发明内容
本发明的任务在于介绍一种方法与一种发电机组,所述方法与发电机组明显有利于在线路故障清除后重新稳定配电网。根据本文开头所述的现有技术,可以通过独立权利要求所述特征解决该任务。其它有利的实施方式请参见从属权利要求。
在本发明所述方法中,在发现线路故障后,发电机组中的稳定控制装置会被激活,所述稳定控制装置的阶跃函数响应会随着时间的推移持续上升,并且稳定控制装置可以根据返回的电压信号调节所馈送电能的电压。在激活稳定控制装置后,经过一个规定的时间段后,检查电压是否稳定了。如果电压还没有充分稳定,那么将提高无功电流馈送,使其超过一个对于正常运行所规定的极限值。
首先来解释几个概念。首先,通过变流器馈送电能的发电机组是一种装置,在所述装置中可以从所谓的可再生能源获取电能。发电机组优选涉及到风能、太阳能、生物能、热能。在抽水蓄能电站中也可以使用通过变流器馈送电能的发电机组,在所述抽水蓄能电站中,初级发电装置(这里是指涡轮机)的转速是变化的。另外一个适用领域就是可以将电能馈送到不同频率的电网中的电站,例如:一部分电能要被馈送到电气化铁路的接触网上,一部分电能要被馈送到一般的电网中。本发明也包括一种发电机组,所述发电机组只将一部分生产的电能馈送到配电网中。变流器可以调节馈送到配电网中的电能的电压与相位,而尽可能地不受本身发电装置的影响。
线路故障的概念涉及到一种严重的电压降,而不是在正常工作时由一个分接开关引起的波动。当电压偏离额定电压超过10%时,特别是当电压在短于1ms的时间内降低了10%,那么就可以说是一个线路故障。
即使是短路点离发电机组很远,一般来说还是可以通过发电机组中的电压降发现线路故障。因为通过短路引起的电压降会在瞬间时间内在很大一段配电网中蔓延。因此对于发电机组来说,发现一种局部的电压降一般是获知短路的最快方法。本发明包括可以将有关短路的信息以其它方式传递给发电机组的方法。
在发现线路故障后,发电机组中的稳定控制装置会被激活。在正常运行期间不会被激活的稳定控制装置是闭环调节电路的一部分。有关所馈送电能的电压信号返回后会与用作指令参数的理论电压进行对比。两个值之间的差值将会以输入变量的方式传递给稳定控制装置。变流器可以利用稳定控制装置的输出变量影响电压。当输入变量从零阶跃至一个恒定值时,稳定控制装置的输出信号可以称作阶跃函数响应。当输入变量保持不变时,在阶跃函数响应随着时间上升的一个稳定控制装置中,输出变量也会随着时间推移而增长。
根据本发明所述方法以多次识别为基础。首先,配电网在发现线路故障后会处于一个临界状态,其会在很短的时间内决定是完全中断电压还是稳定电压。其次,临界状态会导致一个振荡式不稳定性的概率上升,也就是说电网中频率的振荡概率会上升。第三,必须在一个非常不完整的信息基础上做出有关发电机组反应的决定。发电机组会发现电压降低,其它的信息它无法使用或者不能充分可靠地使用。
鉴于这种情况,根据本发明所述方法建议一个分为两个阶段的流程。在第一步中,在发现线路故障后,稳定控制装置会被激活。虽然电压实际值与理论值之间的偏差往往在这一时刻较大,但是稳定控制装置不应该导致突然变化。因为,突然的变化会提高振动式不稳定性的风险。如果实际值与理论值之间的偏差持续了一段时间,那么其是不能立即稳定配电网的一个征兆。发电机组在这时应该馈送尽可能多的无功电流以支撑电压。根据本发明所述,可以通过如下方式达到这一点,即,使用一个带有上升阶跃函数响应的稳定控制装置。这样就可以在一开始避免突然变化,但是在实际值与理论值之间存在持续偏差时,其会起到较大的作用。
在稳定控制装置被激活一段时间后,检查该措施是否稳定了电压。如果没有成功,那么引入方法的第二阶段。因为在第一阶段中遵循了正常运行的所有规定值,并且避免了过压,还保持馈送有功功率,所以在第二阶段中将取消对于正常运行所规定的极限值,以便提高无功电流的馈送。其背景在于,如果在这一时刻前还不能充分地稳定配电网,那么必须以一个临界状态与一个严重的故障为出发点。本发明还介绍了一种方法,即,尽管不稳定的电网状态与不确定的信息基础,但还是可以对线路故障作出反应。通过这种方式,根据本发明所述方法有很大的希望稳定电网。
在方法的第二个阶段,一个第一选项在于,通过提高电压的理论值使无功电流馈送超过一个为正常运行规定的极限值。通过这种方式可以提高无功电流的比例,而不用降低有功电流。有功电流与无功电流的概念是有功功率与无功功率的同义词;专业人士都知道,还有另外的表述方式,如:电流与电压之间的相位角
或该角度的余弦值。虽然通过提高电压的理论值可以使发电机组进入一种过载状态,但是这种状态只能保持一个有限的时间段。
对于本发明所述方法第二阶段的一个第二选项在于,通过以下方式使无功电流馈送超过一个为正常运行规定的极限值,即,无功电流的馈送要优先于有功电流的馈送。在本发明所述方法的第一阶段中,像在正常运行情况下一样,有功功率的馈送拥有优先权,其馈送的无功电流量只能是除了有功电流外可以馈送的量。有功电流在这一阶段的优先权非常有意义,因为在发生电压降之后,用户需要大量有功功率。但是如果本发明所述方法的第一阶段不能达到充分稳定电网的目的,那么需要采取其它措施。本发明建议,这时优先馈送无功电流而不是有功电流。虽然在出现线路故障后降低有功电流看起来有些不合情理。但是本发明认为,支撑电压是对稳定电网的重要贡献。因为电压在配电网中是一个局部现象。相反,通过馈送有功电流影响的频率是一个整体现象。也就是说,如果局部有功电流失去了,那么大多数情况下,相距很远的发电站会发现这一情况。但如果只是局部电压降低了,那么一个相距很远的发电站不能平衡这一点。
在本发明所述方法的第一阶段中,可以通过如下方式确保有功电流的优先性,即,将电流与电压之间的相位角
置于上极限值。极限值要么是一个明确规定的相位角
极限值,要么是一个物理极限值,所述物理极限值可以像相位角
极限值一样起作用。如果在一个确定的相位角
时在发电机组中达到了最大允许电流,那么对电流的限制会像对相位角
的限制一样起作用。稳定控制装置可以调节至极限值,但不能超过极限值。因此在选择极限值时要使发电机组可以经受得住有功电流与无功电流的总量。为了在本发明所述方法的第二阶段避免由于取消相位角
的极限值而导致发电机组过载,必须确保当超过极限值并且提高无功电流馈送时,有功电流会同步降低。也就是说以有功电流的馈送为代价来提高无功电流的馈送。
在本发明所述方法的第二阶段中,规定提高无功电流馈送,并且超过为正常运行所规定的相位角极限值,在控制稳定控制装置的情况下,可以实现这一功能。同时还可以在方法的第二阶段再次关闭稳定控制装置,并利用其它方法提高无功电流馈送。
在本发明所述方法的第二阶段可以完全取消相位角
极限值。然后将相位角
提升至90°,从而仅仅馈送无功电流。在很多情况下确定一个相位角
上极限值与一个有功部分下极限值比较合适。如果发电机组是一种风力发电机组,那么可以根据风速确定下极限值。此外,一旦超过规定的时间或者是超过了规定的电压极限值,那么将相位角
复位至原始值是比较合适的。
在一种有利的实施方式中,本发明所述方法可以增加至三个阶段。如果在一个第一规定时间段内,本发明所述方法的第一阶段不能充分稳定电压,那么在第二阶段首先会提高电压的理论值。如上所述,发电机组会因此而进入一种过载状态,以至于不能持续保持这一状态。因此,在从提高理论值起超过第二规定的时间段后,要重新检查是否电压已充分稳定。如果还是不能成功稳定电压,那么在本发明所述方法的第三阶段中取消电流与电压之间的相位角
上极限值。这样会导致以有功电流的馈送为代价来提高无功电流的馈送。在这种状态下,发电机组会尽其最大所能来局部支撑电压。
但是在正常运行时,稳定控制装置会导致不期望的结果。因此,本发明所述方法规定,要及时重新关闭稳定控制装置。关闭稳定控制装置的条件在于,电压的实际值超过一个规定的界限。否则会存在如下危险,即,稳定控制装置会继续提高在故障清除后已经阶跃提高过的过高电压。如果从出现线路故障起已经超过一个规定的时间段或者当电压在规定的时间段内可以保持在一个规定的范围内,那么也可以关闭稳定控制装置了。
一般来说发电机组会生产带有低压或中压的电能。以低压的形式生产的电能在转变成高压以便进行远距离传输之前,一般首先会转变成中压。在以低压的方式生产电能时,控制电路可以直接影响低压,而对中压与高压的影响是间接的。在以中压的方式生产电能时,控制电路可以直接影响中压,而对高压的影响是间接的。除了低压与中压外,还可以考虑高压作为控制电路的指令参数。如果选用高压作为指令参数,那么其优点在于,控制装置会直接以最后起决定作用的变量为基础。由于有分接开关,所以中压与高压之间的比例一般不会固定。如果高压用作指令参数,那么应该将高压调节至出现线路故障之前的值,并且不是一个普遍规定的值。这种值优选为出现线路故障之前的电压范围的下极限值。如果已知中压电网的数据以及中压电网与高压电网之间变压器的性能,那么发电机组就可以计算高压。如果设置有一种快速通信连接装置,那么可以选择测量高压,并且将测量值传送给发电机组。
如上所述,配电网中的电压是一种局部现象。如果多个发电机组同时采取措施来支撑电压,那么就会导致电压局部短时上升,并超过理论值,而不管电网还完全没有重新稳定。由于实际电压超过理论值,所以稳定控制装置会开始重新降低电压。通过设计一种只会使电压上升的稳定控制装置可以避免这种不希望的效应。
如上所述,在出现线路故障后,由于配电网的状态不明确,所以会增加振荡式波动的风险。因此,一般来说建议与电网相连的元器件可以避免突然变化。在本发明的框架下,这种想法找到了一种第一表现形式,即,选择一种可以在本发吸所述方法开始时避免突然变化的稳定控制装置。对于在实施本发明所述方法期间发电机组遭受的其它变化,稳定控制装置同样也可以避免其突然变化。也就是说变化不应突然完成,而应该以持续、延伸一段时间、分多个阶段或渐变的方式完成。当在本发明所述方法结束后要将电压理论值重新降至正常值时,这一点特别适用,并且这一点也适用于在方法结束时同样不应被一下关闭的稳定控制装置。当取消了相位角
极限值时,这一点还适用于有功电流的降低,并且适用于有功电流接下来的上升。如果发电机组是一种风力发电机组,那么在降低有功功率时,其对于调整转子叶片的偏转角是非常有意义的,以避免转子加速。无功功率的降低也应慢慢完成,从而使电网中的其它用户平衡这些变化。一般来说,变化要延伸至少2秒钟,优选至少5秒钟,最好是至少10秒钟。
另外,本发明还涉及一种可以用于实施本发明所述方法的发电机组。根据本文开头所述的现有技术,本发明所述发电机组的特征在于,配置有一个稳定控制装置,所述稳定控制装置的阶跃函数响应会随着时间的推移而上升,并且其可以根据返回的电压信号调节所馈送电能的电压。另外,控制单元还包括一个激活模块与一个探测器,所述激活模块可以在出现线路故障后激活稳定控制装置,所述探测器用于检查在从激活稳定控制装置起经过规定的时间段后电压是否稳定了。最后配置有一个执行元件,一旦探测器发现电压还没有充分稳定时,所述执行元件就会提高无功电流的馈送,并且超过为正常运行所规定的极限值。控制单元的元件在结构上相互连接在一起比较合适。元件也可以相互分开。
带有上升阶跃函数响应的控制装置的最常见示例就是一种所谓的I-控制装置,在所述控制装置中,控制是以积分电路为基础的。积分电路会对一个带有非限制性上升的输出变量的恒定阶跃作出响应。利用P-控制装置也可以得到类似的效果,所述控制装置的增益会随着时间的推移而上升。P-控制装置会以一种阶跃的形式对一个恒定的阶跃作出响应。在带有上升阶跃函数响应的控制装置中,如果理论值与实际值之间保持有偏差的话,那么输出变量会不断增长。因此,在实践中必须限制一个值,所述值可以通过带有上升阶跃函数响应的控制装置进行调节。在本发明所述的发电机组中,可以通过电流电压之间相位角
的一个不允许被超过的值设定极限值。
本发明所述的稳定控制装置只有在出现线路故障后才有效。在正常运行下,电压不会遭遇一个闭环调整电路。因为在个别情况下,在正常使用时也可以设置一个用于电压的闭环调整电路,所以控制装置是一个简单的P-控制装置。在出现线路故障后,本发明所述的稳定控制装置要么作为用于正常运行的控制装置的一种补充,要么替代该控制装置。在激活稳定控制装置后,如果在电网中出现了不利的振荡,那么可以降低稳定控制装置相对于用于正常运行的控制装置的比例,从而抑制振动。如果电压上升超过某一个极限值时,同样也可以短时复位稳定控制装置,并转换为用于正常运行的控制装置。这样就可以避免过压。如果电压还没有充分稳定,那么可以再次激活稳定控制装置。
具体实施方式
在一个整体用附图标记10标识的配电网上连接有一个传统的发电站11,在所述发电站可以借助一种同步发电机SG生产电能。一种根据本发明所述的发电机组14(这里是一台风力发电机组)同样与配电网10相连,并且通过一个变流器将电能馈送给配电网10。配电网10在高压的状态下将电能输送给用户12。
配电网10在开关位置15、16之间分支成一个第一支路17与一个第二支路18。配电网的这样一种环形结构非常普遍,通过这种结构可以确保两个开关位置不会因为连接线路故障而完全相互断开。假设在第一支路17中,在点13处发生了短路,那么,这样会导致,在整个配电网10中,电压会崩溃。电压降在一瞬间的时间内就会从对地短路处13蔓延至传统的发电站11与风力发电机组14。
开关位置15、16可以这样设置,即,它们在150ms的时间内可以发现,对地短路是在第一支路17中出现的,还是在第二支路18中出现的,并通过将所涉及到的支路与配电网10的其它部分断开的方法消除故障。如果在对地短路期间电压降低至理论电压的15%之后,那么紧接在故障消除之后,电压又会迅速上升。显然其不会立即恢复至理论电压值,而是恢复至一个理论电压值的80%。在对地短路期间,最重要的是,传统的发电站11与风力发电机组14不会和配电网断开。只要存在对地短路,那么其就不会对支撑电压做出贡献。在故障消除后的阶段可以决定是完全断开,还是稳定电网。
稳定这一阶段的配电网10并不是非常简单的事情,因为在高压电网中降低电压会导致在用户处的电压也会降低。在将高压电网中的电能降低成用户可用电能的变压器中,按照如下方式安装有分接开关,即,当在用户处出现较低的电压时,分接开关可以改变与高压的变压比。而这样又会继续加重高压电网的负荷,从而导致一种会使得配电网不稳定的自行升压效应。
在图2中,示出了配电网运营商对馈电发电机在出现线路故障时以及之后的性能所提出的要求。从该图中可以看出,在典型的线路故障期间,以相对单位(p·u)的形式加载到y轴上的电压具有一些时间曲线。在出现对地短路后,电压从理论电压(1.0p·u)降低至理论电压的一部分。在故障消除后,电压在两秒后上升至理论电压的80%(0.8p·u),在接下来的5分钟内,会达到理论电压的90%(0.9p·u),之后达到理论电压的95%(0.95p·u)。电网运营商对发电机的要求在于,只有当电压低于在图2中所示曲线之下时,才允许从电网断开馈电的发电机。如果在故障消除后,电压保持在理论电压90%之下超过两秒钟,那么也允许从电网断开馈电的发电机。在理论电压的95%至104%之间时,发电机组必须永久保持在配电网上。
图3示出了本发明所述风力发电机组14的结构。利用转子19获得的动能会通过发电机20转化为电能。通过一个变流器21可以将电能传输给变压器22。在所述变压器22中,电能首先从低压变成中压便于继续传输。如果在图3没有示出的高压电网中出现了一个电压降,那么中压电网中的电压也会降低,并通过变压器22传递给低压侧。在风力发电机组14中设置有一个传感器23,所述传感器可以测量变流器21输出端的电压,并且将相应的电压信号传递给变流器控制单元24。如果发现了线路故障,也就是说电压降在短于1ms的时间内超过了10%,那么就会启动本发明所述方法。
在本发明所述方法的第一阶段会激活在图4中所示的一个稳定控制装置25。稳定控制装置25是一个闭环调整电路的一部分,在所述闭环调整电路中,如图所示,会返回一个有关所馈送电能的电压信号26。这里,在变流器21的输出端会返回一个有关低压的信号,本发明还包括有关中压或高压的信号返回装置。返回的电压信号在27处与用作指令参数的理论电压进行比较,并将差值以输入变量的方式传输给稳定控制装置25。稳定控制装置25是一种I-控制装置,其阶跃函数响应会随着时间的推移而上升,如果返回的电压信号和指令参数之间的差值保持了一段时间,那么其输出变量也会增长。如果用作输入变量的差值本身没有增长,那么输出变量也会增长。在图4的电路符号中示出了稳定控制装置25的阶跃函数响应。稳定控制装置25的输出变量会被传输给变流器控制单元24,所述变流器控制装置可以根据输出变量会对电压施加影响,特别是会提高无功部分,以便支撑电压。
在图5中示出了本发明所述方法的整个流程。在风力发电机组在100中投入使用后,在120中不断检测,是否存在线路故障。如果发现了线路故障,那么在140中会激活稳定控制装置25。在稳定控制装置25被激活时,在160中会持续检查,电压是否重新充分稳定了。如果电压在超过5秒的时间内都高于理论电压值的95%,那么就表明电压已经充分稳定了。对于电压充分稳定的另外一个标准在于,电压至少在5秒钟内高于高压电网中电压范围的最低极限值。在测量高压时或者在认识中压与分接变压器的分接装置时,也可以计算这种电压,只要存在电流测量。
如果电压稳定了,那么就可以在180中结束本发明所述方法,并且风力发电机组14重新进入正常工作状态。如果在激活稳定控制装置25后的2至10秒内电压还没有充分稳定,那么在200中激活本发明所述方法的第二阶段。在第二阶段中,理论电压在这种实施例中要相对于以前的理论值提高5%,例如:从100%提高至105%。这样风力发电机组14就可以馈送额外的无功电流,而不必降低有功电流。稳定控制装置25继续激活,并将电压调节至一个新的理论值。在210中,再次检查,本发明所述方法的第二个阶段是否导致电压充分稳定了。如果已经稳定了,那么就可以在180中结束本发明所述方法,并使风力发电机组14回到正常状态。风力发电机组只能经受住由于提高理论电压所提高的负荷大约两分钟。两分钟后,将在220中结束本发明所述方法,即使是电压还没有稳定。
图6示出了本发明所述方法的另外一种实施方式。启动方法后,在120中持续检测是否存在线路故障,必要时在140中激活稳定控制装置25。同时关闭一个之前负责调节电压的P-控制装置。如果实际电压低于理论电压值,那么稳定控制装置25会获得相应的差值作为输入变量。如果该差值在一段时间保持不变,那么输出变量会增长。变流器21会通过一个上升的无功部分转化稳定控制装置25上升的输出变量。在稳定控制装置25的输出变量理论上增长的过大时,会限制变流器提高无功部分的可能性。在实施例中,可以通过以下方式设置无功部分的极限值,即,电流与电压之间的相位角
不允许大约18°。如果实际电压等于理论电压的80%,那么这种差值会导致,在低于1秒的时间内达到
的极限值。
如果在160中证明,通过提高无功部分达到了稳定电压的目的,那么在170处再次关闭稳定控制装置25,其中关闭过程可以延迟10秒。通过时间上延迟关闭稳定控制装置25可以降低配电网10中的发生振荡的风险。
如果第一个阶段没有达到稳定配电网10的目的,那么通过取消
的极限值,在200中引入本发明所述方法的第二阶段。这样就可以导致无功电流的馈送优先于有功电流的馈送。在稳定控制装置25的相应输出变量下,变流器21可以达到
这样就只会馈送无功电流,而不再馈送有功电流。如果通过这些措施降低了馈送的有功功率,那么要是其它方法不能阻止发电机转速降低升高的话,就可以提高叶片偏转角。如果在210中检测,电压稳定了,那么风力发电机组在170中在经过30秒后又会进入正常状态。如果在5分钟内还没有达到稳定电压的目的,那么在215中将停止风力发电机组,如果需要的话。
在图7所示的可选流程中,本发明所述方法包括三个阶段。首先,在140中激活稳定控制装置25,并在160中检查,该措施是否在规定的时间内导致了成功。如果没有成功,那么在200中将引入本发明所述方法的第二阶段,并提高电压的理论值。如果这种措施在2至10秒钟内还没有成功,那么将在10秒钟内将理论值分多个阶段重新降低至正常值。紧接着,在212处引入本发明所述方法的第三个阶段,并且将相位角
极限值从18°提高至70°。在相位角
时,风力发电机组14主要馈送无功电流,只会馈送少量有功电流。在取消
的极限值后,相位角不会一下变大,而是持续变大,以便将振荡的风险保持最低。在放大相位角
的同时,可以改变转子叶片的偏角,以避免转子的转速上升。在这种实施例中,也是分三个阶段作出响应,以便降低线路故障的后果。