CN101889378A - 串联电压补偿器和在发电机中用于串联电压补偿的方法 - Google Patents

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Abstract

在发电机(11)和输电网(22)之间串联的串联电压补偿器，包括对于每个相的滤波器(20)和电子功率转换器(15)。补偿器产生电压以动态补偿输电网中的突然电压下降，为了控制由串联电压补偿器注入到输电网(22)的(或者吸收的)无功功率，其附加地可能控制电压关于电流的角。

Description

串联电压补偿器和在发电机中用于串联电压补偿的方法
技术领域
本发明涉及用于输电网的串联电压补偿的设备和方法。本发明的设备和方法特别应用于发电机，尤其应用于在风力涡轮机中使用的发电机。
背景技术
目前，连接到涡轮机(例如，风力涡轮机)的发电机通过升压变压器连接到输电网是现有技术公知的。连接到发电机的涡轮机的这种配置用来产生注入电力分配网内的电力。
通常，为了使用风力涡轮机发电，由于多种原因，异步发电机对于同步发电机是优选的。存在优选地在风力涡轮机中使用的两种类型的异步发电机：鼠笼式发电机和绕线转子发电机。
异步鼠笼式发电机具有非常可靠、结实的优势，具有高功率-重量比和较高的短暂过充电回弹，所以由于这些原因优先地被用于第一风力涡轮机。
但是，连接到风力涡轮机的异步鼠笼式发电机具有准恒定速度运转的特点，这是严重的工作缺陷。
使发电机的机械特性平滑的一种方式是在转子电路中插入电阻，使得发电机不再用短路的转子运转，从而增加发电机的平滑性。这项技术要求转子的电路是可访问的，由于这个原因使用了称作绕线转子的异步发电机配置。这个包括卷绕转子电路的三个相并且使每个相的末端可访问。
但是，具有短路的转子的或者具有插入了转子电阻的异步发电机需要贡献无功功率，以产生功率的机电转换需要的磁场。这是严重的缺陷，因为发电机需要具有可调整的无功容量，以在输电网中提供电压控制的补充服务。
在异步绕线转子发电机中通过使电压源连接到发电机转子可以降低这个缺陷。这种异步发电机配置被称作双馈式异步发电机。电逆变器用作转子的电压源，其能够连续地调整施加给异步发电机转子的电压的幅度、频率和相位角。通过调整施加给转子的这个电压，可能控制发电机的电气变量，例如馈给输电网的有功功率和无功功率。
但是，当输电网电压突然下降时，由于多种原因带有短路转子的、带有转子电阻的或者双馈式的异步发电机通过它们的保护电路与输电网断开。
当发生输电网电压的突然下降(称作电压暂降，例如在靠近发电机的输电网内的点处由正确清零的短路产生的)时，发电机保护电路立即做出反应使发电机与输电网断开。如果最小电压保护被延迟，那么电压下降将导致发电机的阻力矩减小，导致转速增加，然后通过超速保护开关断开发电机和停止涡轮机，以防止结构损坏。在清除故障之后，发电机的电压开始恢复，在此情况下，发电机需要额外的无功功率，这使恢复电压的过程更难。因此，在电压恢复期间，输电网需要提供无功电流来帮助电压恢复到其标称值。
由不平衡故障导致的电压降还产生反序电流，反序电流引起机器线圈的过热和二倍源频率的电磁转矩振荡。同样情况发生在连续模式不平衡电压系统中。
为了补偿使发电机磁化所需要的无功功率要求，现有技术描述了通过将电容器组与发电机并联连接进行的补偿。这种系统被广泛使用但是存在补偿电容依赖电压的系统缺陷。因此在重大的电压降(例如由故障导致的电压降)之后，补偿电容被严重降低。还存在基于与发电机并联的静态开关的设备，例如能够动态补偿无功电流的STATCOM(STATic COMpensator(静止补偿器))的例子。
但是，基于与发电机并联的设备的这些解决方法不足以补偿由电气故障导致的重大电压降。在这个意义上说，与发电机串联的设备是更可取的。
串联的补偿系统在输电网上重大电压暂降的情况下更有效，因为这些设备馈给输电网的电压在故障期间被添加到输电网的残压，使得发电机中产生的电压保持标称值。
有种现有技术公知的称作动态电压恢复器(DVR)的串联设备，包括连接到变压器的次级线圈的电子电压转换器，变压器的初级线圈串联到输电网。这些变压器被称作插入变压器。
为了补偿电力负载中的电压暂降，这种设备必须附加地具有能量存储系统，以在电压暂降期间向负载提供附加能量。为了补偿发电机中的电压暂降，上述设备可以仅具有一个能量耗散系统，该系统经常是一组电阻。通过变压器串联的这个补偿系统的缺陷是变压器中产生的损耗和发电系统的总体性能的随之降低。而且，在动态电压恢复器中包括变压器会导致电压的重大降低、与磁性材料的饱和状态关联的问题、设备的更复杂的保护系统以及通常导致非常笨重的设备。它们可能甚至不适合于在它们的恢复阶段安装在风力发电机中，也就是说，在已经安装并且工作的风力发电机中。在这些类型的风力发电机中，它们位于的塔的尺寸意味着上面指出的这种体积和重量的变压器的安装在很多情况下是不可能的。
因此，必须开发不带有用于发电机的变压器的串联补偿系统，发电机可以连接到产生电力和向配电网供应电力的涡轮机，该串联补偿系统能够：
a)控制发电机的馈电电压而不依赖于输电网中电压变化；
b)动态控制与输电网交换的无功功率；
c)与当前存在的设备比较，降低由电流通过补偿系统导致的损耗；
d)防止发电机中出现反序电压成分；
e)防止因电压的变化导致的电磁转矩的突然变化，因而防止成分中的高机械力；以及
f)具有更小的体积和重量。
第WO2008/081049号国际申请描述了与发电机集成在一起的并串联补偿系统，其代表能够满足上面列出的功能需求的发电系统。但是，这个系统遭受对变压器要求的前面提及的缺陷，变压器的初级线圈串联在发电机和输电网之间，以向输电网注入逆变器电压。
发明内容
本发明的上述和其它目标通过依照权利要求1的补偿器、依照权利要求12的方法、依照权利要求15的计算机程序和依照权利要求17的计算机可读介质实现。本发明的特定实施方式在从属权利要求中限定。
为了解决上面提到的技术问题以及后面当描述本发明的优势时将列举的其它问题，本发明在第一发明方面提供了用于发电机的串联电压补偿器，包括：
滤波器装置，串联在所述发电机的每个相和所述电力分配网的每个相之间；和
电子功率转换器装置，连接到和馈给所述滤波器装置。
无论所述发电机的性质和类型如何，所述发电机连接到涡轮机，例如风力涡轮机。
本发明的所述补偿器避免对并联补偿装置的需求，采用所述串联补偿器用作串联无功补偿器，能够通过向发电机电流注入正交电压执行无功补偿功能。
特别重要的是在本发明的所述补偿器中没有插入变压器，也就是说，在所述发电机和所述配电网之间没有串联变压器。本发明的所述补偿器能够补偿所述发电机中的电压并且同时补偿无功功率。
特别地，在本发明的所述补偿器中，发电机的每个相通过滤波器的输出端串联到输电网的相，滤波器的输入连接到单相逆变器以控制施加到每个发电机相位的电压，每个单相逆变器具有独立的直流级。
这种配置提供了由所述发电机、所述串联电压补偿器和所述输电网形成的电力系统相位之间所需的电流隔绝。
而且，本发明的所述补偿器保证当在所述电网中在平衡模式和不平衡模式中发生电压变化时由所述发电机提供的功率，从而有助于所述电网的稳定性，提供所需的无功功率。
本发明的所述补偿器能够使施加到所述发电机的电压大体上是三相的和平衡的，而独立于所述电网中的电压变化和存在的不平衡。
而且，本发明的所述补偿器降低由于电网电压的变化导致的电磁转矩的突然变化，因此降低了风力发电机传输系统上的机械载荷。
本发明在第二发明方面提供了用于在发电机中串联电压补偿的方法，所述方法包括下面步骤：
提供根据所述第一发明方面的串联电压补偿器，以及
以这种方式在所述发电机的每个相和所述电力分配网的每个相之间串联地互连所述串联电压补偿器的所述滤波器装置，使得所述串联电压补偿器产生被加入电网电压的所述补充电压，保持所述发电机的标称电压。
本发明的第三方面关于计算机程序，包括程序代码模块，用以当在计算机上执行所述程序时在发电机中实现根据本发明的第二方面的所述串联电压补偿方法。
在一个实施方式中，所述计算机程序被复制到计算机可读介质上。
本发明的第四方面关于包含计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序代码模块，用以当在计算机上执行所述程序时在发电机中实现根据本发明的第二方面的所述串联电压补偿方法。
附图说明
为了补充描述和为了促进理解本发明的特征和实施方式的优选实施例，提供了一组图作为这个说明的必不可少的部分，其中，为了说明而且不限制本发明，提供了下面的图：
图1示出本发明的串联电压补偿器的框图；
图2示出本发明的单相电子转换器；
图3示出系统的电压和电流的向量图，解释了当电网中存在突然电压降时本发明的串联电压补偿原理；
图4示出系统的电压和电流的向量图，解释了本发明的串联无功补偿的原理。
具体实施方式
下面参考图1，串联电压补偿器的框图具有用来抵抗电网电压的突然下降对发电机电压补偿的装置。
发电机(11)机械地连接到涡轮机(12)，例如风力涡轮机。
串联电压补偿器对于每个相包括滤波器(16)和电子功率转换器(15)。串联电压补偿器串联在发电机(11)和输电网(22)之间。
对于每个相，滤波器的第一端(16-1)连接到发电机(11)的对应相，滤波器的第二端(16-2)连接到输电网的对应相。
分流元件(18)(例如，开关)连接在滤波器(16)的第一端(16-1)和第二端(16-2)之间。
滤波器是四极，其中，输入端(16-3)和(16-4)连接到电子功率转换器(15)的输出端(15-1)和(15-2)。
图1示出滤波器的特定实施方式，包括线圈(17)和电容(20)的串并联关联，其代表低通滤波器，目的是衰减由电子功率转换器产生的高频谐波。
在特定实施方式中，串联电压补偿器包括在发电机(11)一侧上连接到输电网的变压器(19)，以单独地通过单相整流器装置(23)馈给电子功率转换器装置(16)的每个直流级。
特别地，发电机(11)的三个相连接到三相变压器(19)的初级线圈的三个端，而次级线圈的三个相中的每个连接到每个电子功率转换器(15)的输入端(A-A′)。
参考图2，电子功率转换器(15)包括直流级，直流级包括电容(26)，电容(26)的功能是保持在逆变器的输入处的直流电压。依次，变压器(19)的功能是设置电容(26)的电压，虽然这还可以由其它装置实现，例如补偿器控制电子设备。
而且，电子功率转换器(15)的端(A-A′)连接到整流器桥(23)的输入，整流器桥(23)的功能是设置电容(26)所位于的直流级的电压。
为了限制直流级的电压突然变化，提供了限制器设备(24)，其包括串联到第一开关元件(27)的固定电阻(28)，第一开关元件(27)具有控制端，第一控制模块(34)通过控制端借助在第一控制器(34)中存储的第一控制算法产生和提供打开和/或关闭信号。
直流级还连接到单相逆变器(25)，单相逆变器(25)包括在两条分支中布置的开关元件的组装。这些分支中的第一条包括第二和第三开关元件(30)和(31)，第二分支包括第四和第五开关元件(32)和(33)。
电子功率转换器(15)的第一输出端(15-1)连接在第二和第三开关元件(30)和(31)之间。电子功率转换器(15)的第二输出端(15-2)连接在开关元件(32)和(33)之间。
单相逆变器(25)的每个开关元件包括控制端，由存储和执行第二控制算法的第二控制器模块(35)通过控制端施加、产生和提供打开/关闭信号。
参考图3，当输电网(22)的电压Vg突然下降时，在关联到输电网(22)的电压Vg的d-q轴上，示出以下向量：发电机(11)的电压Vs、输电网(22)的电压Vg、滤波器(16)的输出电压Vi和电流向量Is。在这种情况下，控制模块(35)检测这个电压降并且作用于单相逆变器(25)，单相逆变器(25)在滤波器(16)的输入施加电压，滤波器(16)的输入电压以这种方式导致滤波器的输出电压Vi，使得电压Vs不从其标称值改变。而且，可以以这种方式设置电压Vi以至于控制由发电机(11)的电压向量Vs和输电网(22)的电压向量Vg形成的角□，使得以此方式可以控制被注入到电力分配网(22)的无功电流。
参考图4，为了描述输电网(22)中的串联补偿器如何实现对注入的无功(或吸收的)功率的控制，在关联到定子电流向量Is的d-q轴上，示出以下向量：发电机(11)的电压Vs、输电网(22)的电压Vg、滤波器(16)的输出电压Vi和电流Is。控制模块(35)作用于单相逆变器(25)，单相逆变器(25)在滤波器(16)的输入施加电压，滤波器(16)的输入电压以这种方式导致滤波器的输出电压Vi，使得电压Vg与定子电流向量Is形成特定角φ。
应当注意到，本发明可以被实现在多种由微处理器和计算机可读介质组成的计算机中，包括易失性和非易失性存储器元件和/或存储元件。与多组指令合作的计算硬件逻辑被施加给数据，以执行以上描述的功能和产生输出信息。例如计算硬件使用的程序可以被实现在包括高级面向过程的或面向对象的程序设计语言的多种程序设计语言中，以与计算机系统交互。每个计算机程序优选地被存储在存储介质或设备上(例如，ROM或磁盘)，存储介质或设备可以由通用可编程计算机或专用可编程计算机读取，以便当为了执行以上描述的过程计算机读取存储介质或设备时配置和操作计算机。还可以考虑到，第一和第二控制器可以被实现为带有计算机程序的计算机可读存储介质，其中如此配置的存储介质使计算机以特定的和预定的方式工作。
提供在本发明中建立的实施方式和实施例为本发明的最佳解释和其实际应用，以使本领域的技术人员使用本发明。但是，本领域的技术人员将认识到，提供上面的描述和实施例是为了说明仅一个实施例。描述没有意在是详尽的或者将本发明限制于描述本发明的特定方式。在不背离权利要求的精神和范围的条件下，鉴于上面的描述可能进行许多修改和变化。

Claims (17)

1.用于发电机、特别是风力发电机的串联电压补偿器，包括：
滤波器装置(16)，串联在所述发电机(11)的每个相和电力分配网(22)的每个相之间；和
电子功率转换器装置(15)，连接到所述滤波器装置(16)并馈给所述滤波器装置(16)。
2.根据权利要求1所述的串联电压补偿器，其特征在于：
所述滤波器装置(16)是包括电容(20)和线圈(17)的LC低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的串联电压补偿器，其特征在于：
所述电子功率转换器装置(15)是对于每个相的H桥单相逆变器。
4.根据前面的权利要求中的任何一项所述的串联电压补偿器，其特征在于：
所述滤波器装置(16)包括连接到所述电子功率转换器装置(15)的输出端(15-1，15-2)的输入端(16-3，16-4)。
5.根据权利要求1或3所述的串联电压补偿器，其特征在于：
所述电子功率转换器装置(15)包括：
单相整流器装置(23)；
限制器装置(24)，防止连接到所述整流器装置(23)的直流级中的电压突然变化；和
单相逆变器装置(25)，连接到所述限制器装置(24)。
6.根据前面的权利要求中的任何一项所述的串联电压补偿器，其特征在于其包括：
变压器(19)，在所述发电机(11)一侧上连接到所述输电网，以单独地通过单相整流器装置(23)馈给所述电子功率转换器装置(15)的每个直流级。
7.根据权利要求5所述的串联电压补偿器，其特征在于：
所述电子功率转换器装置(15)包括带有电容(26)的直流级，所述电容(26)被充电并且保持所述直流级的电压为固定值。
8.根据权利要求5所述的串联电压补偿器，其特征在于：
所述限制器装置(24)包括电阻(28)和开关元件(27)，所述开关元件(27)通过第一控制器(34)控制，所述第一控制器(34)向所述开关元件(27)施加打开和/或关闭信号，以控制所述直流级的电压变化。
9.根据权利要求5所述的串联电压补偿器，其特征在于：
所述单相逆变器装置(25)包括两条分支，第一分支包括第二和第三开关元件(30、31)，第二分支包括第四和第五开关元件(32、33)，并且所述两条分支的点(B，B′)馈给所述滤波器装置(16)。
10.根据权利要求9所述的串联电压补偿器，其特征在于：
第二控制器(35)产生打开和/或关闭信号给每个所述单相逆变器(25)的一些开关元件(30、31、32和33)，以控制施加给在所述发电机(14)和所述电力分配网(22)之间串联的所述滤波器装置(16)的电压。
11.根据前面的权利要求中的任何一项所述的串联电压补偿器，其特征在于：
所述发电机(11)连接到涡轮机(12)。
12.用于发电机中串联电压补偿的方法，其特征在于其包括下面的步骤：
提供根据权利要求1到权利要求11至少其中一项所述的串联电压补偿器；以及
按以下方式在所述发电机(11)的每个相和所述电力分配网(22)的每个相之间串联地互连所述串联电压补偿器的所述滤波器装置(16)，即，使得所述串联电压补偿器产生被加入输电网电压Vg的电压Vi，并将所述发电机的电压Vs保持在预设值。
13.根据权利要求12所述的用于发电机中串联电压补偿的方法，其特征在于其包括：
通过施加所述限制器装置(24)的所述第一开关元件(27)的打开和/或关闭脉冲，限制所述直流级的所述电容(26)的电压的步骤。
14.根据权利要求12所述的用于发电机中串联电压补偿的方法，其特征在于其附加地包括：
关于所述配电网(22)的电压对所述发电机(11)的电压进行调节的步骤，使得调节所述输电网的电压Vg和所述发电机的电流Is之间的角，导致调节无功功率。
15.计算机程序，其特征在于其包括：
程序代码装置，用以当所述程序在计算机上被执行时实现根据权利要求12、13或14所述的用于发电机中串联电压补偿的方法。
16.根据权利要求15所述的计算机程序，其特征在于：
其被复制给计算机可读介质。
17.计算机可读介质，其特征在于其包括：
计算机代码模块，所述计算机代码模块包括程序代码，用以当所述程序在计算机上被执行时实现根据权利要求12、13或14所述的用于发电机中串联电压补偿的方法。
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