CN101938138B - 电网故障期间的电能管理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种例如在电网故障期间运行风力发电机设备的方法，风力发电机设备包括适于消耗或者存储超过在电网故障期间待输送至相关联的电网的量的电能的电力消耗/存储部件，该方法包括根据允许的风力发电机设备的电力消耗/存储部件所能消耗或者存储电能的量运行风力发电机设备的步骤，其中保证风力发电机设备所产生的电能总量不超过所允许量和待输送至电网的量的总和。

Description

电网故障期间的电能管理
技术领域
本发明涉及一种确定电力存储的容量的方法和系统。特别是，本发明涉及一种用于在电网相关事件发生后进行这种容量确定的方法和系统。
背景技术
提出了各种风力发电机相关的配置以处理所谓的低电压穿越(LVRT)——参考例如US2007/0164567和US2007/0279815。所提出的配置均为全尺寸电力转换配置，其中发电机产生的所有电力经过发电机侧变换器和电网侧逆变器，变换器和逆变器被中间DC电路隔离。
在LCRT事件期间，由于电网侧逆变器的额定电流，必须减小供应至电网的电量。由于变换器系统中通常不能存储足够的能量，所以必须减小从风中俘获的电能或者可选地必须消耗过量的电能。后一种解决方案具有许多优点——例如可大大减小对风力发电机机械零件的撕裂和磨损。而且，在LVRT事件消失后风力发电机设备可非常迅速地发电。
电力消耗装置必须对期望量的待消耗能量进行热设计。而且，因为电力消耗装置将需要较长的时间冷却，所以连续的低电压事件数也将为挑战的设计参数。
本发明涉及一种克服上述设计问题的控制方法和风力发电机设备。
本发明实施例的目标在于提供一种促进监视可利用电力存储器的容量的方法和系统。
特别是，本发明实施例的目标在于提供一种促进在系统故障或者电网相关事件例如电网故障发生后监视可用电力存储器的容量的方法和系统。
发明内容
一方面，通过提供一种适于向相关联的电网输送电能的风力发电机设备而实现上述目标，该风力发电机设备包括
-发电机部件，用于将机械能转换为电能，该发电机部件可选地经传动部件机械耦合至一组转子叶片，
-电力变换器，可选地经电网变压器耦合至发电机部件和相关联的电网，
-电力消耗/存储部件，适于消耗或者存储来自发电机部件的一定量的电能，以及
-控制部件，用于确定电力消耗/存储部件可消耗或者存储的允许量的电能。
优选地，根据本发明的风力发电机设备能够处理系统故障，例如变换器故障和与电网故障相关的事件，例如LVRT事件。而且，风力发电机能够以有效方式执行紧急停机。
应当广泛理解术语风力发电机设备。因此，术语风力发电机设备可包括单个风力发电机或者其可包括形成风力电能的一组风力发电机。可全尺寸安装地实施每个风力发电机，其中必要地发电机部件所产生的所有电能经过电力变换器。发电机部件可以为任何合适的发电机，例如同步发电机、异步发电机或者永磁发电机。
电力变换器通常包括经中间DC电路有效连接至电网侧逆变器的发电机侧转变换器。电网侧变换器可选地经电网变压器向相关联的电网输送电能。可通过传统的电力变换器技术运行发电机侧变换器和电网侧逆变器。
电力变换器可包括多个并联电力变换器模块。因此，电网侧变换器和/或发电机变换器每个都可包括多个并联电力变换器模块。在多相风力发电机设备例如三相系统中，可有利地对每相提供电力消耗/存储部件。可选地或者另外地，电力消耗/存储部件可有利地操作连接至中间DC电路。还应当注意，共用的电力消耗部件可经整流器例如桥式整流器或者逆变器操作地连接至例如三相发电机部件。
每个电力消耗/存储部件可包括多个并联的电力消耗元件和/或电力存储元件。因此，每个电力消耗/存储部件可包括多个并联电力消耗元件、多个并联电力存储元件、或者并联电力消耗元件或者电力存储元件的组合。在电力变换器包括多个并联电力变换器模块的情况下，这样电力变换器模块可配置为每个电力变换器模块有效连接至其自身的电力消耗/存储部件。
在一个实施例中，电力消耗/存储部件或者至少其一部分可经可控开关电连接至发电机部件。合适的可控开关可用作一个或多个IGBT、一个或多个半导体体闸流管、一个或多个接触器等等。
在另一个实施例中，电力消耗/存储部件或者至少其一部分可经可控开关电连接至电力变换器的中间DC电路。
在本发明的优选实施例中，电力消耗/存储部件包括：第一部分，其经第一可控开关电连接至发电机部件；和第二部分，其经第二可控开关电连接至电力变换器的中间DC电路。
电力消耗/存储部件可包括消耗电能的清除电阻器。可选地，或者与其组合地，电力消耗/存储部件可包括存储电能的电容部件例如电容器组。
存储在电力存储部件中的电能可用于在停机后激励风力设备。这样当在停机后启动风力发电机设备时电力存储部件可代替传统的不间断电源(UPS)。
风力发电机设备的控制部件可用于多个目的，其中一个为确定电力消耗/存储部件可消耗或者存储的允许的电能量。在这一点上控制部件可适于规则地或者响应于特殊事件确定电力消耗/存储部件可消耗或者存储的允许的电能量。这样的特殊事件可以在电网故障之后的一段时间。但是，在常规工作条件下确定可利用的消耗/存储的电容量的量也可为风力发电机设备操作的一部分。
控制部件可适于响应于电力消耗/存储部件的确定的电容量运行风力发电机设备。这样，控制部件可适于以如下的方式运行风力发电机设备，即风力发电机设备所产生的电能总量不超过例如在电网故障期间或者紧邻其后所允许的量和待输送至电网的量的总和。
当风力发电机设备由于检测到的电网故障而以LVRT模式运行时，控制部件可通过启动风力发电机设备的俯仰(pitching)系统控制风力发电机设备所产生的电能总量。控制部件是否启动俯仰系统取决于电网故障的持续时间。例如，如果电网故障的持续时间超过1秒，则俯仰系统可以以在大约5秒之后使转子叶片逐渐转离开风的方式启动。显然，LVRT下降轮廓可随着风力发电机设备的不同而不同。因此，下降轮廓可不同于前面所提到的1秒+5秒轮廓。
风力发电机设备还可包括确定电力消耗/存储部件温度的部件。其可包括温度传感器。
在本发明的实施例中，控制部件可适于基于确定的所述电力消耗部件的温度确定允许的电力消耗部件可消耗的电能的量。
而且，控制部件可适于基于电力存储部件上的电压确定允许的电力存储部件可存储的电能的量。
第二方面，本发明涉及一种在电网故障例如低电压穿越事件期间运行适于向相关联的电网输送电能的风力发电机设备的方法，该风力发电机设备包括适于消耗或者存储超过在电网故障期间待输送至相关联的电网的量的电能的电力消耗/存储部件，该方法包括如下步骤：根据允许的风力发电机设备的电力消耗/存储部件所能消耗或者存储电能的量，运行风力发电机设备，其中保证风力发电机设备所产生的电能总量不超过所允许量和待输送至电网的量的总和。
根据第二方面的方法与电网故障特别相关，这是因为在这样的电网故障期间期望风力发电机设备保持和电网的连接。而且，该方法在紧邻电网故障后的时间内特别受到关注。
再次，应当宽泛理解术语风力发电机，因此其包括单个风力发电机或者一组形成风电场的风力发电机。
一般地，可结合本发明的第一方面运行执行本发明第二方面的方法的风力发电机设备。因此，每个风力发电机可全尺寸安装。风力发电机设备包括合适的发电机，例如同步发电机、异步发电机或者永磁发电机。而且，风力发电机设备包括电力变换器，其具有经中间DC电路有效连接至电网侧逆变器的发电机侧变换器。电网侧变换器可选地经电网变压器向相关的电网输送电能。可通过传统的电力变换器技术运行发电机侧变换器和电网侧逆变器。
可从电力消耗部件的热容或者从电力存储部件的电压确定允许的电能量。在本发明的实施例中，规则地确定允许的电力消耗/存储部件所能消耗或者存储的电能量。在本发明另一个实施例中，响应于特殊事件例如在电网故障期间或者在这样的电网故障之后的时间，确定允许的电力消耗/存储部件所能消耗或者存储的电能量。因此，可在电网故障期间或者在紧邻电网故障之后的时间执行根据本发明的方法。
根据第二方面的方法还可包括在停止所述风力发电机设备后应用存储在电力存储部件中的电能激励一部分或者多部分风力发电机设备的步骤。因此，电能可用于在停机后激励风力发电机设备，这一点可免去使用传统的UPS。
第三方面，本发明涉及一种运行适于向相关联的电网输送电能的风力发电机设备的方法，该风力发电机设备包括适于消耗或者存储电能的电力消耗/存储部件，该方法包括如下步骤：根据允许的风力发电机设备的电力消耗/存储部件所能消耗或者存储电能的量，运行风力发电机设备，其中保证风力发电机设备所产生的电能总量不超过所允许电能量。
优选，根据本发明第三方面的方法能够处理系统故障，例如变换器故障和与电网故障相关的事件，例如LVRT事件。而且，该方法能够以有效方式执行紧急停机。
再次，可从电力消耗/存储部件的的电力消耗元件的热容确定允许的电能量。
规则地或者响应于特殊事件，例如在电网故障期间或者在这样的电网故障之后的时间或者和例如变换器故障相关的事件，确定允许的电力消耗/存储部件所能消耗或者存储的电能量。
根据第三方面的方法还可包括在停止所述风力发电机设备后应用存储在电力存储部件中的电能激励一部分或者多部分风力发电机设备的步骤。因此，电能可用于在停机后激励风力发电机设备，这一点可免去使用传统的UPS。
附图说明
现在将更详细地参考附图更详细地解释本发明，其中
图1示出了能够实施本发明的风力发电机设备的相关部件；
图2示出了液体冷却清除负载；
图3示出了用于清除负载和频率变换器的组合冷却系统；
图4示出了利用清除负载的优势的各种运行模式；
图5示出了清除负载的各种实施；以及
图6示出了嵌入发电机护封的清除负载电阻器。
虽然本发明可进行各种更改和替换，但是在附图中通过示例的方式示出了具体实施例，并将在这里对这些实施例详细描述。但是应当理解本发明不受限于所公开的特别形式。而且，本发明将包括所有落入附加权利要求所限定的发明的实质和范围内的更改、等同物和选择。
具体实施方式
总体地，本发明涉及一种能够处理例如电网系统中LVRT事件的风力发电机设备和相关的方法。而且，风力发电机设备和相关的方法能够处理其它类型的故障，例如变换器故障、紧急停机或者其它类型的电气系统故障。
在LVRT事件期间，风力发电机设备保持和电网的连接。风力发电机设备在电网故障期间保持和电网的连接可对电网的稳定性起到正面作用，特别是对于弱电网。在LVRT事件期间，风力发电机设备保持在其额定功率下或者附近运行以减小对风力发电机设备的驱动装置的磨损。但是，如果电网故障的持续时间太长则风力发电机设备必须减速以不会过热从而破坏电力消耗/存储元件，该元件处理来自在LVRT事件期间待输送至电网的电力的电力。
下面是本发明的优点：
1.减小的塔架负载使得可减小塔架成本。
2.较简单的俯仰策略。
3.增加的能量获取。
4.减小的变换器成本。
如前面所提到的，风力发电机设备例如可为单个风力发电机或者一组形成风电场的风力发电机。每个风力发电机可用作所谓的全尺寸电力系统，其中发电机所产生的电力通过发电机侧变换器和电网侧逆变器，变换器和逆变器由中间的DC电路互联。
本发明旨在确定风力发电机设备的电力消耗/存储部件所能消耗或者存储的电能的允许量。电力消耗/存储部件可分配给单独的风力发电机或者一组形成风电场的风力发电机。
可规则地或者响应于预定的事件连续确定允许的电力量，后者通常处于紧邻LVRT事件之后的时间。
电力消耗部件通常包括一个或多个电阻元件，而电力存储部件通常包括一个或多个电容元件。可选地，可组合电阻器和电容元件。电力消耗部件和电力存储部件通常以下面的方式确定(rate)，即可在几秒的时间内消耗/存储相关发电机的额定功率。
如前面所提到的，存储在电力存储部件中的能量可用于在停机后的启动步骤期间激励风力发电机设备。
在本发明的一个实施例中，监视电力消耗部件的温度，从而可计算在电力消耗部件的能量方面的热能力。基于LVRT事件期间所需要的电力下降轮廓，可计算风力发电机设备的最大功率。最大功率然后用于设置发电机功率基准。
根据本发明的其它实施例可从电压和电流的测量值确定电力消耗/存储部件的容量。
因此，当电力消耗/存储部件的容量已知时，风力发电机设备可有利据此运行。一种运行风力发电机设备的方法在于保证所产生电能的量不超过预定水平，所述预定水平等于电力消耗/存储部件的容量和在LVRT事件期间待输送至电网的量的总和。
显然，预定水平可随事件改变。而且，预定水平可受到其它控制参数的影响。例如，如果电力消耗/存储部件的可用容量较低，则可根据俯仰控制系统的速度设置预定水平。因此，在电力消耗部件的低功率情况下，可有利地选择提供快速下降轮廓的主动俯仰控制机制。
电力消耗部件的容量将通常随着实际工作温度而改变。工作温度越接近消耗装置的绝对温度极限，则容量越小。而且，被动冷却有效性取决于环境温度。因此，消耗部件的容量在低温下更高。
现在参考图1，示出了适于实施本发明的风力发电机设备。如图1所示，风力发电机设备包括经一组可控发电机侧接触器有效连接至发电机侧变换器的永磁发电机(PMG)。应当注意的是发电机也可以为不同类型。发电机侧接触器受到保护电路的控制。
电网侧逆变器经中间DC电路有效连接至发电机侧变换器。另外，电网侧逆变器适于——可选地经过电网变压器(未示出)向相关联的电网输送电能。发电机侧变换器和电网侧逆变器由相应的控制器控制。
由清除负载电阻器和/或某类型的存储部件形成的第一电力消耗/存储部件有效地连接至DC中间电路。通过常规的断路器响应于电网侧逆变器所提供的控制信号控制待输送至电力消耗/存储部件的电量。至断路器的控制信号响应于中间DC电路的测量DC电压产生。
由清除负载电阻器和/或某类型的存储部件形成的第二电力消耗/存储部件经由保护电路控制的一组可控电力消耗/存储接触器有效地连接PMG。待输送至发电机侧电力消耗/存储部件的电量受常规的短路器控制。优选地，通过IGBT或者半导体体闸流管利用短路器。
保护电路监视风力发电机设备的运行。因此，如果两个控制器的其中一个、逆变器、变换器或者短路器出现故障，则保护电路激活电力消耗/存储部件的一个或者两个以使风力发电机设备停机。而且，保护电路可可选地激活俯仰系统以有效停止风力发电机设备。此外，保护电路可响应于外部产生的紧急停机信号或者其它类型的输入信号停止风力发电机设备。
现在参考图2，示出了包括清除负载电阻器形式的液冷电力消耗/存储部件的风力发电机设备的一部分。图2中所示出的清除负载电阻器有效连接至发电机。应当注意，清除负载电阻器可替代地有效连接至频率变换器的中间DC电路。可选地，第二清除负载电阻器可另外有效连接至频率变换器的中间DC电路。
如图2所示，风力发电机设备包括一组经传动装置(Gear)驱动发电机(Gen)的转子叶片。包括AC/DC(发电机侧)变换器和DC/AC(电网侧)逆变器的全尺寸频率变换器保证将正确的频率输送至相关的电网(未示出)。电力消耗部件的清除负载电阻器可以以液体冷却，其可选地还冷却发电机和/或频率变换器。因此，发电机、频率变换器和电力消耗/存储部件可可选地共有相同的冷却系统。应当注意的是电力消耗/存储部件也可以以存储元件实施——或者作为组合的电力消耗/存储部件或者作为仅仅包括一个或多个存储元件的纯电力存储部件。从风力发电机(WTG)变换器控制器接收其控制信号的可控短路器控制供应至清除负载控制器的电力的量。而且，在信号损失或者至通常控制系统启动的控制系统的通信中断的情况下短路器将自动启动。
图3中示出了冷却发电机、频率变换器和再次示出为清除负载电阻器的电力消耗部件的共有冷却系统。泵驱动液体冷却剂经过前面提到的风力发电机元件和可选地包括冷却冷却剂的风扇的外部热交换器。
图4示出了各种利用电力消耗/存储部件的方法。图4中所示出的实例都与LVRT事件无关。电力消耗部件的总体功能在于减小风力发电机设备的机械旋转系统的动态负载。关于图4的描述参考了作为清除负载电阻器的电力消耗/存储部件。可选地，其可实施为包括电力消耗元件(或者多个)和电力存储元件(或者多个)的组合电力消耗/存储部件或者仅仅包括一个或多个存储元件的纯电力存储部件。
图4a示出了采用液体冷却清除负载电阻器进行的停机。特别是，图4a示出了其中冷却剂在正常停机步骤时存在而在紧急状况下缺少的停机。
参考图4b，有效连接至发电机或者有效连接至频率变换器的中间DC电路的受控清除负载电阻器可在对频率变换器提供额定功率时吸收例如风所产生的峰值功率。类似地，参考图4c，如果频率变换器提供的负载不期望地降至较低但不是非常低的水平，清除负载电阻器可用作从而减小风力发电机设备机械部件上负载的转换负载。这一点可被看作是减缓电气系统动力学以适应机械系统的方法。如图4c所示，不期望的减小的频率变换器负载可源自变换器内的相位模块故障。但是，其它原因也可造成负载降低。
如前面所提到的，可以以各种方法利用电力消耗/存储部件。如图5a-5c所描述，示出为组合短路器或者相似装置的清除负载电阻器形式的电力消耗/存储部件可有效连接至频率变换器的中间DC电路(参见图5a)或者直接以星形连接(图5b)或者三角连接(图5c)连接至发电机。参考图5a，多个并联连接和单独控制的电力消耗/存储部件有效连接至频率变换器的中间DC电路。可单独启动可控电力消耗/存储部件以满足特殊要求。在图5b中，多对单独可控电力消耗/存储部件互联以形成有效连接至发电机(未示出)的星形连接。在图5c中，多对单独可控电力消耗/存储部件互联以形成有效连接至发电机(未示出)的三角连接。
机械上电力消耗/存储部件可构造为分离的单元，或者其可嵌入图6所示的发电机冷却系统中。后者可直接连接至现有的冷却系统和在紧急情况下能够“存储”大量热能的大块。对于后面的实施形式，相同的系统可用作预热器以制备在寒冷或者潮湿环境下启动的风力发电机设备。

Claims (23)

1.一种适于向相关联的电网输送电能的风力发电机设备，该风力发电机设备包括：
-发电机部件，用于将机械能转换为电能，该发电机部件可选地经传动装置机械耦合至一组转子叶片，
-电力变换器，其可选地经电网变压器耦合至所述发电机部件和相关联的电网，
-电力消耗/存储部件，其适于消耗或者存储来自发电机部件的一定量的电能，以及
-控制部件，用于确定在所述电力消耗/存储部件可消耗或者存储的允许的电能量，
其中，在停止所述风力发电机设备后应用存储在所述电力存储部件中的电能激励所述风力发电机设备的一部分或者多部分；以及
其中所述控制部件适于以如下的方式运行所述风力发电机设备，使得所述风力发电机设备在电网故障期间所产生的电能总量不超过所允许的量和待输送至电网的量的总和。
2.根据权利要求1的风力发电机设备，其中所述控制部件适于规则地或者响应于低电压穿越事件确定所述电力消耗/存储部件可消耗或者存储的允许的电能量。
3.根据权利要求1的风力发电机设备，其中所述控制部件适于通过启动所述风力发电机设备的俯仰系统控制由所述风力发电机设备所产生的电能总量。
4.根据权利要求1的风力发电机设备，还包括用于确定所述电力消耗/存储部件的电力消耗元件的温度的部件。
5.根据权利要求4的风力发电机设备，其中所述控制部件适于基于确定的温度确定所述电力消耗元件可消耗的允许的电能量。
6.根据权利要求1的风力发电机设备，还包括用于确定所述电力消耗/存储部件的电力存储元件上电压的部件。
7.根据权利要求6的风力发电机设备，其中所述控制部件适于基于所确定的电压确定所述电力存储元件可存储的允许的电能量。
8.根据权利要求1的风力发电机设备，其中所述电力消耗/存储部件包括多个并联的电力消耗元件和/或电力存储元件。
9.根据权利要求1的风力发电机设备，其中所述电力消耗/存储部件包括多个并联的电力消耗/存储元件，每个电力消耗/存储元件包括电力消耗元件和电力存储元件。
10.根据权利要求1的风力发电机设备，其中所述电力消耗/存储部件的至少一部分经可控开关电连接至所述发电机部件。
11.根据权利要求1的风力发电机设备，其中所述电力消耗/存储部件的至少一部分经可控开关电连接至所述电力变换器的中间DC电路。
12.根据权利要求1的风力发电机设备，其中所述电力消耗/存储部件包括：第一部分，其经第一可控开关电连接至所述发电机部件；和第二部分，其经第二可控开关电连接至所述电力变换器的中间DC电路。
13.根据权利要求1的风力发电机设备，其中所述电力消耗/存储部件包括消耗电能的电阻器。
14.根据权利要求1的风力发电机设备，其中所述电力消耗/存储部件包括存储电能的电容部件。
15.根据权利要求14的风力发电机设备，其中所述电容部件为电容器组。
16.一种在电网故障期间运行适于向相关联的电网输送电能的风力发电机设备的方法，该风力发电机设备包括电力消耗/存储部件，所述电力消耗/存储部件适于消耗或者存储超过在电网故障期间待输送至相关联的电网的量的电能，该方法包括如下步骤：根据所述风力发电机设备的所述电力消耗/存储部件可消耗或者存储的允许的电能量，运行所述风力发电机设备，其中保证由所述风力发电机设备所产生的电能总量不超过所允许的量和待输送至所述电网的量的总和，以及在停止所述风力发电机设备后应用存储在所述电力存储部件中的电能激励所述风力发电机设备的一部分或者多部分。
17.根据权利要求16的方法，其中从所述电力消耗/存储部件的电力消耗元件的热容确定允许的电能量。
18.根据权利要求16的方法，其中规则地确定所述电力消耗/存储部件中可消耗或者存储的允许的电能量。
19.根据权利要求16的方法，其中响应于低电压穿越事件确定所述电力消耗/存储部件中可消耗或者存储的允许的电能量。
20.一种运行适于向相关联的电网输送电能的风力发电机设备的方法，该风力发电机设备包括适于消耗或者存储电能的电力消耗/存储部件，该方法包括如下步骤：根据所述风力发电机设备的电力消耗/存储部件可消耗或存储的允许的电能量，运行所述风力发电机设备，其中保证所述风力发电机设备所产生的电能总量不超过所允许的电能量，以及在停止所述风力发电机设备后应用存储在所述电力存储部件中的电能激励所述风力发电机设备的一部分或者多部分。
21.根据权利要求20的方法，其中从所述电力消耗/存储部件的电力消耗元件的热容确定允许的电能量。
22.根据权利要求20的方法，其中规则地确定所述电力消耗/存储部件中可消耗或者存储的允许的电能量。
23.根据权利要求20的方法，其中响应于低电压穿越事件确定所述电力消耗/存储部件中可消耗或者存储的允许的电能量。
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