CN101320953A - 风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电系统，根据因系统故障和系统扰乱所导致的交流励磁发电机的转子上产生的过电流，保护交流励磁发电机的发电机侧转换器，进一步确保发电机侧转换器的运行持续性。采取的方法是：将能量消耗装置与发电机侧转换器的直流部连接，然后在上述交流励磁发电机的转子与发电机侧转换器之间连接分流电路，在系统故障时停止转换器的开关动作，使分流电路动作，使能量消耗装置以直流电压处于规定范围的方式动作。

Description

风力发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，特别涉及在电力系统中发生停电等电压降低时，根据过电流等保护转换器的装置和方法。

背景技术

用于发电装置的交流励磁发电机，使用电力转换器对转子绕组通过转差频率(系统频率与旋转频率之差)进行交流励磁，可以通过转子的励磁使定子侧产生的电压的频率与系统频率相同。通过使转子的励磁频率(转差频率)可变，可以使风车转速可变，同时，具有以下优点：可以使电力转换器的容量小于发电机容量。

然而，如果电力系统发生接地故障等电压降低的情况，交流励磁发电机会向故障点提供电流。这时，转子绕组上感应过大的电流，与转子侧连接的励磁用电力转换器流入过大电流，所以，使用以下方法：设置被称为跨接器(Crow-bar)的用可控硅使转子电路短路的装置等。

在欧洲等地方，已经制定了当系统出现故障时，必须在风力发电系统不与系统分离的情况下，继续运行的规格，谋求一种对电力系统的影响较小的运行。

目前，交流励磁发电机主要用于泵水发电站等大规模发电系统，如果系统发生大规模停电，使用一种用他励磁方式的元件使转子电路短路的运行方法。

【非专利文献1】：日立评论(HITACHI REVIEW)1995 Vol.44

发明内容

通过本发明所要解决的课题在于，利用系统故障和系统扰乱而导致的在交流励磁发电机的转子绕组上产生的过电流，来防止过电流能量对励磁用电力转换器的直流部分的电容器充电而形成过电压，不与系统连接点分离地排除系统故障，然后迅速地重新开始运行。

为了解决上述课题，本发明构成为，在转换器的直流部至少要连接过电流消耗装置。

即使发生系统故障和系统扰乱，也可以防止过电流能量对电力转换器的直流部分的电容器充电而形成过电压。

附图说明

图1是风力发电装置的电路构成的说明图。

图2是系统侧转换器2041的构成的说明图。

图3是空载时间附加器2041-02、2042-02的说明图。

图4是发电机侧转换器2041的构成的说明图。

图5是转换器2041的控制构成的说明图。

图6是转换器2042的控制构成的说明图。

图7是相位检测器THDET的说明图。

图8是指令切换器SW的构成图。

图9是系统故障应对装置212的构成的说明图。

图10是系统故障应对装置212的闸极信号S71、S72的动作说明图。

图11是系统故障应对装置的控制装置213的控制构成的说明图。

图12是表示运行模式的状态迁移说明图。

图13是实施例2的风力发电装置的电路构成的说明图。

图14是实施例3的风力发电装置的电路构成的说明图。

图中：10-电力系统，20-风力发电装置，201-发电机，202-翼，203-风车控制装置，204-转换器，205-转换器控制装置，206-断路器，207-连接用变压器，208、209-断路器，210-直流部，211-编码器，212-系统故障应对装置，213-系统故障应对控制装置，214-交流滤波电路，215-dV/dt抑制用电抗器，216-不间断电源，217-变压器(控制电源用)，218-传动装置，219a、219b、219c、219d-电流传感器，220a、220b-电压传感器，221-系统故障对应系统，Qref-无效功率指令值，Pref-有效功率指令值，Run-运行/停止指令值，PCH-羽角度指令值，VSY-系统电压检测值，VST-定子电压检测值，ISY-系统电流，IST-定子电流，IR-发电机侧转换器电流，IG-系统侧转换器电流。

具体实施方式

本发明通过如下方式实现：将能量消耗装置与励磁用转换器的直流部连接，系统故障时停止转换器(系统侧、发电机侧)的开关，使能量消耗装置动作，来使直流电压处于规定范围。

[实施例1]

利用图1，对本发明一实施例的装置构成(单线连线图)进行说明。

风力发电装置20通过输电线与电力系统10连接。风力发电装置20主要由以下部分构成：发电机201、翼202、风车控制装置203、转换器(励磁装置)204、转换器控制装置205、系统故障应对装置212、系统故障应对控制装置213。

机翼202，机械上与发电机201的转子(通过传动装置等)连接。发电机201的转子绕组与转换器204电连接，此外，发电机201的定子，通过断路器206和连接用变压器207等与电力系统电连接。

风车控制装置203，计算出风速的检测和翼202的角度控制、有效功率指令值Pref的生成、运行/停止等指令值Run的输出、无效功率指令值Qref的生成等运行指令信号OPS1。

上述风车控制装置203生成的无效功率指令值Qref和有效功率指令值Pref、上述运行/停止等指令值Run等的各种运行信号OPS1，被送至转换器控制装置205。此外，羽角度指令值PCH被送至翼角度变更装置。

转换器控制装置205按照指令值，调整控制转换器204输出的电压，控制发电机201与系统之间的电力(发电功率、无效功率)。

下面，对转换器(励磁装置)204、转换器控制装置205、系统故障应对装置212、系统故障应对控制装置213进行简要说明。发电机201定子侧的三相输出，通过可根据外部信号SG1接通与断开的例如断路器208、断路器206和系统连接用变压器207，与电力系统10连接。此外，断路器206的断路器208侧的电路，通过另一个断路器209与交流滤波电路214、系统侧转换器2041连接。

系统侧转换器2041的直流部210，还与发电机侧转换器2042的直流电路连接，上述发电机侧转换器2042的交流输出，通过dV/dt抑制用电抗器215与发电机201的转子绕组连接。

此外，上述dV/dt抑制用电抗器215的发电机转子侧，与系统故障应对装置212的分流电路212-2的交流输入端子连接。此外，系统故障应对装置212的过电流消耗装置212-1的直流输出端子与系统侧转换器2041和发电机侧2042的直流部210连接。

此外，转换器控制装置205，由不间断电源装置216支持，当系统电压下降时，不间断电源装置216向转换器控制装置205供电。此外，向分流电路212-2输出指令信号的系统故障应对控制装置213也由不间断电源装置216支持，当系统电压下降时，不间断电源装置216向系统故障应对控制装置213供电。

上述断路器206，例如为了保护风力发电装置20，具备在电流持续过大时断开断路器206截断电流的功能，和使系统20完全停止，来与电力系统10电分离的功能。

发电机侧的转换器2042和系统侧的转换器2041，使用例如半导体开关元件(可控硅、GTO、IGBT、MOS、Sic等)构成，具有将交流转换成直流或将直流转换成交流的功能。

此外，在上述系统侧的转换器2041的交流输出端子上，设置由电抗器和电容器构成的衰减高次谐波电流、高次谐波电压的交流滤波电路214。

发电机201的旋转部分上，通过传动装置218与风力发电用翼202连接，接受风力并旋转。此外，旋转部分与检测旋转位置的例如编码器等的编码器211连接，输出转速信号ω。检测出的转速信号ω被输入风车控制装置203和转换器控制装置205。

下面，说明用来控制发电功率的布线和装置。断路器206的二次侧的三相电压和三相电流，分别通过电压传感器220a、电流传感器219a将其值转换成低电压的电压检测信号、低电压的电流检测信号，上述低电压的系统电压检测值VSY和系统电流ISY，被输入转换器控制装置205。

此外，对于断路器208的二次侧(断路器208与发电机201的定子之间)的电压，电压传感器220b将定子电压检测值VST转换成低电压的信号并输入转换器控制装置205。

与上述转换器204的直流部210连接的电容器Cd的直流电压VDC，由电压传感器转换成低电压的直流电压信号，直流电压信号被输入至转换器控制装置205。

此外，发电机侧转换器的电流IR由电流传感器219c检测出来，系统侧转换器的电流IG由电流传感器219d检测出来，发电机侧转换器的电流IR和系统侧转换器的电流IG被传送至转换器控制装置205。

此外，风车控制装置203，具有向转换器控制装置205发送运行/停止指令值Run、有效功率指令值Pref、无效功率指令值Qref等各种指令值，或检测出风车或系统的状态量，与外部进行通信的通信功能等。

此外，转换器控制装置205，通过信号SG1、SG2分别控制断路器208、209，并且输出对由半导体开关元件构成的系统侧转换器2041和发电机侧转换器2042分别进行驱动控制的脉冲信号P1、P2。

转换器控制装置205，为了在系统电压下降时能够动作，电源与不间断电源装置216连接。不间断电源装置216，输入由变压器217调整过的电压。当不间断电源装置216的输入电压正常时，由系统电压向转换器控制装置205供电；但当系统电压异常时，就由不间断电源装置216内的能量储存元件(例如电池)向转换器控制装置205供电。

图2表示系统侧转换器2041的构成。系统侧转换器2041，由半导体元件等构成。这里表示三相转换器的构成，它由半导体元件(IGBT和二极管)S11、S12、S21、S22、S31、S32构成。元件S11、S12构成U相的上下臂；元件S21、S22构成V相的上下臂；元件S31、S32构成W相的上下臂。

通过导通和关断这些半导体元件IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)，可以在交流端子产生三相交流电压，通过调整该交流电压，可以控制系统侧转换器的电流IG。

用来导通和关断半导体元件的闸极信号P1(P1_GB、P1_U、P1_V、P1_W)，由控制装置205提供。闸极信号P1的注脚U表示U相的信号P1_U，P1_V表示V相的闸极信号，P1_W表示W相的闸极信号。

U相的下臂元件S12的闸极信号，被输入上臂元件S11反相信号(即S11导通时，元件S12关断)，同样，对于V相、W相的上下臂，下侧臂被输入上侧臂的反相信号。为了形成反相信号，使用了反相器NOT。通过闸极电路2041-01内的短路防止电路2041-02，对闸极信号S11至S32附加了用于实现上下臂短路防止期间的、被称为空载时间(dead time)的期间。

为了停止半导体元件的导通与关断，使用了闸极封锁(gate block)信号P1_GB和运行状态信号OPS2。该闸极封锁信号P1_GB和运行状态信号OPS2，通过AND电路取得逻辑与，形成闸极封锁信号GB1。当闸极封锁信号P1_GB和运行状态信号OPS2的任意一个信号表示闸极的封锁状态为“0”时，信号GB1就会变为“0”，该闸极封锁信号GB1与脉冲信号P1被一起输入AND电路2041-03，当闸极停止时，GB1＝“0”，所以这时，半导体元件S11～S32与脉冲信号P1的状态无关，全部都是关断状态。

此外，用来导通和关断系统侧转换器2041的元件的闸极电路电源P1_POWER，由转换器控制装置205提供。

图3表示短路防止电路2041-02的构成。通过延时附加器Delay，输入的脉冲被附加短路防止期间的时间延迟。该附加了时间延迟的信号与输入的原有信号被输入“AND”运算器，进行逻辑与运算。由此，输出信号Out变为在原有信号上附加时间延迟Td的导通延迟而得到的信号。这样，通过在上下臂的信号上附加导通延迟，就可以在例如上侧的开关元件关断时，下侧的开关元件自关断开始起延迟时间Td然后导通，防止上下开关元件过渡性地形成同时导通的状态，防止直流的短路。

下面，图4表示发电机侧转换器2042的构成。发电机侧转换器2042，由半导体元件等构成。这里表示的是三相转换器的构成，由半导体元件(IGBT和二极管)S41、S42、S51、S52、S61、S62构成。元件S41、S42构成U相的上下臂；元件S51、S52构成V相的上下臂；元件S61、S62构成W相的上下臂。

通过导通和关断这些半导体元件，可以在交流端子产生三相交流电压，通过调整该交流电压，可以控制输出的发电机侧转换器的电流IR。

用来导通和关断半导体元件的闸极信号P2，由转换器控制装置205提供。闸极信号P2的注脚U，表示U相的信号P2_U，P2_V表示V相的闸极信号，P2_W表示W相的闸极信号。

U相的下臂元件S42的闸极信号，被输入上臂元件S41反相信号(即S41导通时，元件S42关断)，同样，对于V相、W相的上下臂，下侧臂被输入上侧臂的反相信号。为了形成反相信号，使用了反相器NOT。通过闸极电路2041-01内的短路防止电路2041-02，对闸极信号S41至S62附加了用于实现上下臂短路防止期间的、被称为空载时间的期间。

为了停止半导体元件的导通与关断，使用了闸极封锁信号P2_GB和运行状态信号OPS2。该闸极封锁信号P2_GB和运行状态信号OPS2通过AND电路取逻辑与，形成闸极封锁信号GB2。当闸极封锁信号P2_GB和运行状态信号OPS2的任意一个信号表示闸极的封锁状态为“0”时，信号GB2变为“0”。该闸极封锁信号GB2与脉冲信号P2被一起输入AND电路2041-03，当闸极停止时，GB1＝“0”，所以这时，半导体元件S41～S62与脉冲信号P2的状态无关，全部都是关断状态。

此外，用来导通和关断转换器2042的元件的闸极电路电源P2_POWER，由转换器控制装置205提供。

下面，利用图5至图8说明转换器控制装置205的功能。图5表示系统侧转换器2041的控制构成。系统侧转换器2041，具有将平滑电容器Cd的直流电压VDC控制为恒定的功能。因此，系统侧转换器2041，检测出系统电压检测值VSY的相位，利用检测出的电压相位控制电流，与系统交换有效功率，控制直流电压。

如果发电机侧转换器2042使用直流电，消耗平滑电容器Cd的能量，使直流电压VDC降低的话，那么系统侧转换器2041对直流电压控制DCAVR进行如下动作：调整有效成分的电流Ipn(有效功率成分)，对平滑电容器Cd进行充电，使直流电压VDC保持一定，相反，如果发电机侧转换器2042以直流电充电，使直流电压VDC上升的话，那么系统侧转换器2041对直流电压控制DCAVR进行如下动作：将直流电转换成交流电，为了在电力系统中放电，调整有效成分的电流Ipn(有效功率成分)，使直流电压VDC保持一定。

在系统侧转换器2041启动前，直流电压的初充电电路(未图示)将直流电压VDC充电，其后，断路器209的接通指令SG2被输出，系统侧转换器2041会与系统连接。

上述系统电压检测值VSY，被输入相位检测器THDET和三相变二相转换器32TRS。上述相位检测器THDET以例如锁相环路(PLL：PhaseLocked Loop)方式，对跟随系统电压的相位信号THS进行计算，将上述相位信号THS(THS：将系统U相电压设为正弦波时的相位信号)向三相变二相旋转坐标转换器3DQ01、3DQ02、二相变三相旋转坐标转换器DQ23-01输出。直流电压指令值VDCREF与上述直流电压检测值VDC，被输入直流电压调整器DCAVR(例如由比例积分控制器PI构成)。以使输入的指令值VDCREf与直流电压检测值VDC的偏差为零的方式，上述直流电压调整器DCAVR调整输出的p轴电流指令值(有效成分电流指令值)Ipnstr，向电流调整器ACR1输出。

三相DQ坐标转换器3DQ01，根据输入的系统侧转换器的电流IG，利用式1所示的三相变二相转换公式和式2所示的旋转坐标转换公式，计算p轴电流检测值Ipn(有效成分的电流)和q轴电流检测值Iqn(无效成分的电流)，将p轴电流检测值Ipn向电流调整器ACR1输出，将q轴电流检测值Iqn向电流调整器ACR2输出。

这里，注脚u、v、w表示三相交流电的各相，例如，系统侧转换器的电流IG的U相电流表记为IGU。以下，电压等也是同样(系统电压检测值VSY的U相是VSYU等)。

[式1]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{In\α}\\ \mathrm{In\β}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(0\right)& \cos (2\mathrm{\π}/3)& \cos (4\mathrm{\π}/3)\\ \sin \left(0\right)& \sin (2\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{IGU}\\ \mathrm{IGV}\\ \mathrm{IGW}\end{array}\right)$

[式2]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ipn}\\ \mathrm{Iqn}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sin \left(\mathrm{THS}\right)& -\cos \left(\mathrm{THS}\right)\\ \cos \left(\mathrm{THS}\right)& \sin \left(\mathrm{THS}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{In\α}\\ \mathrm{In\β}\end{array}\right)$

上述电流调整器ACR1，以使上述p轴电流指令值Ipnstr与上述p轴电流检测值Ipn的偏差为零的方式，调整输出的p轴电压指令值Vpn0，向加法器301输出。同样，上述电流调整器ACR2，以使q轴电流指令值(＝0)与上述q轴电流检测值Iqn的偏差为零的方式，调整输出的q轴电压指令值Vqn0，向加法器302输出。这里，上述电流调整器(ACR1、ACR2)例如可以由比例积分(PI)控制器构成。

上述三相变二相转换器32TRS，根据输入的系统电压检测值VSY，利用式3所示的转换公式，计算α成分Vsα和β成分Vsβ，然后利用式4计算p轴电压检测值(与系统电压矢量一致的相位成分)Vps和q轴电压检测值(与上述p轴电压检测值Vps正交的成分)Vqs，并将它们分别输出至上述加法器301、302。

[式3]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vs\α}\\ \mathrm{Vs\β}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(0\right)& \cos (2\mathrm{\π}/3)& \cos (4\mathrm{\π}/3)\\ \sin \left(0\right)& \sin (2\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vsu}\\ \mathrm{Vsv}\\ \mathrm{Vsw}\end{array}\right)$

[式4]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vps}\\ \mathrm{Vqs}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sin \left(\mathrm{THS}\right)& -\cos \left(\mathrm{THS}\right)\\ \cos \left(\mathrm{THS}\right)& \sin \left(\mathrm{THS}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vs\α}\\ \mathrm{Vs\β}\end{array}\right)$

上述加法器301，将上述p轴电流指令值Vpn0与上述p轴电压检测值Vps相加，向二相变三相坐标转换器DQ23-01输出。同样，上述加法器302，将上述q轴电流指令值Vqn0与上述q轴电压检测值Vqs相加，向二相变三相坐标转换器DQ23-01输出。

上述二相变三相坐标转换器DQ23-01，输入上述相位信号THS和上述各加法器的结果Vpn、Vqn，利用式5和式6所示的转换公式，计算上述转换器DQ23-01输出的电压指令值Vun、Vvn、Vwn，并向脉冲计算器PWM1输出。

[式5]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sin \left(\mathrm{THS}\right)& \cos \left(\mathrm{THS}\right)\\ -\cos \left(\mathrm{THS}\right)& \sin \left(\mathrm{THS}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vpn}\\ \mathrm{Vqn}\end{array}\right)$

[式6]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vun}\\ \mathrm{Vvn}\\ \mathrm{Vwn}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(0\right)& \sin \left(0\right)\\ \cos (2\mathrm{\π}/3)& \sin (2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (4\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)$

上述脉冲计算器PWM1，根据输入的电压指令Vun、Vvn、Vwn，利用脉宽调制方式，计算导通和关断构成上述系统侧转换器2041的n个半导体元件的闸极信号P1，向系统侧转换器2041输出。

下面，利用图6，对发电机侧转换器2042的控制进行说明。

表示发电机201的转速和位置的转速信号ω，被输入旋转相位检测器ROTDET。旋转相位检测器ROTDET，对转速信号ω的脉冲进行计数，并转换成相位信号，同时，每旋转一次，就用一次脉冲(例如，在ABZ方式的编码器的情况下为Z相脉冲)对相位信号复位，将0至360度的相位信号RTH输出至加法器303。

相位信号RTH和同步控制器SYNC的输出相位信号LTH，由加法器303相加后成为相位信号TH，相位信号TH与上述相位信号THS(在系统侧转换器2041的控制中说明过)一起，被输入导励磁相位运算器SLDET。

上述励磁相位运算器SLDET，将上述相位信号TH与THS相减，然后乘以发电机的极对数k(THR＝k(THS-TH))，进行传动装置比的换算，输出发电机转子的电角频率的相位信号THR。

电力运算器PQCAL，利用与上述式1相同的转换矩阵，对系统电流ISY进行转换，输入所得到的α轴电流Isα、β轴电流Isβ、用上述式3计算的α轴电压检测值Vsα、和β轴电压检测值Vsβ，利用式7计算系统的有效功率Ps和无效功率Qs。

[式7]

Ps＝3(Vsα×Isα+Vsβ×Isβ)/2

Qs＝3(-Vsα×Isβ+Vsβ×Isα)/2

有效功率调整器APR，输入有效功率Ps和风力发电装置的有效功率指令值Pref，以使上述有效功率指令值Pref与上述电力检测值Ps的偏差为零的方式，对输出的有效成分的电流指令值Ip0进行输出。这里，虽然就有效功率指令的例子进行说明，但在转距指令的情况下，可以进行下列控制：对转距指令乘以发电机的转速，然后转换成有效功率指令。有效功率控制与转矩控制不同，具有的效果是：即便转速变化，也可以在不受其影响的情况下，将输出功率控制为恒定。

此外，无效功率调整器AQR，输入无效功率Qs和风力发电装置的无效功率指令值Qref，以使上述无效功率指令值Qref与上述电力检测值Qs的偏差为零的方式，对输出的励磁电流指令值Iq0进行输出。这里，上述电力调整器APR、AQR也可以由例如比例积分器构成。

上述有效/无效功率调整器的各输出电流指令值Ip0和Iq0，被输入切换器SW。

此外，定子电流IST被输入至三相旋转坐标转换器3DQ03。三相旋转坐标转换器3DQ03，利用式1和式2所示的转换公式，将其分解为有效成分电流Ipst和无效成分电流Iqst，并分别输入发电机电流调整器ACRP、ACRQ。

此外，发电机电流调整器ACRP，输入零作为定子有效电流指令值，以使发电机定子电流的有效成分Ipgst为零的方式，计算出转子电流指令值Ip2，输出至切换器SW。此外，发电机电流调整器ACRQ，输入定子无效电流指令值Iqstr，以使发电机定子电流无效成分的电流成分Iqst与指令值一致的方式，计算出转子电流指令值Iq2，输出至切换器SW。

下面，说明电压调整器AVR。电压调整器AVR，将定子电压检测值VST的振幅值Vpk作为反馈值，将系统电压检测值VST的振幅值中通过滤波器FIL的值Vsref作为指令值输入，以使上述定子电压检测值VST的振幅值与上述指令值的偏差为零的方式，将励磁电流指令值Iq1输出至上述切换器SW。这里，上述电压调整器AVR，例如可以由比例积分控制器构成。该电压调整器AVR，在断路器208为断开的状态下动作，为了使发电机Gen的定子电压的振幅值与系统电压的振幅值一致，调整从发电机侧转换器2042流向发电机201的二次绕组的励磁电流指令值。

下面，利用图7，说明上述相位检测器THDET。相位检测器THDET输入系统电压Vs，并在三相变二相转换器32TRS进行式3所示的运算，转换成二相的电压信号Vsα和Vsβ。旋转坐标转换器ABDQ，输入上述二相信号Vsα和Vsβ，利用式4所示的坐标转换公式，计算Vps和Vqs。如果计算出的相位THS与系统电压的U相一致，则利用Vqs为零这一情况，以Vqs为零的方式修正相位。为此，将Vqs与零进行比较，生成频率修正指令OMG0生成。频率修正值OMG0被输入积分器，通过在积分器THCAL进行积分，将频率信号OMG0转换成相位信号THS。

图8表示切换器SW的构成。SW决定是否输出以下模式之一：使用上述电力调整器APR和AQR的输出(Ip0和Iq0)的通常发电运行模式；或有效成分电流指令值使用零、励磁电流指令值使用电压调整器的输出Iq1的系统同步运行模式；或使用对发电机的定子电流进行调整的定子电流调整器ACRP、ACRQ的输出(Ip2、Iq2)的系统事故时运行模式。

切换器SW在断路器208接通之前(即在使发电机定子电压与系统电压同步的电压同步运行时，信号SG0＝“b”状态)，对有效成分电流指令值使用零，对励磁电流指令值使用电压调整器的输出Iq1，在断路器208接通之后(闭合信号SG0＝“a”的状态)，选择各电力调整器APR、AQR的输出Ip0、Iq0。此外，在进行通常的发电运行时，是运行模式MD信号为“1”的状态，根据上述接通信号SG0的指令值切换被选择，而如果是检测出系统故障等而变成运行模式MD＝“2”的状态，则作为上述定子的电流调整器ACRP、ACRQ的输出的Ip2、Iq2被选择，从接换器SW输出。

此外，同步控制器SYNC具备以下功能：在断路器208断开的状态下，根据上述系统电压检测值Vsref和上述发电机定子电压检测值Vgpk，判定发电机的电压振幅是否同步；另外，在系统电压与定子电压相位不同的情况下，输出用于对其进行修正的相位修正信号LTH；以及判定系统电压与定子电压的相位是否处于规定范围并且同步。并且，同步控制器SYNC，输出断路器的动作信号SG1和控制切换信号SG0。在由于信号SG1而使断路器208处于闭合的状态下，上述相位修正信号LTH，保持此时的数值。

通过上述同步控制器的功能，发电机201可以在连接系统之前，与系统电压同步，此外，可以在连接系统之后，对电力控制进行迅速的切换控制。

三相旋转坐标转换器3DQ04，根据输入的发电机侧转换器的电流IR和转子的相位THR，利用式8和式9所示的转换公式，计算q轴电流检测值Iqr(励磁电流成分)和p轴电流检测值Ipr(有效成分的电流成分)，将q轴电流检测值Iqr输出至电流调整器ACR4，将p轴电流检测值Ipr输出至电流调整器ACR3。

[式8]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ir\α}\\ \mathrm{Ir\β}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(0\right)& \cos (2\mathrm{\π}/3)& \cos (4\mathrm{\π}/3)\\ \sin \left(0\right)& \sin (2\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iru}\\ \mathrm{Irv}\\ \mathrm{Irw}\end{array}\right)$

[式9]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ipr}\\ \mathrm{Iqr}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sin \left(\mathrm{THR}\right)& -\cos \left(\mathrm{THR}\right)\\ \cos \left(\mathrm{THR}\right)& \sin \left(\mathrm{THR}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ir\α}\\ \mathrm{Ir\β}\end{array}\right)$

上述电流调整器ACR4，以使上述q轴电流指令值Iq1或Iq0或Iq2与上述q轴电流检测值Iqr的偏差为零的方式，调整输出的q轴电压指令值Vqr。同样，上述电流调整器ACR3，以使上述p轴电流指令值Ip1或Ip0或Ip2与上述p轴电流检测值Ipr的偏差为零的方式，调整输出的p轴电压指令值Vpr。这里，上述电流调整器，例如可以由比例积分器构成。

上述p轴电压指令值Vpr和上述q轴电压指令值Vqr，被输入二相变三相旋转坐标转换器DQ23-02，上述二相变三相旋转坐标转换器DQ23-02，根据上述相位信号THR和上述各输入值，利用式10和式11所示的转换公式，计算上述转换器DQ23-02输出的电压指令值Vur、Vvr、Vwr，向脉冲计算器PWM2输出。

[式10]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sin \left(\mathrm{THR}\right)& \cos \left(\mathrm{THR}\right)\\ -\cos \left(\mathrm{THR}\right)& \sin \left(\mathrm{THR}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vpr}\\ \mathrm{Vqr}\end{array}\right)$

[式11]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vur}\\ \mathrm{Vvr}\\ \mathrm{Vwr}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(0\right)& \sin \left(0\right)\\ \cos (2\mathrm{\π}/3)& \sin (2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (4\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)$

上述脉冲计算器PWM2，根据输入的电压指令Vur、Vvr、Vwr，利用脉宽调制方式，计算导通和关断构成上述发电机侧转换器2042的m个半导体元件的闸极信号P2，向上述发电机侧转换器2042输出。

利用图9至图12，对上述系统故障应对装置212进行说明。

首先，利用图9，说明系统故障应对装置212。系统故障应对装置212，由分流电路212-2和能量消耗部212-1构成。分流电路212-2的交流输入，与发电机201的二次绕组端子连接。这里，分流电路212-2，主要由二极管D11、D12、D21、D22、D31、D32和可控硅S81构成。对于上述分流电路212-2，其直流部分上具有电容器Cx和电阻R4的串联电路。此外，分流电路212-2的直流部上，具有半导体开关S81。

此外，能量消耗部212-1由半导体开关S71与电阻R2串联的电路构成，与转换器204的直流部210连接。

当系统电压下降时，发电机201转子上产生的过电流，流入发电机侧转换器2042的直流部，使直流电压上升，但通过导通半导体开关S71，由于电阻R2消耗能量，因而可以抑制直流电压的上升。

用来导通和关断半导体开关S71的闸极信号P3，由转换器控制装置205提供。闸极信号P3被如下控制：直流电压VDC为规定值范围的上限值时，形成导通状态；为下限值时，形成关断状态。该判定由转换器控制装置205，利用取入到转换器控制装置205的直流电压VDC来进行。

利用图10，说明这时的能量消耗部212-1的动作。当通过发电机侧转换器电流IR的过电流检测出系统故障时，将系统侧转换器2041和发电机侧转换器2042的闸极停止(P1_GB＝“0”，P2_GB＝“0”)，闸极信号P3形成导通状态(P3＝“1”)(时间T0)。当直流电压VDC达到下限电平Lv(时间T1)时，闸极信号P3关断(P3＝“0”)。这时，由于系统故障，所以发电机侧转换器2042的电流不会衰减，这样一来直流电压VDC又会再次上升，直流电压达到上限电平Hv(时间T2)。当直流电压达到上限电平Hv时，闸极信号P3会再次输出导通。闸极信号P3一直保持导通，直至直流电压VDC达到下限电平Lv(时间T3)。通过这样的动作，直流电压VDC在系统故障中和系统故障恢复后，处在Lv＜VDC＜Hv的范围中。

图11是发电机侧转换器2042的过电流检测手段的说明图。发电机侧转换器电流IR的各相电流，与过电流检测水平F_LEVEL1进行比较，即便在有一相超过水平的情况下，输出闸极的停止信号(P1_GB＝“0”、P2_GB＝“0”)和闸极信号P3的导通信号。在将闸极信号P3置为导通状态(P3＝1)的情况下，向转换器控制装置205输出其反相信号OPS2。

分流电路212-2的可控硅，在因发电机内部的短路故障、系统故障而导致的过电流在检测水平F_LEVEL2以上的情况下动作。因此，当发电机侧转换器2042的电流在F_LEVEL2以上时，将信号P4_THYON置为“1”。

其原因在于，在由系统故障导致的过电流为规定值(上述过电流水平F_LEVEL2)以下的情况下，即使安装在发电机侧转换器2042的元件S41～S62上的续流二极管流有电流，也是二极管温度上升不会产生问题的水平，但在大于过电流水平(F_LEVEL2)的情况下，续流二极管的温度会上升变大，可能会损坏元件。当导通上述可控硅S81(P4_THYON＝1)时，续流二极管中的电流变小，可以防止二极管损坏。

在导通可控硅S81的情况下，由于同时使断路器208关断，所以，将信号P4的反相信号送往逻辑与AND电路，关断信号SG1(＝“0”)。

此外，在导通可控硅S81的情况下，为了关断系统侧转换器2041和发电机侧转换器2042的闸极信号，将信号P4的反相信号送往逻辑与AND电路，与信号P3的反相信号进行逻辑与运算后，生成状态信号OPS2。这样，可以在信号P3导通或信号P4导通时，使转换器的闸极停止。

如上所述，可控硅S81导通后，断路器208变为断开状态，这时，由于发电机转子的电流会变为零，所以可控硅S81关断。其后，当系统电压恢复时，转换器204会再次开始起动，首先系统侧转换器2041将直流电压VDC控制为规定值，然后发电机侧转换器2042开始对发电机转子进行励磁。如果这时，可控硅S81因故障而变为短路状态，那么发电机侧转换器的电流IR会形成过大的电流，可以检测出可控硅的故障。此外，发电机内部的短路故障，也可以根据转子电流和定子电压的状态检测出来。

下面，利用图12说明图10所示的运行模式(MD：图8中)。图12表示状态迁移图。如图所示，在通常的发电运行模式中，运行模式MD设为“1”，在检测出电压降低等系统故障等被检知，运行模式MD设为“2”。

当系统故障造成的过电流和过电压被除去，并且变为可运行的状态时，开始以故障时运行模式MD＝2开始运行。通过设为运行模式MD＝2，像图10所说明的那样，控制被切换为发电机定子电流的控制。MD＝2的状态，持续由系统规格(例如E.ON GRID“CODE”)所规定的时间。

通过将能量消耗装置212-1与转换器204的直流部连接，以电压电平对电阻进行导通和关断的操作，可以在消耗系统故障时的能量的同时，维持转换器204的直流部的电压。此外，在系统故障应对装置212的动作结束时，由于发电机侧转换器2042的直流电压在初充电电压电平以上，所以即便系统电压恢复，从系统侧转换器2041的交流输出流入到直流部的电流也变小，因而可以抑制突入电流。

通过在转换器控制装置205之外另行设置系统故障应对装置212的控制装置213，即便转换器控制装置205出现故障，也可以切实地检测出转子电流，保护转换器204。

将过电流水平设为2种，用第1段过电流进行转换器204的闸极停止和由断路器进行的电阻的导通和关断动作，用第2段过电流导通可控硅S81，将过电流在可控硅上分流，同时关断同步开关(断路器208)，由此可以在意外故障发生时保护过电流下的IGBT续流二极管，同时，在预料的故障中使断路器208保持导通并待机，及早实现运行的恢复。

[实施例2]

利用图13，说明另一实施例。与实施例1的不同点是：系统故障应对装置的控制装置213的电源获得方法。

在本实施例中，系统故障应对装置的控制装置213的电源，从转换器204的直流部获取。由于转换器204的直流部通过电阻器和半导体开关维持规定范围的电压，所以可以获取控制电源。

由此，本实施例不仅有实施例1的效果，而且不会因为设置系统故障应对装置而增加不间断电源的电源容量。

[实施例3]

利用图14，说明另一实施例。与实施例1的不同点是：输入系统故障应对装置的控制装置213的传感器输入。

在本实施例中，系统故障应对装置的控制装置213的动作，由定子电流IST的过电流判定。即便是定子电流，也与发电机侧转换器电流IR同样，在系统故障时形成过大的电流，所以可以判定系统故障。此外，在转子绕组端子的电刷部发生短路之类的情况下，发电机侧转换器电流IR会比起定子电流增加得更为急剧。这是由于转换器204一直在动作，转换器一旦停止，转子电流会衰减。由于即便是转换器停止，定子电流中也持续流有过电流，所以当检测出定子电流时，除了实施例1的效果以外，还可以判定发电机的故障。

这里，电源虽然是从不间断电源装置216中获得，但也可以如实施例3所示，从转换器204的直流部中获得。

[产业上利用的可能性]

本发明可以应用在二次励磁型发电机的励磁用电力转换器和发电装置上。

Claims (20)

1.一种风力发电系统，与电力系统连接的交流励磁发电机的定子与系统侧转换器的交流部连接，发电机侧转换器的交流部与所述交流励磁发电机的转子连接，所述系统侧转换器的直流部与所述发电机侧转换器的直流部连接，通过与所述交流励磁发电机的转子连接的风车，旋转所述转子并发电，其中：

所述直流部与过电流消耗机构连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

所述过电流消耗机构，具备至少一个以上的由有源开关和电阻构成的串联电路。

3.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，

所述过电流消耗机构具备：在所述发电机侧转换器的电流超过第一规定值时导通所述有源开关的机构。

4.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

所述过电流消耗机构具备：在转换器的直流电压为上限值时开始动作，为下限值时停止动作的机构。

5.根据权利要求4所述的风力发电系统，其特征在于，

具备：在所述过电流消耗机构动作时，停止所述发电机侧转换器和所述系统侧转换器的闸极的机构。

6.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

在所述转子与所述发电机侧转换器之间，具备分流电路。

7.根据权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于，

所述分流电路，由二极管整流器和半导体开关构成。

8.根据权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于，

具备：当所述发电机侧转换器的电流超过第二规定值时，使电流流入所述分流电路的机构。

9.根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，

具备：当电流流入所述分流电路时，输出连接在所述定子与电力系统之间的断路器的断开信号的机构。

10.根据权利要求9所述的风力发电系统，其特征在于，

具备：再起动机构，在确认了所述断路器的断开之后，依次重新起动系统侧转换器和发电机侧转换器，使所述断路器的所述定子侧的电压与所述断路器的系统侧的电压同步，然后关闭所述断路器。

11.根据权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于，

所述半导体开关，具备：在所述定子上产生过电流时动作的机构。

12.根据权利要求3所述的风力发电系统，其特征在于，

包括：连接在所述转子与所述发电机侧转换器之间的分流电路；和当所述发电机侧转换器的电流超过第二规定值时，使电流流入所述分流电路的机构，

所述第一规定值小于所述第二规定值。

13.一种风力发电系统的控制方法，所述风力发电系统中，与电力系统连接的交流励磁发电机的定子与系统侧转换器的交流部连接，发电机侧转换器的交流部与所述交流励磁发电机的转子连接，所述系统侧转换器的直流部与所述发电机侧转换器的直流部连接，通过所述交流励磁发电机的转子上连接的风车，使所述转子旋转并发电，所述风力发电系统的控制方法中，

在所述发电机侧转换器和所述系统侧转换器的直流部，具有过电流消耗机构，

当检测出所述发电机侧转换器的过电流时，使所述电流消耗机构动作。

14.根据权利要求13所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于，

所述过电流消耗机构，在所述转换器的直流电压为上限设定值时、或已检测出所述发电机侧转换器的过电流时，开始动作，在所述转换器的直流电压的下限设定值，停止动作。

15.根据权利要求14所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于，

在所述过电流消耗机构动作时，停止所述发电机侧转换器和所述系统侧转换器的闸极。

16.一种风力发电系统的控制方法，所述风力发电系统中，与电力系统连接的交流励磁发电机的定子与系统侧转换器的交流部连接，发电机侧转换器的交流部与所述交流励磁发电机的转子连接，所述系统侧转换器的直流部与所述发电机侧转换器的直流部连接，通过所述交流励磁发电机的转子上连接的风车，使所述转子旋转并发电，所述风力发电系统的控制方法中，

在所述发电机侧转换器和所述系统侧转换器的直流部，具有过电流消耗机构，

在所述转子与所述发电机侧转换器之间，具备分流电路，

所述分流电路，包括二极管整流器和半导体开关，

当所述发电机侧转换器产生过电流时，输出导通所述半导体开关的信号。

17.根据权利要求16所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于，

当导通所述半导体开关时，向将所述定子连接在电力系统上的断路器输出关断信号。

18.根据权利要求17所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于，

在确认所述断路器关断之后，依次重新起动所述系统侧转换器和所述发电机侧转换器，使定子电压与系统电压同步，然后导通断路器。

19.根据权利要求16所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于，

所述分流机构，因发电机定子电流的过电流而动作。

20.一种风力发电系统，与电力系统连接的交流励磁发电机的定子被与系统侧转换器的交流部连接，发电机侧转换器的交流部被与所述交流励磁发电机的转子连接，所述系统侧转换器的直流部与所述发电机侧转换器的直流部连接，通过与所述交流励磁发电机的转子连接的风车，使所述转子旋转并发电，其中：

在所述发电机侧转换器和所述系统侧转换器的直流部，具有过电流消耗机构，

在所述转子与所述发电机侧转换器之间，具备分流电路，

具有在使所述过电流消耗机构或所述分流电路动作时，停止所述发电机侧转换器和所述系统侧转换器的开关动作，并且以维持所述风车的旋转速度的方式变更或保持所述风车的羽翼角度的机构。

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