CN102403729A - 转换器控制系统 - Google Patents

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Abstract

风力涡轮发电机和配电网络之间耦合的转换器控制系统，包括至少两个并联的转换器模块，其由不同相脉宽调制模式启用/停用。控制装置保证转换器模块的动态开关，而不管至少一个转换器模块的启用或停用，持续地将电力发送到配电网络。

Description

转换器控制系统
技术领域
本发明涉及通过连接到公共电网的风力涡轮机发电的领域，特别是风力涡轮机和包括用于将电力输送到公共电网的电功率转换系统。
背景技术
具有可变转子速度的风力涡轮机通过电力转换器(converter)连接到公共电网(utility grid)，电力转换器将发电机(通常经由变速器耦合到叶片)生成的交流电转换为具有可调频率和振幅的直流电。
对于高功率的应用，通常都实施包括各种并联互联模块的转换器，它们允许在电网中电力传输的更大可控性。为了实现最大可能的功率，这些转换器模块中的组件都是大于一般的；因为最大化的功率仅仅在非常偶然的机会会被在电网中传输，为了保证变换器中每个工作点的恰当管理需要最优化各个模块。
特别是，在可变速度风力涡轮机的情况下，其中发电机生成的功率直接依赖于风力速度，将高品质的电力发送到配电网是复杂的过程。另外，电网变换器到配电网络的连接产生了应该被消除的谐振，因为否则的话它们将会导致风力涡轮机中的错误并带来机器停止工作。
现有技术中已知不同的策略用于启用和停用功率转换器的转换器模块，这试图解决谐振的出现从而改进转换器的效率和可靠性。
并联连接的模块化转换器的开关策略的一个例子可以参见US专利2008/0031024，其中描述了一个模块化转换器包括至少两个并联耦合并由控制装置控制的模块。该发明通过在给定时间、即基于风力和功率，连接尽可能多所需要的转换器模块，改进了由于转转器连接到电网而引起的电网上和声的影响，它通过启用或停用转换器模块以便将需要的功率发送到电网。
另一个控制策略描述在欧洲专利EP1768223中，其提出了一种使用风力涡轮机转换器系统的方法，系统包括转换器模块，模块并联连接且能够将发电机生成的电功率转换成电网适用的电功率。该方法响应于发电机生成的电功率的可变量相关的参数，例如转换器模块组件的温度、转换器系统的参考表观功率和参考有效功率、转换器系统的参考电流、发电机生成的表观功率的测量值或发送到电网的表观功率、发电机生成的或发送到电网的有效功率的测量值、发电机生成的电流的测量值或发送到电网的电流的测量值，来确定转换器模块的启用/停用。
此外，现有技术还设想了在短时间或延长的时间内断开模块的可能性并提出了通过脉宽调制(PWM)模式启用/停用转换器模块，使得两个或多个转换器彼此不同相，由此减少来自PWM的和声组件，由此改进应用到公用电网的电压信号的品质。
但是，这个方案有一个缺点：任何时候需要改变连接的转换器的数目并由此改变PWM模式设定的开关相位差时，这种开关需要停止，不同的模块必须以新的相位差重新配置，并重新连接。换句话说，向电网发送电功率需要停止，因为启用或停用一个新的转换器模块将导致出现引起过电流警报的电流波峰，而风力涡轮机将进入紧急停止模式。这些停止将导致实质性的发电损失。
发明内容
本发明提出了一种用于风力涡轮机转换器的控制系统，包括至少两个并联连接且能够将发电机生成的电功率转换为公共电网适用的电功率的转换器模块，且该系统允许根据风力速度增加或减少启用的转换器数量。
本发明的另一目标是提供一种控制方法，通过转换器模块的同步PWM连接，确保配电网络中最小程度的谐振(harmonics)。
本发明的另一目标是保证将电力发送到配电网络期间的转换器模块之间的动态开关，而不会过电流保护停止，不会因为电网需要而连接或断开不同模块而导致电压峰值(peak)。
为此，本发明包括连接到转换器和风力涡轮发电机的控制系统。
控制系统计算根据风力速度和多个预设功率参数，计算需要连接以获得给定功率的转换器的数目，从而保证最大化的转换器效率和可靠性。
由此，并且基于启用的模块的数量，确定需要启用/停用的转换器模块的数量，同时还计算用于需要保持启动的转换器模块的新的开关偏置。
控制系统通过逐步的连续方式改变控制模块的开关偏置(相位差)来重新配置启用的控制模块，保证在配电网中没有电流峰值出现。
通过以下附图和实施例的帮助将更加详细地描述本发明的这些和其他方面。
附图说明
图1示出了根据本发明的连接到风力涡轮机转换器的控制系统的实施例子。
图2A示出了没有本发明控制系统的电网电流信号的图表，图2B示出了具有本发明控制系统的电网电流信号的图表。
图3A示出了对于偏置变化对应连接的转换器模块的数量改变的电网侧电流信号的图表。
图3B示出了与之前图相关的发电机侧电流信号的图表。
具体实施方式
图1示出了转换器(1)(converter)，包括至少两个传统的转换器模块(2)，它们并联连接，转换器连接到风力涡轮发电机(3)、将转换器系统(1)的信号连接到公共电网(5)的变压器(4)和电路开关(6)。
转换器(1)中的每个转换器模块(2)包括发电机接触器(kgen)用于将发电机(3)从转换器模块(2)的电子机构断开，电感器(2.1)用于平滑发电机的电流，发电机换流器(2.2)(inverter)用于将发电机(3)的AC信号转换为DC信号，DC总线电容器(2.3)用于滤波DC信号中的异变，制动斩波器(chopper brake)(2.4)用于消除残余的电压，电网侧换流器(2.5)用于将DC信号转换为AC信号，电感器(2.6)用于与电容器一起减小施加到公共电网(5)的电压信号中的谐振。
转换器模块(2)还包括电网接触器(kgen)用于将公共电网(5)从转换器模块(2)的电子组件断开，和电路开关(2.8)用于在过电压或过电流的情况下将公共电网(5)从转换器模块(2)断开。
根据本发明，如图1所示，转换器(1)连接到控制系统(7)，控制系统(7)连接到风力涡轮发电机(3)，保证了转换器(1)的有效操作和施加到公共电网(5)的电压信号的品质。
在转换器模块(2)之前可以提供电能到公共电网(5)，它们需要从原始断开状态切换到最终完全工作状态来启用，这由控制系统(7)控制。
每个转换器模块(2)的发电机侧换流器(2.2)和电网侧换流器(2.5)通过分别向发电机侧换流器(2.2)和电网侧换流器(2.5)的栅极施加作为脉宽调制(PWM)电压信号的电启动信号来启用，并通过施加作为零电压信号的电停用信号来停用；这些是IGBT型的晶体管。
从运行状态到关闭状态变换的转换器模块(2)的持续期间，或者相反的从关闭状态到运行状态变换的持续期间可以设置为1秒和10秒之间。
为了改进转换器(1)的效率，活动的转换器模块(2)的数量需要适配于发电机(3)产生的实际电量。为此，控制系统(7)基于要产生的电流Iproducible和转换器实际电流Iconv_real(各个转换器模块的全部实际电流的总和)之间的差计算动态开关电流IDS。所述动态开关电流IDS和与风力速度相关的参数表之间的内插值将确定需要启用的转换器的数量。
为了防止总是启用/停用相同的模块(2)，控制系统(7)具有至少一个启用队列用以确定启用和/或停用转换器模块(2)的次序。此外，如果根据预设的启用队列，需要启用下一个转换器模块(2)并且它已备用，控制系统(7)将根据启用队列启用下一个转换器模块(2)。
另外，本发明的控制系统(7)通过脉宽调制(PWM)开关电网侧换流器(2.3)，由此可以减少PWM技术产生的谐振，因此保证两个或多个转换器模块(2)的脉宽调制(PWM)图样彼此不同相。这个相位差将依赖于根据发电机(1)生成的电量为保证转换器(1)的效率而需要连接的转换器模块(2)的数量。
控制系统(7)动态调整从对于给定数量的启用转换器模块(2)的相位差X到与更多或更少数量的连接转换器模块(2)的相位差Y的切换；为此，在启用或停用对应的转换器模块之前，逐渐地增加或减少连接的转换器模块之间的相位差，从而保证在逐渐相位差变化过程中的持续切换并避免必须停止将电力发送到公共电网(5)，以及防止会产生警报和导致风力涡轮机停止的电流峰值出现。
图2A和2B分别示出了具有和不具有控制系统的电网电流信号，偏移变量(相位差)90°到180°，即对于4到2个转换器模块的变化。如同从图2A的图表中可以看出的，在不具有本发明控制系统的电网电流信号中，当连接的转换器模块数量变化时，出现电流峰值，其将导致产生警报并使发电停止的过电流。图2B示出了通过安装有本发明控制系统的转换器将电流信号发送到电网，在该电流信号中没有看到电流尖峰。
如上所示，控制系统(7)检查发电机(3)产生的实际电量，基于预设的多个与存在的风力速度相关的电参数，确定(7.1)需要启用的转换器模块(2)的数量，设置(7.2)需要启用的转换器模块(2)之间的脉宽调制(PWM)相位差图样并通过斜坡信号逐渐改变(7.3)启用的转换器模块(2)之间的相位差直到计算中确定的调制图样的相位差被达到(参见图3A和3B)。

Claims (5)

1.一种风力涡轮发电机和公共电网之间耦合的转换器控制电路，具有至少两个并联连接并由不同相脉宽调制图样启用/停用的转换器模块，其特征在于，该控制系统(7)动态地启用或停用至少一个转换器模块(2)而不会从公共电网(5)断开转换器(1)，从而保持发送到公共电网(5)的电力品质恒定且没有显著改变。
2.根据权利要求1所述的转换器控制系统，其特征在于，该控制系统通过脉宽调制图样改变启用的转换器模块(2)的数量，脉宽调制图样逐渐并持续地改变启用的模块的开关相位差，直到达到转换器模块(2)新的开关相位差，并且保证通过模块(2)之间相位差的逐渐变化进行的开关。
3.根据权利要求1所述的转换器控制系统，其特征在于，该控制系统基于发电机(3)产生的实际电量和与现有风力速度相关的多个预设参数来确定启用/停用的转换器模块(2)的数量。
4.根据权利要求1所述的转换器控制系统，其特征在于，该控制系统确定转换器模块的至少一个启用/停用队列，其设置转换器模块(2)将被启用/停用的次序。
5.根据权利要求1所述的转换器控制系统，其特征在于，该控制系统连接在风力涡轮发电机(3)和转换器(1)之间。
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