CN102035452A - 风力发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风力发电系统,在发电装置中使用的交流励磁型发电机通过用转换器按照差频对转子绕组进行交流励磁,可使通过转子的励磁而在定子侧产生的电压为与系统频率相同的频率。但由于交流励磁型发电机的定子与转子的槽结构,而在定子电压中包含低次高次谐波分量(例如5次、7次)。由于该定子电压的低次高次谐波分量的影响,产生在转换器的系统侧电流中发生失真的问题。本发明的风力发电系统的特征在于,具备从系统侧转换器的输入电流检测值中去除特定次数的高次谐波分量的单元,并具备将去除了高次谐波的电流检测值用于系统侧转换器的控制中的单元。在本发明的风力发电系统中可提高系统侧转换器的运转持续性。
Description
技术领域
本发明涉及向电力系统供给电力的风力发电系统。
背景技术
发电装置中使用的交流励磁型发电机通过用转换器按照差频(系统频率与旋转频率之差)对转子绕组进行交流励磁,可以使通过转子的励磁而在定子侧产生的电压成为与系统频率相同的频率。通过使转子的励磁频率(差频)可变,具有可以使风车的转速可变,并且可以使电力变换器的容量小于发电机的容量等优点。
但是,根据交流励磁型发电机的定子与转子的槽结构,在定子电压中包含低次高次谐波分量(例如5次、7次)。由于该定子电压的低次高次谐波分量的影响,在转换器的系统侧电流中产生失真。此时,在无法充分地提高电流控制响应时,转换器的控制有可能使电流失真扩大。
在〔专利文献1〕中,示出了在发电机侧转换器的电流控制中插入滤波器的结构,但其用于校正电流控制系统的输出,不具有消除输入到电流控制系统的电流失真的效果。
【专利文献1】日本特开2008-79383号公报
发明内容
本发明要解决的问题在于,防止扩大起因于交流励磁型发电机的定子电压失真的系统侧转换器电流失真这一点。
为了达成上述课题,本发明提供一种风力发电系统,其特征在于,具有:交流励磁型发电机,定子与电力系统连接;交流励磁用转换器,与该交流励磁型发电机的转子连接;涡轮,与该交流励磁型发电机的转子连接;系统侧转换器,与该交流励磁型发电机的定子和电力系统连接;控制装置,使系统侧转换器的直流部分与上述交流励磁用转换器的直流部分连接,用于对上述交流励磁用转换器与上述系统侧转换器进行控制;电流检测单元,对上述系统侧转换器的交流输入电流进行检测;以及将所检测出的电流值输入到上述控制装置的单元,上述控制装置使用所输入的电流检测值,进行电流控制,该风力发电系统的特征在于:上述控制装置具备从上述系统侧转换器的输入电流检测值中去除特定次数的高次谐波分量的单元,并具备将去除了高次谐波后的电流检测值用于上述系统侧转换器的控制中的单元。
进而,关于本发明,在上述风力发电系统中,其特征在于,具备将上述系统侧转换器的输入电流检测值通过旋转坐标变换而变换成直流分量的单元,并具备控制单元,该控制单元具有将变换成直流分量后的上述系统侧转换器的输入电流检测值输入到处于上述控制装置内的滤波器,从而去除包含在上述系统侧转换器的输出电流检测值中的特定次数高次谐波的单元,该控制单元将去除了特定次数高次谐波后的电流检测值用于上述系统侧转换器的控制中。
进而,关于本发明,在上述风力发电系统中,其特征在于,具备控制单元,该控制单元具有将上述系统侧转换器的输出电流检测值输入到滤波器,而去除包含在上述系统侧转换器的输出电流检测值中的特定次数高次谐波的单元,该控制单元将去除了特定次数高次谐波后的电流检测值用于上述系统侧转换器的控制中。
另外,为了达成上述课题,本发明提供一种风力发电系统,其特征在于,具有:交流励磁型发电机,定子与电力系统连接;交流励磁用转换器,与该交流励磁型发电机的转子连接;涡轮,与该交流励磁型发电机的转子连接;系统侧转换器,与该交流励磁型发电机的定子和电力系统连接;控制装置,使系统侧转换器的直流部分与上述交流励磁用转换器的直流部分连接,用于对上述交流励磁用转换器与上述系统侧转换器进行控制;电流检测单元,对上述系统侧转换器的交流输入电流进行检测;以及将所检测出的电流值输入到上述控制装置的单元,上述控制装置使用所输入的电流检测值,进行电流控制,该风力发电系统的特征在于,具备:高次谐波去除用转换器,与上述系统侧转换器的交流端子连接;控制装置,用于对该高次谐波去除用转换器进行控制;对上述高次谐波去除用转换器连接点的电力系统侧交流电流进行检测的单元;将所检测出的电流值输入到上述控制装置的单元;以及从输入到上述控制装置的电流检测值中抽出特定次数高次谐波的单元,通过输出消除上述高次谐波去除用转换器所抽出的特定次数高次谐波的电流,来消除包含在系统侧转换器的交流输出电流中的特定次数高次谐波。
进而,关于本发明,在上述风力发电系统中,其特征在于,具备有源滤波器作为消除包含在系统侧转换器的交流输出电流中的特定次数高次谐波的单元,上述抽出高次谐波的单元对上述有源滤波器的连接点的电力系统侧交流电流进行检测,从所检测出的电流值中抽出高次谐波分量,运算出上述高次谐波分量的反相位的电流指令值,并输出到上述高次谐波去除用转换器。
进而,关于本发明,在上述风力发电系统中,其特征在于,上述抽出高次谐波的单元从所检测出的电流值中抽出5次或者乃至7次的高次谐波分量,运算出上述高次谐波分量的反相位的电流指令值,并输出到上述高次谐波去除用转换器。
根据本发明,可以防止由于电流控制引起的失真扩大,提高系统侧转换器的运转持续性。
附图说明
图1是系统侧转换器208-1的电流调整器ACR1以及ACR2的说明图。
图2是系统侧转换器208-1的控制结构的说明图。
图3是相位检测器THDET的说明图。
图4是风力发电装置的电路结构的说明图。
图5是系统侧转换器208-1的控制结构的说明图。
图6是风力发电装置的电路结构的说明图。
(符号说明)
100:系统的发电设备;200:风力发电装置;202:交流励磁型发电机;204:翼;206:风车控制装置;208:转换器;210:转换器控制装置;212:齿轮;214:断路器;216:互联用变压器;218:变压器(控制电源用);220、222:电磁接触器;224:交流滤波器电路;226:直流电路;228:dV/dt抑制用电抗器;230:位置检测器;232a:电压传感器;234a、234b、234c:电流传感器;Qref:无效电力指令值;Pref:有效电力指令值;Run:运转/停止指令值;VSY:系统电压检测值;ISY:系统电流;IR:转换器208-2电流;IG:转换器208-1电流;VDC:转换器直流部电压;Cd:电容器。
具体实施方式
以下,使用附图,对本发明的实施例进行说明。
〔第1实施例〕
使用图4,对本发明的一个实施例的装置结构进行说明。另外,图4用单线接线图来示出多相交流电路。
风力发电装置200经由馈电线与电力系统100连接。风力发电装置200主要包括发电机202、翼204、风车控制装置206、转换器(励磁装置)208、以及转换器控制装置210。
翼204经由齿轮212与发电机202的转子机械性地连接。发电机202的转子绕组与转换器208电连接。
风车控制装置206运算出风速检测、翼204的角度控制、发电电力指令值Pref的制作、运转/停止等指令值Run的输出、无效电力指令Qref的制作等运转指令信号OPS。
由上述风车控制装置206制作出的无效电力指令值Qref、发电电力指令值Pref、上述运转/停止指令值Run、翼角度指令值等各种运转信号OPS被传送到转换器控制装置210、翼角度变更装置。
转换器控制装置210依照指令值,调整转换器208输出的电压,对发电机202与电力系统100之间的电力(发电电力、无效电力)进行控制。
上述转换器控制装置210的电源是经由变压器218供给的。
接下来,对转换器(励磁装置)208、转换器控制装置210进行简单说明。发电机202的定子侧的3相输出经由可以通过外部信号SG1开闭的例如断路器220、系统互联用变压器216、以及断路器214与电力系统100连接。另外,互联用变压器216经由断路器222、滤波器电路224,与系统侧的转换器208-1连接。
转换器208-1的直流电路226还与转换器208-2的直流电路连接,上述转换器208-2的交流输出经由dV/dt抑制用的电抗器228与发电机202的转子绕组连接。
上述断路器214具有例如为了保持系统200而在持续电流过大时打开断路器214来使电流断路的功能、或为了使系统200完全停止而从系统100电切离而被使用。
发电机侧转换器208-2以及系统侧转换器208-1是例如使用半导体的开关元件(晶闸管、GTO、IGBT、MOS、SiC等)而构成的,具备将交流变换成直流或者将直流变换成交流的功能。
另外,在上述系统侧转换器208-1的交流输出端子中,设置有由电抗器、电容器构成的使高次谐波电流、高次谐波电压衰减的交流滤波器电路224。
发电机202的旋转部分经由齿轮212与风力发电用的叶轮204连接,接收风力而旋转。另外,在旋转部分上,连接了对旋转位置进行检测的例如编码器等位置检测器,输出转速信号ω。所检测出的转速信号ω被输入到风车控制装置206与转换器控制装置210。
接下来,对用于控制发电电力的布线以及装置进行说明。对于互联用变压器216的次级侧的三相电压以及三相电流,分别通过电压传感器232a、电流传感器234a,将其值变换成低电压的电压检测信号VSY、低电压的电流检测信号ISY,上述低电压的信号VSY以及ISY被输入到转换器控制装置210。上述转换器控制装置210根据VSY与ISY运算出系统所输出的电力,对转换器208进行控制,以使得与指令值Pref、Qref一致。
通过电压传感器,将与上述转换器208-1、208-2的直流电路226连接的电容器Cd的电压变换成低电压的直流电压信号VDC,直流电压信号VDC被输入到转换器控制装置210。
另外,通过电流传感器234b对转换器208-2的输出电流IR进行检测,通过电流传感器234c对转换器208-1的输入电流IG进行检测,电流检测值IR以及IG被传送到转换器控制装置210。
另外,转换器控制装置210分别按照信号SG1、SG2对电磁接触器220、222进行控制,并且输出对由半导体开关元件构成的转换器208-1、208-2分别进行驱动控制的脉冲信号Pl、P2。
在上述控制装置210的发电机侧转换器208-2的控制中,具备用于控制转子电流IR的电流控制系统,通过脉冲信号P2对转换器208-2进行驱动,而对电流IR进行控制。
接下来,使用图1至图3,对控制装置210的系统侧转换器208-1的控制功能进行说明。
图2示出转换器208-1的控制结构。转换器208-1具有将平滑电容器Cd的直流电压VDC控制为恒定的功能。因此,转换器208-1对系统电压VSY的相位进行检测,使用所检测出的电压相位,将电流分成有效量、无效量而进行矢量控制,与系统交换有效电力,对直流电压进行控制。
如果发电机励磁用转换器208-2使用直流电力而消耗平滑电容器Cd的能量,从而直流电压VDC降低,则系统侧转换器208-1的直流电压控制DCAVR进行动作,以使得调整有效分电流Ipn(有效电力分量)而对平滑电容器Cd进行充电,从而将直流电压VDC保持为恒定,相反地在电力变换器208-2充电直流电力而直流电压VDC上升的情况下,电力变换器208-1的直流电压控制DCAVR进行动作,以使得为了将直流电力变换成交流电力而对电力系统进行放电,调整有效分电流Ipn(有效电力分量),将直流电压VDC保持为恒定。
在转换器208-1开始运转之前,从直流电压的初始充电电路(未图示)充电直流电压VDC,之后,输出电磁接触器222的接通指令SG2,转换器208-1被连接到系统。
上述交流电压检测值VSY被输入到相位检测器THDET与3相2相变换器32TRS。上述相位检测器THDET运算出追踪系统的电压的相位信号THS(THS:将系统U相电压设为正弦波时的相位信号),将上述相位信号THS输出到3相DQ坐标变换器3DQ、2DQ、以及2相3相旋转坐标变换器DQ23。直流电压指令值VDCREF与上述直流电压检测值VD被输入到直流电压调整器DCAVR(例如由比例积分控制器PI构成)。上述直流电压调整器DCAVR以使所输入的指令值VDCREF与检测值VD的偏差成为零的方式调整输出的p轴电流指令值(有效量电流指令值)Ipnstr,并输出到电流调整器ACR2。
3相DQ坐标变换器3DQ根据所输入的电流IG,使用式(1)所示的3相2相变换式以及式(2)所示的旋转坐标变换式,运算出p轴电流检测值Ipn(有效电流)与q轴电流检测值Iqn(无效电流),将p轴电流检测值Ipn输出到电流调整器ACR2,将q轴电流检测值Iqn输出到电流调整器ACR1。另外,虽然用单线记载了图2中的电流IG,但实际上是IGU、IGV、IGW这三相交流分量。VSY也同样地是三相的信号。
此处,注脚U、V、W表示三相交流的各相,例如,将电流IG的U相电流表示为IGU。以后,电压等也是一样的(系统电压VSY的U相是VSYU等)。
上述电流调整器ACR2以使上述p轴电流指令值Ipnstr与上述p轴电流检测值Ipn的偏差成为零的方式调整输出的p轴电压指令值Vpn0,并输出到加法器300。同样地,上述电流调整器ACR1以使q轴电流指令值(=0)与上述q轴电流检测值Iqn的偏差成为零的方式调整输出的q轴电压指令值Vqn0,并输出到加法器302。此处,上述电流调整器(ACR1、ACR2)例如可以由比例积分(PI)控制器构成。
上述3相2相变换器32TRS根据所输入的电压VSY,使用式(3)所示的变换式,运算出α分量Vsα与β分量Vsβ,进而使用式(4),运算出p轴电压检测值(与系统电压矢量一致的相位分量)Vps与q轴电压检测值(与上述p轴电压检测值Vps正交的分量)Vqs,并分别输出到上述加法器300、302。
上述加法器302对上述p轴电压指令值Vpn0与上述p轴电压检测值Vps进行加法而输出到2相3相坐标变换器DQ23。同样地,上述加法器302对上述q轴电压指令值Vqn0与上述q轴电压检测值Vqs进行加法而输出到2相3相坐标变换器DQ23。
上述2相3相坐标变换器DQ23输入上述相位信号THS与上述各加法器的结果Vpn、Vqn,通过式(5)以及式(6)所示的变换式,运算出上述变换器DQ23所输出的电压指令值Vun、Vvn、Vwn,输出到脉冲运算器PWM。脉冲运算器PWM针对电压指令值Vun、Vvn、Vwn,补偿比较三角波,制作脉冲P1_U、P1_V、P1_W,而对系统侧转换器208-1进行控制。
接下来,使用图3,对上述相位检测器THDET进行说明。相位检测器THDET输入各相的系统电压VSYU、VSYV、VSYW,通过3相2相变换32TRS进行式(3)所示的计算,变换成2相的电压信号Vsα与Vsβ。旋转坐标变换器ABDQ输入上述2相信号Vsα与Vsβ,通过式(4)所示的坐标变换式,运算出Vps与Vqs。利用如果所运算出的相位THS与系统电压的U相一致则Vqs成为零的情况,对相位进行校正,以使Vqs成为零。因此,将Vqs与零进行比较而制作频率校正指令OMG0。频率校正值OMG0被输入到积分器,通过积分器THCAL进行积分,从而将频率信号OMG0变换成相位信号THS。
接下来,使用图1,对电流调整器ACR2进行说明。上述电流调整器ACR2由6次移动平均滤波器400、减法器402、比例积分(PI)控制器404构成。上述电流调整器ACR2将通过对3相DQ坐标变换器3DQ输入上述转换器208-1的输入电流IG而得到的p轴电流检测值(有效电流)Ipn输入到6次移动平均滤波器400。在上述转换器208-1的输出电流IG中,包含起因于上述发电机202的定子电压失真(5次、7次)的低次高次谐波分量,但5次是反相,7次是正相,如果进行DQ轴坐标变换,则都被变换成6次的分量,所以在p轴电流检测值Ipn上重叠6次的高次谐波分量。然后,通过将上述p轴电流检测值Ipn输入到上述6次移动平均滤波器400,从上述6次移动平均滤波器的输出中去除6次的高次谐波分量。即,电流调整器不对起因于上述发电机202的定子电压失真的、上述转换器208-1的输出电流IG的高次谐波分量(5次、7次)进行应答,所以实现了防止上述系统侧转换器208-1使电流失真扩大的情况。
关于以上的电流控制动作,对于电流调整器ACR1也是同样的,将通过对3相DQ坐标变换器3DQO1输入上述转换器208-1的输入电流IG而得到的q轴电流检测值(无效电流)Iqn输入到6次移动平均滤波器400,从而可以防止由于电流控制引起的电流失真扩大。
〔第2实施例〕
接下来,使用图5,对第二个实施例进行说明。与实施例1的差异在于,使滤波器的插入部位为电流检测值的交流分量而并非直流分量。
本实施例中,将上述转换器208-1的输出电流IG输入到BPF(带通滤波器)304与减法器306。通过将上述带通滤波器304设计成仅抽出包含在上述转换器208-1的输入电流IG中的5次、7次分量,从而不会对上述系统侧转换器208-1的电流控制输入5次、7次分量,所以可以防止由于通过转换器208-1的控制而扩大电流失真的情况。
〔第3实施例〕
使用图6,对第三个实施例进行说明。在实施例1以及实施例2中,说明了通过在上述转换器208-1的控制装置210中插入去除特定频率的滤波器,可以防止由于电流控制引起的电流失真扩大的例子,但通过如图6所示在转换器208-1的交流输入端子中,设置用于抵消起因于上述发电机202的定子电压失真而在上述转换器208-1的输入电流IG中产生的低次高次谐波(5次、7次)的有源滤波器236,也可以防止由于电流控制引起的电流失真扩大。
上述有源滤波器236由高次谐波检测电路238与转换器240构成。上述高次谐波检测电路238对上述有源滤波器236的连接点的电力系统侧交流电流进行检测,从所检测出的电流值中抽出高次谐波分量(5次、7次),运算出上述高次谐波分量的逆相位的电流指令值Icref,并输出到上述转换器240。上述转换器240按照电流指令值Icref,输出电流Ic。由此,上述系统侧转换器208-1的输入电流IG中包含的高次谐波分量(5次、7次)被抵消,可以防止由于上述系统侧转换器208-1的电流控制而引起的电流失真扩大。另外,此处,高次谐波检测电路238对上述有源滤波器236的连接点的电力系统侧交流电流进行检测,但也可以从滤波器电路224在电力系统侧中对发电机202的定子电流进行检测。
Claims (6)
1.一种风力发电系统,具备:
交流励磁型发电机,定子与电力系统连接;
交流励磁用转换器,与该交流励磁型发电机的转子连接;
涡轮,与该交流励磁型发电机的转子连接;
系统侧转换器,与该交流励磁型发电机的定子和电力系统连接;
控制装置,使系统侧转换器的直流部分与上述交流励磁用转换器的直流部分连接,用于对上述交流励磁用转换器与上述系统侧转换器进行控制;
电流检测单元,对上述系统侧转换器的交流输入电流进行检测;以及
将所检测出的电流值输入到上述控制装置的单元,
上述控制装置使用所输入的电流检测值,进行电流控制,
该风力发电系统的特征在于:
上述控制装置具备从上述系统侧转换器的输入电流检测值中去除特定次数的高次谐波分量的单元,
上述控制装置还具备将去除了高次谐波后的电流检测值用于上述系统侧转换器的控制中的单元。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统,其特征在于,具备:
将上述系统侧转换器的输入电流检测值通过旋转坐标变换而变换成直流分量的单元,
上述控制装置将变换成直流分量后的上述系统侧转换器的输入电流检测值输入到处于上述控制装置内的滤波器,从而去除包含在上述系统侧转换器的输出电流检测值中的特定次数高次谐波,将去除了特定次数高次谐波后的电流检测值用于上述系统侧转换器的控制中。
3.根据权利要求1所述的风力发电系统,其特征在于,具备:
控制单元,该控制单元具有将上述系统侧转换器的输出电流检测值输入到滤波器,从而去除包含在上述系统侧转换器的输出电流检测值中的特定次数高次谐波的单元,该控制单元将去除了特定次数高次谐波后的电流检测值用于上述系统侧转换器的控制中。
4.一种风力发电系统,具备:
交流励磁型发电机,定子与电力系统连接;
交流励磁用转换器,与该交流励磁型发电机的转子连接;
涡轮,与该交流励磁型发电机的转子连接;
系统侧转换器,与该交流励磁型发电机的定子和电力系统连接;
控制装置,使系统侧转换器的直流部分与上述交流励磁用转换器的直流部分连接,用于对上述交流励磁用转换器与上述系统侧转换器进行控制;
电流检测单元,对上述系统侧转换器的交流输入电流进行检测;以及
将所检测出的电流值输入到上述控制装置的单元,
上述控制装置使用所输入的电流检测值,进行电流控制,
该风力发电系统的特征在于,具备:
高次谐波去除用转换器,与上述系统侧转换器的交流端子连接,并被上述控制装置所控制;
对上述高次谐波去除用转换器连接点的电力系统侧交流电流进行检测的单元;
将所检测出的电流值输入到上述控制装置的单元;以及
从输入到上述控制装置的电流检测值中抽出特定次数高次谐波的单元,
通过输出消除上述高次谐波去除用转换器所抽出的特定次数高次谐波的电流,来消除包含在系统侧转换器的交流输出电流中的特定次数高次谐波。
5.根据权利要求4所述的风力发电系统,其特征在于,
具备有源滤波器作为消除包含在系统侧转换器的交流输出电流中的特定次数高次谐波的单元,上述抽出高次谐波的单元对上述有源滤波器的连接点的电力系统侧交流电流进行检测,从所检测出的电流值中抽出高次谐波分量,运算出上述高次谐波分量的反相位的电流指令值,并输出到上述高次谐波去除用转换器。
6.根据权利要求5所述的风力发电系统,其特征在于,
上述抽出高次谐波的单元从所检测出的电流值中抽出5次或者乃至7次的高次谐波分量,运算出上述高次谐波分量的反相位的电流指令值,并输出到上述高次谐波去除用转换器。
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