CN102108942B - 风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电系统及其控制方法，在交流励磁型发电机中，根据系统电压与定子电压的比较来推定是否有同步断路器故障，在有故障的情况下停止电力变换器的工作，由此防止由同步断路器故障造成的过电流和过电压。在交流励磁型风力发电系统的断路器发生了故障的情况下，检测断路器的故障并停止转换器的工作，由此保护交流励磁型风力发电系统不受过电流和过电压伤害的装置及其控制方法，其特征在于：具备根据断路器的工作信号和定子电压、系统电压判断故障的故障检测单元，在检测出断路器故障的情况下，停止系统侧转换器以及励磁用转换器的工作。

Description

风力发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于在交流励磁型风力发电系统的同步断路器发生故障的情况下，检测同步断路器的故障并停止转换器(converter)的工作，由此保护交流励磁型风力发电系统不受过电流和过电压伤害的装置及其控制方法。

背景技术

发电装置中使用的交流励磁型发电机使用转换器以转差频率(slipfrequency)(系统频率与旋转频率的差)对转子线圈进行交流励磁，由此能够利用转子的励磁使定子侧产生的电压具有与系统频率相同的频率。并且，具有通过使转子的励磁频率(转差频率)可变而能够使风车的转速可变，并且能够使电力变换器(電力変換器)的容量小于发电机的容量等优点。

但是，在交流励磁型发电机的同步断路器存在故障的情况下，发电机的工作模式与断路器的开关状态不一致，由于定子过电压和转子过电流的影响，出现断路器之外的设备也产生故障的问题。

在专利文献1中，揭示了将系统电压和发电机的定子电压用于同步断路器闭合的判断，但没有用于同步断路器的故障判断的先例。

专利文献1：日本特开2009-27766号公报

发明内容

本发明中要解决的问题在于提供一种在交流励磁型风力发电系统的同步断路器发生了故障的情况下，通过检测故障来停止转换器的工作，保护系统整体不受过电流和过电压伤害的风力发电系统及其控制方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种风力发电系统，经由断路器将交流励磁型发电机的定子连接到电力系统，在该交流励磁型发电机的转子上连接交流励磁用转换器，将该交流励磁型发电机的转子连接到涡轮轮，以使用涡轮的动力使转子旋转，该风力发电系统具备：系统侧转换器，连接到该交流励磁型发电机的定子和电力系统；控制装置，将该系统侧转换器的直流部分连接到所述交流励磁用转换器的直流部分，用于控制所述交流励磁用转换器和所述系统侧转换器；以及单元，通过由该控制装置控制所述交流励磁用转换器使所述交流励磁型发电机的定子电压与系统电压同步后闭合断路器；在该风力发电系统中，所述控制装置具备根据所述断路器的工作信号和定子电压、系统电压判断故障的故障检测单元，在检测出所述断路器的故障的情况下，停止所述系统侧转换器以及所述励磁用转换器的工作。

进而，本发明的特征在于在风力发电系统中，所述控制装置具有发送用于开关所述断路器的断路器开关信号的单元，所述断路器具有发送用于向所述控制装置通知已经从所述控制装置接受断路器开关信号的开关状态信号的单元。

进而，本发明的特征在于在风力发电系统中，所述控制装置具有检测系统电压和定子电压的单元，以及取得该系统电压与该定子电压的差的单元，并具有在该系统电压与该定子电压的差超过指定值的情况下判断为所述断路器的故障的功能。

进而，本发明的特征在于在风力发电系统中，所述控制装置具有在对于所述断路器开关信号所述开关状态信号在指定时间后未返回的情况下，判断为所述断路器的故障的单元。

进而，本发明的特征在于在风力发电系统中，所述控制装置在检测出所述断路器的故障的情况下将发生故障这一情况显示在监视器装置上。

另外，为了解决上述问题，本发明提供一种风力发电系统的控制方法，该风力发电系统经由断路器将交流励磁型发电机的定子连接到电力系统，在该交流励磁型发电机的转子上连接交流励磁用转换器，将该交流励磁型发电机的转子连接到涡轮，以使用涡轮的动力使转子旋转，该风力发电系统具备：系统侧转换器，连接到该交流励磁型发电机的定子和电力系统；控制装置，将该系统侧转换器的直流部分连接到所述交流励磁用转换器的直流部分，用于控制所述交流励磁用转换器和所述系统侧转换器；以及单元，通过由该控制装置控制所述交流励磁用转换器使所述交流励磁型发电机的定子电压与系统电压同步后闭合断路器；在该风力发电系统的控制方法中，所述控制装置具备根据所述断路器的工作信号和定子电压、系统电压判断故障的故障检测单元，在检测出所述断路器的故障的情况下，停止所述系统侧转换器以及所述励磁用转换器的工作。

进而，本发明的特征在于在风力发电系统的控制方法中，所述控制装置具有发送用于开关所述断路器的断路器开关信号的单元，所述断路器具有发送用于向所述控制装置通知已经从所述控制装置接受断路器开关信号的开关状态信号的单元。

进而，本发明的特征在于在风力发电系统的控制方法中，所述控制装置具有检测系统电压和定子电压的单元，以及取得该系统电压与该定子电压的差的单元，并具有在该系统电压与该定子电压的差超过指定值的情况下判断为所述断路器的故障的功能。

进而，本发明的特征在于在风力发电系统的控制方法中，所述控制装置具有在对于所述断路器开关信号所述开关状态信号在指定时间后未返回的情况下，判断为所述断路器的故障的单元。

(发明效果)

根据本发明，能够提供一种防止由同步断路器故障造成的过电流和过电压的交流励磁型风力发电系统及其控制方法。

附图说明

图1是风力发电装置的电路结构。

图2是系统侧转换器208-1的控制结构。

图3是发电机侧转换器208-2的控制结构。

图4是相位检测器THDET的说明图。

图5是切换器SW的说明图。

图6是断路器220的动作情况的说明图。

图7是断路器220的动作情况1至4的流程图。

图8是断路器220的动作情况5至8的流程图。

图9是监视器装置700的说明图。

符号说明：

100电力系统；200风力发电装置；202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；214，220，222断路器；216联结用变压器；218变压器(控制电源用)；224交流滤波器电路；226直流电路；228dV/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工作/停止指令值；VSY电压检测值；ISY电流检测值；IR，IG输出电流；VDC直流电压信号；Cd电容器；SG1，SG2开关指令信号；SG3开关状态信号。

具体实施方式

使用图1说明本发明的一个实施例的装置结构。此外，图1是用单线连接图表示多相交流电路的图。

风力发电装置200经由送电线连接到电力系统100。风力发电装置200主要由交流励磁型的发电机202、翼204、风车控制装置206、转换器(励磁装置)208、转换器控制装置210构成。

翼204经由齿轮212机械连接到发电机202的转子。发电机202的转子线圈电连接到转换器208。

风车控制装置206进行风速检测、翼204的角度控制、有效电力指令值Pref的生成、工作/停止等指令值Run的输出、无效电力指令值Qref等的工作指令信号OPS的运算。

所述风车控制装置206生成的无效电力指令值Qref、有效电力指令值Pref、所述工作/停止指令值Run、翼角度指令值等各种工作信号OPS被传输到转换器控制装置210以及翼角度改变装置。

转换器控制装置210按照指令值调整转换器208的输出电压，控制发电机202与电力系统100之间的电力(发电电力，无效电力)。

所述转换器控制装置210的电源经由变压器218供应。

下面，简单说明转换器(励磁装置)208和转换器控制装置210。发电机202的定子侧的三相输出经由可通过外部信号SG1开关的例如断路器220、系统联结用变压器216和断路器214连接到电力系统100。另外，系统联结用变压器216经由断路器222、交流滤波器电路224连接到系统侧转换器208-1。

转换器208-1的直流电路226还连接到转换器208-2的直流电路，所述转换器208-2的交流输出经由用于抑制dV/dt的电抗器(reactor)228连接到发电机202的转子线圈。

所述断路器214例如用于为保护风力发电装置200而在电流持续过大时断开断路器214以截断电流，或者使风力发电装置200完全停止并从系统100电分离。

发电机侧转换器208-2以及系统侧转换器208-1例如使用半导体开关元件(晶闸管(thyristor)，GTO，IGBT，MOS，SiC等)构成，具有将交流转换为直流或将直流转换为交流的功能。

另外，所述系统侧转换器208-1的交流输入端子上，设置有由电抗器或电容器构成的，使高次谐波电流、高次谐波电压发生衰减的交流滤波器电路224。

发电机202的旋转部分上，经由齿轮212连接有风力发电用的翼204，受到风的作用力而旋转。另外，旋转部分上连接有检测旋转位置的例如编码器等位置检测器，输出转速信号ω。检测出的转速信号ω输入到风车控制装置206和转换器控制装置210。

接着，说明用于控制发电电力的线路以及装置。对于联结用变压器216的二次侧的三相电压以及三相电流，分别利用电压传感器232a，电流传感器234a将其值转换为低电压的系统电压检测值VSY、低电压的电流检测值ISY，所述低电压的系统电压检测值VSY以及电流检测值ISY被输入转换器控制装置210。所述转换器控制装置210根据系统电压检测值VSY和电流检测值ISY计算系统输出的电力，控制转换器208以与有效电力指令值Pref、无效电力指令值Qref一致。

连接到所述转换器208-1、208-2的直流电路226的电容器Cd的电压利用电压传感器转换为低电压的直流电压信号VDC，直流电压信号VDC被输入转换器控制装置210。

另外，利用电流传感器234d检测转换器208-2的输出电流IR，利用电流传感器234c检测转换器208-1的输入电流IG，输出电流IR以及输入电流IG被传输到转换器控制装置210。

另外，转换器控制装置210分别使用开关指令信号SG1、SG2控制断路器220、222，另外，输出分别驱动控制由半导体开关元件构成的转换器208-1、208-2的脉冲信号P1、P2。

所述控制装置210的发电机侧转换器208-2的控制具有用于控制输出电流IR的电流控制系统，使用脉冲信号P2驱动转换器208-2，控制输出电流IR。

接着，使用图2至图3说明控制装置210的系统侧转换器208-1的控制功能。

图2表示转换器208-1的控制结构。转换器208-1具有将平滑电容器Cd的直流电压信号VDC控制为恒定的功能。为此，转换器208-1检测系统电压检测值VSY的相位，使用检测出的电压相位区分有效成分和无效成分对电流进行向量控制，以和系统交换有效电力，控制直流电压。

若发电机励磁用转换器208-2使用直流电力消耗平滑电容器Cd的能量并使直流电压信号VDC下降，则系统侧转换器208-1的直流电压控制DCAVR调整有效电流Ipn(有效电力成分)，对平滑电容器Cd进行充电，以使直流电压信号VDC保持恒定，相反，在电力变换器208-2对直流电力进行充电，直流电压信号VDC上升的情况下，电力变换器208-1的直流电压控制DCAVR为了将直流电力转换为交流电力并向电力系统放电而调整有效电流Ipn(有效电力成分)，以使直流电压信号VDC保持恒定。

在转换器208-1开始工作之前，从直流电压的初始充电电路(未图示)对直流电压信号VDC充电，随后，作为断路器222的闭合指令的开关指令信号SG2被输出，转换器208-1被连接到系统。

所述系统电压检测值VSY被输入到相位检测器THDET和三相二相变换器32TRS。所述相位检测器THDET计算跟踪系统电压的相位信号THS(THS：系统U相电压为正弦波时的相位信号)，将所述相位信号THS输出到三相DQ坐标变换器3DQ、2DQ、二相三相旋转坐标变换器DQ23。

直流电压指令值VDCREF与所述直流电压信号VDC被输入到直流电压调整器DCAVR(例如利用比例积分控制器PI构成)。所述直流电压调整器DCAVR以使输入的指令值VDCREF与直流电压信号VDC的偏差达到零的方式调整输出的p轴电流指令值(有效电流指令值)Ipnstr，并输出到电流调整器ACR2。

三相DQ坐标变换器3DQ根据输入的输入电流IG，使用(数学式1)所示的三相二相转换式以及(数学式2)所示的旋转坐标转换式，计算p轴电流检测值Ipn(有效电流)和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。此外，图2中的输入电流IG虽然用单线描绘，但实际上是IGU，IGV，IGW的三相交流成分。系统电压检测值VSY同样也是三相信号。

此处，附加文字U、V、W表示三相交流的各相，例如，输入电流IG的U相电流记作IGU。以后电压等也是同样(系统电压检测值VSY的U相为VSYU等)。

数学式1

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{In\α}\\ \mathrm{In\β}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(0\right)& \cos (2\mathrm{\π}/3)& \cos (4\mathrm{\π}/3)\\ \sin \left(0\right)& \sin (2\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{IGU}\\ \mathrm{IGV}\\ \mathrm{IGW}\end{array}\right)$ …(数1)

数学式2

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ipn}\\ \mathrm{Iqn}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sin \left(\mathrm{THS}\right)& -\cos \left(\mathrm{THS}\right)\\ \cos \left(\mathrm{THS}\right)& \sin \left(\mathrm{THS}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{In\α}\\ \mathrm{In\β}\end{array}\right)$ …(数2)

所述电流调整器ACR2以使所述p轴电流指令值Ipnstr与所述p轴电流检测值Ipn的偏差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，所述电流调整器ACR1以使q轴电流指令值(＝0)与所述q轴电流检测值Iqn的偏差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，所述电流调整器(ACR1，ACR2)例如能够利用比例积分(PI)控制器构成。

所述三相二相变换器32TRS根据输入的系统电压检测值VSY，使用(数学式3)所示的转换式，计算α成分Vsα和β成分Vsβ，进而使用(数学式4)计算p轴电压检测值(与系统电压向量一致的相位成分)Vps和q轴电压检测值(与所述p轴电压检测值Vps垂直的成分)Vqs，分别输出到所述加法器300，302。

数学式3

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vs\α}\\ \mathrm{Vs\β}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(0\right)& \cos (2\mathrm{\π}/3)& \cos (4\mathrm{\π}/3)\\ \sin \left(0\right)& \sin (2\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{VSYU}\\ \mathrm{VSYV}\\ \mathrm{VSYW}\end{array}\right)$ …(数3)

数学式4

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vps}\\ \mathrm{Vqs}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sin \left(\mathrm{THS}\right)& -\cos \left(\mathrm{THS}\right)\\ \cos \left(\mathrm{THS}\right)& \sin \left(\mathrm{THS}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vs\α}\\ \mathrm{Vs\β}\end{array}\right)$ …(数4)

所述加法器302将所述p轴电压指令值Vpn0和所述p轴电压检测值Vps相加并输出到二相三相坐标变换器DQ23。同样，所述加法器302将所述q轴电压指令值Vqn0和所述q轴电压检测值Vqs相加并输出到二相三相坐标变换器DQ23。

所述二相三相坐标变换器DQ23输入所述相位信号THS和所述各加法器的结果Vpn、Vqn，利用(数学式5)以及(数学式6)所示的转换式计算所述变换器DQ23输出的电压指令值Vun、Vvn、Vwn，并输出到脉冲计算器PWM。脉冲计算器PWM对电压指令值Vun、Vvn、Vwn进行三角波代偿比较，生成脉冲P1_U、P1_V、P1_W，控制系统侧转换器208-1。

数学式5

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\sin \left(\mathrm{THS}\right)& \cos \left(\mathrm{THS}\right)\\ -\cos \left(\mathrm{THS}\right)& \sin \left(\mathrm{THS}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vpn}\\ \mathrm{Vqn}\end{array}\right)$ …(数5)

数学式6

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vun}\\ \mathrm{Vvn}\\ \mathrm{Vwn}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(0\right)& \sin \left(0\right)\\ \cos (2\mathrm{\π}/3)& \sin (2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (4\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)$ …(数6)

接着，使用图3说明控制装置210的系统侧转换器208-1的控制功能。

表示发电机202的转速以及位置的转速信号ω被输入到旋转相位检测器ROTDET。旋转相位检测器ROTDET对转速信号ω的脉冲进行计数并转换为相位信号，并且按照一次旋转一次脉冲(例如在ABZ方式的编码器中是Z相脉冲)将相位信号重置为0，将0至360度的相位信号RTH输出到加法器400。

相位信号RTH与同步控制器SYNC的输出相位信号LTH由加法器400相加后成为相位信号TH，相位信号TH和所述相位信号THS(在转换器208-1的控制中进行了说明)一起输入到励磁相位计算器SLDET。

所述励磁相位计算器SLDET将所述相位信号TH与THS相减，进而进行发电机的极对数k倍(THR＝THS-k×TH)换算并输出发电机转子的电角频率的相位信号THR。

电力计算器PQCAL利用与前述数学式1相同的转换矩阵转换电流检测值ISY，输入得到的α轴电流Isα和β轴电流Isβ，以及利用所述式3计算的α轴电压检测值Vsα和β轴电压检测值Vsβ，利用数学式7计算系统的有效电力Ps和无效电力Qs。

数学式7

Ps＝3(Vsα×Isα+Vsβ×Isβ)/2

Qs＝3(-Vsα×Isβ+Vsβ×Isα)/2             …(数7)

有效电力调整器APR输入有效电力Ps和风力发电装置的有效电力指令Pref，以使所述有效电力指令值Pref与所述电力检测值Ps的偏差为零的方式输出输出的有效电流指令值Ip0。此处，使用有效电力指令的例子进行了说明，在扭矩指令的情况下，可以在扭矩指令上乘以发电机的转速，转换为有效电力指令并进行控制。有效电力控制与扭矩控制不同，即使转速发生变化也能不受其影响地将输出电力控制为恒定。

另外，无效电力调整器AQR输入无效电力检测值Qs和风力发电装置的无效电力指令值Qref，以使所述无效电力指令值Qref与所述无效电力检测值Qs的偏差为零的方式输出输出的励磁电流指令值Iq0。此处，所述电力调整器APR、AQR例如能够利用比例积分器构成。

所述有效/无效电力调整器的各个输出的电流指令值Ip0以及Iq0被输入到切换器SW。

接着，说明电压调整器AVR。电压调整器AVR将发电机定子电压VST的振幅值Vpk作为反馈值，将系统电压检测值VSY的振幅值通过滤波器FIL后的值Vref作为指令值输入，将使所述发电机VST的振幅值与所述指令值的偏差为零的励磁电流指令值Iq1输出到所述切换器SW。此处，所述电压调整器AVR例如能够利用比例积分控制器构成。该电压调整器AVR为了使断路器220以开状态工作，使发电机202的定子电压的振幅值与系统电压的振幅值一致，调整从转换器208-2流至发电机202的二次侧的励磁电流指令值。

接着，使用图4说明所述相位检测器THDET。相位检测器THDET输入系统电压检测值VSY，由三相二相变换32TRS进行(数学式3)所示的计算，转换为二相的电压信号Vsα和Vsβ。旋转坐标变换器ABDQ输入所述二相信号Vsα和Vsβ，通过(数学式4)所示的坐标转换式计算Vps和Vqs。利用若计算出的相位THS与系统电压的U相一致则Vqs达到零这一点，以使Vqs达到零的方式校正相位。因此，将Vqs与零相比较以生成频率校正指令OMG0。频率校正值OMG0被输入到积分器，由积分器THCAL进行积分，由此将频率信号OMG0转换为相位信号THS。

图5表示切换器SW的结构。SW决定输出如下工作模式中的任一个，即：使用所述电力调整器APR以及AQR的输出(Ip0以及Iq0)的通常发电工作模式，和有效电流指令值使用零、励磁电流指令值使用电压调整器的输出Iq1的系统同步工作模式。

切换器SW在断路器220闭合前(即，使发电机定子电压与系统电压同步的电压同步工作时，闭合信号SG0＝″b″)，有效电流指令值Ipr_r使用零、励磁电流指令值Iqr_r使用电压调整器的输出Iq1，从闭合断路器220开始(闭合信号SG0＝″a″的状态)，选择各电力调整器APR、AQR的输出Ip0、Iq0。

另外，同步控制器SYNC具有如下功能：即，在断路器220为打开状态时，根据所述系统电压检测值VSY和所述发电机定子电压检测值VST，判断发电机的电压振幅是否同步的功能；以及在系统电压与定子电压的相位不同的情况下，输出用于对其进行校正的相位校正信号LTH的功能；和判断系统电压与定子电压的相位是否进入指定范围、达到同步的功能；并输出断路器的工作信号SG1和控制切换信号SG0。利用信号SG1断路器220成为关闭状态时，所述相位校正信号LTH保持此时的值。

利用该同步控制器的功能，发电机202在连接到系统之前能够与系统电压同步，并且，在连接到系统之后能够迅速地将控制切换为电力控制。

三相旋转坐标变换器3DQ04根据输入的输出电流IR以及转子的相位THR，使用数学式8以及数学式9所示的转换式，计算q轴电流检测值Iqr(励磁电流成分)和p轴电流检测值Ipr(有效电流成分)，将q轴电流检测值Iqr输出到电流调整器ACR4，将p轴电流检测值Ipr输出到电流调整器ACR3。

数学式8

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ir\α}\\ \mathrm{Ir\β}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(0\right)& \cos (2\mathrm{\π}/3)& \cos (4\mathrm{\π}/3)\\ \sin \left(0\right)& \sin (2\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iru}\\ \mathrm{Irv}\\ \mathrm{Irw}\end{array}\right)$ …(数8)

数学式9

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ipr}\\ \mathrm{Iqr}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{THR}\right)& \sin \left(\mathrm{THR}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{THR}\right)& \cos \left(\mathrm{THR}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Ir\α}\\ \mathrm{Ir\β}\end{array}\right)$ …(数9)

所述电流调整器ACR4以使所述q轴电流指令值Iq1或Iq0与所述q轴电流检测值Iqr的偏差为零的方式调整输出的q轴电压指令值Vqr。同样，所述电流调整器ACR3以使所述p轴电流指令值Ip1或Ip0与所述p轴电流检测值Ipr的偏差为零的方式调整输出的p轴电压指令值Vpr。此处，所述电流调整器能够利用例如比例积分器构成。

所述p轴电压指令值Vpr和所述q轴电压检测值Vqr输入到二相三相旋转坐标变换器DQ23-02，所述二相三相坐标变换器DQ23-02根据所述相位信号THR和所述各输入值，利用数学式10以及数学式11所示的转换式计算所述变换器DQ23-02输出的电压指令值Vur、Vvr、Vwr，输出到脉冲计算器PWM2。

数学式10

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{THR}\right)& \sin \left(\mathrm{THR}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{THR}\right)& \cos \left(\mathrm{THR}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vpr}\\ \mathrm{Vqr}\end{array}\right)$ …(数10)

数学式11

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vur}\\ \mathrm{Vvr}\\ \mathrm{Vwr}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(0\right)& \sin \left(0\right)\\ \cos (2\mathrm{\π}/3)& \sin (2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (4\mathrm{\π}/3)& \sin (4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Va}\\ \mathrm{Vb}\end{array}\right)$ …(数11)

所述脉冲计算器PWM2根据输入的电压指令Vur、Vvr、Vwr，利用脉冲宽度调制方式计算打开或关闭构成所述转换器208-2的半导体元件的门(gate)信号P2，并输出到所述转换器208-2。

接着，使用图6说明断路器220的工作情况。

断路器220由来自转换器控制装置210的开关指令信号SG1控制，并且，所述断路器220将表示接受了开关指令信号SG1的开关状态信号SG3传递给所述转换器控制装置210。所述转换器控制装置210使用来自所述断路器220的开关状态信号SG3决定发电机的工作状态。此时，来自转换器控制装置210的开关指令信号SG1，断路器220的实际开关状态，与来自断路器220的开关状态信号SG3一致的状态为正常状态。在正常状态下，若来自断路器220的开关状态信号SG3为开，则意味着发电机202正在发电(发电模式)，若来自断路器220的开关状态信号SG3为关，则意味着发电机202处于发电待机中(待机模式)。即，为了转至发电模式，必须满足开关指令信号SG1为开信号，并且开关状态信号SG3为开信号的条件。

但是，在例如由于来自转换器控制装置210的开关指令信号SG1中混入了噪声(noise)，或者断路器220发生故障等原因，来自所述转换器控制装置210的开关指令信号SG1，断路器220的实际开关状态，与来自断路器220的开关状态信号SG3不一致的情况下，风力发电装置200中有可能存在故障位置，必须停止转换器208-1以及208-2的工作，以保护所述风力发电装置200整体。

接着，使用图7以及图8说明断路器220的工作故障和风力发电装置200的保护方法。来自所述断路器220的开关指令信号SG1，断路器220的实际开关状态，与来自断路器220的开关状态信号SG3的组合有8种情况。

其中，情况1及5是来自所述转换器控制装置210的开关指令信号SG1，断路器220的实际开关状态，与来自断路器220的开关状态信号SG3一致，风力发电装置200正常工作的状态。

图7表示情况1至情况4的流程图。

情况2中，按照开关指令信号SG1的开信号所述断路器220变为开，但开关状态信号SG3为关，即，不转至发电模式。此时，若定子电压或系统电压的获取中产生传感器误差，则为使定子电压与系统电压一致所述转换器208-2的电压控制会扩大传感器误差，有达到过电流的危险。在此情况下，对开关指令信号SG1与开关状态信号SG3的不一致观察指定时间t_judge，若开关状态信号SG3未变为开，则作为断路器220故障停止所述转换器208-1以及208-2的工作，由此保护所述风力发电装置200。

情况3是对于开关指令信号SG1的开信号所述断路器220保持为关，但开关状态信号SG3为开，即，转至发电模式的情况。此时，所述转换器208-2持续对所述发电机202供应励磁电流，并且，所述电力系统100与所述发电机202分离，因此所述发电机202的定子电压持续上升，有达到过电压的危险。在此情况下，观测系统电压与定子电压的差，若该差超过了某个判断值V_judge，则作为断路器220故障停止所述转换器208-1以及208-2的工作，由此保护所述风力发电装置200。

情况4是对于开关指令信号SG1的开信号所述断路器220保持为关，并且开关状态信号SG3为关，即，不转至发电模式的情况。在此情况下，虽然所述断路器220存在故障的可能性，但所述电力系统100与所述发电机202分离，并且开关状态信号SG3为关，所以不转至发电模式。因此，不存在过电流或过电压的危险。在对于开关指令信号SG1的开信号，开关状态信号SG3的开信号在某个时间t_judge后未返回的情况下，作为断路器220故障停止所述转换器208-1以及208-2的工作，进行所述断路器220的检查。

图8表示情况5至情况8的流程图。

情况6是对于开关指令信号SG1的关信号所述断路器220为关，但开关状态信号SG3保持为开的情况。此时，由于开关状态信号SG3为开，所以继续发电模式。因此，所述转换器208-2持续对所述发电机202供应励磁电流，并且，所述电力系统100与所述发电机202分离，因此所述发电机202的定子电压持续上升，有达到过电压的危险。在此情况下，观测系统电压与定子电压的差，若该差超过了某个判断值，则作为断路器220故障停止所述转换器208-1以及208-2的工作，由此保护所述风力发电装置200。

情况7是对于开关指令信号SG1的关信号所述断路器220保持为开，开关状态信号SG3变为关的情况。由于开关状态信号SG3为关，所以从发电模式转至待机模式，由于所述断路器220保持为开，所以控制使得定子电压与系统电压一致。此时，若定子电压或系统电压的获取中产生传感器误差，则为使定子电压与系统电压一致所述转换器208-2的电压控制会扩大传感器误差，有达到过电流的危险。在此情况下，观测系统电压与定子电压的差，若该差在某个判断值以内持续了指定时间t_judge，则作为断路器220故障停止所述转换器208-1以及208-2的工作，由此保护所述风力发电装置200。

情况8是对于开关指令信号SG1的关信号所述断路器220保持为开，开关状态信号SG3也为开，即继续发电模式的情况。此时，虽然开关指令信号SG1传送关信号，但开关状态信号SG3为开，因此持续维持发电模式。这样，虽然控制为发电模式，但上层侧的控制使指令值为零，输出了使开关指令信号SG1为关的指令，因此发电指令不输入的时间持续。在对于开关指令信号SG1的关信号，开关状态信号SG3的关信号在某个时间后未返回的情况下，作为断路器220故障停止所述转换器208-1以及208-2的工作，进行所述断路器220的检查。

接着，使用图9说明所述断路器220的故障判断结果的显示。

在情况2至情况4以及情况6至情况8中，由于所述断路器220的故障停止所述转换器208-1以及208-2的工作时，将所述断路器220的断路器故障判断结果显示在监视器装置700上，由此能够明确故障位置，易于进行检查、修理和更换。

Claims (9)

1.一种风力发电系统，经由断路器将交流励磁型发电机的定子连接到电力系统，在该交流励磁型发电机的转子上连接交流励磁用转换器，将该交流励磁型发电机的转子连接到涡轮，以利用涡轮的动力使转子旋转，该风力发电系统具备：

系统侧转换器，连接到该交流励磁型发电机的定子和电力系统；

控制装置，将该系统侧转换器的直流部分连接到所述交流励磁用转换器的直流部分，并且用于控制所述交流励磁用转换器和所述系统侧转换器；以及

通过由该控制装置控制所述交流励磁用转换器使所述交流励磁型发电机的定子电压与系统电压同步后闭合断路器的单元；其中，

所述控制装置具备根据所述断路器的工作信号和定子电压、系统电压判断故障的故障检测单元，在检测出所述断路器的故障的情况下，停止所述系统侧转换器以及所述励磁用转换器的运转。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于：

所述控制装置具有发送断路器开关信号的单元，所述断路器开关信号用于开关所述断路器，所述断路器具有发送开关状态信号的单元，所述开关状态信号用于向所述控制装置通知已经从所述控制装置接受了断路器开关信号。

3.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于：

所述控制装置具有检测系统电压和定子电压的单元、以及取得该系统电压与该定子电压的差的单元，并具有在该系统电压与该定子电压的差超过指定值的情况下判断为所述断路器的故障的功能。

4.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于：

所述控制装置具有在对于所述断路器开关信号所述开关状态信号在指定时间后未返回的情况下，判断为所述断路器的故障的单元。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的风力发电系统，其特征在于：

所述控制装置在检测出所述断路器的故障的情况下将发生故障这一情况显示在监视器装置上。

6.一种风力发电系统的控制方法，该风力发电系统经由断路器将交流励磁型发电机的定子连接到电力系统，在该交流励磁型发电机的转子上连接交流励磁用转换器，将该交流励磁型发电机的转子连接到涡轮，以利用涡轮的动力使转子旋转，该风力发电系统具备：

系统侧转换器，连接到该交流励磁型发电机的定子和电力系统；

控制装置，将该系统侧转换器的直流部分连接到所述交流励磁用转换器的直流部分，并且用于控制所述交流励磁用转换器和所述系统侧转换器；以及

通过由该控制装置控制所述交流励磁用转换器使所述交流励磁型发电机的定子电压与系统电压同步后闭合断路器的单元；在该风力发电系统的控制方法中，

所述控制装置具备根据所述断路器的工作信号和定子电压、系统电压判断故障的故障检测单元，在检测出所述断路器的故障的情况下，停止所述系统侧转换器以及所述励磁用转换器的工作。

7.根据权利要求6所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于：

所述控制装置具有发送断路器开关信号的单元，所述断路器开关信号用于开关所述断路器，所述断路器具有发送开关状态信号的单元，所述开关状态信号用于向所述控制装置通知已经从所述控制装置接受了断路器开关信号。

8.根据权利要求6所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于：

所述控制装置具有检测系统电压和定子电压的单元、以及取得该系统电压与该定子电压的差的单元，并具有在该系统电压与该定子电压的差超过指定值的情况下判断为所述断路器的故障的功能。

9.根据权利要求7所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于：

所述控制装置具有在对于所述断路器开关信号所述开关状态信号在指定时间后未返回的情况下，判断为所述断路器的故障的单元。

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