CN100356683C - 用于风力装置中的电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及特别用于风力发电厂的具有可变旋转速度的电路，其包括一双馈电式异步发电机(DASM)，一个短路器，一个附加的电阻器(R15)以及一转换器。为了满足网络供应商的需要，从而使到该网络的专门的永久连接得到保证，以便该风力发电厂在该网络中出现中压短路期间以及之后能够启动并且稳定，附加的电阻器可以在快速开关的辅助下进行调节，所采取的方式是在网络中出现短路时可以暂时地至少是部分地断开该转换器。转子电流暂时被附加电阻器接受，并且在转子短路电流消失后被断开连接，以使该转换器随后可以再次连接并且能够向网络提供期望的有效短路电流。

Description

用于风力装置中的电路结构

技术领域

本发明涉及一种电路结构，其特别用于可变旋转速度的风力装置中，所述风力装置包括一个双馈电式异步发电机，一个附加的电阻器以及一转换器。

背景技术

诸如这些旨在用于可变旋转速度的风力装置中的电路结构在实际中被广泛地使用，因此由于明显的在先使用而成为现有技术。但是已经发现在使用双馈电式异步发电机(DASM)时这些电路装置是不利的，所述DASM在中压等级下发生网络短路的情况下会从该网络断开。这意味着不可能通过由双馈电式异步机器来操作的风力装置来获得期望的网络稳定性。

过去，必要的网络稳定性是网络运营商通过传统的发电站来获得的。由于风力装置的数量迅猛增加以及与之相关的功率电平的迅速上升，其已经达到了传统发电站的最大值，但是对风力装置的要求必须与那些传统的发电站相匹配。具体地，对永久性网络连接的需求在增加，目的是一旦中压的网络短路结束时，风力装置能够再次建立该网络并且使之稳定。

发明内容

本发明的目标是提供一种可以用于具有异步机器的风力装置中的电路结构，通过对其的使用可以满足对现代的风力装置的更严格的需求，特别是相关于网络稳定性的需求。

根据本发明，此目标是由根据本专利的权利要求1的特征的电路结构而获得的。从属权利要求相关于本发明的特别有利的发展。

因此，根据本发明，提出一种电路结构，其中该附加电阻器可以由一高速开关来控制，以使该转换器在出现网络短路情况下可以至少是暂时地切断，目的是使用附加电阻来立刻接收转子电流，并且所述转换器可以在转子短路电流已经下降之后再次连接到该网络以进行短路电流的有效注入。

这就使得能够最佳地满足在配备了异步发电机的风力装置的操作期间对网络稳定性的更严格的网络需求，因为在此情形中在中压等级发生网络短路的情况下不发生从该网络的断连接。为此目的，例如是采取一可控制的负载电阻器或者为此目的而配备了附加电阻器的撬棒(crowbar)的形式的附加电阻器被插入到该转子电路中，以在网络短路发生时抽取转子短路能量，并且一旦该短路电流衰退即被切断。该负载电阻器由一个开关控制，特别地所述开关能够被有效地切断，并且特别地其不是一个自然换向(natural commutation)的半导体闸流管。作为四象限变换器的现有转子变换器在发生网络短路之后立刻被暂时去激活，并且在短路均衡处理结束之后被再次激活，并且该阈值优选地低于该转子变换器的额定电流，并且随后在网络短路期间以及在网络电压回复时将必要的能量输入到网络中。

已经发现在此情形中本发明的一种修改特别优越，其中，所述电路结构有两个或者多个电阻器，所述电阻器可以相互依赖地连接，也可以彼此独立地连接。这意味着会在多个开关之间分担所述高转子短路电流，所述电流通常大于1000A，原因是这些可以被切断的开关将必需以一高度复杂的方式并行地连接以分担总电流。

一种具有用于控制该附加电阻器的两点调节器的电路结构也是特别有优势的，因为这允许建立很简单、高速并且是强大的控制。

在此情形中，已经发现一种进一步的修改特别有利，其中，有源开关由脉宽调制以一固定时钟频率来控制，因为这允许一固定时钟频率的数字控制。

另外，其也承诺对于由一比例(P)调节器，一比例积分(PI)调节器或者一比例积分微分(PID)调节器控制的有源开关是特别成功的。这意味着在网络短路发生时，可以最佳地调节转子短路电流或转子终端电压。

根据本发明的电路结构的一种改进也具有特别的优势，其中，在出现网络短路的情况下，一电容性的电流或者一电感性的电流被提供给所述短路，因为这样就允许根据网络操作员的要求将网络稳定在一最佳方式。为了提供电感性的网络负载，通常要求一电容性的电流。

另外，特别值得的是在网络短路发生时防止任何无功分量被导入所述短路，因为这样做可以使最少的电流进入所述短路，以避免使现有的中压开关过载。

另外，根据另一特别有利的改进，一附加的阻抗被暂时地插入到定子电路，以限制定子和转子电流。所需的附加阻抗的插入允许定子电流和转子电流在网络电压返回受到限制。

另一实施方式也是特别有利的，其中，一个高速的接触器与所述附加阻抗并联插入到该定子电路中，以这种方式以便在正常操作期间来桥接该附加阻抗，并且避免产生损失。

另外，其也承诺对于待被与该电阻器并联插入到该定子电路中的至少一个具有自然换向的半导体闸流管来说尤其成功。与那些可以有效地切断的开关相比，这样做的结果是在降低正常操作过程中的损失，并且花费比较低。

另外，通过操作在所述转换器的中间电路上的一个受控电阻器，该电路结构可以以特别有利的方式来设计，因为这样可以节省撬棒中的一些组件，并且对该转子变换器的控制始终在测量该转子相位电流。

本发明的另一个特别有力的改进是通过操作既在撬棒又在所述转换器的中间电路中的受控电阻器而得到的。这样一来就允许了电源共享，并且可以使用更小的独立开关。在接近该转子短路电流的均衡过程的结尾时，携带了所有的转子电流，并且该转子变换器控制随后测量全部相位电流。

另外，本发明的另一个特别有优势的实施方式是通过在网络电压回复时切断转子变换器而实现的，并且过电流随后由可控的电阻器来承载，目的是一旦所述过电流衰退且所述受控电阻器被切断，就积极地承载转子电流。这样就避免了风力装置可能地从网络切断以及断开，特别是在网络电压突然回复时。

附图说明

本发明允许不同的实施方式。其中之一在图中示出，并且将在下面的正文中描述，用于进一步解释本发明的基本原理。在图中：

图1示出了根据本发明的一电路结构；

图2示出了一种可能的短路断面图；

图3示出了具有一可控转子电阻器以及一附加定子电阻器的一电路结构；

图4示出了具有一附加电阻器的电压-时间以及电流-时间曲线；

图5是一电路结构，其在中间电路中具有更强的变换器二极管以及一可控负载电阻器。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一电路结构。在正常操作期间，一个开关V15，例如一绝缘栅双极晶体管(IGBT)，GTO，集成门极换向晶闸管(IGCT)，被切断并且该撬棒是完全无效的。全部的转子电流流入一转换器中并且由其来调节。如果在中压发生一网络短路，一异步发电机的完整激励是指其将向所述短路提供一均衡短路电流。该电流仅受到该异步发电机和中压变压器的漏电感的限制，并且最大电流达到下值：

I_定子≈1.8·U_网络/(Xtr+X1+X2′)

在此情形中，Xtr是变压器的总漏阻抗，X1是定子的漏阻抗，以及X2′是转子的漏阻抗。在中压短路的情况下，最大漏电流实际上的数量级可达定子额定电流的8倍。

该转子电流通过变压器作用被连接到定子电流，并且也达到转子额定电流的8倍。这个高平衡电流不能从技术上敏感地被该转换器承载或者吸收。当短路发生时，转子变换器由于过电流被切断。转子电流经由转子变换器中的续流二极管继续流动，并且给一中间电路C3充电。与此同时，撬棒中的电容C10两端的电压升高。当电容C10两端的电压达到一个限制值时，开关V15被接通。一个电阻器R15承载所有的整流电机电流，并且电容C10两端的电压下降到电压限制值之下，于是开关V15被切断。电容C10两端的电压随后再次由于该转子电流而升高，并且开关V15再次被接通。电流变化的等级由L15来控制，由此时钟频率也由L15来控制。所述时钟频率可达KHz范围并且不能由半导体闸流管的自然换向产生，因为最大的转子频率是15Hz。此两点调整导致转子电压为恒定反向电动势，并且由于高的恒定反向电动势使所述均衡电流在一个很短的时间内衰退。所有的电流从转子变换器转换到撬棒。转换器电流实际是零。撬棒电流由控制台测量并评价。负载电阻器是为最大电流而设计的，并且开关V15被接通的时间初始时接近100％。随着均衡电流的下降，开关V15接通的时间缩短，并且在转子额定电流时大约为12％，所述转子额定电流对应于最大电流的大约1/8。使用两个或者多个可以单独连接以及断开的电阻器是可行的。当所述均衡电流降到低于转子额定电流时，开关V15被完全切断，并且转子电流转换回到转换器。该转换器开始操作并提供调节，并且有效地向所述短路加载。当该可控电阻器有效时，尽管可以同时操作，该网络变换器可以被切断。为了安全的目的，在撬棒中提供了半导体闸流管V10，其自动地测量该电压并且在开关V15出现故障的情况下或者在直流发电机短路的情况下被触发。L10防止电流上升过快，以防止半导体闸流管V10被破坏。在此情况中，D10通过开关V15防止了电容C10的快速放电。开关V15或者可以直接在撬棒中被控制或者可以由该转换器的控制台来控制。

图2示出了一种可能的短路断面图，其中，虚线表示中压并且实线表示网络电压。该短路发生在0ms时刻。电流立刻跳到最大值并且随后衰退，这是均衡过程的结果。此高电流被该撬棒和电阻器抽取。当所述电流降到低于转子额定电流时，其再次被转移到该转换器并且由该转换器来控制。该发电机是过励磁的，并且在网络短路期间向该网络提供一电容性的无功分量。但是，感应电流也可以输入到所述短路。这可以按照需要随意地预置。由于该中压变压器两端的电压下降，网络电压的数量级为额定电压的大约20％。在电压回复的瞬间，该电压不会立刻升到额定值，但会上升到超过dU/dt侧面。作为回复网络电压的侧面斜率以及发电机的时间常数的结果，一动态的过电流发生在定子和转子中。此过电流一定可以由该转换器来提供，而不会导致转子变换器被切断。如果侧面斜率太大或者如果在发电机电压与回复网络电压之间有相间故障，那么动态过电流或者均衡电流将会过高，并且转子变换器被切断。在这种情况下，所述可控电阻器暂时地承载所述均衡电流，并且一旦所述电流下降到转子额定电流之下，该电阻器被切断并且该转子变换器被再次调整。在电压下降的过程中以及电压回复时，该可控电阻器被暂时地激活。该转子变换器在此期间被切断。

在电压极速上升的情况下，一个例如一电阻器或者感应器形式的附加电阻器可以插入到定子电路中。类似于这样的一个系统如图3中所示。一个接触器K20被插入中压变压器与发电机/转换器系统之间。一个电阻器R20通过接触器K20并联连接。如果发生一短路，那么接触器K20被打开并且定子电流流过该电阻器R20。

图4示出了具有一附加电阻器的电压-时间曲线。该定子电流受到限制并且比只有被调整的撬棒时衰退得更快。该接触器必须快速地切换以使该电阻器在出现短电压下降的情况下有效。一个背靠背并行连接的自然换向的半导体闸流管也可以在50Hz处，以例如6.7ms的切断时间来工作。这造成高速切换，与接触器方案相比具有高损失的缺点。在图4中，该开关在10ms后接通。转换器在均衡过程之后再次提供控制功能。由于该电阻器上附加的电压下降，剩余的网络电压比定子中没有任何附加电阻器时要高。当该电压回复时，该附加电阻器限制动态定子电流上升，从而允许更高的电压脉动以及更低的过电流。

IGBT模块的续流二极管(freewheeling diode)不是设计用于很高的脉冲电流的。受控电阻器的组件因而被安置在撬棒中。图5示出了一具有高能续流二极管的电路结构。开关V15被直接连接到该转换器的中间电路，并且直接调节所述中压。这样做将简化整个设计。另外的标准撬棒被保留以用于极端情况。

完全没有撬棒也是可以的。在这种情况下，必须为所有的极端情况设计附加的电阻器。在出现短路的情况下，转子变换器IGBT被切断，并且转子短路电流通过续流二极管流入中间电路。如果超过了一限制值，则附加的电阻器被激活，并且短路能量被该附加电阻器吸收。一旦短路电流已经衰退，转子变换器被再次激活，并且附加电阻器被切断。也可以首先切断附加电阻器，并且连接该转子变换器。附加电阻器和转子变换器同时操作也是可以的。

Claims (18)

1.一种电路结构，其用于可变旋转速度风力装置中，包括一双馈电式异步发电机，一附加的电阻器以及一转换器，其特征在于该附加电阻器可以使用一个开关来控制，以便该转换器可以在网络短路的情况下至少暂时地断开，目的是使转子电流立刻被附加电阻器所接收，并且所述转换器可以在转子短路电流衰退后再次连接到该网络用于短路电流的有效注入，所述电路结构包括用于以kHz范围的时钟频率进行该开关的强制换向的装置。

2.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于一旦转子短路电流衰退时，该转换器可低于转子变换器额定电流被连接。

3.如权利要求1或2所述的电路结构，其特征在于所述电路结构有两个或者多个电阻器，所述电阻器可以相互之间独立地连接。

4.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于有一个控制附加电阻器的两点调节器。

5.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于所述开关由一固定时钟频率的脉宽调制来控制。

6.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于所述开关由一比例调节器，一比例积分调节器或者一比例积分微分调节器控制。

7.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于所述附加电阻器是撬棒的一个组件。

8.如权利要求7所述的电路结构，其特征在于所述开关直接由所述撬棒控制。

9.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于所述开关直接由所述转换器的控制台控制。

10.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于在网络短路的情况下，一电容性电流或者一感应电流被提供到所述短路电路。

11.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于在网络短路的情况下，没有无功分量被传送至所述短路电路。

12.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于一附加阻抗被暂时地插入到定子电路中以限制定子和转子电流。

13.如权利要求12所述的电路结构，其特征在于一高速接触器与所述附加阻抗并联插入到定子电路中。

14.如权利要求12所述的电路结构，其特征在于至少一个自然换向的半导体闸流管与所述附加阻抗并联插入到定子电路中。

15.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于受控电阻器作用于该转换器的中间电路。

16.如权利要求7所述的电路结构，其特征在于受控电阻器作用于撬棒以及转换器的中间电路上。

17.如权利要求15或16所述的电路结构，其特征在于当网络电压回复时，转子变换器被切断，并且过电流流过所述受控电阻器，并且一旦所述过电流衰退，所述受控电阻器被切断并且所述转子变换器有效地承载转子电流。

18.用于可变旋转速度的风力装置中的电路结构，包括一个双馈电式异步发电机，一个附加的电阻器以及一转换器，其特征在于当网络电压上升时转子变换器被切断，并且过电流通过受控电阻器，并且一旦所述过电流已经衰退，所述受控电阻器被断开并且所述转子变换器有效地承载转子电流。

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