CN101569086B - 用于具有励磁机和不连接到电网的电力变流器的变速风力涡轮机的低电压穿越系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有双馈感应发电机(DFIG)的变速风力涡轮机，包括机械地耦接到DFIG的励磁机(212)和布置在DFIG的转子(211)与励磁机之间的电力变流器(230)，励磁机保证电力变流器的稳定电压。因此，在电网中的低电压事件期间，电力变流器不直接连接到电网，从而允许系统连续工作。

Description

用于具有励磁机和不连接到电网的电力变流器的变速风力涡轮机的低电压穿越系统
1.背景技术
技术领域
符合本发明的方法和装置涉及变速风力涡轮机领域，更具体地涉及包括双馈感应发电机(DFIG)、励磁机、不与电网相连的中间静态变流器以及在低电压情况下保持双馈感应发电机与电网相连的控制系统的变速风力涡轮机，并且涉及实施所述变速风力涡轮机的方法。
对相关技术的描述
在最近几年中，风力发电在世界范围内显著增长。由于这个原因，电网管理公司修改了风力涡轮机电网连接规范，以便避免当在电网中发生低电压事件或者某种干扰时将风力涡轮机从电网断开。因此，针对在发生电压扰动时风力涡轮机对电网的稳定性的影响而给风力涡轮机提出了其它新的要求。
通常，当在双馈系统中发生电网故障时，过电流变流器保护将变流器断开。激活该保护是因为在双馈发电机的定子侧发生的短路导致了转子侧的变流器不能调节转子电流。然而，这种通断禁止不足以保护系统，这是由于转子电流流经变流器二极管到达直流母线(DC Bus)电路，从而增加直流母线电压。该过电压可能损坏变流器元件。由于这个原因，转子被短路而发电机的定子从电网断开。在双馈风力涡轮机系统中一向实施这种类型的控制直到最近。然而，风力发电的增长促进建立新的电网章程规范，因此风力发电必须适应这些新的要求。这些要求集中于两个要点：不从电网断开风力涡轮机以及风力涡轮机对电网稳定性的影响。
不同的风力涡轮机制造者开发了许多解决方案以便满足新的电网章程规范。在以下文献中描述了这些解决方案中的一些：
-US 6,921,985：该文献示出其中逆变器耦接到电网的框图。类似于消弧电路的变流器外部部件耦接到发电机的转子的输出。消弧电路操作以在发生电网故障时使电流从发电机的转子分路以便保护电力变流器，以及保持系统与电网相连。
-US 2006/016388A1：该文献示出其中逆变器耦接到电网的框图。类似于消弧电路的变流器外部部件与发电机的转子相连。该消弧电路用于当发生低电压事件时使变流器与转子绕组电去耦合。
-US 7,102,247：该文献示出具有不同结构的两个框图。这两个框图都示出与电网(V1、V2和V3)相连的变流器。两个外部部件被连接以便当发生电网故障时保持到电网的系统连接。在该文献中，示出了具有电阻的消弧电路并且在母线系统中包括一些额外的部件。当发生电网故障时，激活这些额外的部件。
-WO 2004/098261：该文献示出其中变流器连接到电网的框图。该文件示出与母线系统相连的消弧电路。当母线电压在低电压事件之后上升时，激活该消弧电路。
然而，在这些文献中和其它的诸如WO2004/040748A1或者WO2004/070936A1等文献中提出和描述的每种解决方案都具有共同特点：全部解决方案都包括直接连接到电网的电子电力变流器。当在电网中出现瞬变电压时，该特点是导致非常重大问题的原因。如所要说明的那样，当发生故障时该电网侧的变流器具有功能限制，因为电网侧的变流器将在低电网电压(取决于电网故障)的情况下运行，因此减弱了它的能量疏散能力。目前，当发生电网故障时，发电机消磁能量被发送至母线，并且由于电网侧的变流器限制，所以母线电压升高并可能损坏变流器元件。由于这个原因，这些解决方案包括一些主要连接到转子或者母线系统的附加部件。当发生电网故障时，这些附加部件吸收发电机消磁能量以便保持风力涡轮机连接到电网，因此满足新的电网章程规范。通常，由无源元件(如电阻器)和有源元件(如开关)的组合形成所有这些部件。
在这些类型的解决方案中，发生在电网中的每种干扰或者波动都直接影响电网侧的变流器，因此它的电流限制意味着在电网故障时风力涡轮机的性能未完全优化。
2.发明内容
此处描述的本发明的示例性实施例克服了上述缺点以及上面没有描述的其它缺点。此外，本发明没有克服以上描述的缺点的必要，并且本发明的示例性实施例可以不克服以上描述的任何问题。因此，在此处描述的示例性实施例中，因为不存在连接到电网的电力电子部件，所以在电网故降期间风力涡轮机的性能得以优化。具有励磁机的当前系统保证励磁机侧的变流器总以稳定的电压工作。
提供了一种当发生电网故障时保持双馈发电机与电网相连的控制方法。此处描述的示例性实施例基于在美国申请11/477,593中所描述的拓扑，该申请通过引用合并于此。此处描述的方法不需要任何附加部件并且使用励磁机将电能(由于发电机消磁所导致的)转换为机械能。
此外，此处描述了使用励磁机作为电源以产生不同的稳定供给的系统。
根据此处描述的示例性实施例的一个方面，提供了具有双馈感应发电机的变速风力涡轮机，该风力涡轮机具有至少一个或更多叶片、一个或更多发电机、一个或更多耦接到传动系统的励磁机、一个或更多通过直流链接母线而连接的电子电力变流器，所述电子电力变流器的交流(AC)侧中的一侧连接到双馈感应发电机的转子电路，而另一交流侧连接到励磁机，用于控制电压扰动或电网故障以便保持风力涡轮发电机连接到电网。
根据该拓扑，电力电子部件不与电网相连。因此，仅通过双馈感应发电机的定子将功率输送给电网，电压扰动不直接影响励磁机侧的变流器。
根据这一方面，当发生电网故障时，发电机消磁能量再循环经过电力电子部件并且被通过励磁机转换成为机械功率。在低电压事件期间，励磁机将电能转换成动能。因此，主控制单元通过以下方式控制两个电子电力变流器：控制在变流器的一侧上的转子电流和在变流器另一侧上的励磁机侧电流，在低电压事件期间使转子电流流至励磁机并将该能量转换成动能。
根据另一方面，励磁机侧的变流器在任何时候都以稳定电压操作，因此在电压扰动期间保持了变流器的全部功率容量。反之，最近方案中的大多数具有电网侧的变流器，该变流器的功率容量受到电网残余电压的限制。因此，在本发明中，在电压扰动期间可显著改善变速风力涡轮机的性能。
另一方面在于，一旦系统到达最小速率，就使用励磁机电压作为电源以提供功率给变速风力涡轮机的不同部件。该系统的特点在于这样的电源完全独立于电网。因此，在电网中发生的干扰不影响该电源。
应当理解前面的总体描述和随后的详细描述仅是示例性和说明性的，并不是要限制本发明，本发明由权利要求限定。
3.附图说明
并入的附图构成了本发明的一个或多个示例性实施例的一部分。然而，不应该认为附图将本发明限制为特定的实施例。根据随后的详细描述结合并入的附图，将更加充分地理解本发明及其操作方式，在附图中，相同的参考标号对应于相同的部件。
图1示出根据一个示例性实施例的变速风力涡轮机的电路图，该变速风力涡轮机具有励磁机和不连接到电网的电力变流器。
图2示出具有常规拓扑的变速风力涡轮机的电路图的一个实现，在该常规拓扑中电力变流器连接到电网。
图3示出异步机的等效电路。
图4示出励磁机控制器的一个示例性实施例的框图。
图5示出将励磁机用作电源的一个示例性实施例的框图。
图6是要由某些电网连接章程实现和要求的典型电压波形的曲线图。
图7是在电网故障期间一个示例性实施例的双馈感应发电机的定子电压示例的曲线图。
图8是在电网故障期间转子电流、定子电流和励磁机电流的示例的曲线图。
4.具体实施方式
以下描述当在电网中发生电压扰动时变速风力涡轮机及其控制方式。仅作为图解来参照几幅附图用于更好地理解描述。此外，在描述过程中使用相同的参考标号指示相同或相似的部分。
在图1中概括地示出变速风力涡轮发电机系统。在该示例性实施例中，变速系统包括一个或更多转子叶片101以及连接到传动系统的转子轮毂。该传动系统主要包括：涡轮轴102、齿轮箱103、转子轴104以及双馈感应发电机105。双馈感应发电机的定子110可以通过使用一个或更多接触器或断路器115与电网相连。系统还包括机械地耦接到传动系统的励磁机112，诸如异步机、直流机、同步(如永磁体)机或者可作为电动机或发电机工作的可逆电机。如图1所示，励磁机112可以通过轴113与传动系统耦接，轴113在一端连接到励磁机而在另一端连接到双馈感应发电机110、111的转子。励磁机还连接到通过直流链接母线124连接的两个有源电子电力变流器122、125(即背对背变流器)，所述两个有源电子电力变流器的交流侧中的一侧连接到双馈感应发电机的转子电路而另一个交流侧连接到励磁机112。
或者，代替背对背变流器，可以连接循环变流器、矩阵变流器或者任何其它类型的双向变流器。变流器控制单元(CCU)100执行双馈感应发电机和励磁机的功率调节。系统包括滤波器，比如dV/dt滤波器120，dV/dt滤波器120连接到双馈感应发电机的转子电路以便保护其免受由电子电力变流器的有源开关所产生的突然电压变化的影响。此外，dV/dt滤波器127连接在电子电力变流器和励磁机之间。
该示例性实施例的又一方面是不存在连接到电网的电力变流器。在图2中，示出了传统的双馈感应系统。电力变流器201连接到电网，因此电网波动影响电力变流器。代替上述连接方式，在本示例性实施例中，电力变流器125连接到励磁机，因此该电力变流器可以稳定的电压工作，而完全独立于电网电压。
本发明的另一示例性实施例提供了可当在电网中发生电网故障时使用的方法。在这样的事件期间，定子电流、转子电流和转子电压表现出持续时间和幅度依赖于电机参数R’s(301)、Ls(302)、L’r(303)、Rr/s(304)、Lm(305)、Rc(307)的第一次转变。图3中示出异步机的等效电路，该等效电路包括这样的电参数：电网的阻抗和电压扰动的分布：转换速率、深度和时刻。因此，在本发明的该示例性实施例中，在该第一次转变期间，励磁机将由发电机消磁所产生的电能转换成机械能。
当发生低电压事件时，异步机110的磁化支路305将试图保持机器中的磁通量。该磁通量不能瞬时改变，因此将表现为电网电压308和机器中的磁化电压307之间的电压差309。该电压309与磁通量和旋转速率成比例。该电压差309将在定子中产生仅由定子漏电感302和定子电阻301所限制的过电流。由于定子和转子之间的关系(与变压器中的初级绕组和次级绕组之间的关系相当类似)，因此在定子电流中的转变效应也出现在转子电流中。
在双馈发电机的情况下，发电机的转子电连接到电子电力变流器。因此，在该转变期间的转子电流由于发电机消磁的影响而从转子流经电子电力变流器到达直流母线系统。在常规的解决方案中，因为电网残余电压降低了，所以电网侧的变流器不能够疏散该能量，因此直流电压升高并且可能损坏电子电力部件。
为了解决上述问题，已经提出的不同解决方案需要一些附加系统以吸收该能量转变，这是由于强加的具有连接到电网的第二个电子电力变流器的限制。前述的专利US6,921,985、US2006/016388A1、US7,102,247、WO2004/098261说明了不同的解决方案。然而，那些结构具有低很多的能量疏散能力。由于这个原因，当发生低电压事件时，该能量必须在无源部件中耗散，因为否则可能损坏直流母线系统和变流器开关。这些部件可以具有不同的拓扑并且可以连接到转子或直流母线系统。
4.1电网故障操作
此外，在该示例性实施例中，当发生低电压事件时，操作具有两个过程。虽然这些过程可以同时发生，但是为了更好的理解将被分开说明：
-第一过程：通过变流器系统和励磁机，在转子电路和机械运动系统之间的能量转移。
-第二过程：使系统进入额定状态以便根据不同的需求产生电流和功率。
第一过程
在该示例性实施例中，不存在如其它解决方案中那样的限制。励磁机侧的变流器125保持了其能量疏散能力，这是因为在励磁机端子129处的电压保持稳定或者至少保持在工作带范围内。该电压主要依赖于速率，因此稳定性通过传动系统惯性来保证，因此当发生低电压事件时，不需要很大的最终速率波动以便显著改变电压。
在一个示例性实施例中，由双馈发电机110在低电压事件期间的消磁所产生的能量流经变流器122、125和励磁机112并被转换成机械能。因此，全部能量被转移到传动系统。当发生低电压事件时，由于在转子111中产生过电压，转子电流121流经转子侧的变流器122、202到达直流母线系统124。为了在可能的最短时间中恢复该第一转变，励磁机侧的变流器125可以以其最大电流容量工作，从而在全部时间将母线电压保持在控制之下。该电流限制由控制操作工作条件的主控单元来计算。当励磁器电压129保持在稳定状态时，变流器125具有大的能量疏散能力。该能量被发送至励磁机，励磁机将该能量存储为动能。因此，提供该最大容量允许将该第一次转变减少到若干毫秒。
当在电网中发生电网故障时(这被示于示出了电网故障的典型波形的图6中)，定子电流、转子电流和励磁机侧的变流器电流801、802、803呈现图8所示的电力变化。在图8中可见电流如何从转子流到励磁机。在大约第一个50毫秒期间，励磁机侧的变流器以其最大电流容量操作以便疏散由发电机消磁所导致的全部能量。主控单元使变流器125以最大电流工作。以该电流工作的时间可以依据低事件故障特点和电力系统参数而变化。
在电流中出现的振荡对应于发电机机械旋转频率。一旦发电机完全消磁，则励磁机侧的变流器电流803接近于0。此外，与发生低电压事件同时，转子侧的变流器试图根据典型的规范而产生额定无功(nominalreactive)电流。因此，定子电流和转子电流的最终中值与系统额定电流条件相对应。通过控制减弱振荡，如稍后说明的那样。在其中示出了定子电压的图7中可见产生无功电流的影响。在大约最初的25毫秒中，定子电压下降50％，并且由于电网支持策略，产生了无功电流，所以定子电压升高到相对于额定值的65％。前面说明了给电网供给无功电流的电网支持策略，但是在电网事件期间也可以采用其它控制策略。
在一个示例性实施例中，主控单元100控制励磁器侧的变流器125的操作，主控单元100通过控制电子电力变流器的有源开关来控制如何将能量疏散到励磁机。图4示出如何控制电力变流器125的开关。为了很快地疏散能量，主控单元中的控制系统使用开关可利用的通过直流母线调节器407设置的低电压算法检测和最大瞬时电流计算。该低电压算法基于测得的定子电流和转子电流。主控制单元100建立最大电流，可以基于半导体温度限制、开关频率以及其它参数将该最大电流供给变流器125的开关。在一个示例性实施例中，开关频率可以变化。因此，直流母线调节器407建立要被转移到励磁器112的有功(real)电流Sp_IEq。在一个示例性实施例中，该Sp_IEq是变流器125可利用的最大电流。
在一个示例性实施例中，主控制单元100建立励磁机侧的变流器125以其最大电流工作的时间。在一个示例性实施例中，该时间是固定的并且可以由主控制单元进行固定和计算。在一个示例性实施例中，该时间可以变化并且将依赖于电力系统变量：Av_Ubus、转子电流121和定子电流118以及其它变量。在一个示例性实施例中，满足以下标准，
-Av_Ubus＜最大母线电压的百分比；
-转子电流121＜最大转子电流的百分比；
-定子电流118＜最大定子电流的百分比。
第二过程
当发生电网故障时，在双馈发电机中产生的一种效应是出现在电流中的振荡。该振荡对应于发电机旋转频率。当发生电网故障时，定子磁通量不旋转，因此转子将其视为反向旋转的矢量。重要的是通过在控制环内实施的一些控制机制来减弱该振荡或者至少对其进行补偿。
在双轴旋转参考系统中发展出的异步机等式依赖于转子电流和系统电力参数。
因此，转子系统一方面依赖于转子电流，而另一方面依赖于对转子速率具有频率依赖性的磁化电流。
因此，当发生电网故障时，电流调节环路必须在故障期间检测这些振荡以便保持系统被控制。一旦控制系统检测到这些振荡，该控制系统必须试图减弱这些振荡以便使该转变的时间最小化并且使系统进入由不同规范性所要求的状态。
在一个示例性实施例中，该第二过程可以在第一过程开始若干毫秒后开始。主控制单元决定该第二过程何时必须开始。
在该第二过程期间，可以考虑不同的策略。
在一个示例性实施例中，可以使用向电网供给无功电流或者无功功率的电网支持策略。
在另一个示例性实施例中，可以使用向电网供给有功电流或者有功功率的电网支持策略。
在又一个示例性实施例中，可以使用混合控制策略，其中可以向电网供给有功和无功电流或者有功和无功功率。
4.2EMPS系统
与本发明的示例性实施例相关的更多信息是将励磁机112用作电源以产生不同的稳定供给。由励磁机产生的电压129依赖于旋转速率，因此当系统达到某个速率时，由励磁机发电机产生的电压足以产生系统所需的在图5中示出的电源502、508。
在图5所示的一个示例性实施例中，系统具有基于半导体的产生两个不同的直流电压供给的两个交流/直流系统503、502。一些二极管509、510被放置在直流输出处以便对两个电压源(交流/直流系统502、503)去耦合。系统502将产生电压V2而系统503将产生电压V1。因此，直流电压供给将等于V1和V2中的较大者。通常V1稍大于V2。
从直流电压供给可以连接几个辅助电源系统以便产生系统所需的独立辅助供电。这些辅助电源系统是直流/直流507或者直流/交流505系统并且基于半导体、无源元件和其它电力元件。
在一个示例性实施例中，可以在直流/直流或者直流/交流系统的输入处放置一些开关或者接触器504、506以便隔离每个系统。
在一个示例性实施例中，辅助电源过程具有不同的阶段：
-闭合开关或者接触器501，因此主电源来自电网。直流/交流系统502产生电压电平V2，因此当闭合接触器504、506时产生辅助电源。在发电机到达设置的速率值即speed_1这个值之前，从电网产生辅助电源的源。当发电机速率小于speed_1这个值时，开关或者接触器501一直闭合。
-一旦发电机速率到达speed_1这个值，交流/直流系统503产生的电压V2足以具有产生不同的辅助电压供给的直流电压，然后断开开关接触器501。当发电机速率大于speed_1这个值时，从交流/直流系统503产生辅助电压。
在一个示例性实施例中，为了提高电源系统的冗余，可以保持开关或者接触器501闭合。
虽然本发明已被具体示出并参照其示例性实施例进行描述，但本领域技术人员应当理解在不脱离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式上和细节上的各种改变。所述示例性实施例应该仅在描述性的意义上而非用于限制的目的被考虑。因此，本发明的范围不是由本发明的详细描述而是由所附的权利要求来限定，并且在该范围内的所有区别将被解释为包括在本发明之中。

Claims (15)

1.一种用于操作变速风力涡轮机的方法，包括：
使用转子将风能转换成机械功率以旋转传动系统；
使用所述传动系统的双馈感应发电机(DFIG)将所述机械功率转换成电功率；
使用耦接到所述传动系统的励磁机以及连接到所述励磁机和所述双馈感应发电机的转子并与电网相隔离的电力变流系统，以接收由所述双馈感应发电机的转子所产生的功率或者提供所述双馈感应发电机的所述转子所需的功率；
响应于所述电网中的低电压事件，使用所述电力变流系统和所述励磁机把来自所述双馈感应发电机的所述转子的电能转换为所述传动系统中的机械能。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括调节转子电流以便产生所需的定子电流来满足电网连接要求。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述低电压事件期间，调节所述转子电流以便向所述电网供给无功电流。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述低电压事件期间，调节所述转子电流以便向所述电网供给有功电流。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述低电压事件期间，调节所述转子电流以便向所述电网供给有功电流和无功电流的混合。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述低电压事件期间，调节所述转子电流以便向所述电网供给无功功率。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述低电压事件期间，调节所述转子电流以便向所述电网供给有功功率。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述低电压事件期间，调节所述转子电流以便向所述电网供给有功功率和无功功率的混合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，能够动态地调节和改变所述电力变流系统的开关频率。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，能够动态地调节和改变所述电力变流系统的励磁机侧的变流器的开关频率。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，能够动态地调节和改变所述电力变流系统的转子侧的变流器的开关频率。
12.一种变速风力涡轮机，包括：
包括至少一个叶片的转子轴；
耦接到所述转子轴的传动系统，所述传动系统包括双馈感应发电机(DFIG)，所述双馈感应发电机具有至少一个能够连接到功率电网的定子；
耦接到所述传动系统的励磁机；以及
电力变流设备，与所述电网相隔离并且电耦接到所述双馈感应发电机的转子和所述励磁机，以在所述转子和所述励磁机之间转移电功率；
其中，当所述发电机速率为预定值或超过预定值时，所述励磁机被用作所述风力涡轮机的部件的电源。
13.根据权利要求12所述的变速风力涡轮机，还包括：
用于响应于所述发电机速率为预定值或超过预定值的情况来产生交流(AC)和直流(DC)功率的装置。
14.根据权利要求12所述的变速风力涡轮机，还包括：
用于产生交流(AC)辅助电源的装置；以及
用于产生直流(DC)辅助电源的装置。
15.根据权利要求12所述的变速风力涡轮机，还包括：
耦接到所述励磁机的交流/直流(AC/DC)变换器，所述交流/直流(AC/DC)变换器产生直流(DC)电源；以及
连接到所述直流电源的直流/交流(DC/AC)变换器，所述直流/交流(DC/AC)变换器产生交流(AC)辅助电源。
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