CN101278453A - 具有甩负荷和功率变换器的风车功率流控制 - Google Patents

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Abstract

一种风车设备，用于向电网络的网格点生成电力，所述风车设备包括风车转子和连接到所述风车转子的发电机，将所述发电机连接到所述网格点的电多相交流链路，所述链路包括包含开关设备的第一电流路径，包含直流链路的第二电流路径，所述直流链路包含连接到所述发电机的第一变换器和连接到所述网格点的第二变换器，以及连接在所述直流链路的导体之间的电容器装置。所述交流链路进一步包括可连接的多相甩负荷，用于在网络上的故障情况期间阻断所述交流链路中的无功功率流，提供有功功率的减少的传送。

Description

具有甩负荷和功率变换器的风车功率流控制
技术领域
本发明涉及一种发电系统。优选地该系统包括发电装置和连接到电网的网格点的传输线。该网络包括多个电力消耗设备和其它发电单元。电力消耗设备优选地包括电动机、电炉等且可由网络上的负载来表示。特别地本发明涉及一种包括风车的发电系统。通常多个风车集合在风车区中。该风车区可包含高达一百个风车单元且优选地位于海上。一般风车包括具有通过齿轮箱连接到发电机的叶片的转子。风车还包含电装备，如变压器和变换器，以及用于控制电和机械装备的装置。
背景技术
从US7012409(Schreiber)已知一种用于具有动态可变功率输出的发电机的功率变换器电路。该功率变换器电路包括连接到电网的网格点的风力系统。功率变换器电路的目的是提供输出动态可变功率的发电机到电网的扩展连接。进一步的目的是引入触发(trigger)方法，通过该方法当发生短路时可将无功功率馈入电网。
已知的电力电路包括到网络的两个单独的连接。第一连接包括到网络的直接连接，通过该直接连接当风车能够以恒定速度生成电力时在高风速期间馈送电力。第二连接包括以背对背配置与电容器连接的第一和第二变换器。通过该连接当以变化的速度控制风车时在低风速生成的电力也能被馈送到网络。第一和第二变换器包括包含有自整流功率电子装置(PE)的电压源变换器(VSC)。
触发方法包括在网络中发生短路之后的三个操作模式。在发生网络短路的情况下，发电机自动与电网断开连接，且在第一时间段第二变换器从电容器向网络输出无功功率。在第二时间段，第二变换器从网络抽出操作电力并将无功功率送回网络。最后，在第三时间段，当发电机仍断开连接时，变换器系统控制发电机的温和的重新起动，直到发电机再次向电网供应能量。
在已知的电力电路中，在网络中发生短路的情况下风车自动断开连接。该断开连接在一方面意味着包含相当大的转动惯量的转动系统必须通过圆周力减速。另一方面，风车放松了对网络的同步，这意味着发电机的重新起动要花费时间。
从WO 2005/062438已知一种电网，其目的是在故障情况期间控制电网中的电力传输。该目的通过在故障情况下在转动的电子机械及其到网络的连接之间引入升压装置来实现。在感测到网络中的故障情况时，引入升压装置以防止正常保护设备作出响应并从网络断开转动的电子机械。
在风车的正常操作模式，所产生的能量与网络的功率消耗相平衡。因此来自风车的转动的机械力通过来自网络的电动势(emf)平衡。发电机从网络突然断开连接打破了这种力的平衡，且风车转子开始自由旋转。包含具有叶片的转子、齿轮箱和发电机的转子的风车转动部分展现出何时转动相当大的转动惯量。当风车突然从网络断开连接时，转动惯量将使风车转子的速度增加。由于风车还继续向转子引入风力，转动速度将进一步增加。
该转动的增加可通过机械制动以及调节叶片距来延迟。然而这些机械调节系统太慢。由于风车翼的调节花费时间，且由于风仍然将风能传送给风车，转子的速度进一步增加。到转子经历机械调节的延迟时，转子速度可能已经到达危险的水平。
已知多种减小断开连接的风车转子的速度的方式。其中大部分方法将机械能量转换成散发到空气中的热。然而，一旦风车与网络断开连接，就不再控制风车。因而失去了同步且风车必须从头起动。这花费时间且在此期间风车将不向网络生成能量。
因而在风力工业内需要在网络上发生短路的情况下保持发电尽可能长的时间。
发明内容
本发明的主要目的是寻找改善从风车生成电力的方式。
根据本发明，通过特征在于独立权利要求1的特征的风车设备和特征在于独立权利要求13的步骤的方法实现该目的。在从属权利要求中说明了优选实施例。
根据本发明，在发电机和网格点之间引入电能消耗设备-甩负荷(dump load)。当风车经历网格点中的故障情况时，期望甩负荷消耗来自风车设备的转子系统的能量。通过在故障情况下连接该甩负荷，停止了无功能量的通过，而有功能量仍然可以以减小的速率通过。甩负荷还直接连接到发电机，因而向发电机和整个转动系统提供平滑的延迟力。甩负荷将保持风车电路中的电压处于高水平，从而防止开关设备断开风车到网格点的连接。通过使用该甩负荷，可保持与网格点的同步，从而当故障情况消失时提供风车到网络的快速重新连接。
风车设备包括到网格点的第一和第二连接。第一连接是发电机和网格点之间的直流多相连接。第二连接包括直流链路，该直流链路包含连接到发电机的第一电压源变换器(VSC)和连接到网格点的第二电压源变换器。在第一操作模式，当风速足以在正常速度转动风车时，使用第一连接。在第二操作模式，当风力小且风车速度比正常模式慢时，使用第二连接。通过这种操作方式，VSC中的电子装置的额定值可减小到发电机额定值的50％或优选地30％。
在标称发电时产生故障的情况下，甩负荷将立即直接连接到发电机，从而保持电压和同步，且对风车的转动系统提供延迟力。在电力减小时产生故障的情况下，当使用第二连接时，甩负荷仍然直接连接到发电机，从而保持电压并对转动系统提供延迟力。在该第二种情况下，还激活直流链路，从而第二VSC跟踪同步且第一变换器可对发电机提供磁化能量。在本发明的实施例中，发电机包括异步机。在另一实施例中，发电机包括双馈感应发电机(double fed induction generator，DFIG)。
一般故障情况包括两相故障，两相故障在转动的多相系统中还影响系统中的其它相。这导致了电力系统中的不对称。不对称导致发电机中的转矩波动，并可对连接到发电机的齿轮箱造成损害。因此，根据本发明，多相甩负荷仅对经历故障情况的相引入能量消耗。
在本发明的实施例中，甩负荷包括可暂时并联连接到发电机和网格点之间的电流路径的电阻器装置。在另一实施例中，甩负荷包括与直流链路的电容器并联连接的电阻器装置。在又一实施例中，甩负荷包括与风车的发电机串联连接的电阻器装置。
在本发明的另一实施例中，风车设备包括计算机装置和存储装置，该存储装置包含可执行计算机程序，该可执行计算机程序包含使计算机控制风车设备的指令。
在本发明的第一方面，该目的通过用于向电网的网格点生成电力的风车设备实现，该设备包括风车转子和连接到其的发电机，以及用于连接发电机和网格点的电多相交流链路，该链路包括第一电流路径和第二电流路径，其中第一电流路径包括开关设备，第二电流路径包括直流链路，该直流链路包含连接到发电机的第一变换器和连接到网格点的第二变换器，和连接在直流链路的导体之间的电容器装置，其中交流链路还包括可连接的多相甩负荷，用于在网络上发生故障的情况下阻断交流链路中的无功功率流，并提供有功功率的减少的传送。在本发明实施例中，甩负荷包括用于提供发电机上的延迟力的电能消耗。在本发明另一实施例中，甩负荷包括电阻器装置。在又一实施例中，甩负荷包括连接在直流链路的导体之间的电阻器装置。
在本发明的第二方面，该目的通过用于在网络的网格点的故障情况期间保持从风车设备生成电力的方法来实现，该风车设备包括风车转子和连接到其的发电机，以及连接发电机和网格点的电多相交流链路，该链路包括第一电流路径和第二电流路径，其中第一电流路径包括开关设备，第二电流路径包括直流链路，该直流链路包含连接到发电机的第一变换器和连接到网格点的第二变换器，和连接在直流链路的导体之间的电容器装置，其中该方法包括：在第一操作模式通过第一电流路径提供电力，在第二操作模式通过第二电流路径提供电力，在网络上发生故障的情况下阻断交流链路中的无功功率流，并提供有功功率的减少的传送。在本发明的实施例中，该阻断步骤还包括消耗来自发电机的电能。在另一实施例中，甩负荷包括用于提供发电机上的延迟力的电阻器装置。在又一实施例中，甩负荷包括连接在直流链路的导体之间的电阻器装置。
附图说明
通过以下结合附图进行的详细说明，本发明的其它特征和优点对本领域技术人员将更明显，在附图中：
图1是根据本发明的风车设备的主要电路；
图2是风车设备的实施例；
图3是收集和传输电网的原理；以及
图4是本发明的风车设备的汇总表。
具体实施方式
在通过风车生成电力的技术领域，有许多要满足的需求。第一个需求是：成本有效的、高度可用的风轮机构成为主要问题。可简要描述为“接近电动机标准的无刷发电机”和“部分额定功率电子变换器”。第二个需求为：避免电网电压暂降期间风力生成区断开连接。可描述为“在电网故障驱动风轮机”和“将收集&传输(C&T)电网从电压力释放”。该问题正在EG共同市场内协调，然而今天受国家电网规程的规制。第三个需求是：在各种正常操作期间以及电网故障期间避免风轮机中的过度机械传动系压力。可描述为“将其传动系从高风速和/或三相或两相故障所导致的机械压力释放”。
根据本发明的新的无刷方法和电路基于异步机，基于部分(30％)额定的功率电子装置和低压控制&开关设备。所有的都是具有100000机动时的高性能产品，几乎无损失且非常可靠。
对所有方案的主要要求是电子系统应具有成本效益、可靠、可用且高效。在长时间段操作上查看效率。所以如果损耗是从成本、制造损耗和/或电子设备中的温升来看可忽视的能量损耗，在电子系统中可存在暂时的损耗。可使用在电机驱动中不合适的方案，只要该方案有成本效益、可靠且在发电单元中可用。在图1和图2中从技术上示出了该解决方案，图1和图2是一般额定为＞3MW的风轮机的正常操作的框图。
通过合成方法确定原理。在正常操作期间保持高效和低传动系压力是一个清楚的目标。在任何故障期间，需要保持无刷感应发电机的定子绕组的高正序电压，减小负序电压，并允许气隙中的磁通转动。还需要在IG的端子生成几乎对称的电压，以磁化气隙从而最好地生成转矩，并通过可选的转子电流控制器对转子绕组加载低转差频率转子电流(Weier：RCC4，Vestas：OptiSlip
Figure A20068003630800081
，很少的情况下叫做VRCC)。需要通过轴使得来自风轮机转子的实际功率流能够在故障期间保持“同步”。还需要处理所有类型的非短路(non-bolted)和短路故障。
理想上，感应发电机应连接到非常强的AC电网/网络。在如短路故障的暂时事件中，如低电压和过电流的电压力暂时出现在弱电网/网络中：
●然后在所有AC装备中出现无功功率的消耗和无序
●然后在所有发电机中出现气隙的被扰乱的磁化
●现在的丹麦概念行不通，因为功率因数补偿装备中的电容器组不处理低电压，甚至不处理短时间断开连接
●现在的DFIG行不通，因为嵌入DFIG中的部分额定频率变换器不处理低电压，甚至不处理短时间断开连接风力的问题和发明人的挑战是以减小具有界外的时间段的方式，通过使用现存的和新的装备消除暂时且连续的低电压和过电流压力。
许多风轮机制造商优选感应(＝异步)机作为风轮机中的发电机、IG，这是因为其强健且有成本效益。当使用IG时，需要：
●风轮机发电机系统的机械系统包括齿轮箱，以使风轮机转子的速度适配于IG的有成本效益的基本速度，1500rpm或1000rpm
●IG是无刷的，以避免受各种转子电流负载、各种湿度、各种温度等影响的常规维护，即地点依赖性，以及
●电子系统包括比舱内以及传输和分布T&D)(或收集和传输，C&T)网络中的IG更多的电子装备
为了通过轴和齿轮箱，通过发电机和其它风轮机发电机系统(WTGS)、装备和网络将电力从风轮机转子安全传送到电网的中央部分，需要更多的电子装备。
风力发电机通常在电网/网络，子传输或分布(T&D)水平的末端远远地连接，在此网络最初不是设计成将电力传送回电网。从某种程度上说，其通过为风车农场特别制作的收集和传输(C&T)网络连接，且或多或少没有其它负载，即作为电网/网络的另一种类型的末端。两种方式都非常依赖于电压在指定的操作水平内。普通的感应发电机不调整电压，且其实质上是无功功率的吸收器。理想地，其应连接到非常强的网络，从而以无害方式影响功率质量，特别是电压水平。在WTGS中，IG的无功功率平衡，即其定子电压通过电容器组、所谓的双馈IG、DFIG(具有刷&集电环)、AC-DC-AC频率变换器以及小规模STATCOM等中的一个或一些，由功率因数校正PFC以固定的方式得以改善。
在网络中的暂时事件(例如2相短路故障)期间及之后，更便宜的解决方案-没有或具有部分额定的AC-DC-AC频率变换器，如PFC-IG、DFIG和STATCOM-的性能不足以确保故障后网络的电压稳定性。这主要由2相故障的最终电压不对称引起但是在2&3相故障两者中都有：
1.无功功率的消耗和无序，Q(与Q的操作分布相比)
2.IG的气隙的扰乱的磁化，以及
3.加速度，特别地在与IG的拔拉转矩相关联的速度以上，以及
4.轴张驰(relaxation)过程所导致的在机械部件暂时出现的扭转共振。
在这些暂时事件(特别是2相短路故障)期间和之后，风和转动惯量将使风轮机转子继续转动共用轴(common shaft)。在这种情况，风轮机转子的速度将以不受控制的方式增加。WTGS需要通过网络的保护或WTGS自身的保护系统等断开连接。没有或具有仅部分额定的AC-DC-AC频率变换器，如现今技术水平的PFC-IG、DFIG和STATCOM的WTGS缺乏保持连接状态并通过/穿过网络中的严重暂时事件的能力，所述严重暂时事件特别是2相短路故障，其中由于故障期间的暂时的大负序电压分量，感应发电机将尝试作为电动机运行。
这是现在的在电网的末端连接的能够发电的“可再生的新能源”，如风轮机发电系统的电子电力发电单元的缺陷/限制。
网络/电网中的风轮机应用于工业活动也拥有30年的经历。传统上这些电力传输系统强调：
●以风推动风轮机转子的电子电力发电已作为风电场(wind park)到达与中央发电相同的额定值。建立了几次＞160MW的风电场，且640MW的电场正在开始其采购阶段，进行电学仿真以确保其与现有的子传输电网和其到PoC的C&T网络的恰当的功能。
●大的风轮机中的弱轴系统的扭转模式归因于轴张驰过程，一般具有在强轴的仿真中看不到的1-2Hz范围内的共振(集中质量考虑)。1-2Hz接近于电子电网本征频率的典型值。因此存在风轮机和整个网络之间的振荡的风险。该现象与之前的仅具有中央发电的T&D系统和装置相比不典型，其中大型同步发电机配备有阻尼绕组和电力系统稳定器，PSS，以衰减1-2Hz的本征频率。
●为了风力发电的可用性和效率以及通过任何故障，保持在BL感应发电机的定子绕组的高正序电压并减小负序电压是有利的。
故障可发生在从风轮机变压器的中压端到连接点的任何地方。对于大部分这些故障风轮机应保持连接状态。将在“几百毫秒”内通过保护性断路器清除具有暂时低压的C&T网络或T&D电网中的原始故障。此后，电网电压将在“几秒”内升到正常水平。这是由于与连接到发电机的C&T/T&D系统的无功功率交换。时间段和形状取决于发电机的类型、风轮机传动系中的轴的刚性等，现在取决于所引入的甩负荷和具有正常操作为ASD或CSD期间的释放的传动系压力的无刷IG方法，且同时取决于具有通过功率电子装置的＜30％的有功功率的风轮机的受控的运行(ride-through)。
图3中在PoC的SVC、静止VAr补偿器可注入无功功率以稳定电压。这是高压方案在故障时抑制PFC-IG的转矩和传动系中的速度振荡，从而驱动(drive-through)风电场。
有功功率(也称为“有效功率”)一般在链中从如风轮机转子的机械变换器通过可选的齿轮箱作为机械能流到发电机，通过发电机变压器流到大型电力系统。有功功率在很小的程度上存储在普遍的电子AC电力系统中。有功功率被转换成机械能、热等，以在或多或少生成该电力的同时利用该电力。所存储的电力系统能量主要与发电机和电动机中的转动能量相关联，且正好是电力系统中所安置的电力的3倍。有功功率以千瓦(kW)或兆瓦(MW)来表示。
无功功率经常被描述为“啤酒泡沫”，意味着没用却不可避免。然而，该描述并不导致该理解。无功功率是电路的一部分，建立并维持AC装备的电场和磁场。无功功率必须提供给大部分类型的电磁装备，例如变压器和笼型机，不管是用作电动机还是发电机。无功功率还必须提供传输设施上的无功损耗。无功功率作为电容充电电流特别地嵌入线缆中。无功功率由同步发电机和同步调相器、如电容器的静电装备提供，且由(特别是用在HVDC LightTM&SVC LightTM中的)功率电子变换器，还由风轮机(例如具有DFIG和全额定的AC-DC-AC变换器)来提供。无功功率以千乏(kVAr)或兆乏(MVAr)表示。
如所有的感应机的IG拥有内部有功和无功功率流，其构成在此进行综合以看清楚无刷、BL、风力发电的主要问题。
如在所有发电系统中一样，对于风轮机及其传动系以及到大规模电网的连接，[有功和无功]功率流是必不可少的。
●有功功率控制与风轮机叶片距控制一起与风轮机转子、传动系中的轴、电子机械(在此特别是发电机)以及从风轮机馈送到电网的有功功率的可调节的速度控制相关联。
●无功功率控制与电力系统中的电网电压的控制相关联，在此是：风力的收集和传输C&T以及传输和分布T&D电网。
●无功功率与电子机械中的气隙磁通的水平相关联，影响如风轮机的发电机装置的效率以及功率因数。
●与纯有功功率生成相比，无功功率生成，例如用以保持所要求的功率因数，指的是所有变换器-功率电子装置以及发电机-的额定值增加。
●由于常速同步发电机以及双馈感应发电机(不管其是传统DFIG还是BL ASD感应发电机，WO 00/67355&WO 00/67363，稳频机械)中的无功功率生成，发电机中的转子损耗增加。
在正常操作中，功率因数保持与传输电网中的分区区域之间的边界处的功率因数相等。在正常操作中，功率因数接近于大型子站中的所选择的母线处的功率因数。
为了进行大规模风力发电，该功率因数接近于其的所选择的母线可以是从风力装置到主T&D电网的连接点PoC。在故障期间，功率因数暂时被降得很低，从而需要在故障时例如通过VAr补偿或通过风轮机自身向邻近电网供给无功功率，表示为效用要求(utility demand)，电网规程[A-G]。一个新方法是将无功功率导向电网中无功功率最有用的地方。该方法的工具是使用暂时调节器(Transient Booster)，该暂时调节器在舱内低压时最有成本效益，在C&T网络中中压时较有成本效益。
对于AC系统，即对于发电、传输和分布组件的互联组合，执行系统无功功率要求和生成的组合，使得系统的无功功率平衡由以下组成：
●负载的无功功率要求
●由AC电抗中的I2引起的系列无功功率(I2X)损耗，然而对于操作AC网络是绝对必要的损耗
●AC网络，特别是HV线缆的并联无功功率(U2B)增益
●在使用中的静止补偿装置(SVC)
●电子机械，如同步机、发电机/补偿器(SM，SG，SC)的无功输出，或被其吸收
必须指出系统无功(MVAr)备用和系统有功(MW)备用之间的重要的技术区别：系统MW可在互联电路性能和可用性所施加的限制内在整个主要互联系统上保持和自由使用，系统MVAr备用必须在局部化组中，即局部区域中保持。这是因为通过感应电路传送无功功率所需的发送和接收端之间的电压调整使得实际上不可能大量传送无功功率，即，具有线路中的固有串联无功(I2X)损耗的线路电抗所导致的电压降关系。
如上所述，无源功率作为电容(U2B)充电电流嵌入线缆中。结果，存在从线缆端部向线缆嵌入式地传送大量无功功率，以收集和传输风力。在高/全负荷时，对于三项线缆无功功率生成(U2B)和消耗(I2X)接近于相等。
当长架空线或地下线缆开路时，例如没有负载，存在多余的无功功率和电压上升，所谓的Ferranti效应，长时间过电压。因此唯一的电流是电容充电电流。这解释了为什么许多线路和线缆具有安装在其最有可能是开路的点处的并联电抗器。并联AC电抗器吸收VAr并抑制电压。
控制电压和提供有功功率(Watts)和保持频率(Hz)一样重要。过度的电压偏差(高或低)，可毁坏电力装备。在一定情况下，电压会崩溃并导致系统故障。主要通过控制发电、电网和负载及其所有无功伏安(VAr)来实现电压控制。
初始和操作计划必须扩展到输入输出电力和电压控制以及起动&停止步骤和故障处理的整个范围上。不仅关心提供足够的无功功率备用以实现在重I2X负载的收集和传输电路上的功率的安全大量传送，还关心在轻有功功率传送期间吸收网络的大无功功率U2B增益的能力，以及具有对抗暂时发生的意外事件的备用吸收能力，该暂时发生的意外事件即有可能发生但是不能确定地预测的事件或情况。
装置所有者和电力系统操作员必须知道如何使用所有保持并返回正确的电压并防止装备损坏和系统故障的可用/嵌入的装置。因此，本说明书对无功功率问题和电压控制进行了大量说明。
关于感应机中的无功功率：
●感应机的正常操作的无功功率的主要方面是用来建立和保持在绕组中生成的电场和气隙&稍微饱和的齿中的磁场的无负载无功功率消耗。
●次要方面是与靠近气隙的槽开口相关联的磁泄漏所消耗的无功功率。
●一般可忽视的方面是铁叠片中的有限磁导率所消耗的无功功率。该无功功率一般可忽视，但是在过电压或过电流所导致的深度磁饱和时在建模中是必不可少的。
关于从双馈感应机到电网的无功功率流：
●在各种程度上可通过转子电枢绕组，即通过对发电机侧变换器加载的无功电流实现从DFIG生成无功功率。
●在各种程度上可从电网侧变换器实现从双馈感应发电机生成无功功率。
●在各种程度上可从一般与电网侧变换器并联连接的电容器组(例如调谐的LF滤波器)实现从具有DFIG的舱生成无功功率。(其还可并联到定子和风轮机变压器之间的低电压(LV)连接)。该电容器组方案在会议论文中有所记载，例如在Rabelo和Hofmann[7]中，但是没有发现任何被主要风轮机制造商在商业上使用的记载。然而，其可以是有成本效益的方案，以扩展转子电流(“场绕组电流”)加热所限制的“VAr提供”。
●通过转子电枢绕组生成无功功率指的是气隙磁通变化，不管其是传统DFIG还是BL ASD感应发电机、恒定频率机械、WO 00/67355&WO00/67363。
●随着磁饱和出现在铁叠片中，特别是定子和转子齿中，感应机中的气隙磁通(因而电网频率的机械定子电压)向上受到限制。
关于从电网到双馈感应机的无功功率流：
●在各种程度上可通过转子电枢绕组实现双馈感应发电机中的无功功率消耗，即，通过无功功率流还为发电机侧变换器加载。
●还可通过固定的或可控制的，例如连接到机械变压器的并联AC电抗器实现具有双馈感应发电机的舱中的无功功率消耗。
没有以风力发电机生成或吸收无功功率的动机，但是从系统的角度看，有必要具有恰当放置的无功备用，以获得规定的电压水平，例如在实时操作阶段的±5……±10％。因此系统操作员对来自风轮机和风车农场的无功功率进行了要求，以组织无功备用的布置，从而正确地控制系统电压。
关于风力发电系统的无功功率，在文献中没有找到技术经济评估。在用于发明和评估具有部分额定功率电子装置的BL感应发电机的合成(synthesis)中，包括无功功率生成和吸收是一个重要的方面。
无功功率问题对于合成至关重要，因为在用于风力发电的所有系统中，特别是在以可调整速度风轮机转子操作的系统中的转动的电子机械和额定功率电子变换器中，无功电流负载不可缺少。
在同步频率定子频率，即在欧洲是50Hz，发生同步。因而风轮机功率可以是频率变换器的额定值以下的任何值。则速度为1-约1.003pu，即对于4极50Hz MW IG是1500-1505rpm。在以下点说明了本发明的基本实施例：
●在低功率和“可变”低速度，通过额定为约0.3pu有功功率(0.35pu的视在功率)的AC-DC-AC频率变换器控制功率流。因而无功功率被提供到感应发电机和电力网二者。
●在高功率和“恒定或半可变”速度，通过相同的变换器，但是通过作为并联元件连接的交换装置/功能控制功率流。
●因而无功功率仍被提供到感应发电机和电力网。
●通过叶片距控制器缓慢地以及通过RCC4/OptiSlip控制器快速地控制通过无刷IG来自风轮机转子的有功功率流。
●在标称(1……1.003pu)速度由粗线，和标为“在50Hz的RCC”的粗点划线来对“恒定或半可变”转速-转矩灰色阴影区域定界。
●当从低速度/功率端到达电网频率时，IG被同步到电网，且关闭交换装置/功能。
●当从高功率/速度端到达低功率水平时，IG与电网去同步，且打开交换装置/功能。
●在如电网故障的暂时事件中，有以下一些选项：
●在高功率和“恒定或半可变”速度，快速去同步，并进行阻性暂时剩余功率控制[10-13]或快速使用暂时调节器，且选择去同步和剩余功率中的一个。
●在低功率和“可变”低速度，保持可变并迟早都要进行电阻暂时剩余功率控制，或保持可变并快速啮合暂时调节器且稍后进行剩余功率控制。
●在两个稳定状态，操作变换器以对传送到网络的功率进行平滑处理。除了[同步的]无功功率之外，变换器可包括提供电压控制、能量存储、闪变控制、谐波减小(有源滤波)等的能力。
根据本发明的布置利用了发电机ASD操作的技术与操作电动机ASD的现有技术不同这一事实。风轮机的特征在于高转动惯量，且能够自由旋转/重新配置成主要由风轮机转子叶片距控制器来控制。
为了安全操作，使用暂时调节器以确保在故障期间接近发电机中的正常的正序磁通虽然不必要，但是具有成本效益。而且，代替昂贵的能量存储单元，如SMES、蓄电池组、燃料电池等，使用阻性暂时剩余功率控制不必要，但却具有成本效益。
不仅使用部分额定的AC-DC-AC频率变换器，还使用在相同的图中绘出的固定(滤波)电容器(FC)来生成无功功率以满足要求，这是具有成本效益的。AC-DC-AC频率变换器可通过所期望的稳态点附近的小变化作为有源滤波器和/或作为闪变消除器和/或作为平滑器操作。其还具有如下优点：控制FC中的电容器电压使得其几乎立即将FC的电容器电压带到预故障值，特别是当功率流控制器通过暂时调节器连接到AC电网时。
部分额定的AC-DC-AC频率变换器当然可在没有DC电压链路的情况下实现。有可能使用能够从低频到至少电网频率的频率变换以进行同步，且能够生成无功功率的任何AC/AC变换器。没有DC电压链路的AC-DC变换器的例子是所谓的“矩阵变换器”。
由于缺少功率半导体，特别是IGBT就难以在接近1kVac的电压提供频率变换器(对于几MW功率流是优选的)，可存在具有如下装置的实施例：
●IGCT，集成门极换流晶闸管，允许高于IGBT的电压，
●2*3Φ机械，2*3Φ频率变换器和2*3Φ风轮机变压器，
●自动变压器等，以获得＞5MW的风轮机和在0.4……0.7kV的IGBT变换器。
指导原则具有成本效益，且维护费用低，即与现有技术相比具有可用性和可靠性。可使用电抗和/或电阻串联元件作为(暂时)串联链路元件。统一潮流控制器(UPFC)也可以是AC-DC-AC变换器的可控制的串联并联布置，以提供电压和VAr控制。优选地使用暂时剩余功率控制作为具有至少一个开关的电阻并联元件。
对2MW风轮机水平和20年寿命的优点的评估-以DFIG和从发电机轴到低电压断路器连接到发电机的刷和集电环的30％的功率电子装置，共计成本参考(100％)-显示：
●维护刷和集电环的累积成本至少为20％
●由于刷和集电环导致1天/年生产停止的收入损失约为20％，对于近海风电场，很可能更接近于天气限制所导致的周/年
●暂时调节器的初始损失约为20％
●BL IG，还包括RCC4/OptiSlip
Figure A20068003630800171
，比用在DFIG中的集电环IG便宜
齿轮箱、风轮机变压器和中压装备相同且从100％基础(base)排除。本发明布置中的AC-DC-AC变换器的成本与DFIG的成本相同。在低风速的能量产出和在高风速的变换效率可能对于本发明布置比对于DFIG稍微高一些。以相同的100％的水平，Δη＝0.5％意味着约20％或更多。
总而言之，本发明涉及风轮机和风电场的用于电网连接的新颖的功率流控制(器)。本发明的布置将总计达到值得至少风轮机制造商的评估的正成本效益。关于开发商、拥有者、保险公司、电力设施和电网操作员，也认为为值得将新颖性和优点传达给他们。
本发明的布置是有成本效益、几乎无损失的新颖的电路，特征在于风轮机以两个稳态状态操作且是重新配置电路的开关装置/功能，如图1所示。该新的无刷方法和电路基于BL异步机，基于部分(30％)额定的功率电子装置和低压(＜1kVac)控制&开关设备。所有的都是具有100000机动时的高性能产品，几乎无损失且非常可靠。
●省略了DFIG的刷和集电环。没有维护成本和生产损失。
●在正常操作期间，保持迄今已知的主要电路并增加效率。
●本发明的布置从暂时调节器受益。
●传动系，例如齿轮箱，从机械压力释放。
●同时，收集和传输电网在故障期间从电压力释放。
●连续控制风轮机中的无功功率补偿装备。
●随着风轮机的无功功率消耗被消除，改进了故障后的电压恢复。
●由于固定需求可估计功率电子装置额定值，且在5MW以上可调整。
●在1-2MW且还可能在更低的额定值预期更新/改进市场
●该方法和硬件对于新兴的风电场需求特别有吸引力，但也是用于使现存的风轮机在海上以及陆地上再次可用以适应新的或扩展的电网规程的基础。
尽管所示实施例是优选实施例，但是本发明的范围不受其限制，而是还包含对本领域技术人员明显的实施例。

Claims (13)

1.一种风车设备，用于向电网络的网格点生成电力，所述风车设备包括风车转子和连接到所述风车转子的发电机，将所述发电机连接到所述网格点的电多相交流链路，所述链路包括包含开关设备的第一电流路径，包含直流链路的第二电流路径，所述直流链路包含连接到所述发电机的第一变换器和连接到所述网格点的第二变换器，以及连接在所述直流链路的导体之间的电容器装置，其特征在于所述交流链路进一步包括可连接的多相甩负荷，用于在网络上的故障情况期间阻断所述交流链路中的无功功率流，提供有功功率的减少的传送。
2.根据权利要求1所述的风车设备，其中所述甩负荷包括电能消耗，用于向所述发电机提供延迟力。
3.根据权利要求1或2所述的风车设备，其中所述甩负荷包括电阻器装置。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的风车设备，其中所述甩负荷包括连接在所述直流链路的所述导体之间的电阻器装置。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的风车设备，其中所述设备包括用于使所述发电机与所述网络保持同步的同步装置。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的风车设备，其中所述直流链路的所述变换器包括小于所述发电机的额定功率50％，优选30％，的额定值。
7.一种方法，用于在网络的网格点的故障情况期间保持从风车设备生成电力，所述风车设备包括风车转子和连接到所述风车转子的发电机，将所述发电机连接到所述网格点的电多相交流链路，所述链路包括包含开关设备的第一电流路径，包含直流链路的第二电流路径，所述直流链路包含连接到所述发电机的第一变换器和连接到所述网格点的第二变换器，以及连接在所述直流链路的导体之间的电容器装置，所述方法的特征在于：通过所述第一电流路径在第一操作模式提供电力，通过所述第二电流路径在第二操作模式提供电力，以及在所述网络上的故障情况期间阻断所述交流链路中的无功功率流，提供有功功率的减少的传送。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述阻断步骤进一步包括消耗来自所述发电机的电能。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述阻断步骤进一步包括延迟发电机转速。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中所述阻断步骤进一步包括通过提供所述直流链路的导体之间连接的电阻器装置来延迟所述发电机转速。
11.一种计算机程序产品，可存储在计算机可用的介质上，所述计算机程序产品包含使得处理器评估权利要求7-10中的任一项的方法的指令。
12.根据权利要求11的计算机程序产品，至少部分地在网络，如因特网上提供。
13.一种计算机可读介质，特征在于该计算机可读介质包含根据权利要求11的计算机程序产品。
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