CN102112737A - 风力发电装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于抑制系统电压恢复时的转矩的上升并减少转矩对设备产生的负载。具有控制风车叶片的桨距角的叶片控制部(22)，在通过电力控制部(21)停止转换器(14)及逆变器(16)的工作时，叶片控制部(22)控制风车叶片的桨距角，以使发电机(6)的转速成为同步转速或同步转速以上，在通过电力控制部(21)重新开始转换器(14)及逆变器(16)的工作时，叶片控制部(22)控制风车叶片的桨距角，以使其与基于风速、所述发电机(6)的转速及要求输出中的至少任一个决定的目标桨距角一致。

Description

风力发电装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电装置及其控制方法。
背景技术
风车所关联的电力系统发生事故时，系统电压瞬间下降。系统电压下降时，在风车中会发生以下的现象。
1)发电机输出瞬时下降，因此会发生超速。
2)大电流过渡性地流向发电机。
3)大电流也过渡性地流向辅机的电动机。
对于此种现象，为了使风车安全运转，例如，通常进行使风车叶片的桨距角向顺桨侧移动的被称为顺桨变距(feathering)的控制。
另外，系统电压下降时，发电机的定子电流或转子电流增加。因此，为了抑制所述电流增加，通常使过压保护电路等工作，使发电机的转子绕组短路，而保护转换器元件等免受过电流损坏。
发明内容
然而，在上述的发电机的状态下，若系统电压恢复，则大电流对应于此时的转差率而流过且产生大转矩。
图4示出与感应电动机的转差率对应的转矩及电流的关系。如图4所示可知，转差率变大时，转矩及电流都变大。
在此，转差率是由以下的(1)式表示的参数。
转差率＝(同步转速-感应电动机转速)/同步转速(1)
转差率大于0时，感应电动机作为电动机起作用，转差率小于0时，感应电动机作为发电机(再生运转)起作用。
本发明目的在于提供一种能够抑制系统电压恢复时的转矩的上升并减少转矩对设备产生的负载的风力发电装置及其控制方法。
本发明的第一方式涉及一种风力发电装置，具备：发电机；将所述发电机转子的输出从三相交流电力转换成直流电力的转换器；将从所述转换器输出的直流电力转换成三相交流电力的逆变器；及控制所述转换器及所述逆变器的电力控制部，所述电力控制部基于所述发电机的转子电流或由所述转换器转换后的直流电压，而控制所述转换器及所述逆变器的工作的停止/重新开始，其中，具有控制风车叶片的桨距角的叶片控制部，在通过所述电力控制部停止所述转换器及所述逆变器的工作时，所述叶片控制部控制风车叶片的桨距角，以使所述发电机的转速成为同步转速或同步转速以上，在通过所述电力控制部重新开始所述转换器及所述逆变器的工作时，所述叶片控制部控制风车叶片的桨距角，以使该桨距角与基于风速、所述发电机的转速及要求输出中的至少任一个决定的目标桨距角一致。
如此，对于转换器及逆变器，不管电力系统的状态如何，而根据发电机的转子电流或由所述转换器转换后的直流电压的状态来决定工作的停止。该控制是一直以来通常进行的控制。因此，无需设置用于检测系统电压下降与否的新的传感器等，使用现有技术就能够检测系统电压的下降等。并且，在转换器等的工作停止时，叶片控制部控制风车叶片的桨距角以使发电机的转速成为同步转速或同步转速以上，因此能够防止系统电压恢复、转换器及逆变器的控制重新开始时的大转矩的产生或反负载转矩的产生。由此，能够减少转矩对设备产生的负载。
也可以是，上述风力发电装置具有过压保护电路，该过压保护电路与所述发电机的转子绕组连接，在流过该转子绕组的电流成为既定的电流阈值以上时或在由所述转换器转换后的直流电压成为既定的电压阈值以上时进行工作，使转子绕组短路，在所述过压保护电路进行工作且通过所述电力控制部停止所述转换器及所述逆变器的工作时，所述叶片控制部控制风车叶片的桨距角，以使所述发电机的转速成为同步转速或同步转速以上，在所述过压保护电路停止工作且通过所述电力控制部重新开始所述转换器及所述逆变器的工作时，所述叶片控制部控制风车叶片的桨距角，以使该桨距角与基于风速、所述发电机的转速及要求输出中的至少任一个决定的目标桨距角一致。
如此，在具有过压保护电路时，除转换器及逆变器的工作状态之外，也可以考虑过压保护电路的工作状态而切换风车叶片的桨距角控制。
本发明的第二方式涉及一种风力发电装置的控制方法，该风力发电装置具备：发电机；将所述发电机转子的输出从三相交流电力转换成直流电力的转换器；将从所述转换器输出的直流电力转换成三相交流电力的逆变器；及控制所述转换器及所述逆变器的电力控制部，所述电力控制部基于所述发电机的转子电流或由所述转换器转换后的直流电压，而控制所述转换器及所述逆变器的工作的停止/重新开始，其中，通过所述电力控制部停止所述转换器及所述逆变器的工作时，控制风车叶片的桨距角，以使所述发电机的转速成为同步转速或同步转速以上，通过所述电力控制部重新开始所述转换器及所述逆变器的工作时，控制风车叶片的桨距角，以使该桨距角与基于风速、所述发电机的转速及要求输出中的至少任一个决定的目标桨距角一致。
根据本发明，能起到抑制系统电压恢复时的转矩的上升并能够减少转矩对设备产生的负载的效果。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式的风力发电装置的整体结构的框图。
图2是示出发电机及其周边结构的一例的框图。
图3是说明本发明的一实施方式的风力发电装置的控制的流程图。
图4是示出与感应电动机的转差率对应的转矩及电流的关系的图。
标号说明
1  风力发电装置
3  机舱
5  风车叶片
6  发电机
13 电力系统
14 转换器
15 DC总线
16 逆变器
17 AC-DC-AC转换器
21 电力控制部
22 叶片控制部
27 过压保护电路
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的风力发电装置及其控制方法的一实施方式进行说明。
图1是示出本实施方式的风力发电装置的整体结构的框图。如图1所示，风力发电装置1具有：支柱2；设置在支柱2上端的机舱3；能够绕大致水平的轴线旋转而设置于机舱3的转子头4。在转子头4上绕其旋转轴线呈放射状地安装有三个风车叶片5。由此，从转子头4的旋转轴线方向吹到风车叶片5上的风力被转换成使转子头4绕旋转轴线旋转的动力，该动力通过收容在机舱3内的发电机被转换成电能。
另外，在机舱3上设有风速风向计(未图示)。风速风向计测定风速和风向。机舱3对由风速风向计测定的风速和风向进行响应而旋转。
图2是示出发电机6及其周边结构的一例的框图。在本实施方式中，发电机(感应电动机)6构成为，发电机6产生的电力能够从定子绕组及转子绕组这双方输出至电力系统13。具体来说，发电机6的定子绕组与电力系统13连接，转子绕组经由AC-DC-AC转换器17与电力系统13连接。
AC-DC-AC转换器17由转换器14、DC总线15及逆变器16构成，将从转子绕组接收到的交流电力转换成与电力系统13的频率相适合的交流电力。转换器14将转子绕组上产生的交流电力转换成直流电力，并将该直流电力向DC总线15输出。逆变器16将从DC总线15接收到的直流电力转换成与电力系统13相同频率的交流电力，并将该交流电力输出。
AC-DC-AC转换器17还具有将从电力系统13接收到的交流电力转换成与转子绕组的频率相适合的交流电力的功能，根据风力发电装置1的运转状况也使用于对转子绕组励磁。这种情况下，逆变器16将交流电力转换成直流电力，并将该直流电力向DC总线15输出。转换器14将从DC总线15接收到的直流电力转换成与转子绕组的频率相适合的交流电力，并将该交流电力向发电机5的转子绕组供给。
另外，在转子绕组上连接有用于转换器14的过电流保护的过压保护电路27。过压保护电路27在流过转子绕组的电流或DC总线15的电压超过既定的阈值时工作，通过电阻使转子绕组短路。由此使转子绕组的电流衰减，从而不使过电流流向转换器14。此外，也可以不通过电阻而进行直接短路。
另外，在将发电机5与电力系统13连接的电力线上设有对发电机5的输出电压V和输出电流I进行计测的电压/电流传感器(未图示)。该电压/电流传感器的计测值被提供给电力控制部21。
电力控制部21为了控制响应有效电力指令P*、无效电力指令Q*而输出的有效电力P和无效电力Q，而控制转换器14的功率晶体管的接通切断。具体来说，电力控制部21根据由电压/电流传感器测定的输出电压V及输出电流I，算出有效电力P和无效电力Q。然后电力控制部21生成使有效电力P与有效电力指令P*的差、及无效电力Q与无效电力指令Q*的差为0的PWM信号，并将生成的PWM信号向转换器14供给。由此，控制有效电力P和无效电力Q。
电力控制部21对发电机转子电流及DC链路电压进行监控，当所述值超过预先设定的电流阈值、电压阈值时，使过压保护电路27工作，并切断转换器14及逆变器16的开关。该控制是通常进行的控制。
如此，不是根据系统电压的状况使过压保护电路27等工作，而是根据上述发电机转子电流及DC链路电压的状况切换控制内容，因此无需为了检测系统电压下降的情况而追加新的功能或设定新的判断基准。
叶片控制部22响应桨距指令β*而控制风车叶片5的桨距角β。具体来说，叶片控制部22以使风车叶片5的桨距角β与桨距指令β*一致的方式进行控制。
接下来，参照图3对系统电压下降时的本实施方式的风力发电装置的控制方法进行说明。
首先，当系统侧发生事故等而系统电压下降时，发电机6的转子电流增加，且DC链路15的电压(换言之，由转换器14转换后的直流电压)增加。
电力控制部21判定发电机6的转子电流是否为预先设定的电流阈值以上及DC链路15的电压是否为预先设定的电压阈值以上(步骤AS1)，在所述电流及电压的至少一方超过各自的阈值时(在步骤SA1中为“是”)，使过压保护电路27工作并使转换器14及逆变器16的工作停止(步骤SA2)。
由此，过压保护电路27进行工作，通过电阻使转子绕组短路。而且，通过使转换器14及逆变器16的驱动停止，而使向电力系统13的电力供给停止。
另外，电力控制部21将使过压保护电路27工作的内容的信号向叶片控制部22输出。叶片控制部22接收到过压保护电路27的工作开始时，控制风车叶片的桨距角，以使发电机6的转速成为同步转速或同步转速以上(步骤SA3)。由此，将发电机6的转速维持成同步转速或同步转速以上。
接下来，系统电压恢复，当电力控制部21判定为转子电流成为规定的设定值以下或DC链路15的电压为规定的设定值以下时(在步骤SA4中为“是”)，电力控制部21使过压保护电路27的工作停止并使转换器14及逆变器16的驱动重新开始(步骤SA5)。
另外，电力控制部21将使过压保护电路27的工作停止的内容的信号向叶片控制部22输出。叶片控制部22接收到过压保护电路27的工作停止时，使风车叶片的桨距角控制返回通常模式(步骤SA6)。即，叶片控制部22控制风车叶片的桨距角，以使其与基于风速、发电机6的转速及要求输出中的至少任一个决定的目标桨距角一致。
如此，根据本实施方式的风力发电装置及其控制方法，在转换器14及逆变器16停止期间，控制风车叶片的桨距角以使发电机的转速成为同步转速，因此能够使系统电压恢复，并使转换器14及逆变器16开始驱动时的发电机6的转差率为0或接近0的值。
由此，能够抑制系统电压恢复时过渡性地产生的转矩的增加，能够避免转矩增加对设备的影响。尤其是能够避免转矩上升对增速机的齿轮的影响。
此外，在上述实施方式中，当转换器14及逆变器16的工作停止且过压保护电路27工作时，切换风车叶片的桨距角控制，但也可以取代这种情况，例如，当转换器14及逆变器16的工作停止或过压保护电路27工作时，控制风车叶片的桨距角以使发电机6的转速成为同步转速或同步转速以上。
另外，也可以设定使过压保护电路工作的条件与使转换器14及逆变器16的工作停止的条件不同。

Claims (3)

1.一种风力发电装置，具备：发电机；将所述发电机转子的输出从三相交流电力转换成直流电力的转换器；将从所述转换器输出的直流电力转换成三相交流电力的逆变器；及控制所述转换器及所述逆变器的电力控制部，所述电力控制部基于所述发电机的转子电流或由所述转换器转换后的直流电压，而控制所述转换器及所述逆变器的工作的停止/重新开始，其中，
具有控制风车叶片的桨距角的叶片控制部，
在通过所述电力控制部停止所述转换器及所述逆变器的工作时，所述叶片控制部控制风车叶片的桨距角，以使所述发电机的转速成为同步转速或同步转速以上，
在通过所述电力控制部重新开始所述转换器及所述逆变器的工作时，所述叶片控制部控制风车叶片的桨距角，以使该桨距角与基于风速、所述发电机的转速及要求输出中的至少任一个决定的目标桨距角一致。
2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其中，
具有过压保护电路，该过压保护电路与所述发电机的转子绕组连接，在流过该转子绕组的电流成为既定的电流阈值以上时或在由所述转换器转换后的直流电压成为既定的电压阈值以上时进行工作，使转子绕组短路，
在所述过压保护电路进行工作且通过所述电力控制部停止所述转换器及所述逆变器的工作时，所述叶片控制部控制风车叶片的桨距角，以使所述发电机的转速成为同步转速或同步转速以上，
在所述过压保护电路停止工作且通过所述电力控制部重新开始所述转换器及所述逆变器的工作时，所述叶片控制部控制风车叶片的桨距角，以使该桨距角与基于风速、所述发电机的转速及要求输出中的至少任一个决定的目标桨距角一致。
3.一种风力发电装置的控制方法，该风力发电装置具备：发电机；将所述发电机转子的输出从三相交流电力转换成直流电力的转换器；将从所述转换器输出的直流电力转换成三相交流电力的逆变器；及控制所述转换器及所述逆变器的电力控制部，所述电力控制部基于所述发电机的转子电流或由所述转换器转换后的直流电压，而控制所述转换器及所述逆变器的工作的停止/重新开始，其中，
通过所述电力控制部停止所述转换器及所述逆变器的工作时，控制风车叶片的桨距角，以使所述发电机的转速成为同步转速或同步转速以上，
通过所述电力控制部重新开始所述转换器及所述逆变器的工作时，控制风车叶片的桨距角，以使该桨距角与基于风速、所述发电机的转速及要求输出中的至少任一个决定的目标桨距角一致。
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