

Предпочтительно, турбина имеет фиксированные лопасти, а генератор содержит непосредственно соединенный генератор с постоянным магнитом.

Предпочтительно, турбинная система дополнительно содержит систему передачи, содержащую трансформатор, причем система передачи выполнена с возможностью приема выходной мощности переменного тока от системы управления и передачи мощности переменного тока к приемной подстанции, расположенной на берегу.

Предпочтительно, турбинная система дополнительно содержит первый компонент коррекции коэффициента мощности, расположенный между выходом генератора и входом системы преобразователя, предназначенный для компенсации влияния системы преобразователя на коэффициент мощности генератора.

Предпочтительно, первый компонент коррекции мощности содержит три набора компонентов, каждый из которых содержит катушку индуктивности, включенную последовательно с конденсатором, причем каждый набор компонентов включен параллельно соответствующим трем фазовым выходам генератора. Конденсаторы служат для уменьшения как временных гармонических составляющих тока генератора, так и реактивной части основной составляющей для уменьшения таким образом потерь в генераторе, причем каждая из катушек индуктивности служит для предотвращения протекания большого тока через соответствующие конденсаторы, при коммутации трехфазного фазоуправляемого выпрямителя.

Предпочтительно, турбинная система дополнительно содержит второй компонент коррекции коэффициента мощности, расположенный между выходом системы преобразователя и системой передачи, чтобы обеспечить работу системы передачи с относительно высоким коэффициентом мощности. Таким образом, минимизируются потери в кабеле, идущем на берег, и система передачи работает с максимальной производительностью для подачи активной мощности в энергосеть.

Предпочтительно, второй компонент коррекции коэффициента мощности содержит три набора компонентов, каждый из которых содержит по меньшей мере конденсатор и, опционально, катушку индуктивности, включенную последовательно с конденсатором, причем каждый набор компонентов включен параллельно соответствующим трем фазовым выходам системы преобразователя. Конденсаторы служат для уменьшения тока, проводимого системой передачи, чтобы минимизировать потери и обеспечить максимальную производительность системы передачи для передачи полезной активной мощности на берег, причем катушки индуктивности предусмотрены для предотвращения больших токов, проходящих от конденсаторов при переключении тиристоров преобразователя второй ступени.

Конденсаторы могут быть соединены с высоковольтными контактами трансформатора или с низковольтными контактами.

В альтернативном варианте второй компонент коррекции коэффициента мощности может быть соединен с отдельной обмоткой трансформатора так, что индуктивность рассеяния обмотки препятствует тому, чтобы конденсаторы нарушали работу системы преобразователя.

Предпочтительно, турбинная система снабжена первым силовым кабелем, выполненным с возможностью параллельного соединения турбинной системы по меньшей мере с одной другой турбинной системой и выполнена с возможностью питания общего второго силового кабеля, передающего мощность переменного тока на берег.

В альтернативном варианте вторые компоненты коррекции коэффициента мощности могут быть подсоединены в месте соединения первого и второго силовых кабелей.

В данном изобретении также предложен массив турбинных систем, содержащий множество турбинных систем, соединенных параллельно друг с другом посредством первого силового кабеля, причем турбинные системы выполнены с возможностью питания общего второго силового кабеля, выполненного с возможностью передачи мощности переменного тока к приемной подстанции.

Предпочтительно массив турбинных систем дополнительно содержит управляющий контроллер, выполненный с возможностью определения уровня производительности каждой турбины в пределах массива и инструктирования модуля управления каждой турбинной системы для регулирования напряжения переменного тока, подаваемого генератором, чтобы изменять мощность, генерируемую каждой турбинной системой, для управления таким образом полной мощностью, генерируемой массивом.

Таким образом, возможно отслеживать выходную мощность массива турбинных систем и выбирать отдельные турбинные системы, например те системы, турбины которых находятся под воздействием потоков воды, имеющих скорость выше средней, причем возможно также изменять характер их работы, чтобы компенсировать работу других турбинных систем в пределах массива, которые не вырабатывают номинальную мощность, поскольку связанный поток воды имеет скорость ниже средней.

Предпочтительно, первый и второй силовые кабели выполнены с возможностью передачи трехфазного переменного тока с межфазным напряжением, подходящим для электрооборудования, которое не требует масляной изоляции, например с межфазным напряжением 22 кВ.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления изобретения описаны далее на примерах со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 изображена электрическая схема компоновки группы турбинных систем согласно предпочтительному варианту осуществления данного изобретения;

на фиг.2 приведено графическое представление характеристик турбины в виде зависимости мощности от скорости вращения;

на фиг.3 изображена одна из турбинных систем, показанных на фиг.1, содержащая систему преобразователя мощности согласно первому варианту осуществления данного изобретения;

на фиг.4 изображена одна из турбинных систем, показанных на фиг.1, содержащая систему преобразователя мощности согласно второму варианту осуществления данного изобретения;

на фиг.5 изображена одна из турбинных систем, показанных на фиг.1, содержащая систему преобразователя мощности согласно третьему варианту осуществления данного изобретения;

на фиг.6 изображена одна из турбинных систем, показанных на фиг.1, содержащая систему преобразователя мощности согласно четвертому варианту осуществления данного изобретения;

на фиг.7 изображен управляющий контроллер, выполненный с возможностью коммуникации и взаимодействия с модулем управления любой из турбинных систем, показанных на фиг.3-6;

на фиг.8 изображена турбинная система, показанная на фиг.З, дополнительно содержащая первый и второй компоненты коррекции коэффициента мощности;

на фиг.9 изображен альтернативный вариант схемы компоновки второго компонента коррекции коэффициента мощности, показанного на фиг.8;

на фиг.10 приведено соотношение между характеристиками, в том числе скоростью, крутящим моментом и мощностью, турбины, соединенной с системой управления согласно данному изобретению, и скоростью потока воды;

на фиг.11 приведено сравнение изменений осевого усилия в турбине и изгибающего момента на лопастях турбины при увеличении скорости потока воды для известной турбинной системы и для турбинной системы согласно данному изобретению;

на фиг.12 изображено регулирование мощности постоянного тока в зависимости от скорости потока воды, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения; и

на фиг.13 изображена работа тиристоров выпрямителя преобразователя первой ступени и инверторов преобразователя второй ступени под управлением модуля управления, согласно предпочтительному варианту осуществления данного изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана предпочтительная электрическая схема компоновки группы турбинных систем 10, предпочтительно, гидроэлектрических турбин.

Турбинные системы 10 электрически соединены параллельно друг сдругом коротким силовым кабелем 12, и питают один или большее количество основных передающих силовых кабелей 14, выполненных с возможностью передачи мощности, собранной у группы турбинных систем 10, к приемной подстанции (не показана), расположенной близко к берегу или на берегу. В предпочтительном варианте осуществления изобретения силовые кабели передают трехфазный переменный ток с межфазным напряжением 22 кВ для минимизации таким образом каких-либо потерь мощности в кабеле. Однако очевидно, что могут использоваться любые соответствующие кабели.

Как показано, каждая турбинная система 10 содержит турбину 16, например турбину приливного течения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения турбина предпочтительно содержит фиксированные лопасти.

Турбина 16 соединена с генератором 18, выполненным с возможностью преобразования механической энергии, генерируемой турбиной 16, в электрическую энергию. В предпочтительном варианте осуществления изобретения генератор 18 содержит непосредственно соединенный генератор с постоянным магнитом, который выдает трехфазную выходную мощность переменного тока, напряжение и частота которой пропорциональны скорости вращения турбины 16. В альтернативном варианте осуществления изобретения генератор 18 представляет собой асинхронный генератор, выдающий трехфазную выходную мощность переменного тока, напряжение и частота которой пропорциональны скорости вращения турбины 16. Однако, очевидно, что могут использоваться схемы компоновки с любым подходящим числом фаз. В некоторых конструкциях генераторов возможно разделить катушки обмоток на группы, чтобы производить две или большего количества выходов, которые электрически изолированы.

Выходная мощность (или каждая электрическая выходная мощность, в зависимости от конкретного случая) генератора 18 подается к контактам переменного тока системы 20 преобразователя мощности для преобразования трехфазной мощности переменного тока в мощность переменного тока в форме, совместимой с системой 22 передачи для передачи мощности, собранной у группы турбинных систем 10, к приемной подстанции на берегу.

Система 22 передачи содержит трансформатор 24, предназначенный для повышения напряжения мощности, подаваемой системой преобразователя, от значения, как правило, 400 или 690 В до напряжения системы передачи.

Трансформатор (не показан), расположенный в приемной подстанции (не показана), выполнен с возможностью преобразования мощности, полученной по силовому кабелю 14, в напряжение, подходящее для соединения с энергосетью, или, в альтернативном варианте, в напряжение, подходящее для соединения с последующей ступенью преобразователя мощности, которое может быть необходимо перед соединением с энергосетью.

Напряжение 22 кВ выбрано потому, что оно находится в пределах диапазона, не требующих обслуживания трансформаторов с изоляцией из литьевой смолы. Такие трансформаторы могут подходить для использования в заполненных газом корпусах, расположенных вблизи турбин 16. Для более высоких напряжений может потребоваться маслонаполненный трансформатор, который требует периодического обслуживания и представляет потенциальную угрозу для окружающей среды.

Приливные течения являются, как правило, турбулентными, вызывающими изменения скорости потока воды, как правило, в диапазоне от 60 до 140% от среднего значения, в течение периодов времени от нескольких секунд до нескольких минут. Мощность, доступная для получения от потока воды, пропорциональна возведенной в куб скорости потока, и в обычном случае для турбины, имеющей значение номинальной мощности 1 МВт, при средней скорости потока 3 м/с мощность, доступная для получения от каждой турбины, может изменяться в диапазоне от 0,216 до 2,744 МВт.

Как проиллюстрировано на графике на фиг.2, для номинальной скорости потока воды существует зависимость между электрической мощностью, вырабатываемой турбиной, и скоростью вращения турбины. Как показано, генерируемая мощность для рассматриваемой турбины увеличивается по мере увеличения скорости вращения вплоть до значения максимальной мощности, составляющей приблизительно 1000 кВт для скорости вращения 20-25 оборотов в минуту. После этого, по мере увеличения скорости вращения генерируемая мощность уменьшается, достигая нулевого значения мощности для скорости вращения 35-40 оборотов в минуту. Таким образом, можно сделать вывод, что для номинального значения скорости потока воды мощность, генерируемая турбиной, увеличивается по мере увеличения скорости вращения лопастей турбины. Однако, после заданного порогового значения скорости вращения генерируемая мощность начинает уменьшаться.

Соотношение между механической мощностью, развиваемой турбиной 16, и мощностью, передаваемой потоком воды, называется коэффициентом мощности (CP) турбины 16. Мощность, передаваемая потоком воды, зависит от площади турбины 16, перекрывающей поток воды, и скорости потока воды. Коэффициент мощности представляет собой безразмерный параметр, который является функцией относительной скорости винта, которая является вторым безразмерным параметром, равным отношению окружной скорости турбины 16 к скорости потока воды. Коэффициент мощности достигает максимального значения при оптимальном значении относительной скорости винта. Для случая, изображенного на фиг.2, относительная скорость винта равна оптимальному значению, когда скорость вращения составляет 22 оборота в минуту, при этом коэффициент максимальной мощности, умноженный на мощность потока, дает механическую мощность 1 МВт.

Во время, когда скорость воды меньше нормальной рабочей скорости потока, или номинальной скорости, желательно, чтобы крутящий момент или скорость вращения турбины 16 были отрегулированы так, чтобы она работала с извлечением максимально возможной мощности из потока воды. Точно так же, во время, когда скорость потока воды превышает номинальную скорость, желательно ограничить генерируемую мощность номинальным значением, чтобы предохранить турбины 16 от чрезмерного механического напряжения и избежать перегрузки и перегрева других компонентов внутри турбинной системы 10.

Поэтому система 20 преобразователя мощности согласно данному изобретению выполнена с возможностью управления работой турбин, в частности, скоростью вращения турбин, обеспечения оптимальной генерируемой мощности, когда скорость потока воды меньше номинального значения, и ограничения генерируемой мощности, когда скорость потока воды больше номинального значения.

Соответственно, система 20 преобразователя мощности турбинной системы 10 предпочтительно выполнена с возможностью коммуникации с модулем 32 управления. Модуль 32 управления выполнен с возможностью определения показателя скорости потока воды через турбину 16. В предпочтительном варианте осуществления изобретения имеющуюся скорость потока воды определяют путем измерения тока от генератора вместе с рабочей частотой и напряжением. Однако, очевидно, что значение имеющейся скорости потока воды может быть получено путем измерения посредством датчика расхода, или оно может быть вычислено вероятностным методом с использованием статистической и/или прогностической информации, например, или согласно альтернативному варианту, путем регулирования измеренного значения скорости потока воды согласно информации, выведенной из статистики и/или прогнозов.

На фиг.3 показана турбинная система 10, включая детализированное изображение системы 20 преобразователя мощности согласно первому варианту осуществления данного изобретения. В этом первом варианте осуществления изобретения система 20 преобразователя мощности содержит преобразователь 26 первой ступени и преобразователь 28 второй ступени.

Преобразователь 26 первой ступени представляет собой выпрямитель, выполненный с возможностью преобразования входной мощности переменного тока, полученной от генератора и имеющей частоту, соответствующую скорости вращения генератора, в мощность постоянного тока. Как показано, выпрямитель представляет собой предпочтительно трехфазный фазоуправляемый выпрямитель, например тиристорный мост. В качестве альтернативного варианта, очевидно, что преобразователь 26 первой ступени может быть выполнен в виде тиристорного контроллера переменного тока, за которым находится диодный мост, как описано более подробно ниже со ссылкой на фиг.4.

Преобразователь 28 второй ступени представляет собой инвертор, выполненный с возможностью преобразования мощности постоянного тока, выдаваемой преобразователем 26 первой ступени, в мощность переменного тока, имеющую напряжение и частоту системы 22 передачи. В этом варианте осуществления инвертор представляет собой тиристорный мост, работающий как фазоуправляемый токовый инвертор с линейной коммутацией.

Для каждого значения скорости потока воды существует оптимальная скорость вращения турбины 16, которая обеспечивает максимальную выходную мощность от турбины 16, и существует соответствующее оптимальное соотношение между напряжением и током в звене 34 постоянного тока, расположенном между преобразователем 26 первой ступени и преобразователем 28 второй ступени.

Таким образом, модуль 32 управления выполнен с возможностью регулирования напряжения звена постоянного тока в зависимости от имеющейся скорости потока воды с тем, чтобы управлять вращением турбины 16.

Когда скорость потока воды через турбину 16 меньше значения номинальной скорости, модуль 32 управления выполнен с возможностью обеспечения работы или поведения преобразователя 26 первой ступени в качестве неуправляемого выпрямителя (то есть в качестве выпрямителя, в котором углы отпирания заданы равными 0 градусов), так, что скорость генератора 18 и скорость турбины 16 непосредственно связаны с напряжением звена 34 постоянного тока. Таким образом, благодаря регулированию заданного значения напряжения звена постоянного тока, постоянный ток и, соответственно, мощность переменного тока, впоследствии изменяются, позволяя управлять скоростью вращения турбины 16 и в этом случае предпочтительно вызывая уменьшение скорости вращения турбины для обеспечения таким образом извлечения из турбины оптимальной мощности.

Преобразователь 26 первой ступени и, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, управляемый выпрямитель используют во время периодов высокой скорости потока воды, обеспечивая возможность увеличения скорости вращения турбин 16 таким образом, чтобы генерируемая мощность была ограничена желаемым максимальным значением.

Когда скорость потока воды через турбину 16 превышает значение номинальной скорости, модуль 32 управления выполнен с возможностью установки параметров преобразователя 28 второй ступени и, в частности, угла отпирания или угла сдвига фаз тиристоров преобразователя 28 второй ступени для обеспечения максимального значения напряжения звена постоянного тока. Модуль 32 управления выполнен также с возможностью установки тока звена постоянного тока в фиксированное значение путем регулирования преобразователя 26 первой ступени для ограничения таким образом мощности, получаемой от генератора 18, желаемым максимальным значением. Таким образом, напряжение на входе преобразователя 26 первой ступени увеличивается, и, соответственно, увеличивается скорость вращения турбины 16.

Как показано на фиг.3, между выходом преобразователя первой ступени и входом преобразователя второй ступени предпочтительно последовательно расположена катушка 30 индуктивности, чтобы управлять изменяющимися потребностями системы и обеспечивать непрерывность постоянного тока, несмотря на переключение тиристоров.

Вследствие результирующего высокого напряжения, вырабатываемого генератором 18, преобразователь первой ступени использует переключающие устройства, например тиристоры очень высокого номинального напряжения.

Во втором варианте осуществления, как показано на фиг.4, вместо использования тиристоров очень высокого напряжения может быть уменьшено напряжение каждого из трех фазовых выходов переменного тока генератора 18 путем соединения каждого выхода с индуктивной нагрузкой 136, 236 и 336, включенной параллельно соответствующим входам выпрямителя преобразователя 26 первой ступени. Реактивный ток, получаемый от индуктивной нагрузки 136, 236 и 336, имеет свойство создания большого падения напряжения на индуктивности обмотки генератора 18. Индуктивные нагрузки 136, 236 и 336 предпочтительно соединены с выпрямителем преобразователя первой ступени соответствующими твердотельными переключателями 138, 238 и 338, причем выпрямитель предпочтительно представляет собой простой диодный выпрямитель 40. В этом варианте осуществления изобретения модуль 32 управления выполнен с возможностью регулирования угла отпирания тиристоров твердотельного переключателя под фазовым управлением с тем, чтобы управлять преобразователем первой ступени и соответственно вращением турбин 16.

В приведенном на фиг.5 третьем варианте осуществления генератором 18 выдаются два выходных сигнала мощности трехфазного переменного тока, сформированные с возможностью подачи в отдельные первую и вторую системы 120 и 220 преобразователей мощности соответственно. Выходы систем 120 и 220 первого и второго преобразователей мощности выполнены с возможностью питания отдельных обмоток общего трансформатора, образующего двенадцатиимпульсную систему, создающую в системе 22 передачи ток с гармониками значительно более низкой частоты, по сравнению с током, который может создаваться системой с меньшим числом импульсов. Очевидно, что в турбинной системе 10 согласно данному изобретению может использоваться любое число соответствующих трехфазных групп.

Кроме того, очевидно, что в случае неисправности, произошедшей в одной из двух или в большем количестве систем 120, 220 преобразователя мощности, другие системы преобразователя мощности могут продолжать функционировать и давать возможность турбине 10 работать с ограниченной максимальной мощностью. В таком случае модули 32, 32' управления предпочтительно снабжены детектирующим средством (не показано) для детектирования неисправности и установления соответствующим образом пониженного значения предельной максимальной мощности. При этом модули 32, 32' управления будут соединены или иначе организованы таким образом, что они будут иметь возможность коммуникации друг с другом. В альтернативном варианте может использоваться один модуль 32 управления, соединенный с каждой из систем 120, 220 преобразователя мощности.

В четвертом варианте осуществления данного изобретения система 20 преобразователя мощности, изображенная на фиг.3, заменена системой 20 преобразователя мощности, изображенная на фиг.6. Как показано на чертеже, система преобразователя мощности, изображенная на фиг.6, также содержит преобразователь 26 первой ступени и преобразователь 28 второй ступени. Преобразователь 26 первой ступени выполнен с возможностью преобразования мощности переменного тока, выдаваемой генератором 18, в мощность постоянного тока, а преобразователь 28 второй ступени выполнен с возможностью преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока для передачи к приемной подстанции (не показана).

Как и в случае с системами преобразователя согласно предшествующим вариантам осуществления изобретения, система 20 преобразователя, показанная на фиг.6, выполнена с возможностью коммуникации с модулем 32 управления, чтобы принимать сигналы управления и выдавать в модуль 32 управления измеренное значение мощности, проходящей через систему 20 преобразователя мощности. Для этого в звене 34 постоянного тока установлен датчик (не показан), чтобы детектировать и отслеживать постоянный ток, проходящий между преобразователями первой ступени и второй ступени и передавать сигнал в модуль 32 управления.

В этом варианте осуществления изобретения преобразователь 26 первой ступени и преобразователь 28 второй ступени представляют собой преобразователи типа инвертора напряжения. В частности, преобразователь первой ступени предпочтительно представляет собой инвертор напряжения, работающий как активный выпрямитель, и выполнен с возможностью работы со звеном постоянного тока фиксированного напряжения.

Как показано на фиг.6, преобразователь 26 первой ступени и преобразователь 28 второй ступени являются трехфазными мостами с шестью устройствами, причем каждое устройство 39 содержит полупроводниковый переключатель и безынерционный диод.

В данном варианте осуществления изобретения преобразователь 26 первой ступени и преобразователь 28 второй ступени представляют собой переключающие устройства 39 на основе биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT). Однако, очевидно, что могут использоваться другие типы переключающих устройств, например, коммутируемые по затвору запираемые тиристоры (IGCT), запираемые (GTO) тиристоры. Переключающие устройства 39 управляются и работают в соответствии с сигналом, полученным от модуля 32 управления.

Как показано на фиг.6, параллельно с контактами постоянного тока преобразователей 26 и 28 первой ступени и второй ступени предпочтительно соединен конденсатор 41. Конденсатор 41 выполнен с возможностью поддержания, по существу, неизменного напряжения звена постоянного тока в течение периода цикла переключения переключающих устройств 39. Модуль 32 управления выполнен с возможностью регулирования фазы выходного напряжения преобразователя 28 второй ступени в зависимости от изменений напряжения на конденсаторе 41, для поддержания таким образом напряжения звена постоянного тока в узких пределах заданного значения.

В этом варианте осуществления изобретения преобразователь 28 второй ступени выполнен с возможностью преобразования мощности постоянного тока, выдаваемой преобразователем первой ступени, в мощность переменного тока для передачи к приемной подстанции (не показана). Напряжение, имеющееся на выходных контактах переменного тока, содержащих выходные линии А, В и С переменного тока преобразователя 28 второй ступени, предпочтительно получают путем использования широтно-импульсной модуляции (PWM).

Чтобы управлять напряжением, подаваемым по линии А, переключатель S1 преобразователя 28 второй ступени постоянно включается и выключается. Когда переключатель S1 находится во включенном состоянии, электрический ток протекает от положительной линии постоянного тока к линии А. Когда переключатель S1 находится в выключенном состоянии, ток продолжает течь в том же направлении через линию А вследствие индуктивности компонентов в системе передачи, например, трансформатора и вынужден проходить через безынерционный диод D2, установленный параллельно второму переключателю S2. Когда ток течет в другом направлении, он проходит через переключатель S2 и безынерционный диод D1, установленный параллельно первому переключателю S1.

Когда переключатель S1 находится во включенном состоянии, напряжение на линии А, по существу, равно напряжению положительной линии постоянного тока, а когда переключатель S1 находится в выключенном состоянии, напряжение на линии А, по существу, равно напряжению отрицательной линии постоянного тока. В связи с этим, среднее по времени напряжение на линии А связано с напряжением на положительной и отрицательной линиях постоянного тока и с отношением продолжительности периодов нахождения переключателя S1 во включенном и выключенном состояниях. Таким образом, средним напряжением на линии А можно управлять путем управления коммутационными сигналами, посылаемыми в переключатели S1 и S2.

В частности, изменяя отношение продолжительностей периодов нахождения переключателей S1 и S2 устройств 39 во включенном и выключенном состояниях, можно управлять средним напряжением на линии А так, чтобы оно принимало любое значение между напряжениями в данных двух линиях постоянного тока. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения модуль 32 управления выдает коммутационный сигнал высокой частоты с циклически изменяющимся отношением, чтобы создавать на линии А выходного контакта переменного тока напряжение приблизительно синусоидальной формы с наложенной высокочастотной составляющей. Предпочтительно, для ослабления высокочастотной составляющей используют фильтр малой емкости (не показан).

Напряжением на линиях В и С управляют таким же образом путем управления устройствами 39, связанными с линиями В и С.

Например, звено 34 постоянного тока может работать при 1100 В, а коммутационный сигнал, подаваемый в затворы биполярных транзисторов с изолированным затвором преобразователя 28 второй ступени, может иметь частоту, как правило, 3000 Гц. Отношение периодов включенного и выключенного состояний может изменяться в диапазоне от 1:10 до 10:1 таким образом, чтобы среднее напряжение на выходном контакте переменного тока изменялось в диапазоне от 100 до 1000 В. Если отношение изменяется во времени синусоидально с частотой 50 Гц, то выходное напряжение на линии А выходного контакта переменного тока имеет среднее значение 550 В с наложенной составляющей переменной тока частотой 50 Гц с амплитудой 450 В и эффективной величиной 318 В.

Аналогичный сигнал, подаваемый в переключатели S3 и S4, соединенные с линией В, вызывает изменение напряжения на линии В таким же образом, но но он может быть сдвинут по фазе так, чтобы составляющая частотой 50 Гц отличалась по фазе на 120 градусов относительно фазы в линии А. Таким образом, напряжение переменного тока между линиями А и В имеет эффективную величину 551 В, и если сигнал, подаваемый в переключатели S5 и S6 для линии С также сдвинут по фазе на 120 градусов, тогда эти три линии А, В и С передают сбалансированное трехфазное выходное напряжение с эффективной величиной 551 В между линиями. Путем соответствующего изменения коммутационных сигналов модуль 32 управления может управлять амплитудой и частотой выходного напряжения переменного тока.

Амплитуда выходного напряжения переменного тока преобразователя 28 второй ступени определяет величину реактивной мощности, которая протекает в сеть трехфазного переменного тока, а фаза выходного напряжения относительно напряжения сети определяет поток активной мощности.

Аналогично, модуль 32 управления выполнен с возможностью управления устройствами 39 преобразователя 26 первой ступени для управления таким образом напряжением, выдаваемым на входе переменного тока преобразователя 26 первой ступени, и соответственно напряжением переменного тока на контактах генератора 18. В частности, преобразователем 26 первой ступени управляют так, чтобы устанавливать амплитуду и частоту напряжения на контактах генератора и соответствующих потоков активной и реактивной мощности.

Кроме того, преобразователем 26 первой ступени управляют так, чтобы обеспечить выдачу генератору 18 напряжения переменного тока, которое изменяется согласно электрической частоте таким образом, что результирующий переменный ток совпадает по фазе с электродвижущей силой (эдс), индуцируемой в обмотках генератора 18.

При имеющейся скорости потока воды турбина 16 связана с, по существу, идеальной скоростью вращения, с результирующей частотой и эдс, а также с соответствующей мощностью. Поэтому для, по существу, идеальной скорости вращения составляющая переменного тока генератора, совпадающая по фазе с эдс, является известной функцией частоты. Максимальную производительность генератора получают, когда потери и соответственно ток минимизированы, что, в свою очередь, означает, что составляющая тока, смещенная по фазе на девяносто градусов относительно эдс, предпочтительно равна нулю. Соответствующее напряжение переменного тока на контактах генератора может быть определено как функция частоты и может быть зафиксировано в качестве требуемого параметра для модуля 32 управления.

Как описано выше, для любого значения скорости потока воды существует оптимальная скорость вращения турбины 16, которая позволяет получить от турбины 16 максимальную выходную мощность, и существует соответствующее оптимальное соотношение между частотой, напряжением и мощностью. Мощность переменного тока прямо пропорциональна току звена постоянного тока, поскольку напряжение звена постоянного тока является фиксированным. Таким образом, модуль 32 управления выполнен с возможностью установки частоты преобразователя первой ступени в соответствии с током звена постоянного тока, измеряемым датчиком (не показан), для управления напряжением переменного тока в генераторе.

В частности, модуль 32 управления выполнен с возможностью изменения работы устройств 39 контроллера 26 первой ступени, чтобы регулировать частоту напряжения переменного тока на входных контактах преобразователя первой ступени в зависимости от имеющейся величины тока звена постоянного тока.

Когда скорость потока воды через турбину 16 меньше значения номинальной скорости, модуль 32 управления выполнен с возможностью осуществления преобразователем 26 первой ступени регулирования частоты напряжения переменного тока на входных контактах преобразователя первой ступени и соответственно на контактах переменного тока генератора 18 таким образом, чтобы скорость вращения генератора и турбины была оптимизирована для получения от потока максимальной мощности.

Преобразователь 26 первой ступени используется во время периодов высокой скорости потока воды, чтобы обеспечить возможность увеличения скорости вращения турбин 16 таким образом, чтобы генерируемая мощность была ограничена желаемым максимальным значением. Если скорость потока воды через турбину 16 превышает значение номинальной скорости, модуль 32 управления выполнен с возможностью осуществления преобразователем 26 первой ступени регулирования частоты напряжения переменного тока на входных контактах преобразователя первой ступени и соответственно на контактах переменного тока генератора 18 таким образом, чтобы скорость вращения генератора 18 и турбины 16 обеспечивала получение мощности, ограниченной максимальным значением. Если скорость потока будет очень высокой, то соответствующее идеальное напряжение превысит номинальное напряжение преобразователя 26 первой ступени, и генератор 18 будет вынужден переносить определенную величину переменного тока со сдвигом по фазе на девяносто градусов относительно электродвижущей силы, при этом потери в генераторе 18 будут соответственно выше минимальных.

Очевидно, что подобно варианту осуществления изобретения, изображенному на фиг.5, турбинная система 10, показанная на фиг.6, может быть модифицирована так, чтобы содержать две или большее количество систем 20 преобразователя мощности, каждая из которых имеет параллельные каналы преобразователя мощности с отдельными звеньями постоянного тока. Это обеспечивает резервирование, чтобы в случае неисправности одного из каналов турбина 16 могла продолжать работать с ограниченной максимальной мощностью. Каждый канал из отдельных каналов принимает входной сигнал от изолированных секций обмоток генератора, чтобы неисправность в одном канале не влияла на работу других каналов.

Как описано выше, силовой кабель 14, установленный для передачи мощности на берег, предпочтительно выполнен с возможностью сбора мощности от нескольких турбинных систем 10 в массиве турбинных систем. Силовой кабель 14, идущий на берег, и прочая инфраструктура, используемые для подачи мощности в энергосеть на берегу, представляют весьма значительные капиталовложения, и предпочтительно по возможности всегда использовать их в максимальной степени. Поэтому, если некоторые турбины 16 в массиве турбинных систем работают при производительности меньшей, чем P/N, где Р - максимальная нагрузка кабеля, а N - количество турбин, полезно давать возможность другим турбинам иметь производительность большую, чем величина P/N, чтобы сбалансировать таким образом полное количество поставляемой мощности. В других случаях может быть желательно или необходимо уменьшить генерируемую мощность, например, если коммунальная энергосеть загружена незначительно, и оператор энергоети запрашивает вклад мощности от массива турбин, который ниже мощности, доступной для получения от преобладающего потока.

В связи с этим, в данном изобретении также предложено средство для регулирования и управления ограничением максимальной мощности отдельных турбин 16 согласно преобладающим скоростям потока в других турбинах и мощности, извлекаемой другими турбинными системами 10 в массива. Для этого в предпочтительном варианте осуществления изобретения модуль 32 управления выполнен с возможностью коммуникации и взаимодействия с управляющим контроллером 54, как показано на фиг.7, предназначенным для оптимизации работы массива или группы турбин 16 в целом. Управляющий контроллер 54 предпочтительно выполнен с возможностью отслеживания уровней эффективности, включая выходную мощность каждой турбины 16 в пределах массива или группы турбин, и выполнен с возможностью компенсации для турбин 16, которые не производят номинальную мощность из-за того, что связанный с ними поток воды имеет скорость ниже средней путем инструктирования модулей 32 управления турбинных систем 10, турбины 16 которых подвергаются воздействию потоков с более высокой скоростью, чтобы они выдавали мощность выше номинальной.

В случае, когда полная мощность, генерируемая массивом турбин в целом, превышает пороговую величину, например пороговый предел, наложенный оператором энергосети, управляющий контроллер 54 выполнен с возможностью инструктирования модуля 32 управления некоторых или всех турбинных систем 10 в массиве турбин для уменьшения фиксированной величины тока звена постоянного тока для ограничения таким образом получаемой полной выходной мощности. Аналогично, в случае, когда другие турбины 16 в массиве турбинных систем 10 работают с потоком воды, имеющим скорость ниже средней, и соответственно не производят номинальную мощность, управляющий контроллер 54 выполнен с возможностью направления команды или инструктирования модуля 32 управления выбранных турбинных систем в пределах массива для увеличения фиксированной величины тока звена постоянного тока, чтобы получать выходные мощности выше номинальной и таким образом компенсировать более низкую выходную мощность, получаемую от других турбин 16 в массиве турбин.

Мощность выше номинальной может быть получена турбинными системами 10 от потоков воды с более высокой скоростью пропорционально квадрату скорости потока воды путем использования компонентов коррекции коэффициента мощности, расположенных между генератором 18 и системой 20 преобразователя мощности, как описано более подробно ниже.

Системы преобразователя мощности, в которых используются фазоуправляемые выпрямители, вынуждают генераторы работать с коэффициентом мощности значительно меньше единицы. Таким образом, генераторы должны иметь номинальную мощность большую, чем необходимо в иных случаях, что приводит к увеличению количества магнитного материала и соответственно увеличению стоимости.

Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления данного изобретения для компенсации влияния системы 20 преобразователя мощности на коэффициент мощности генератора между выходом генератора 18 и входом преобразователя первой ступени системы 20 преобразователя мощности турбинной системы, показанной на фиг.3, предусмотрен первый компонент 42 коррекции коэффициента мощности, как показано на фиг.8.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения первый компонент 42 коррекции коэффициента мощности содержит три набора 142, 242 и 342 компонентов соответственно, каждый из которых содержит катушку 144, 244, 344 индуктивности, включенную последовательно с конденсатором 146, 246, 346, причем каждый набор 142, 242 и 342 компонентов включен параллельно соответствующим трем фазовым выходам генератора 18. Каждый из конденсаторов 146, 246, 346 уменьшает как временные гармонические составляющие генерируемого тока, так и реактивную часть основной составляющей так, что потери в генераторе уменьшаются. Каждая из катушек 144, 244, 344 индуктивности служит для предотвращения протекания большого тока через соответствующие конденсаторы 146, 246, 346 при коммутации трехфазного фазоуправляемого выпрямителя 26.

Чтобы минимизировать потери и обеспечить максимальную способность системы 22 передачи передавать полезную активную мощность на берег, между выходом преобразователя второй ступени системы 20 преобразователя мощности и системой передачи турбинной системы, показанной на фиг.3, предусмотрен второй компонент 48 коррекции коэффициента мощности, как показано на фиг.8.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения второй компонент 48 коррекции коэффициента мощности содержит три набора 148, 248 и 348 компонентов соответственно, каждый из которых содержит катушку 150, 250, 350 индуктивности, включенную последовательно с конденсатором 152, 252, 352, причем каждый набор 144, 244 и 344 компонентов включен параллельно соответствующим трем фазовым выходам преобразователя 28 второй ступени. Каждый из конденсаторов 152, 252, 352 уменьшает ток, проводимый системой 22 передачи, чтобы минимизировать потери и обеспечить максимальную способность системы 22 передачи передавать полезную активную мощность на берег. Катушки 150, 250, 350 индуктивности предусмотрены для предотвращения больших токов, извлекаемых из конденсаторов 152, 252, 352 при переключении тиристоров преобразователя 28 второй ступени.

Однако, очевидно, что вместо этого второй компонент 48 коррекции коэффициента мощности может быть соединен с отдельной обмоткой трансформатора 24, как показано на фиг.9. В этом случае реактивного сопротивления утечки трансформатора обычно достаточно, чтобы ограничить ток в конденсаторе во время коммутации преобразователя второй ступени, и последовательно соединенные катушки индуктивности могут быть не нужны.

Хотя пример системы 20 преобразователя мощности, показанный на фиг.3, приведен для описания применения компонентов коррекции мощности, очевидно, что любой из вариантов осуществления преобразования мощности может быть модифицирован так, чтобы содержать описанные компоненты коррекции коэффициента мощности, чтобы компенсировать влияние системы 20 преобразователя мощности на коэффициент мощности генератора и минимизировать потери, а также обеспечить максимальную способность системы 22 передачи передавать полезную активную мощность на берег.

На фиг.10 проиллюстрировано соотношение между характеристиками скорости вращения, крутящего момента и мощности турбины, соединенной с системой управления согласно данному изобретению, в которой используется предел или ограничение мощности, произведенной при скорости потока воды вне порогового значения, и скоростью потока воды. Как показано на чертеже, когда скорость потока воды увеличивается в сторону номинальной скорости, скорость вращения, крутящий момент и мощность турбины увеличиваются. Однако, как только скорость потока воды превышает номинальную, мощность ограничивается, при этом крутящий момент выравнивается и имеет тенденцию к уменьшению, в то время как скорость потока воды продолжает увеличиваться. Скорость вращения турбин увеличивается для предотвращения чрезмерного механического напряжения, приложенного к турбине. Очевидно, что модуль управления может использоваться для ограничения крутящего момента при наступлении предела мощности. При этом происходит уменьшение механических нагрузок на машине. В частности, на фиг.10 показано, что в конкретном изображенном примере для малого диапазона скоростей потока приблизительно от 3,5 до 4,2 м/с крутящий момент был ограничен максимальным значением приблизительно 300 кНм. В случае, если используемая система преобразователя мощности представляет собой систему инвертора, управляемую напряжением, как, например, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.6, этого достигают путем ограничения мощности с использованием управления по частоте. В альтернативном варианте, в случае, если используемая система преобразования мощности представляет собой систему инвертора, управляемую током, как, например, в варианте осуществления, показанном на фиг.3, например, фазоуправляемый тиристорный мост, крутящий момент может быть ограничен путем регулирования угла задержки включения, как показано на фиг.13 и описано более подробно ниже.

На фиг.11 проиллюстрировано изменение осевого усилия в турбине и изгибающего момента на лопастях турбины при увеличении скорости потока воды. Можно заметить, что значениями изгибающего момента на лопасти и осевым усилием в турбине управляют для их снижения посредством системы управления согласно данному изобретению. Однако, как показано на чертеже, значения изгибающего момента на лопасти и осевого усилия лопастей турбины, когда турбина имеет максимальный коэффициент мощности (CP) и не управляется системой управления согласно данному изобретению, непрерывно увеличиваются при увеличении скорости потока воды. Предпочтительно, максимальное значение крутящего момента является заданным значением и выбирается для обеспечения того факта, что температура обмоток генератора не превышает безопасное значение. Кроме того, максимальное значение крутящего момента предпочтительно выбирается также для ограничения напряжений в турбине 16 допустимым уровнем, поскольку крутящий момент и напряжения взаимосвязаны. На фиг.11 показано соотношение между двумя критическими механическими нагрузками: изгибающим моментом на лопастях и полным осевым усилием в турбине. Можно видеть, что ограничение мощности при высокой скорости потока приводит к соответствующим уменьшениям механических нагрузок и последующему уменьшению напряжений. Вариант, показанный на фиг.11, соответствует случаю, когда мощность была ограничена фиксированным значением, но возможно дополнительное ограничение мощности и таким образом ограничение соответствующих механических нагрузок и напряжений.

На фиг.12 проиллюстрировано регулирование мощности постоянного тока в зависимости от скорости потока воды, как описано выше, а на фиг.13 проиллюстрирована работа тиристоров выпрямителя преобразователя 26 первой ступени и инверторов преобразователя 28 второй ступени под управлением модуля 32 управления. Как показано на фиг.13, для рассматриваемой турбины номинальная скорость потока воды составляет приблизительно 4,1 м/с, и поэтому для скорости потока воды, увеличивающейся до номинального значения скорости воды, на графике изображен угол отпирания тиристоров преобразователя второй ступени, активируемых при все более увеличивающихся углах. Как только скорость потока воды превышает номинальное значение скорости потока воды, тиристоры преобразователя первой ступени отпираются при все более увеличивающихся углах согласно увеличивающейся скорости потока воды, но угол отпирания тиристоров преобразователя второй ступени поддерживается постоянным, чтобы обеспечивать максимальное напряжение звена постоянного тока.

Изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, но может быть изменено или модифицировано без выхода за пределы объема правовой охраны данного изобретения.

Claims (24)

1. Система управления для управления работой гидроэлектрической турбины (16), причем система управления содержит:

систему (20) преобразователя, выполненную с возможностью преобразования мощности переменного тока (АС), подаваемой генератором (18), соединенным с турбиной (16), и имеющей напряжение и частоту, которые зависят от скорости вращения турбины, в мощность переменного тока, имеющую напряжение и частоту системы (22) передачи, для передачи мощности переменного тока к приемной подстанции,

причем система дополнительно содержит модуль (32) управления, при этом модуль управления выполнен с возможностью определения показателя скорости потока воды через турбину и взаимодействия с системой (20) преобразователя, чтобы регулировать напряжение переменного тока, подаваемого генератором в зависимости от скорости потока воды через турбину (16), для управления таким образом вращением турбины,

причем система преобразователя дополнительно содержит преобразователь (26) первой ступени и преобразователь (28) второй ступени, при этом между преобразователями первой ступени и второй ступени расположено звено (34) постоянного тока (DC), причем преобразователь первой ступени выполнен с возможностью преобразования мощности переменного тока, подаваемой генератором (18), в мощность постоянного тока, а преобразователь второй ступени выполнен с возможностью преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока для передачи к приемной подстанции,

причем преобразователь второй ступени представляет собой преобразователь типа инвертора напряжения.

2. Система управления по п. 1, в которой звено (34) постоянного тока содержит по меньшей мере один датчик для измерения постоянного тока и выполнено с возможностью выдачи сигналов, связанных с измеренным постоянным током, в модуль (32) управления.

3. Система управления по п. 2, в которой звено постоянного тока содержит по меньшей мере один датчик для измерения напряжения постоянного тока и выполнено с возможностью выдачи сигналов, связанных с измеренным напряжением постоянного тока, в модуль управления.

4. Система управления по любому из пп. 1-3, в которой преобразователь (26) первой ступени представляет собой преобразователь напряжения.

5. Система управления по п. 1, в которой преобразователь (26) первой ступени представляет собой преобразователь напряжения, работающий в качестве активного выпрямителя, и выполнен с возможностью работы со звеном постоянного тока фиксированного напряжения.

6. Система управления по п. 1, в которой преобразователь (26) первой ступени и преобразователь (28) второй ступени представляют собой трехфазные мосты с шестью устройствами, причем каждое устройство содержит переключатель и безынерционный диод.

7. Система управления по п. 6, в которой переключатели выбраны из любых полупроводниковых переключателей, например, переключающих устройств на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), коммутируемых по затвору запираемых тиристоров (IGCT) или запираемых (GTO) тиристоров.

8. Система управления по п. 7, в которой переключатели выполнены с возможностью приема сигналов и работы согласно сигналам, принятым от модуля (32)управления.

9. Система управления по п. 1, в которой параллельно с контактами постоянного тока преобразователей (26, 28) первой ступени и второй ступени соединен конденсатор (41), который выполнен с возможностью поддержания, по существу, неизменного напряжения звена постоянного тока в течение периода цикла переключения переключателей устройств.

10. Система управления по п. 1, в которой модуль (32) управления выполнен с возможностью управления устройствами преобразователя (26) первой ступени для управления таким образом напряжением, выдаваемым на входе переменного тока преобразователя (26) первой ступени.

11. Система управления по п. 1, в которой модуль (32) управления выполнен с возможностью управления устройствами преобразователя (26) первой ступени, чтобы устанавливать амплитуду и частоту напряжения на контактах генератора (18) и соответствующие потоки активной и реактивной мощности.

12. Система управления по п. 10, в которой преобразователем (26) первой ступени управляют так, чтобы выдавать генератору (18) напряжение переменного тока, которое изменяется в зависимости от частоты электрического тока таким образом, что результирующий переменный ток совпадает по фазе с электромагнитной силой, индуцируемой в обмотках генератора (18).

13. Система управления по п. 10, в которой модуль (32) управления выполнен с возможностью управления амплитудой и частотой выходного напряжения переменного тока преобразователя (28) второй ступени посредством коммутационного сигнала, передаваемого в устройства преобразователя (28) второй ступени.

14. Система управления по п. 10, в которой модуль (32) управления выполнен с возможностью изменения работы устройств контроллера (26) первой ступени, чтобы регулировать частоту напряжения переменного тока на входных контактах преобразователя (26) первой ступени для управления вращением турбины (16).

15. Система управления по п. 10, в которой, в ответ на скорость потока воды, меньшую, чем пороговое значение, модуль (32) управления выполнен с возможностью определения тока звена постоянного тока, определения оптимального значения мощности постоянного тока, связанного со скоростью потока воды, для турбины, и регулирования работы преобразователя (26) первой ступени путем изменения последовательности переключения устройств преобразователя (26) первой ступени, чтобы регулировать частоту напряжения переменного тока на входных контактах до такого значения, чтобы обеспечить упомянутое оптимальное значение мощности постоянного тока для упомянутого определенного тока звена постоянного тока.

16. Система управления по п. 10, в которой, в ответ на скорость потока воды, большую, чем пороговое значение, модуль (32) управления выполнен с возможностью определения оптимального значения мощности постоянного тока, связанного со скоростью потока воды, для турбины (16), и регулирования работы преобразователя (26) первой ступени путем изменения последовательности переключения устройств, чтобы регулировать частоту напряжения переменного тока на входных контактах до такого значения, чтобы обеспечить фиксированное значение для ограничения мощности постоянного тока упомянутым оптимальным значением мощности постоянного тока.

17. Система управления по п. 15, в которой пороговое значение представляет собой нормальную рабочую скорость потока или номинальную скорость.

18. Система управления по п. 1, причем система управления выполнена с возможностью взаимодействия с управляющим контроллером (54), чтобы определять пороговое значение для турбины (16).

19. Система управления по п. 18, в которой пороговое значение основано на любом из уровня производительности каждой турбины (16) в пределах совокупности турбинных систем, схемы протекания потока воды через совокупность турбин и предпочтений оператора энергосети.

20. Система управления по п. 1, в которой мощность переменного тока, подаваемая генератором, имеет напряжение и частоту, пропорциональные скорости вращения турбины.

Images