CN101682192B - 影响调速发电机发电的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提出了用于影响至少一个调速发电机(9)发电的方法和系统。该系统包括：连接到本地交流总线(2)的第一电压源变流器(4)，其中由至少一个调速发电机(9)为本地交流总线(2)供电；连接到交流电网(8)的第二电压源变流器(6)；连接在第一电压源变流器(4)和第二电压源变流器(6)之间的直流链路(5)；以及控制第一电压源变流器(4)和第二电压源变流器(6)的至少一个控制单元(18)。该至少一个控制单元(18)执行该方法以通过第一电压源变流器(4)来控制本地交流总线(2)中的交流电压(Vloc)，并且根据交流电网(8)的交流电压幅度(Vgrid)来改变本地交流总线(2)的交流电压幅度的参考值(Vloc，ref)。

Description

影响调速发电机发电的方法和系统
本发明涉及一种影响调速发电机发电的方法和相关的系统，其中该系统包括连接到由至少一个调速发电机供电的本地交流总线的第一电压源变流器，连接到交流电网的第二电压源变流器，连接在第一和第二电压源变流器之间的直流链路，以及用于控制第一和第二电压源变流器的至少一个控制单元。 
目前，直流(DC)电力传输系统被用于互联交流(AC)电力系统并以高电压经过长距离传输电力。在现有技术中，这些系统称为高压直流(HVDC)传输系统。HVDC系统的主要部分是形式为一个或多个电力电缆或架空线的直流链路以及位于直流链路每端的包含电力变流器的变流器站。将交流转换为直流的电力变流器称为整流器，将直流转换为交流的电力变流器称为换流器。整流器将有功功率从交流侧传输到直流侧，换流器将有功功率从直流侧传输到交流侧。因此，直流链路中的功率从整流器流向换流器。 
作为本发明主题的HVDC变流器是电压源变流器(VSC)。在现有技术中，这样的变流器类型的功能原理是众所周知的，例如，参见AndersLindberg于1995年发表的“PWM and Control of Two and Three LevelHigh Power Voltage Source Converters(KTH Stockholm 1995，ISSN-1100-1615)”，具体是第1、77-104页和附录A。 
例如，HVDC系统可以被用于连接两个独立的交流电网从而可以根据电力交易以变化的速率从一个电网向另一个电网传输电力。HVDC系统还可以用于将发电厂连接到交流电网，其中发电厂提供质量和稳定性变化的功率和电压，以及其中利用对HVDC系统的电压源变流器进行控制的可能性来补偿这些变化，以便满足将功率供给交流电网的要求。这种应用的一个例子是将风力发电园(wind park)或风力发电厂连接到交流电网，其中风力发电厂可以是离岸设施。 
在“Analysis and control of wind farm incorporated VSC-HVDC inunbalanced conditions”by Ming Yin et.al；2005IEEE/PES Transmissionand Distribution Conference&Exhibition：Asia and Pacific Dalian，China， 15-18Aug.2005，Piscataway，Nj，USA，pp.1-6中，描述了与风力发电厂互连的基于电压源变流器的HVDC系统以及无源交流网络。该论文的分析基于具有鼠笼感应发电机的异步风力涡轮机，其中该感应发电机直接连接到公用电网，即不通过任何变流器连接到本地交流总线。在该HVDC系统中，整流器控制无功功率和直流电压而换流器控制无源网络中的交流电压。 
目前存在包括具有大于2.0兆瓦输出功率的风力机(wind mill)的大型风力发电厂。在这种大小的风力机中，经常使用所谓的调速发电机(ASG)将风能转换为电功率。调速发电机是成本有效的并以较低的机械应力提供对推进器的简单的间距控制(pitch control)。市场上可获得的调速发电机包括同步发电机和将该同步发电机的定子连接到风力发电厂的交流总线或交流线的两个满容量变流器，或者包括双反馈感应发电机，其中转子通过两个背靠背连接的电压源变流器耦合，而定子被直接连接到风力发电厂的交流总线或交流线。下文中风力发电厂的交流总线或交流线被称为本地交流总线。如前所述，本地交流总线自身通过HVDC系统连接到交流电网。 
调速发电机的优点是：由于对电压源变流器的控制，风力机以恒定频率将功率传送到本地交流总线。这同时意味着调速发电机中的同步发电机或感应发电机的发电独立于本地交流总线中的交流电压的频率或相位角度变化。与此相对，对于交流电压的频率的突然增加，直接连接到交流线的同步或感应发电机的反应是发电的减少。然而，对于调速发电机并非如此。 
通过具有电压源变流器的HVDC系统连接到交流电网的一个或多个调速发电机会遇到以下问题。如果在交流电网中发生了交流故障使得只有较小或零功率被馈入到电网，则直流链路中的直流电压会升高，这是由于连接到风力发电厂的电压源变流器持续将限定的恒定功率从交流侧传送到直流侧。由于直流链路的电容具有相对较小的时间常数，所以直流电压的升高会非常快地发生。 
为了克服这个问题，已知在现有技术中使用直流断路器，它包括至少一个可切换电阻器。在交流电网发生故障导致馈入到电网的功率较小的情况下，该至少一个电阻器被切换为与直流链路并联，使得由风力发电厂传送的过量功率在电阻器中被吸收。由于在目前的应用中从风力发电厂经HVDC链路传输多达几百兆瓦(MW)的功率，断路器电阻器或电阻器的额定功率需要特别高。除此之外，经常使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 作为开关以便实现快速控制。已知的直流断路器设施需要可观的空间并且是昂贵的。另外，直流断路器控制功能在普通的HVDC控制中引起干扰，这使得难以在交流电网中的故障被清除后实现系统的顺利和稳定的恢复。在现有技术中，通过HVDC系统中的电压源变流器(连接在风力发电厂与直流链路之间，在下文中，该电压源变流器被称为第一电压源变流器)的控制来进行功率调节被认为是无效的，这是由于如上所述，交流频率变化不能影响调速发电机的发电。 
本发明的目的是提供上述类型的允许快速影响至少一个调速发电机的发电的方法和系统。本发明的另一个目的是该系统比直流断路器需要更小的空间和更少成本。 
该目的是通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求7所述的系统来实现的。 
本发明是基于对以下事实的认识，即控制调速发电机中的电压源变流器的基本特性是将电压源变流器的电流限制为最大值。调速发电机中的电压源变流器被控制以调节发电机的速度和/或调节调速发电机的有功功率和无功功率生成。速度和功率都是基本通过控制电流来调节的。因为最大电流被限制了，所以由调速发电机生成的最大功率取决于调速发电机的输出侧的交流电压幅度。因此本发明基于以下构思：通过改变本地交流总线中的交流电压来改变由调速发电机生成的功率。这种改变是通过对第一电压源变流器的控制来完成的。 
根据本发明的方法包括以下步骤：通过第一电压源变流器来控制本地交流总线中的交流电压，以及根据交流电网的交流电压幅度来改变本地交流总线的交流电压幅度的参考值。 
在根据本发明的系统中，所述方法步骤由至少一个控制单元执行。 
通过调节本地交流总线中的交流电压，可以引起对由至少一个调速发电机生成的功率的调节。因此，不再需要在直流链路中布置直流断路器以便吸收任何过量功率。取而代之，通过相应地控制第一电压源变流器实现了调速发电机的功率改变对流向交流电网的功率变化的立即反应。直流断路器的省略导致更小和成本更低的系统。 
在本发明方法的实施例中，检测到交流电网中的故障，设置第一电压源变流器以控制本地交流总线中的交流电压，以及根据减小交流电网的交流电压幅度，减小该交流电压幅度的参考值。通过该方法实现了对交流电网中的故障的快速和有效的反应，由此本地交流总线中的交流电压的参考值的减小导致了第一电压源变流器的响应以减小本地交流总线中的交流电压幅度。这又导致由至少一个调速发电机产生的功率的减小。结果，可以防止由交流电网中的故障引起的直流链路中的过压。因为不需要直流断路器，所以可以避免普通HVDC控制的干扰，这导致在清除故障之后，可以顺利而稳定地恢复HVDC系统。 
根据该实施例的扩展，在清除故障之后，建议根据增大交流电网的交流电压幅度，增大交流电压幅度的参考值。因此，可以以顺利而连续的方式与交流电网的恢复相关联地增大至少一个调速发电机的发电。 
在又一实施例中，通过监控直流电压的增大速率来检测交流电网中的 故障。如果直流链路中的电压超过预定的速率水平，则指示有故障。该方法是有利的，例如如果不能从交流电网获得直接的测量信息，或者如果该信息被延迟接收。直流电压的快速增大是馈入交流电网的功率出现问题的非常可靠的指示，在任何情况下反应都应该是减小至少一个调速发电机的发电。 
除了直流电压的速率，还可以监控直流电压的绝对幅度电平。如果直流电压速率和直流电压幅度中每个都超过预定值，则指示交流电网中有故障。通过监控直流电压幅度，保证了仅在检测到相当大的过量功率的情况下才调节至少一个调速发电机的功率。即使小幅度的直流电压变化以相当大的改变速率发生，也忽略这些小幅度的直流电压变化，从而使HVDC系统尽可能长久地保持在稳定的工作条件下。 
在系统的一个具体实施例中，该系统包括用于控制第一电压源变流器的第一控制单元和用于控制第二电压源变流器的第二控制单元，而不是通过一个控制单元来控制两个电压源变流器。根据该实施例，第二控制单元通过通信将交流电网的交流电压幅度发送到第一控制单元。因为通信通常会引起提供信息的延迟，所以可以应用基于监控直流电压改变速率和幅度的故障检测方法，以便即使在来自交流电网的电压信息到达第一控制单元之前，也可以提高检测到交流电网中的故障的机率。 
现在参照附图举例说明本发明，在附图中： 
图1示出了具有若干调速发电机的风力发电厂的示意图，其中如现有技术中已知的那样该风力发电厂通过HVDC系统连接到交流电网； 
图2示出了具有根据本发明的系统的图1的布置； 
图3示出了具有两个而不是一个控制单元的图2的布置； 
图4示出了应用于图2或图3的布置以对交流电网中的故障做出反应的方法的流程图。 
图1示出了风力发电厂1及其到交流电网8的连接的示意图，如现有技术中已知的那样。风力发电厂1耦合到本地交流总线，本地交流总线2通过第一变压器3和/或电抗器(未示出)连接到第一电压源变流器(VSC)4。第一电压源变流器4通过直流链路5连接到第二电压源变流器6，第二电压源变流器6通过第二变压器7连接到交流电网8。风力发电厂1包括若干个调速发电机(ASG)9，这些调速发电机包括双反馈感应发电机10和两个背靠背连接的电压源变流器11和12或者包括具有两个满容量变流器30和31 的同步发电机29。两个电压源变流器11和12在一侧连接到感应发电机10的转子，在另一侧通过变压器13连接到本地交流总线2。两个电压源变流器30和31通过变压器32将同步发电机29的定子连接到本地交流总线2。 
由于风力发电厂1的调速发电机9不对本地交流总线2的交流电压的频率变化做出反应，所以在直流链路5中布置了包括电阻器14和IGBT开关15的直流断路器。控制单元执行对第一电压源变流器4和第二电压源变流器6的控制，以便保证满足与馈入交流电网8的功率有关的功率质量和电压稳定性标准。除此之外，控制单元16监控交流电网8的交流电压，以便检测交流电网8中的可能故障17。如果检测到导致直流链路5中的功率升高的故障17，则控制单元16接通IGBT开关15，以便在直流链路5中发生过压之前在电阻器14中吸收过量功率。 
根据本发明，省略了直流断路器，从而得到了根据图2的布置，其中与图1中相同的元件以相同的数字来标记。另外，在第一和第二变压器3、7与第一和第二电压源变流器4、6之间分别包括交流电抗器33和交流滤波器34。这些元件及其功能在本领域中是已知的。在图2的布置中提供了控制单元18，控制单元18在正常工作条件下以与已知的控制单元16相同的方式控制第一电压源变流器4和第二电压源变流器6，但控制单元18还能够通过改变本地交流总线2中的交流电压Vloc来引起风力发电厂1的调速发电机9的发电改变。 
在图3中，通过控制第一电压源变流器4的第一控制单元19和控制第二电压源变流器6的第二控制单元20来代替一个控制单元18。这两个控制单元19和20通过传输链路21互相通信，该传输链路21可以是有线或无线的。 
在图4的流程图中示出了由一个控制单元18或第一控制单元19执行的方法。在第一步骤22中，直流电压VDC的正的改变速率dVDC/dt(即增加速率)被确定并与预定速率水平RateDC相比较。如果改变速率没有超过预定速率水平，则重复步骤22。如果超过了预定速率水平，则在步骤23中将直流电压的幅度VDC与第一预定直流电压电平VDC，lim1比较。如果没有超过该电压电平，则该方法返回到步骤22。如果超过了该电压电平，则识别到故障。结果，不再根据正常工作条件来控制第一电压源变流器4。相反，在步骤24中设置第一电压源变流器4的控制以控制本地交流总线2的交流电压Vloc，并且将本地交流总线2中的交流电压的幅度的参考值Vloc，ref设置为开始值Vref，start。在下一步骤25中，确定交流电网8的交流电压幅度Vgrid。在步骤26中，根据交流电网8的交流电压幅度Vgrid的减小来减小本地交流 总线2的交流电压幅度的参考值Vloc，ref。这是使用依赖于交流电压幅度Vgrid的函数f来完成的。结果，减小了本地交流总线2的交流电压幅度，这导致由风力发电厂1的调速发电机9产生的功率减少。在下一步骤27中，将直流电压VDC与第二预定直流电压电平VDC，lim2(VDC，lim2可以等于第一预定电压电平VDC，lim1)相比较，以便检查直流电压是否仍然在比正常情况更高的电平。同时，将电网电压的幅度Vgrid与预定电网电压电平Vgrid，lim相比较以便检查交流电网8是否恢复。如果直流电压VDC仍然较高并且电网电压的幅度Vgrid仍然较低，则故障或至少其结果仍然存在并需要被补偿，因此该方法返回步骤25。如果直流电压VDC下降到预定直流电压电平VDC，lim之下并且如果交流电网电压的幅度Vgrid增加到超过第二预定电网电压电平Vgrid，lim2，则交流电网8将要恢复，并且该方法在步骤28中通过应用函数g根据交流电压幅度Vgrid的增大来增大本地交流总线2的交流电压幅度的参考值Vloc，ref。这保证了风力发电厂1的调速发电机9中产生的功率逐渐增大，从而使整个馈电布置安全返回到正常工作条件。替代在步骤27中检查直流电压VDC的电平和电网电压Vgrid的电平，单独检查电网电压Vgrid的电平也是足够的。 

Claims (6)

1.一种影响至少一个调速发电机(9)发电的方法，其中所述至少一个调速发电机(9)以恒定频率向本地交流总线(2)供电，所述本地交流总线(2)通过第一电压源变流器(4)连接到直流链路(5)，所述直流链路(5)转而通过第二电压源变流器(6)连接到交流电网(8)，其特征在于
-检测到所述交流电网(8)中的故障(17)，
-将所述第一电压源变流器(4)的控制设置为控制所述本地交流总线(2)中的交流电压(Vloc)，
-随着所述交流电网(8)的交流电压幅度(Vgrid)的降低，减小所述本地交流总线(2)的交流电压幅度的参考值(Vloc，ref)，以及
-在清除所述故障(17)之后，随着所述交流电网(8)的交流电压幅度(Vgrid)的升高，增大所述本地交流总线(2)的交流电压幅度的所述参考值(Vloc，ref)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述直流链路(5)中的直流电压(VDC)的增大速率(dVDC/dt)超过预定速率水平(RateDC)时，检测到所述交流电网(8)中的故障(17)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，还要所述直流电压(VDC)超过第一预定电压水平(VDC，lim1)时，才检测到所述交流电网(8)中的故障(17)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过通信(21)将所述交流电网(8)的交流电压幅度(Vgrid)从控制所述第二电压源变流器(6)的第二控制单元(20)发送到控制所述第一电压源变流器(4)的第一控制单元(19)。
5.一种影响至少一个调速发电机(9)发电的系统，所述系统包括：
-第一电压源变流器(4)，连接到本地交流总线(2)，其中由所述至少一个调速发电机(9)以恒定频率为所述本地交流总线(2)供电，
-第二电压源变流器(6)，连接到交流电网(8)，
-直流链路(5)，连接在所述第一电压源变流器(4)和所述第二电压源变流器(6)之间，以及
-至少一个控制单元(18)，控制所述第一电压源变流器(4)和所述第二电压源变流器(6)，
其特征在于，所述至少一个控制单元(18)
-检测到所述交流电网(8)中的故障(17)，
-将所述第一电压源变流器(4)的控制设置为控制所述本地交流总线(2)中的交流电压(Vloc)，
-随着所述交流电网(8)的交流电压幅度(Vgrid)的降低，减小所述本地交流总线(2)的交流电压幅度的参考值(Vloc，ref)，以及
-在清除所述故障(17)之后，随着所述交流电网(8)的交流电压幅度(Vgrid)的升高，增大所述本地交流总线(2)的交流电压幅度的所述参考值(Vloc，ref)。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统包括控制所述第一电压源变流器(4)的第一控制单元(19)和控制所述第二电压源变流器(6)的第二控制单元(20)，其中，所述第二控制单元(20)通过通信链路(21)向所述第一控制单元(19)发送所述交流电网(8)的交流电压幅度(Vgrid)。
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