CN100420118C - 风力设备及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作风轮机的方法。在正常模式下的第一工况，所述风轮机将第一输出递送到所连接的电网，所述第一输出与风速成比例。将所述风轮机控制为使其在干扰期间保持连接在电网上，从而将第二输出递送到所连接的电网，该输出低于所述第一输出。一旦所述干扰停止，在第一工况下将持续时间短的第三输出递送到所连接的电网，所述第三输出明显高于所述第一输出。

Description

风力设备及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种用于在网状电网中发生干扰期间操作风轮机的方法以及一种对应的风轮机。
背景技术
由于风轮机或风力设备所连接的电网不总是以恒定方式运转，而是也可具有故障，已经开发了一些具有网络支持特性的控制风力设备的方法。
DE 101 05 892涉及一种风力设备，其具有同步发电机(ASM)，该风力设备通过发电机变流器(GSR)、dc链路(ZK)、电网变流器(NSR)和变压器(MST)为分布式电网供电。在发电机过压时，连接到该链路的过压保护器(BC)将过大的能量转换成热能。在DE 101 05 892中公开了在正常状态时，在发生干扰之前，该风力设备为该电网提供第一功率。在发生干扰后，该风力设备保持在电网上，但是为该电网递送较低的功率。DE 101 05 892中的技术方案的缺点在于，在该干扰停止后，该风力设备未能将持续短时间的、高于该第一功率的功率递送到该电网上。
发明内容
本发明的目的是改进操作风力设备的网络支持方法。
所述目的是通过如下所述的操作风力设备的方法和如下所述的风力设备而实现的。
本发明提供一种操作风力设备的方法，其中控制所述风力设备，从而在正常工作模式下的第一工况时将与风速成正比的第一功率递送到所连接的电网，所述方法还包括以下步骤：
控制所述风力设备，以在发生干扰时使所述风力设备保持在所连接的电网上并且将一个低于第一功率的第二功率递送到所连接的电网，并且一旦干扰停止就在第一工况下将持续短时间的、高于第一功率的第三功率递送到所连接的电网。
以此方式，风力设备可被控制为使得在干扰停止或消除之后，该风力设备介入网络支持关系中并且将一个持续短时间的、增大的功率馈送到所连接的电网中。
本发明提供一种风力设备，用于将功率递送到所连接的电网，该风力设备包括：一个控制单元，用于控制所述风力设备，使得在正常工作模式下的第一工况，将与风速成正比的第一功率递送到所连接的电网，在发生干扰时使所述风力设备保持在所连接的电网上并且将一个低于第一功率的第二功率递送到所连接的电网，并且一旦干扰停止就在第一工况下将持续短时间的、高于第一功率的第三功率递送到所连接的电网。
根据本发明的配置，所述风力设备具有中间存储装置，并且通过对中间存储装置的控制来获得增大的第三功率。因此，在干扰停止之后的短时间内，所述风力设备提供较高水平的功率，该功率高于在正常工作模式下在给定工况所获得的功率。
本发明还涉及一种用于将功率递送到所连接的电网的风力设备。该风力设备具有用于控制风力设备的控制单元。在正常工作模式下的第一工况，将第一功率递送到所述电网，该功率与风速成比例。在发生干扰时，递送低于第一功率的第二功率。在所述干扰停止之后或一旦停止，在第一工况下，递送明显高于所述第一功率的第三功率。
因此，所述第二和第三功率都与风速不成比例，而所述第一功率与风速成比例。
本发明另外的配置是从属权利要求的主题。
本发明基于以下概念，即在消除了网络中的故障之后，风力设备所递送的功率短暂地增大，以便介入网络支持关系中。所述短暂增大的功率递送是例如通过适当控制dc电压中间电路或斩波器来实现的。在正常工作模式时，在对应的工况下，风力设备将第一功率递送到网络。当网络中发生干扰时，所递送的功率被减小，并且当干扰消除时，在短时间所递送的功率增大。在所述情况下，短暂增大的功率明显高于在给定工况下所递送的功率，也就是说，在消除了故障之后，在短时间内递送明显高于正常工作模式下在所述工况时所递送的功率。
附图说明
下面将借助举例说明的实施例和附图对本发明进行更为详细的描述，在附图中：
图1示出具有一些发电单元的能量网络，
图2示出在图1所示的系统中由于故障而导致的电压骤降，
图3示出在图1所示的系统中消除了故障之后的电压图形，
图4示出根据本发明的风力设备的基本结构，
图5示出测试系统的基本结构，
图6至9示出图5所示测试系统的测量结果，
图10至13示出图4所示系统的另外的测试结果，
图14和15示出图1所示系统的分析结果，并且
图16和17示出另外的分析结果。
具体实施方式
在以下，术语“嵌入式发电的集成(integration of embeddedgeneration)”是指集成在一个能量系统的一部分中的能量单元的容量，其超过该系统的另一部分所提供的能量。
图1在原理上示出了一个发电网络的结构，所述发电网络具有一些发电机G。
嵌入式发电单元的“跨越(ride-through)”在该上下文中意味着：在网络中发生故障的期间，所述发电单元保持在网络上并且将一个短路功率馈送到网络。紧接着故障消除之后，有功和无功功率也被立即馈送到网络。
就网络操作人员越来越多地制订的传输接入规范而言，“跨越”需求的原因表示以下：
图2示出发电网络的示意性结构，用于图解说明由于网络中的故障而导致的电压骤降。
图3示出发电系统的示意性结构以及在消除故障之前和之后的电压图形。在此情况下，上部曲线表示网络中设置有发电机G的情况而下部曲线表示没有发电机的情况。
就此而言，图2示出三个具有电压骤降的不同电压曲线。电压曲线S3示出当时的风力设备的现状。电压曲线S2示出具有跨越能力的风力设备的情况，而电压曲线S1示出具有同步发电机的气轮机。
所希望的是限制电压骤降区域以避免一个欠压，该欠压由发电单元分离开而引起(避免链式的有功功率不足(chain-active power-deficit))。如果错误所发生的位置将系统的诸部分分离，则建立的稳定性应得以维持或改进(同步功率取决于图2中电压Vsyn的平方)。应当提供一个给定的故障电流(维持住保护准则，并且如果有可能的话，设置保护继电器)。应当避免消除故障之后所述发电单元的附加无功功率需求(在电机负载很大的情况下由于级联的无功功率要求，有电压骤降和设备过载的危险)。应当改进故障消除之后的稳定性保持(如图3所示，功率的同步依赖于电压Vsyn的平方)。
供电网络的操作人员必须在正常和故障状态期间都使大功率系统保持稳定。就此而言，在该情况下为了各种目的而应用了系统模型。因此对于网络操作人员而言，适当的模型是非常重要的，在涉及大型的嵌入式发电集成的情况下尤其如此。
就此而言，使用动态系统分析以确定在对系统进行干扰之后的电机瞬态建立状态。其主要是有效地用于瞬态稳定性分析的领域内。用于改进对应系统模型的特征如下：
在干扰之后的大约100ms(电磁瞬态已消失并且系统的电磁部件实际上处于平衡状态，除了很慢的电磁模式以外)到若干分钟(电机瞬态消失，并且系统的电机部分也处于平衡状态)的时间范围内，进行与时间相关的电流/电压/功率/功率因数/扭矩/转子角度的计算。该系统模型一般不包括热瞬态。
在所述规定时间范围内，假设系统条件是对称的，包括故障阻抗在内。
针对电网的设备使用平衡模型，或者在较大转动机器(同步或感应机器)的情况下使用降阶动态模型(order-reducing dynamic model)。
因此，对于系统的电气部分，其提供了：
-用于除了较大机器(对于这些机器，存在有数学模型和微分方程)以外的电气设备的数学(相量)模型；
-相量，其均方根(RMS值)随时间变化、相角以及有时随时间变化的系统频率。尽管用于所有相量的方根值和相角可以是不同的，但对于所有相量，采用了单一的、但不必是恒定的频率；
-用于系统电气部分的对称模型，其可由单相来表示(正序列表示)；
-把动态模型应用于设备上，所述设备控制相关时间范围内的系统运行(例如电压和电流控制器)；以及
-在驱动机器上应用动态模型(例如机械惯性、扭矩产生)。
满足以上所列特征的模型称为“RMS动态”或“中期(mid-term)”模型。这种类型的模型允许通过维持大部分监视系统动态模式的相关特性来表示大型能量系统。因此，网络操作人员所使用的系统分析软件常常基于该途径。
普遍接受的一个要求为：系统模型必须是相同的。因此，能量系统的各种部件的所有模型应当是同一通用类型的。
用于热发电单元、传输装置、保护系统、网络控制设备等的RMS动态模型是很普及的并且得到对应的实施。这样，风力设备所需的模型应当表现如上所述类型的RMS动态模型。
以下提出对风力设备的模型的特定要求。
目前，在德国的涉及将特定嵌入式发电单元连接到高压网络的通用条例由“Verband Deutscher Netzbetreiber VDN”(“德国网络运行者联合会”)制订。这些条例规定了UCTE下的网络规范的技术细节(针对德国能量馈送章程下的单元的传输和分配)。
另外，为了各种系统分析的目的，德国网络操作人员规定了对风力设备模型的要求。迄今已针对动态故障研究规定了以下要求：
通过端电压和电流的相量而将涡轮机模型耦合到正序列RMS动态网络模型。
它适用于具有0.1...0.8pu残余端电压、故障消除时间为0.1至3秒的对称三相故障，并且时间范围从故障之后的约100毫秒(在瞬态已消失之后)到约5秒(瞬态稳定性的临界范围)。因此，可用于大量涡轮机的模型可应用于有限的扩展范围内(在精度上可接受的限度内)。用于规定初始工作点(待产生的能量)的选项。一种把该模型使用在已经存在的系统分析软件中的可能方式，其中用户可能限定的分量是受限的。
以下描述根据本发明的风力设备的基本设计和功能。
图4示出根据本发明的风力设备的基本结构。就此而言，具体图示了具有两个功率模块的风力设备。
所述风力设备装备有三个节距控制的转子叶片。转子以最优的节面角运转，直到达到马达的额定速度(除了起始状况之外)。如果由于风的增加或由于网络中的损耗(故障跨越)而使速度超过额定速度，则节距控制单元限制该速度并且在安全状况下运行风力设备。
转子直接地、不通过传动装置地驱动一个六相同步发电机。转子是电激励的。除了在风力设备的起始阶段之外，激励系统都连接到dc电压母线。激励控制装置是风力设备控制系统的一个部分。发电机将一个可变的电压供应到dc电压母线上。
dc电压-ac电压中间电路具有功率模块。模块的数目取决于风力设备的结构。每个模块的dc电压中间电路包括用于各种目的的斩波器、平衡电容器、一个IGBT逆变器和一个滤波器组件。
(单一)变压器也是滤波器设计的一个部分。
从网络的观点来看，正常状况下和缓慢变化状况下的功率模块表现得象是受控的对称电流源(就电流的基频而言)。电流的方根(RMS)及其相角以对称化关系得到控制和保持。
根据风力设备的各种参数而对逆变器进行控制。由于对逆变器的控制代表对风力设备的总控制的基本部分，隔离该控制的可能性是非常有限的。这就是所给出的模型不可避免地被扩展了的原因。
快速控制对于例如逆变器、斩波器等的电子功率装置是必要的。这是通过如图4所示的各个分布的控制器C来实现的。在RMS时间范围内，大多数控制器可以视为被设置在平衡状况下。
电压和功率控制以及一些其它控制任务涉及RMS时间范围内风力设备的动态状况。在形成模型时，必须切实地考虑这些控制器。图4中所示的MPU和特定控制器接口示出了用于该控制程度的设备。
与外部接口的标准通信和对诸如例如功率限制Pmax和相角的设置的校正是借助于SCADA单元来实现的。该系统并不用于快速网络控制的目的。快速控制标准使用特定的控制器接口。
以下描述对称化系统故障期间的基本表现。
测试系统——其用于开发和测试根据本发明的风力设备的跨越特性——通过以下的主要特征来加以描述。提供了尺寸减小的发电机/整流器/dc电压中间电路/逆变器/滤波器系统以及一个的原先的电子系统，以用于开发和测试基本设计概念、控制策略和算法、软件和电子设备的元件。灵活的网络允许各种系统配置和故障。有严重噪声的PCC导致不易于对装置和控制部件进行测量。
在短路功率和频率方面表现差(weak)的PCC导致系统控制装置的操作困难(原理上以及算法和软件上)。
图5示出用于跨越测试的测试系统的配置。以下故障在所示位置开始：
具有零阻抗的对称三相故障F具有770ms的持续时间。
消除是通过近似-8°的相跳来实现的。短路功率比从接近30减小到15。
逆变器中的电流I以及端电压V(对地电压)在箭头所示的位置测量。该测试的结果在图6至9中示出。采样速率选择为3kHz。在此情况下未使用前置滤波器(防混淆)。
在图6中示出了电流I和电压V与采样之间的关系。在此情况下，故障近似发生在第1500和3500个采样之间。在该故障发生期间，发生电压骤降。
图7示出有功功率Pw和无功功率Pb。在此情况下，有功功率Pw由上部曲线表示而下部曲线表示无功功率。在此，故障近似发生在第1800个采样之后，持续到大约第4000个采样。在故障发生期间，有功功率减小，更具体而言从大约0.6减小到0.2pu以下。在故障消除之后，即近似在第4000个采样处，有功功率短暂地增加。有功功率峰值达到1.2pu。无功功率Pb亦在故障消除之后增加且然后再次基本上达到零。
图8示出图6中表示的一部分。就此而言，可以看出电流在故障发生之后减弱，且之后再次增大。然而电压图形V的情况有所不同，因为电压图形的波动很大。
图9示出图6中故障消除之后的一部分。可以看出电流振荡而电压最初保持在一个水平上，然后在大约3660个采样之后也开始振荡。
如上所述且如图4所示的原始大小的功率模块在测试装置中得到适当的测试。所进行的测试首先用来分析对称系统故障期间和之后的所有功率电子部件的加载。
对应的测试结果在图10至13中示出。
图10示出端电压与时间之间的关系。在此，故障发生在大约3.4秒处并且持续到大约6.8秒。以上所述的电压骤降发生在故障期间。
图11示出在故障发生期间电流与时间之间的关系。尽管在故障期间如图10所示发生电压骤降，但电流上升。
图12示出故障发生期间有功功率与时间之间的关系。在3.4和6.8秒之间的故障期间，有功功率降为零。在故障消除之后存在一个有功功率的峰值。
图13示出故障消除时的图12中的一部分。在此可以清楚地看到功率的峰值。功率峰值达到1.2pu以上。之后，有功功率降回到0.7和0.8pu之间。
根据通常用于瞬态并亦用于动态系统分析的系统分析方法来模拟图5所示的测试系统。
测试系统的模型具有一个带有位于气隙中的谐波通量连接(基于FEM的参数识别)的6相发电机、一个定子整流器和包括有控制器的转子激励装置、包括有所有功率电子部件(斩波器)和控制器的dc电压中间电路、包括有控制器的逆变器、相关的MPU功能、滤波器、包括有矢量组且接地的变压器、以及包括接地的线(全矩阵表示)。
在所述的时间范围内，该系统模型是非线性的全状态混合模型(连续/离散混合模型)。连续部分具有在不同时间尺度内的本征值，并且必须通过数值积分方法来求解。
图5所示的跨越测试所应用的跨越方案是用该模型来分析的。然而，通过缩减耗时的数值积分过程，故障持续时间被限制到100ms。与主动测试系统相对照，等效系统发电机不是随机地被干扰的以便描绘网络的噪声。
图14和15示出所选的分析结果。这些分析结果可与图6至9的测量相比较。在解释该比较时，必须也考虑缩短的故障持续时间和网络的噪声。
图15示出故障发生时的有功功率。在此也有可能在故障期间，即0.05和0.15秒之间清楚地看到有功功率的骤降。在故障消除之后，在0.15秒处，在此情况下亦存在短暂增加的有功功率递送，就此而言所递送的有功功率可达1.2pu。
如以上已经说明的，网络操作人员常常使用用于动态系统分析的软件包，其基于RMS动态方法。与瞬态模型相比，这种类型具有明显少得多的动态状态，并且可使用降阶来开发。
因此，为测试系统开发了考虑该领域内所有相关结构方面的、并且满足上述准则的RMS动态模型。
图16和17示出与测量模式相同的跨越模式的对应分析结果。所述结果可与图6和7中所示的测量结果以及示于图14和15中的瞬态分析结果相比较。
图17表示根据图16中所示的电流和电压图形计算的有功功率。在此情况下也有可能就在故障消除之后看到短暂增加的有功功率递送。
根据本发明的风力设备由此提供了一个跨越选择，提供了标准化功率轴上的大约1.0到1.2pu的短路功率，并且紧接着在故障消除之后产生有功和无功功率。有功功率的产生由于没有中断地在全部时间内保持在网络上而得以实现。
为了动态系统分析的目的，提供了基于正序列RMS方法和传递函数表示的模型。对于不被这些模型覆盖的情况(瞬态现象和相失衡故障)，需要详细的模型。
以上所述的短暂显著增加的发电机功率基本上由发电机和中间电路来递送。该效果并不代表系统固有的现象，但必须通过中间电路的适当控制来实施。
在发电机产生例如0.6倍额定功率的正常工况下，同步机器利用极转子(pole rotor)来工作，该极转子通过直流来激励并且在定子中产生一个旋转的场，该旋转场又在定子绕组中感生电压。在此情况下，所述极转子通过该极转子的位移角而引导所述场在定子中旋转。一旦在网络中发生故障，例如具有电压骤降，则递送到网络的功率减小，这也导致中间电路电压的增加。在所述中间电路中设置了一个所谓的斩波器，其通过负载电阻器而耗散过多的功率或消耗它以防止转子超速。然而这种中间电路电压的增加也对发电机有影响。由于对斩波器的控制亦确定中间电路的电压水平，它对发电机的端电压也具有某种影响，使得在根据本发明的风力设备中，该电压略微高于在正常工作时的电压。
在发电机中，这导致略微较高的转子速度，其反映在包括转子叶片、轮毂和极转子的机械系统中。然而与此同时，转子位移角也变得略为较低。由此，导致了略微较低的发电机转矩(generator moment)，产生了略微较高的速度。
当网络恢复到正常工况，在第一时刻，由于较高的中间电路电压，较高水平的功率通过逆变器流到网络中。由于中间电路的电压因此而降低，发电机的端电压亦改变，转子位移角再次增加，发电机转矩增加并且机械系统的旋转速度再次变得略为较低。在大约100-200毫秒的相对短的时段内，由于略微较高的速度，发电机递送较高的功率，直到机械系统制动到对应的程度。该发电可递送到网络中的附加功率。
由此，通过斩波器的特定目标控制而实现了短暂增加的功率递送。

Claims (13)

1. 一种操作风力设备的方法，控制所述风力设备，从而在正常工作模式下的第一工况时将与风速成正比的第一功率递送到所连接的电网，所述方法还包括以下步骤：
控制所述风力设备，以在发生干扰时使所述风力设备保持在所连接的电网上并且将一个低于第一功率的第二功率递送到所连接的电网，并且一旦干扰停止就在第一工况下将持续短时间的、高于第一功率的第三功率递送到所连接的电网。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述短时间为100至200毫秒的范围。
3. 根据权利要求1的方法，其中所述第三功率表示短路功率。
4. 根据权利要求1到3中任一项的方法，其中所述方法还包括当发生干扰时在中间存储装置中存储功率，并且当干扰停止时通过对该中间存储装置的控制而获得第三功率。
5. 根据权利要求4的方法，其中所述风力设备具有作为中间存储装置的dc电压中间电路，并且通过对dc电压中间电路的控制而获得第三功率。
6. 根据权利要求5的方法，其中所述dc电压中间电路具有一个斩波器并且通过对dc电压中间电路中的斩波器的控制而获得第三功率。
7. 根据权利要求4的方法，其中第三功率通过对机械系统的旋转进行控制而获得，该机械系统由所述风力设备的发电机的转子叶片、轮毂和极转子组成。
8. 一种风力设备，用于将功率递送到所连接的电网，该风力设备包括：
一个控制单元，用于控制所述风力设备，使得在正常工作模式下的第一工况，将与风速成正比的第一功率递送到所连接的电网，在发生干扰时使所述风力设备保持在所连接的电网上并且将一个低于第一功率的第二功率递送到所连接的电网，并且一旦干扰停止就在第一工况下将持续短时间的、高于第一功率的第三功率递送到所连接的电网。
9. 根据权利要求8的风力设备，其中所述短时间为100至200毫秒的范围。
10. 根据权利要求8到9中任一项的风力设备，其中所述风力设备具有一个中间存储装置，并且所述控制单元通过对中间存储装置的控制而获得第三功率。
11. 根据权利要求10的风力设备，包括作为中间存储装置的dc电压中间电路，其中所述控制单元通过对dc电压中间电路的控制而获得第三功率。
12. 根据权利要求11的风力设备，其中所述dc电压中间电路具有一个斩波器，并且第三功率通过对dc电压中间电路中的斩波器的控制而获得。
13. 根据权利要求10的风力设备，其中第三功率通过对机械系统的旋转进行控制而获得，该机械系统由所述风力设备的发电机的转子叶片、轮毂和极转子组成。
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