CN101505063A - 风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种保护交流励磁型发电机的励磁用变流器不受由于系统故障或系统干扰而发生的过电流的影响，进而确保电力变换器的运转连续性的风力发电系统。该风力发电系统的特征在于，构成为将系统故障对应装置的交流输入与励磁用变流器连接，将系统故障对应装置的直流部分与变流器的直流部分经由电阻连接，具备将多个由电阻器和开关单元构成的能量消耗电路与系统故障对应装置的直流部分连接的结构。

Description

风力发电系统

技术领域

本发明涉及实现了在电力系统中发生停电等的电压降低时，吸收在交流励磁型发电机的转子中产生的过大的电流，保护与转子连接的变流器的风力发电系统。

背景技术

发电装置中采用的交流励磁型发电机，通过由电力变换器采用转差频率(系统频率与旋转频率之差)对转子绕组进行交流励磁，从而通过转子的励磁能够使在定子侧发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，从而具有能够使风车的转数可变，并且电力变换器的容量与发电机的容量相比变小等的优点。

但是，电力系统中发生接地故障等的电压降低时，交流励磁型发电机向故障点供给电流那样动作。此时，在转子绕组中感应过大的电流，与转子侧连接的励磁用变流器中流动过大的电流，因此采用设置有通过闸流晶体管来短路称作撬杆(Crow-bar)的转子电路的装置等的方法。

最近，在系统故障时，风力发电系统不从系统解列(parallel off)，必须连续进行运转的标准在欧州等被规定，正在需求以下那样的运用，即在短时间的电压降低时风力发电系统不从电力系统解列，在故障后再次开始发电运转，从而能够减小对电力系统带来的影响的运用。

以往，交流励磁发电机主要用于抽水发电所等大规模的发电系统中，在系统的大规模的停电中，采用由他励式的元件对转子电路进行短路的运转方法。

专利文献1日立評論(HITACHI REVIEW)1995 Vol.44

发明内容

本发明所要解决的课题在于提供一种保护交流励磁型发电机的励磁用电力变换器不受由于系统故障或系统干扰而发生的过电流的影响，不将发电机与系统断开地进行运转的风力发电系统。

为了实现上述课题，本发明的风力发电系统将系统故障对应装置的交流输入与励磁用变流器连接，构成为经由电阻将系统故障对应装置的直流部分与变流器的直流部分连接，在系统故障对应装置的直流部分具备由电阻器和开关单元构成的过电流消耗单元。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，具备将上述过电流消耗单元的直流部分经由阻抗与励磁用以及系统侧变流器的直流部分相连接的单元。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，在与过电流消耗单元的直流部分和上述励磁用以及系统侧变流器的直流部分相连接的阻抗中采用电阻。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，电阻的电阻值R，在变流器直流部分的电容器电容为C时，设定为时间常数CR为100ms以上。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，多个电阻器，与上述整流单元的直流部的电位高的一方相连接，开关单元与电位低的一方相连接。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，过电流消耗单元，为了减小对地静电电容，而具有与接地部位之间的距离比上述变流器与接地部位之间的距离大的构造。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，过电流消耗单元的整流单元的交流端子，与交流励磁用变流器的交流端子直接连接。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，具备与变流器的控制装置不同的过电流消耗单元的控制装置，其被电源备份。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，具备：在系统侧变流器与交流励磁用变流器停止时，接通过电流消耗单元的开关元件，对直流部的电荷进行放电的单元。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，过电流消耗单元具备通过励磁用变流器的交流侧电流的过电流进行动作的单元。

此外，本发明的风力发电系统的特征在于，过电流消耗单元的控制装置，具备由发电机定子电流的过电流进行动作的单元。

通过本发明的风力发电系统，能够保护交流励磁型发电机的励磁用电力变换器不受由于系统故障或系统干扰而发生的过电流的影响，能够实现不将发电机从系统断开地进行运转。

附图说明

图1为风力发电装置的电路结构的说明图。

图2为系统侧变流器2041的结构的说明图。

图3为空载时间付加器2041-02，2042-02的说明图。

图4为发电机侧变流器2042的结构的说明图。

图5为变流器2041的控制结构的说明图。

图6为变流器2042的控制结构的说明图。

图7为相位检测器THDET的说明图。

图8为指令切换器SW的结构图。

图9为系统故障对应装置212的电路结构的说明图。

图10为系统故障对应装置212的结构的说明图。

图11为系统故障对应装置212的门极(gate)信号S71，S72的动作说明图。

图12为系统故障对应装置的控制器213的控制结构的说明图。

图13为表示运转模式的状态转移的说明图。

图14为实施例2的风力发电装置的电路结构的说明图。

【符号的说明】

10 电力系统

20 风力发电系统

201 发电机

202 翼

203 风车控制装置

204 变流器

205，213 控制器

206，208，209 断路器

207 变压器

210 变流器直流电路

211 位置检测器

212 系统故障对应装置

214 滤波器电路

215 电抗器

216 无停电电源装置

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 无效电力指令值

Pref 有效电力指令值

Run 起动/停止指令

PCH 翼角度指令

VSY，VST 电压检测信号

ISY 电流检测信号

IST 定子电流

IR，IG 输出电流信号

VDC 直流电压信号

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。

【实施例1】

采用图1，对本发明的一实施例的装置结构(单线接线图)进行说明。

风力发电系统20经由送电线与商用的电力系统10相连接。风力发电系统20主要由发电机201、翼202、风车控制装置203、变流器(励磁装置)204、控制器205、系统故障对应装置212和控制器213构成。

翼202经由传动装置218与发电机201的转子机械地连接。发电机201的转子绕组与变流器204电连接，此外发电机201的定子经由断路器206或变压器207等与电力系统电连接。

风车控制装置203，运算风速检测或翼202的角度控制、发电的有效电力指令值Pref的作成、起动/停止等的起动/停止指令Run的输出，无效电力指令值Qref的作成等的运转指令信号OPS1。

由上述风车控制装置203作成的无效电力指令值Qref、有效电力指令值Pref，上述起动/停止指令Run、翼角度指令值等的各种运转信号OPS1被传送到控制器205或翼角度变更装置。

控制器205按照指令值调整变流器204的输出的电压，控制发电机201与系统之间的电力(发电电力，无效电力)。

接下来，对变流器(励磁装置)204，控制器205，系统故障对应装置212，控制器213简单地进行说明。发电机201的定子侧的3相输出，经由通过外部信号SG1而能开闭的例如断路器208、断路器206和变压器207与电力系统10连接。此外断路器206的断路器208侧的电路经由其他的断路器209与滤波器电路214、变流器2041相连接。

变流器2041的直流电路210也与变流器2042的直流电路连接，上述变流器2042的交流输出经由dv/dt抑制用的电抗器215与发电机201的转子绕组相连接。

此外，在上述电抗器215的变流器2042侧连接系统故障对应装置212的交流输入端子，将直流输出端子与变流器2041以及2042的直流电路210相连接。

此外，控制器205通过无停电电源装置216而电力被备份(バツクアツプ，backup)，在系统电压降低时，从无停电电源装置216向控制器205供给电力。此外，系统故障对应装置212的控制器213也通过无停电电源装置216而电力被备份，在系统电压降低时，从无停电电源装置216向控制器213供给电力。

上述断路器206，使用于例如为了保护风力发电系统20，在电流过大持续时打开断路器206来切断电流的功能、使风力发电系统20完全停止来从电力系统10电断开。

发电机侧变流器2042以及系统侧变流器2041采用例如半导体的开关元件(闸流晶体管，GTO，IGBT，MOS，SiC等)而构成，具备将交流变换为直流或者将直流变换为交流的功能。

此外，上述系统侧变流器2041的交流输出端子，设置有由电抗器或电容器构成的使高次谐波电流、高次谐波电压衰减的滤波器电路214。

发电机201的旋转部分，经由传动装置218与风力发电用的翼202连接，受到风的力而旋转。此外，在旋转部分中，连接检测旋转位置的例如编码器等的位置检测器211，输出转数信号ω。检测的转数信号ω被输入到风车控制装置203和控制器205。

接下来，对用于控制发电电力的配线以及装置进行说明。断路器206的二次侧的三相电压以及三相电流分别由电压传感器220a，电流传感器219a将其值变换为低电压的电压检测信号VSY，低电压的电流检测信号ISY，上述低电压的电压检测信号VSY以及电流检测信号ISY被输入到控制器205。

此外，断路器208的二次侧(断路器208与发电机201的定子之间)的电压由电压传感器220b将该值变换为低电压的电压检测信号VST，输入到控制器205。

与上述变流器2041，2042的直流部210相连接的电容器Cd的电压，由电压传感器变换为低电压的直流电压信号VDC，直流电压信号VDC被输入到控制器205。

此外，变流器2042的输出电流信号IR由电流传感器219c检测，变流器2041的输出电流信号IG由电流传感器219d检测，输出电流信号IR以及IG被传送到控制器205。

此外，风车控制器203具备一边向控制器205发送起动/停止指令Run、有效电力指令值Pref、无效电力指令值Qref等各种指令值，一边检测风车或系统的状态量来与外部进行通信的通信功能等。

此外，控制器205分别由信号SG1，SG2控制断路器208，209，此外，输出对由半导体开关元件构成的变流器2041，2042的每一个进行驱动控制的脉冲信号P1、P2。

控制器205，将电源与无停电电源装置216连接，以使在系统电压降低时也能工作。无停电电源装置216输入由变压器217调整的电压。无停电电源装置216的输入电压正常时，从系统电压向控制器205供给电力，但在系统电压异常的情况下，从无停电电源装置216内的能量蓄积要素(例如电池)向控制器205供给电力。

图2表示变流器2041的结构。变流器2041由半导体元件等构成。在此，表示三相变流器的结构，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相上下臂，元件S31，S32构成W相上下臂。

通过将这些半导体元件的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)接通断开，从而在交流端子中发生三相的交流电压，通过调整该交流电压，能够控制所输出的输出电流信号IG。

用于接通断开半导体元件的门极(gate)信号P1(P1_GB，P1_U，P1_V，P1_W)由控制器205被提供。门极信号P1的下标U表示U相的信号P1_U，P1_V表示V相的门极信号，P1_W表示W相的门极信号。

U相的下臂元件S12的门极信号，提供上臂元件S11的反转(即S11接通时，元件S12断开)，同样，对于V相、W相的上下臂，下侧臂也提供上侧臂的反转信号。为了作成反转信号，采用反转器NOT。门极(gate)信号S11到S32，由于上下臂的短路防止期间，由门极电路2041-01内的短路防止电路2041-02附加称作空载时间的期间。

此外，为了停止半导体元件的接通断开，采用门极模块(gate b1ock)信号P1_GB。该门极模块信号P1_GB与脉冲信号P1一起被输入到AND电路2041-03，在门极停止时成为P1_GB＝“0”，因此此时半导体元件S11～S32与脉冲信号P1的状态无关，全部处于断开状态。

此外，用于接通断开变流器2041的元件的门极电路电源P1_POWER，由控制器205供给。

图3表示短路防止电路2041-02的结构。输入的脉冲，由时间延迟付加器Delay付加短路防止期间的时间延迟。付加了该时间延迟的信号和被输入的原始信号被输入到“AND”运算器，进行逻辑与运算。由此，输出信号Out成为对原始的信号附加时间延迟Td的接通延迟(on delay)后的信号。由此，对上下臂的信号付加接通延迟的情况下，例如上的开关元件断开时，下侧开关元件从断开到延迟时间Td后接通，能够防止上下的开关元件过渡地同时处于接通状态，防止直流的短路。

接下来，图4表示变流器2042的结构。变流器2042由半导体元件等构成。在此，表示三相变流器的结构，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相上下臂，元件S61，S62构成W相上下臂。

通过将这些半导体元件接通断开，在交流端子发生三相的交流电压，通过调整该交流电压，能够控制所输出的输出电流信号IR。

用于接通断开半导体元件的门极信号P2，由控制器205提供。门极信号P2的下标U表示U相的信号P2_U，P2_V表示V相的门极信号，P2_W表示W相的门极信号。

U相的下臂元件S42的门极信号提供上臂元件S41的反转(即S41接通时，元件S42断开)，同样关于V相，W相的上下臂，下侧臂也提供上侧臂的反转信号。为了作成反转信号，采用反转器NOT。从门极信号S41到S62，由于上下臂的短路防止期间，由门极电路2042-01内的短路防止电路2042-02付加被称做空载时间(deadtime)的期间。

为了停止半导体元件的接通断开，采用门极模块信号P2_GB。该门极模块信号P2_GB与来自系统故障对应装置的控制器213的状态信号OPS2进行逻辑或运算之后，被输入到按各脉冲信号P2(P2_U，P2_V，P2_W)具有的各AND电路2042-03。在门极停止时成为P2_GB＝“0”，因此此时半导体元件S41～S62与脉冲信号P2的状态无关，全部处于断开状态。

此外，用于接通断开变流器2042的元件的门极电路电源P2_POWER由控制器205被供给。

接下来，采用图5到图8对控制器205的功能进行说明。图5表示变流器2041的控制结构。变流器2041具有将平滑电容器Cd的直流电压信号VDC控制为固定的功能。因此，变流器2041检测电压检测信号VSY的相位，采用所检测的电压相位来控制电流，与系统交换有效电力，控制直流电压。

如果发电机励磁用变流器2042使用直流电力并消耗平滑电容器Cd的能量而直流电压信号VDC降低，则系统侧变流器2041的直流电压控制DCAVR调整有效分电流Ipn(有效电力成分)，按照对平滑电容器Cd进行充电并将直流电压信号VDC保持为固定那样进行工作，反过来电力变换器2042对直流电力进行充电并在直流电压信号VDC上升的情况下，电力变换器2041的直流电压控制DCAVR将直流电力变换为交流电力，为了对电力系统进行放电而调整有效分电流Ipn(有效电力成分)，按照将直流电压信号VDC保持为固定的方式进行工作。

在变流器2041开始运转之前，从直流电压的初充电电路(未图示)充电直流电压信号VDC，之后输出断路器209的投入指令SG2，变流器2041与系统连接。

上述交流的电压检测信号VSY被输入到相位检测器THDET和3相2相变换器32TRS。上述相位检测器THDET以例如相位同步环路(PLL：PhaseLocked Loop)方式运算追踪系统的电压的相位信号THS，将上述相位信号THS(THS：以系统U相电压为正弦波时的相位信号)向3相2相旋转坐标变换器3DQ01，3DQ02、2相3相旋转坐标变换器DQ23-01输出。直流电压指令值VDCREF和上述直流电压信号VDC被输入到直流电压调整器DCAVR(例如由比例积分控制器PI构成)。上述直流电压调整器DCAVR调整所输出的p轴电流指令值(有效分电流指令值)Ipnstr，以使所输入的指令值VDCREF与直流电压信号VDC的偏差成为零，向电流调整器ACR1输出。

3相DQ坐标变换器3DQ01根据所输入的输出电流信号IG，采用式1所示的3相2相变换式以及式2所示的旋转坐标变换式，运算p轴电流检测值Ipn(有效分电流)和q轴电流检测值Iqn(无效分电流)，将p轴电流检测值Ipn对电流调整器ACR1输出，将q轴电流检测值Iqn对电流调整器ACR2输出。

在此，下标u，v，w表示三相交流的各相，例如输出电流信号IG的U相电流记做IGU。以下电压等也同样(电压检测信号VSY的U相为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调整输出的p轴电压指令值Vpn0，以使上述p轴电流指令值Ipnstr与上述p轴电流检测值Ipn的偏差成为零，并向加法运算器301输出。

同样，上述电流调整器ACR2调整输出的q轴电压指令值Vqn0，以使q轴电流指令值(＝0)与上述q轴电流检测值Iqn的偏差成为零，向加法运算器302输出。在此，上述电流调整器(ACR1，ACR2)能够由例如比例积分(PI)控制器构成。

上述3相2相变换器32TRS根据所输入的电压检测信号VSY，采用式3中所示的变换式，运算α成分Vsα和β成分Vsβ，进而采用式4运算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，分别向上述加法运算器301，302输出。

【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】

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

上述加法运算器301将上述p轴电压指令值Vpn0与上述p轴电压检测值Vps相加，向2相3相坐标变换器DQ23-01输出。同样，上述加法运算器302将上述q轴电压指令值Vqn0与上述q轴电压检测值Vqs相加向2相3相坐标变换器DQ23-01输出。

上述2相3相坐标变换器DQ23-01输入上述相位信号THS和上述各加法运算器的结果Vpn，Vqn，根据式5以及式6所示的变换式运算上述变换器DQ23-01的输出的电压指令值Vun，Vvn，Vwn，向脉冲运算器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】

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

上述脉冲运算器PWM1根据所输入的电压指令Vun，Vvn，Vwn通过脉冲宽度调制方式运算将构成上述电力变换器2041的n个半导体元件接通/断开的门极信号P1，向上述电力变换器2041输出。

接下来，采用图6对变流器2042的控制进行说明。

表示发电机201的转数以及位置的转数信号ω被输入到旋转相位检测器ROTDET。旋转相位检测器ROTDET对转数信号ω的脉冲进行计数并换算为相位信号，并且将相位信号在一次旋转一次脉冲(例如ABZ方式的编码器中为Z相脉冲)中复位为0，将从0到360度的相位信号RTH向加法运算器303输出。

相位信号RTH与同步控制器SYNC的输出相位信号LTH由加法运算器303相加而成为相位信号TH，相位信号TH与上述相位信号THS(在变流器2041的控制已说明了)一起向励磁相位运算器SLDET输入。

上述励磁相位运算器SLDET减去上述相位信号TH和THS，进而换算发电机的极对数k倍(THR＝k(THS-TH))、齿轮(gear)比，输出发电机的转子的电角频率的相位信号THR。

电力运算器PQCAL，将电流检测信号ISY通过与上述式1相同的变换矩阵进行变换，输入所得到的α轴电流Isα、β轴电流Isβ、由上述式3计算的α轴电压检测值Vsα和β轴电压检测值Vsβ，根据式7运算系统的有效电力Ps与无效电力Qs。

【式7】

Ps＝3(Vsα×Isα+Vsβ×Isβ)/2

Qs＝3(—Vsα×Isβ+Vsβ×Isα)/2

有效电力调整器APR输入有效电力Ps与风力发电装置的有效电力指令值Pref，按照上述有效电力指令值Pref与上述电力检测值Ps的偏差为零的方式对输出的有效分电流指令值Ip0进行输出。在此，在有效电力指令的例子中进行说明，但在转矩指令的情况下，能够将转矩指令与发电机的转数相乘而变换为有效电力指令来进行控制。有效电力控制与转矩控制不同，即使转数发生变化也不受其影响，能够将输出电力控制为固定。

此外，无效电力调整器AQR输入无效电力Qs与风力发电装置的无效电力指令值Qref，按照上述无效电力指令值Qref与上述电力检测值Qs的偏差为零的方式将输出的励磁电流指令值Iq0输出。在此，上述电力调整器APR，AQR能够由例如比例积分器构成。

上述有效/无效电力调整器的各输出的电流指令值Ip0以及Iq0被输入到切换器SW。

此外，发电机定子电流IST被输入到3相旋转坐标变换器3DQ03。3相旋转坐标变换器3DQ03根据式1以及式2所示的变换式，被分解为有效分电流Ipst和无效分电流Iqst，分别向发电机电流调整器ACRP，ACRQ输入。

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，按照发电机定子电流的有效分成分Ipst为零的方式运算转子电流指令值Ip2，输出到切换器SW。此外，发电机电流调整器ACRQ输入定子无效电流指令值Iqstr，按照发电机定子电流的无效分电流成分Iqst与指令值一致的方式，运算转子电流指令值Iq2，向切换器SW输出。

接下来，对电压调整器AVR进行说明。电压调整器AVR将发电机定子的电压检测信号VST的振幅值Vpk作为反馈(feedback)值，将通过滤波器FIL的值Vref作为指令值输入到系统的电压检测信号VSY的振幅值，将上述发电机的电压检测信号VST的振幅值与上述指令值的偏差成为零那样的励磁电流指令值Iq1向上述切换器SW输出。在此，上述电压调整器AVR能够例如由比例积分控制器构成。该电压调整器AVR在断路器208处于打开状态下动作，为了使系统电压的振幅值与发电机Gen的定子电压的振幅值一致，而调整从变流器2042流入到发电机201的二次侧的励磁电流指令值。

接下来，采用图7，对上述相位检测器THDET进行说明。相位检测器THDET输入系统电压Vs，由3相2相变换32TRS进行式3所示的计算，变换为2相的电压信号Vsα和Vsβ。旋转坐标变换器ABDQ输入上述2相信号Vsα和Vsβ，由式4所示的坐标变换式运算Vps和Vqs。如果运算的相位THS与系统电压的U相一致，则利用Vqs成为零，按照Vqs成为零的方式校正相位。因此，将Vqs与零进行比较，作成频率补正指令OMGO。频率补正值OMGO被输入到积分器，通过由积分器THCAL进行积分而将频率信号OMGO变换为相位信号THS。

图8表示切换器SW的结构。SW决定用于输出下述模式中的那一个，即使用上述电力调整器APR以及AQR的输出(Ip0以及Iq0)的通常发电运转模式，或者使有效分电流指令值为零，对励磁电流指令值使用电压调整器的输出Iq1的系统同步运转模式，或者使用调整发电机的定子电流的定子电流调整器ACRP，ACRQ的输出(Ip2，Iq2)的系统故障时运转模式。

切换器SW在301接通前(即在使发电机定子电压与系统电压同步的电压同步运转时，投入信号SG0＝“b”)，使有效分电流指令值为零，在励磁电流指令值中使用电压调整器的输出Iq1，从接通电磁接触器301开始(投入信号SG0＝“a”的状态)选择各电力调整器APR，AQR的输出Ip0，Iq0。此外，在通常的发电运转时，运转模式MD信号处于“1”的状态，选择上述投入信号Sg0所引起的指令值切换，但检测系统故障等而处于运转模式MD＝“2”的状态时，选择上述定子的电流调整器ACRP，ACRQ的输出即Ip2和Iq2，从切换器SW被输出。

此外，同步控制器SYNC，在断路器208为开放状态时，具备：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的功能；进而在系统电压与定子电压的相位不同的情况下，输出用于对其进行校正的相位补正信号LTH的功能；系统电压与定子电压的相位进入规定的范围，判定是否同步的功能，输出断路器的工作信号SG1与控制切换信号SG0。在通过信号SG1而断路器208处于闭合状态时，上述相位补正信号LTH保持此时的值。

根据该同步控制器的功能，在发电机201与系统连接之前，能够与系统电压同步，此外，在与系统连接之后，能够快速地对电力控制切换控制。

3相旋转坐标变换器3DQ04，根据所输入的输出电流信号IR以及转子的相位THR采用式8以及式9所示的变换式，运算q轴电流检测值Iqr(励磁电流成分)与p轴电流检测值Ipr(有效分电流成分)，将q轴电流检测值Iqr输出到电流调整器ACR4，将p轴电流检测值Ipr输出到电流调整器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调整输出的q轴电压指令值Vqr，以使上述q轴电流指令值Iq1或者Iq0或者Iq2与上述q轴电流检测值Iqr的偏差成为零。同样，上述电流调整器ACR3调整输出的p轴电压指令值Vpr，以使上述p轴电流指令值Ip1或者Ip0或者Ip2与上述p轴电流检测值Ipr的偏差成为零。在此，上述电流调整器例如能够由比例积分器构成。

上述p轴电压指令值Vpr与上述q轴电压检测值Vqr被输入到2相3相旋转坐标变换器DQ23-02，上述2相3相坐标变换器DQ23-02根据上述相位信号THR和上述各输入值，通过式10以及式11所示的变换式运算上述变换器DQ23-02的输出的电压指令值Vur，Vvr，Vwr，向脉冲运算器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】

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

上述脉冲运算器PWM2，根据所输入的电压指令Vur，Vvr，Vwr通过脉冲宽度调制方式对用于接通断开构成上述变流器2042的m个半导体元件的门极信号P2进行运算，向上述变流器2042输出。

采用图9到图13，对上述系统故障对应装置212进行说明。

图9表示系统故障对应装置212的电路结构。系统故障对应装置212由整流器2121和能量消耗部2122构成。整流器2121的交流输入与发电机201的二次侧绕组端子相连接。在此，表示整流器2121由二极管D11，D12，D21，D22，D31，D32构成的图。

上述整流器2121在其直流部分具有电容器Cx。此外，在上述整流器2121的直流部分，具有由半导体开关S71与S72分别和电阻R2与R3相连接的电路构成的能量消耗部2122。能量消耗部2122与变流器204的直流部经由电阻R1被连接。

通过接通半导体元件S71和S72，吸收在发电机201的转子中发生的过电流，能够减小流入到变流器2042中的电流。此时，从三相交流流入到系统故障对应装置212的直流部的能量由电阻器R2和R3被消耗。

此外，电阻器R2，R3设置在直流部的电位高的侧，开关元件(S71，S72)配置在电位低的一方。由此，驱动开关元件的电源，以直流电位的低的侧为基准，使用相同电源。

用于接通断开半导体元件S71与S72的门极信号P3，由控制器205提供。门极信号P3首先被输入到接通状态保持器2124。接通状态保持器2124具有将输出信号S71保持为规定时间接通状态的功能。由此，使电阻器R2接通规定时间。此外，信号S71被输入到断开延迟器2126。断开延迟器2126被输入到对信号附加延迟时间的延迟器2123和逻辑或运算器2125这双方中，对于输入信号S71，输出断开时刻延迟了断开延迟时间TD2后的信号S72。在信号S72接通时，电阻器R3接通。由此根据如图所示的结构，按照电阻器R2与R3同时接通，断开时，R2先断开，延迟后R3断开的方式进行工作。

图10对系统故障对应装置212的构造进行表示。系统故障对应装置212被设置在盘内。此时，整流器2121，电容器Cx，能量消耗部2122被配置在基底上等，但这些部件取得与盘(被接地的)的绝缘距离，对地减小静电电容。通过减小静电电容，在整流器2121的交流端子对于对地电位产生变动的情况下，零相电流通过整流器2121而能够减小流入到电容器Cx的量(对于减小静电电容这点来说能够对地增加阻抗。)。

采用图11对图9的工作进行说明。根据图9的结构，信号S71与S72同时接通、断开时，S71先断开，之后延迟断开延迟时间TD2而S72断开。因此，电阻器R2与R3同时被连接，保持时间THLD期间R2与R3仍然被连接。之后，电阻器R2断开，经过断开延迟时间TD2后电阻器R3断开。

保持时间THLD确保发电机的过渡现象衰减的时间，也可设定为100ms程度以上。

但是，在由于瞬间的电压降低而电阻器接通的情况下，由于系统电压迅速地返回到正常，因此在这种情况下使电阻器接通的时间变短的一方，能够减小对系统所带来的影响。因此，保持时间构成为采用系统电压的振幅或者逆相电压的大小，在系统电压返回到正常时缩短保持时间。

此外，电阻R1的值，也可按照构成与变流器204的直流部的电容器Cd的电容的串联电路时的时间常数TCR(＝R1[Ω]×Cd[F])在保持时间THLD以上的方式进行设定，如上述那样保持时间THLD为100ms时，时间常数TCR也为100ms以上。通过如上那样设定，在元件S71或S72接通时，能够减小变流器204的直流电压降低的量。

断开延迟时间TD2，也可确保在S71断开时的过渡现象衰减的时间以上。

接下来，对系统故障对应装置212的动作进行说明。系统干扰、例如系统电压降低时，根据感应电压与系统电压的电压差ΔV而电流增加ΔI。此时，成为二次励磁发电机的匝数比a时，二次绕组中增加ΔI/a的电流。该ΔI/a的电流大时，二次绕组中流动过大的电流。

此时，控制器205探测在变流器2042中输入的电流过大，由于上述门极模块信号P2_GB成为P2_GB＝0，因此上述变流器2042停止半导体元件的开关动作。

此外，系统故障对应装置的控制器213，也根据输入到变流器2042的电流探测电流过大并将门极信号P3设为接通状态(P3＝1)。此时，将状态信号OPS2向控制器205输出。

接下来，采用图13对图8所示的运转模式进行说明。图13表示状态转移图。如图所示，在通常的发电运转模式中运转模式MD为“1”，在探测电压降低等的系统故障等时运转模式MD为“2”。

除去系统故障所引起的过电流或过电压/低电压，成为可运转的状态时，作为故障时运转模式MD＝2开始运转。通过MD＝2，如图8所说明的那样控制被切换到发电机定子电流的控制。MD＝2的状态由系统标准(例如E.ON GRID“CODE“)所规定的时间继续。

由此，通过经由电阻将系统故障对应装置212的直流部分与变流器204的直流部相连接，从而系统故障对应装置212进行工作也维持变流器204的直流部的电压。此外，系统故障对应装置212的动作结束时，通过变流器204的直流部的电荷能够充电系统故障对应装置212的直流部，不进行在变流器2042开始动作时发生的、从变流器2042的交流输出对系统故障对应装置212的直流部进行充电的动作，能够抑制充电所引起的突入电流。

此外，系统故障对应装置212的控制器213与控制器205不同，从而即使控制器205发生故障，也能吸收转子过电流。

具备多个用于能量消耗的电阻器，通过在断开时阶段地断开，从而能够使在转子中流动的电流阶段地減少，在电阻断开时能够减小流入到变流器2042的电流。

能量消耗部的电阻接通时间(THLD)根据系统电压的状态而可变(系统迅速地返回到正常时，缩短时间)，从而能够减小对系统所带来的影响。

此外，通过在系统故障对应装置212的直流部中具有电容器，从而能够防止变流器2042的开关波形(方形波状的电压)被施加到系统故障对应装置212的直流部，能够保护不受电涌的影响。

此外，在变流器204的直流电压上升而系统停止时，通过接通系统故障对应装置的电阻，使直流电压信号VDC一点一点地放电，系统再起动能提早。此时，在通常的停止时，也能作为直流电压的放电装置使用。

【实施例2】

采用图14对其他的实施例进行说明。与实施例1不同点在于，为输入到系统故障对应装置的控制器213的传感器输入。

在该实施例中，系统故障对应装置的控制器213的动作，由发电机定子电流IST的过电流判定。定子电流也与变流器的输出电流信号IR同样，在系统故障时流过过大的电流，因此能够判定系统故障。此外，在转子绕组端子的电刷(brush)部产生短路的情况下，变流器2042输出电流信号IR一方比定子电流更急剧地增加，但在这种情况下不使系统故障对应装置212动作，而能使系统停止。

【产业上的利用可能性】

本发明的技术能够适用于二次励磁型发电机的励磁用电力变换器、发电装置中。

Claims (11)

1.一种风力发电系统，具备：

交流励磁型发电机，其将定子与电力系统连接；

交流励磁用变流器，其与该交流励磁型发电机的转子相连接；

过电流消耗单元，其将该交流励磁型发电机的转子与涡轮机连接而以涡轮机的动力使转子旋转，在上述交流励磁用变流器与转子之间消耗系统故障时的过电流；

系统侧变流器，其与上述交流励磁型发电机的定子和电力系统相连接；和

控制装置，其在系统电压降低时被电源备份，将该系统侧变流器的直流部分与上述交流励磁用变流器的直流部分相连接，用于控制励磁用变流器和系统侧变流器，

上述交流励磁型发电机向电力系统供给发电电力，

上述过电流消耗单元具备：

将交流变换为直流的整流单元；

在上述整流单元的直流部中的多个电阻器；

用于接通断开该电阻器的开关单元；和

在上述整流单元的直流部中的电容器。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

具备将上述过电流消耗单元的直流部分经由阻抗与上述励磁用以及系统侧变流器的直流部分相连接的单元。

3.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于，

在与上述过电流消耗单元的直流部分和上述励磁用以及系统侧变流器的直流部分相连接的阻抗中采用电阻。

4.根据权利要求3所述的风力发电系统，其特征在于，

上述电阻的电阻值R，在变流器直流部分的电容器电容为C时，设定为时间常数CR为100ms以上。

5.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

上述多个电阻器，与上述整流单元的直流部的电位高的一方相连接，上述开关单元与电位低的一方相连接。

6.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

上述过电流消耗单元，为了减小对地静电电容，而具有与接地部位之间的距离比上述变流器与接地部位之间的距离大的构造。

7.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

上述过电流消耗单元的上述整流单元的交流端子，与上述交流励磁用变流器的交流端子直接连接。

8.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

具备与上述变流器的控制装置不同的过电流消耗单元的控制装置，其被电源备份。

9.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

具备：在上述系统侧变流器与交流励磁用变流器停止时，接通上述过电流消耗单元的开关元件，对直流部的电荷进行放电的单元。

10.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

上述过电流消耗单元具备通过励磁用变流器的交流侧电流的过电流进行动作的单元。

11.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，

上述过电流消耗单元的控制装置，具备由发电机定子电流的过电流进行动作的单元。

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