CN103001245B - 风力发电机及在电网故障后将变压器连接到电网的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风力发电机。所述风力发电机包括变压器,所述变压器具有低压侧和高压侧。所述变压器经配置以将所述变压器的所述低压侧的电压提升到外部电网的电压。所述风力发电机进一步包括发电单元,所述发电单元连接到所述变压器的所述低压侧,且经配置以将交流电馈送到所述变压器的所述低压侧。所述风力发电机的充电装置连接到所述变压器的所述低压侧,且经配置以在发电机未将交流电馈送到所述变压器的所述低压侧时,对所述变压器的所述低压侧充电。

Description

风力发电机及在电网故障后将变压器连接到电网的方法
技术领域
[0001] 本发明大体涉及用于风力发电机的方法和系统,确切地说,涉及用于保护风力发 电机和风场在电网恢复后免受浪涌电流(inrushcurrent)的方法和系统。
背景技术
[0002] -般而言,风力发电机包括涡轮机,所述涡轮机具有转子,所述转子包括具有多片 叶片的可旋转轮毂组件。所述叶片将风能转变成机械转动扭矩,使得通过转子驱动一个或 多个发电机。发电机有时通过齿轮箱以可旋转的方式连接到转子,但并非总是如此。齿轮 箱提升转子固有的低旋转速度,以使发电机有效地将旋转机械能转换成电能,电能经由至 少一个电气连接馈送到公用电网中。还存在无齿轮的直接驱动式风力发电机。转子、发电 机、齿轮箱以及其他部件通常安装在外壳或机舱内,所述外壳或机舱位于底座的顶部上,所 述底座可为桁架或管状塔筒。
[0003] 一些风力发电机配置包括双馈感应发电机(DFIG)。此类配置还可包括功率转换 器,用以将所生成的电力的频率转换成大体上与公用电网频率相似的频率。此外,此类转换 器以及DFIG还在公用电网与发电机之间传输电力,并且将发电机励磁功率从与公用电网 电连接的其中一个连接传输到绕线发电机转子。或者,一些风力发电机配置包括,但不限 于,感应发电机、永磁(PM)同步发电机和电励磁同步发电机,以及开关磁阻发电机的替代 类型。这些替代配置还可包括功率转换器,用以转换上述频率并且在公用电网与发电机之 间传输电力。
[0004] 已知的风力发电机具有多个机械和电气部件。每个电气和/或机械部件可具有独 立或不同于其他部件的运行限制,例如,电流、电压、功率,和/或温度限制。此外,已知的风 力发电机通常被设计和/或组装成具有预定的额定功率限制。为了在此类额定功率限制内 运行,电气和/或机械部件可以所述运行限制的较大界限运行。此运行可导致风力发电机 运行效率低,而且风力发电机的发电能力可能未得到充分利用。
[0005] 几乎每个发电厂,无论是核电厂、热电厂、水力发电站、煤发电站、燃气发电站还是 在下文中还称为风场的风力发电站,均通过将机械能转换成电力的一个或多个发电机生成 电流。通常,发电机的电力经由变压器馈送到公用电网。例如,风场的风力发电机的发电机 通常连接到单个变压器,所述单个变压器经由变电站的主变压器连接到公用电网。当公用 电网在断电之后恢复时,风力发电机的单个变压器仍连接并且都同时通电。这可产生非常 高的浪涌电流峰值。因此,变电站中的主变压器可因多余的保护继电器跳闸而与公用电网 断开连接。此外,浪涌电流峰值可导致配电系统中发生共振和/或振荡,和/或导致变压器 绕组的机械负载较高,从而减少变压器的使用寿命。
[0006] 据此,需要减少发电厂,尤其是风场,的浪涌电流和/或提高浪涌电流保护。
发明内容
[0007] -方面,提供一种风力发电机。所述风力发电机包括变压器,所述变压器具有低压 侧和高压侧。所述变压器经配置以将所述变压器的所述低压侧的电压提升到外部电网的电 压。所述风力发电机进一步包括发电单元,所述发电单元连接到所述变压器的所述低压侧, 且经配置以将交流电馈送到所述变压器的所述低压侧。所述风力发电机的充电装置连接到 所述变压器的所述低压侧,且经配置以在所述发电单元未将交流电馈送到所述变压器的所 述低压侧时,对所述变压器的所述低压侧充电。
[0008] 所述的风力发电机进一步包括开关,所述开关连接在所述外部电网与所述变压器 的所述高压侧之间,且经配置以断开和闭合所述变压器的所述高压侧与所述外部电网之间 的连接。
[0009] 其中所述充电装置包括控制器,所述控制器连接到所述开关,且经配置以发布闭 合所述开关。
[0010] 所述的风力发电机进一步包括电压开关柜,所述电压开关柜包括所述开关和电压 互感器,所述电压互感器包括连接到所述外部电网的高压侧以及低压侧,其中所述充电装 置连接到所述电压互感器的所述低压侧。
[0011] 其中所述充电装置包括逆变器,所述逆变器连接到所述变压器的所述低压侧,且 经配置以将至少一个上升交流电输出信号输出到所述变压器的所述低压侧。
[0012] 其中所述逆变器经配置以将所述至少一个上升交流电输出信号大体上斜升到所 述发电单元的额定电压。
[0013] 其中所述充电装置包括连接到所述逆变器的能量缓冲器,所述能量缓冲器可用所 述外部电网的电力进行充电。
[0014] 其中所述充电装置包括控制器,所述控制器经配置以检测所述外部电网的恢复情 况以控制所述逆变器,从而使所述至少一个上升交流电输出信号大体上与所述外部电网同 相。
[0015] 所述的风力发电机进一步包括连接到所述外部电网的传感器以及连接到所述传 感器控制器,所述控制器经配置以控制所述逆变器,从而使所述至少一个上升交流电输出 信号大体上与所述外部电网同相。
[0016] 其中所述充电装置经配置以在所述变压器的所述低压侧的电压已达到预定值之 后使所述开关闭合。
[0017] 另一方面,提供一种风场。所述风场包括:风场电网;以及主变压器,其连接到所 述风场电网,且经配置以将所述风场电网的电压提升到所述风场所连接的公用电网的电 压。所述风场进一步包括至少一个风力发电机、变压器,以及开关。所述至少一个风力发电 机包括:内部电网;发电单元,其连接到所述内部电网,且经配置以将额定电压的交流电馈 送到所述内部电网;以及连接到所述内部电网的充电装置。所述变压器连接到所述风力发 电机的所述内部电网,且经配置以将所述发电单元的所述额定电压提升到所述风场电网的 所述电压。所述开关连接在所述风场电网与所述变压器之间,且经配置以断开和闭合所述 变压器与所述风场电网之间的连接。所述充电装置经配置以在所述开关断开时将交流电馈 送到所述风场的所述内部电网。
[0018] 其中所述充电装置包括逆变器,所述逆变器经配置以在所述发电单元未将交流电 馈送到所述内部电网时,将所述内部电网的电压斜升到所述额定电压。
[0019] 其中所述充电装置包括控制器,所述控制器连接到所述开关,且经配置以使所述 开关闭合。
[0020] 又一方面,提供一种用于在电网故障后将变压器连接到电网的方法。所述方法包 括:检测所述电网的恢复情况;缓冲所述电网的能量;以及用所缓冲的能量对所述变压器 的低压侧充电,同时所述变压器的高压侧与所述电网断开连接,以便所述变压器的所述高 压侧与所述电网大体上同相。所述方法进一步包括连接所述变压器的所述高压侧和所述电 网。
[0021] 其中对所述变压器的所述低压侧充电包括将所述变压器的所述低压侧的电压斜 升到预定值。
[0022] 其中连接所述变压器的所述高压侧包括在通过充电装置对所述变压器的所述低 压侧充电后,使连接在所述电网与所述变压器的所述高压侧之间的开关闭合。
[0023] 所述的方法进一步包括使发电机与所述变压器的低压侧同步。
[0024] 其中所述发电机为风力涡轮发电机。
[0025] 其中检测所述电网的所述恢复情况包括测量额外变压器的低压侧的信号,所述额 外变压器的高压侧连接到外部电网。
[0026] 其中所述额外变压器为开关柜的电压互感器。
[0027] 本发明的其他方面、优点和特征在从属权利要求、具体说明和附图中显而易见。
附图说明
[0028] 本说明书的其余部分参考附图,针对所属领域的一般技术人员,完整且可实现地 详细揭示了本发明,包括其最佳模式,其中:
[0029] 图1为示例性风力发电机的一部分的透视图。
[0030] 图2为适用于图1所示的风力发电机的示例性电气和控制系统的一部分的示意 图。
[0031] 图3为根据一项实施例的风力发电机的示意图。
[0032] 图4为根据另一项实施例的风力发电机的示意图。
[0033] 图5为根据又一项实施例的风力发电机的示意图。
[0034] 图6为根据再一项实施例的风力发电机的示意图。
[0035] 图7为根据一项实施例的用于风力发电机的充电装置的示意图。
[0036] 图8为根据另一项实施例的用于风力发电机的充电装置的示意图。
[0037] 图9为根据一项实施例的风场的示意图。
[0038] 图10为根据一项实施例的用于在电网故障后将变压器连接到电网的流程图。
[0039]
Figure CN103001245BD00071
[0040]
Figure CN103001245BD00081
[0041]
具体实施方式
[0042]现将详细参考各项实施例,各图中图示了各项实施例的一个或多个实例。各实例 用以解释本发明而非限制本发明。例如,作为一项实施例的一部分说明或描述的特征可用 于或结合其他实施例,从而得到更多实施例。本发明意图包括此类修改和变化。
[0043]本专利申请文件所述的各项实施例包括具有用于变压器的充电装置的风力发电 机组、具有此类风力发电机的风场,以及相关方法。由于在电网恢复后并在将变压器的高压 侧连接回电网之前为变压器的低压侧充电,因此,在将变压器的高压侧连接到电网时避免 了高浪涌电流。因此,可避免变压器绕组的机械负载、分别在电网和配电系统中产生的共振 和/或振荡,以及避免布置在变压器与公用电网之间的主变压器断开连接。
[0044] 本专利申请文件所用的术语"电网故障"旨在描述电压和/或频率降到电网,通常 是公用电网,的相应低额定值以下,或者所述电压和/或所述频率增加到所述电网的相应 高额定值以上。本专利申请文件所用的术语"电网故障"应包括电网断电。本专利申请文 件所用的术语"变压器"旨在表示通过电感耦合导体,即,通过变压器的线圈或绕组,将电能 从一个电路或电网传送到另一电路或电网的任意装置。所述变压器通常包括连接到变压器 的初级绕组的低压侧,以及连接到变压器的次级绕组的高压侧。本专利申请文件所用的术 语"变压器的低压侧"和"变压器的高压侧"旨在说明,在正常运行期间,变压器的低压侧的 电压低于变压器的高压侧的电压。术语"变压器的低压侧"不应限于低压。例如,变压器的 低压侧可对应于110V、230V、690V、10kV或甚至更高的电压。变压器的对应高压侧可对应 于690V、10kV、100kV或甚至更高的电压。本专利申请文件所用的术语"叶片"旨在表示在 相对于周围流体运动时产生反作用力的任意装置。本专利申请文件所用的术语"风力发电 机"旨在表示从风能生成转动能,具体而言,将风的动能转换成机械能的任意装置。本专利 申请文件所用的术语"发电单元"旨在表示从旋转能生成电力,具体而言,将从风的动能转 换来的机械能转换成交流电的任意装置。例如,所述发电单元可由旋转发电机形成。术语 "发电单元"包括的装置还应包括发电机和变频器或逆变器,以对由发电机从旋转能转换来 的电力的至少一部分进行转换。
[0045] 图1为示例性风力发电机100的一部分的透视图。风力发电机100包括机舱12, 用于安置发电机(图1中未图示)。机舱12安装到塔筒14(图1中图示塔筒14的一部 分)。塔筒14可具有任意合适的高度,以便风力发电机100如本专利申请文件所述那样运 行。风力发电机100还包括转子16,所述转子包括附接到旋转轮毂19的三片叶片18。或 者,风力发电机100包括促使风力发电机100如本专利申请文件所述那样运行的任意数目 的叶片18。在示例性实施例中,风力发电机100包括有效连接到转子16的齿轮箱(图1中 未图示),以及发电机(图1中未图示)。
[0046] 图2为可用于风力发电机100的示例性电气和控制系统20的示意图。转子16包 括连接到轮毂19的叶片18。转子16还包括以可旋转方式连接到轮毂19的低速轴112。低 速轴112连接到加速齿轮箱114,所述齿轮箱经配置以增加低速轴112的旋转速度,并将所 述速度传送到高速轴116。在示例性实施例中,齿轮箱114具有约为70 : 1的加速比。例 如,连接到齿轮箱114的以约20转/分(rpm)旋转的低速轴112以约70 : 1的加速比生 成约1400rpm的高速轴116的速度。或者,齿轮箱114具有促使风力发电机100如本专利 申请文件所述那样运行的任意合适的加速比。作为另一替代方案,风力发电机1〇〇包括直 接驱动发电机,所述发电机以可旋转方式连接到转子16,而无需任何齿轮箱介入。
[0047]高速轴116以可旋转方式连接到发电机118。在示例性实施例中,发电机118为三 相绕线转子双馈感应(异步)发电机(DFIG),其包括磁耦合到发电机转子122的发电机定 子120。在替代实施例中,发电机转子122包括取代转子绕组的多个永磁体,以形成同步发 电机。所述同步发电机可连接到变频器,以实现同步发电机的变速运行。在另一替代实施 例中,发电机为单馈异步感应发电机,具有电励磁转子绕组。在又一替代实施例中,所述发 电机为直流发电机,其连接到逆变器,以将该直流发电机所产生的直流电(dc)转换成交流 电(ac)〇
[0048] 电气和控制系统20包括涡轮机控制器202。涡轮机控制器202包括至少一个处理 器和存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道,而且可包括至少一个计 算机(图2中都未图示)。本专利申请文件所用的术语"计算机"并不限于所属领域称为计 算机的集成电路,而是广泛地指处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、 专用集成电路,以及其他可编程电路(图2中都未图示),而且这些术语可在本专利申请文 件中互换使用。在示例性实施例中,存储器可包括,但不限于,计算机可读介质,例如,随机 存取存储器(RAM)(图2中都未图示)。或者,也可使用一个或多个存储装置,例如,软盘、只 读光盘(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)(图2中都未图示)。此外, 在示例性实施例中,额外的输入通道(图2中未图示)可为,但不限于,与操作员接口相关 的计算机外围设备,例如,鼠标和键盘(图2中均未图示)。此外,在示例性实施例中,额外 的输出通道可包括,但不限于,操作员接口监视器(图2中未图示)。
[0049] 用于涡轮机控制器202的处理器处理从多个电气和电子装置传输的信息,所述装 置可包括,但不限于,电压和电流换能器。RAM和/或存储装置存储并传送待由处理器执行 的信息和指令。RAM和/或存储装置也可用于在处理器执行指令期间存储临时变量、静态 (即,不变的)信息和指令,或其他中间信息,并将所述内容提供给处理器。所执行的指令包 括,但不限于,贮存内容转换和/或比较器算法。对指令序列的执行并不限于硬件电路和软 件指令的任意特定组合。
[0050] 发电机定子120经由定子总线208电连接到定子同步开关206。在示例性实施例 中,为了便于实现DFIG配置,发电机转子122经由转子总线212电连接到双向功率转换组 件210。或者,发电机转子122经由任意其他装置电连接到转子总线212,以便电气和控制 系统20如本专利申请文件所述那样运行。作为另一替代方案,电气和控制系统20配置成 全功率转换系统(未图示),其包括全功率转换组件(图2中未图示),该组件在设计和运 行方面类似于功率转换组件210,且电连接到发电机定子120。所述全功率转换组件有助于 在发电机定子120与电力传输和配电网(未图示)之间传输电力。在示例性实施例中,定 子总线208将三相电力从发电机定子120传输到定子同步开关206。转子总线212将三相 电力从发电机转子122传输到功率转换组件210。在示例性实施例中,定子同步开关206经 由系统总线216电连接到主变压器断路器214。在替代实施例中,使用一个或多个熔断器 (未图示),而非主变压器断路器214。在另一实施例中,既不使用熔断器也不使用主变压器 断路器214。
[0051] 功率转换组件210包括转子滤波器218,所述转子滤波器经由转子总线212电连 接到发电机转子122。转子滤波器总线219将转子滤波器218电连接到转子侧功率转换器 220,且转子侧功率转换器220电连接到线路侧功率转换器222。转子侧功率转换器220和 线路侧功率转换器222为功率转换器桥,包括功率半导体(未图示)。在示例性实施例中, 转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222采用三相脉冲宽度调制(PWM)配置,包括 如所属领域已知的那样运行的绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关装置(图2中未图示)。或 者,转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222采用使用任意开关装置的任意配置,以 便促使电气和控制系统20如本专利申请文件所述那样运行。功率转换组件210以电子数 据通信方式与涡轮机控制器202连接,以对转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222 的运行进行控制。
[0052] 在示例性实施例中,线路侧功率转换器总线223将线路侧功率转换器222电连接 到线路滤波器224。同样,线路总线225将线路滤波器224电连接到线路接触器226。此外, 线路接触器226经由转换断路器总线230电连接到转换断路器228。此外,转换断路器228 经由系统总线216和连接总线232电连接到主变压器断路器214。或者,线路滤波器224直 接经由连接总线232电连接到系统总线216,并且包括任意合适的保护方案(未图示),所 述保护方案经配置以考虑从电气和控制系统20中移除线路接触器226和转换断路器228。 主变压器断路器214经由发电机侧总线236电连接到电力主变压器150。主变压器150经 由断路器侧总线240电连接到电网断路器238。电网断路器238经由电网总线242连接到 电力传输和配电网。
[0053] 在示例性实施例中,转子侧功率转换器220经由单个直流(DC)链路244以电气 通信方式与线路侧功率转换器222连接。或者,转子侧功率转换器220与线路侧功率转换 器222经由单独且分开的直流链路(图2中未图示)进行电连接。直流链路244包括正轨 246、负轨248,以及连接于正轨246与负轨248之间的至少一个电容器250。或者,电容器 250包括配置成在正轨246与负轨248之间串联和/或并联的一个或多个电容器。
[0054] 涡轮机控制器202经配置以从第一组电压和电流传感器252接收多个电压和电流 测量信号。此外,涡轮机控制器202经配置以监测并控制与风力发电机100相关的至少一 些运行变量。在示例性实施例中,三个电压和电流传感器252中的每者均电连接到电网总 线242的三相中的每一相。或者,电压和电流传感器252电连接到系统总线216。作为另一 替代方案,电压和电流传感器252电连接到电气和控制系统20的任意部分,以便电气和控 制系统20如本专利申请文件所述那样运行。作为又一替代方案,涡轮机控制器202经配置 以从任意数目的电压和电流传感器252接收任意数目的电压和电流测量信号,所述测量信 号包括,但不限于,来自于一个换能器的一个电压和电流测量信号。
[0055] 如图2所示,电气和控制系统20还包括转换器控制器262,其经配置以接收多个电 压和电流测量信号。例如,在一项实施例中,转换器控制器262从第二组电压和电流传感器 254接收电压和电流测量信号,所述第二组电压和电流传感器以电子数据通信方式与定子 总线208连接。转换器控制器262从第三组电压和电流传感器256接收第三组电压和电流 测量信号,所述第三组电压和电流传感器以电子数据通信方式与转子总线212连接。转换 器控制器262还从第四组电压和电流传感器264接收第四组电压和电流测量信号,所述第 四组电压和电流传感器以电子数据通信方式与转换断路器总线230连接。第二组电压和电 流传感器254实质上类似于第一组电压和电流传感器252,且第四组电压和电流传感器264 实质上类似于第三组电压和电流传感器256。转换器控制器262实质上类似于涡轮机控制 器202,且以电子数据通信方式与涡轮机控制器202连接。此外,在示例性实施例中,转换器 控制器262在功率转换组件210内物理集成。或者,转换器控制器262采用促使电气和控 制系统20如本专利申请文件中所述那样运行的任意配置。
[0056] 在运行过程中,风会影响叶片108,且叶片108将风能转换成机械旋转扭矩,从而 经由轮毂110以可旋转方式驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114,所述齿轮箱随后 增加低速轴112的低旋转速度,从而以增加的旋转速度来驱动高速轴116。高速轴116以可 旋转方式驱动发电机转子122。旋转磁场由发电机转子122感生,且电压在发电机定子120 内感生,所述发电机定子磁耦合到发电机转子122。发电机118将旋转机械能转换成发电机 定子120中的正弦三相交流电(AC)电能信号。相关的电力经由定子总线208、定子同步开 关206、系统总线216、主变压器断路器214,以及发电机侧总线236传输到主变压器150,从 而形成内部电网。主变压器150增加电力的电压振幅,而且所传输的电力经由断路器侧总 线240、电网断路器238以及电网总线242进一步传输到电网。
[0057] 在示例性实施例中,提供第二电力传输路径。三相正弦交流电在发电机转子122 内生成,且经由转子总线212传输到功率转换组件210。在功率转换组件210内,电力传输 到转子滤波器218,而且针对与转子侧功率转换器220相关的PWM信号的变化率来改变电 力。转子侧功率转换器220充当整流器,并将正弦三相交流电转化成直流电。直流电传输 到直流链路244中。电容器250通过减少与交流整流相关的直流脉动来促进减少直流链路 244的电压振幅变化。
[0058] 直流电随后从直流链路244传输到线路侧功率转换器222,且线路侧功率转换器 222充当逆变器,其经配置以将来自直流链路244的直流电力转换成具有预定电压、电流和 频率的三相正弦交流电。这种转换经由转换器控制器262进行监测和控制。所转换的交流 电从线路侧功率转换器222经由线路侧功率转换器总线223和线路总线225、线路接触器 226、转换断路器总线230、转换断路器228以及连接总线232,传输到系统总线216。线路 滤波器224补偿或调整从线路侧功率转换器222传输的电力中的谐波电流。定子同步开关 206经配置以闭合,从而促进来自于发电机定子120的三相电力与来自于功率转换组件210 的三相电力连接。
[0059] 转换断路器228、主变压器断路器214和电网断路器238经配置以在,例如,过大 的电流可能损坏电气和控制系统20的部件时,使对应总线断开连接。还提供额外的保护部 件,包括线路接触器226,该线路接触器可经控制以通过断开对应于线路总线225的每条线 路的开关(图2中未图示)来断开连接。
[0060] 功率转换组件210针对,例如,轮毂110和叶片108处风速的更改,补偿或调整来 自发电机转子122的三相电力的频率。因此,通过这种方式,机械和电气转子频率与定子频 率断开联系。
[0061] 在某些条件下,功率转换组件210的双向特性,尤其是转子侧功率转换器220和线 路侧功率转换器222的双向特性有助于将至少部分所生成的电力馈送回到发电机转子122 中。具体而言,电力从系统总线216传输到连接总线232,且随后通过转换断路器228和转 换断路器总线230传输到功率转换组件210中。在功率转换组件210内,电力通过线路接 触器226、线路总线225以及线路侧功率转换器总线223传输到线路侧功率转换器222中。 线路侧功率转换器222充当整流器,且将正弦三相交流电转化成直流电。直流电传输到直 流链路244中。电容器250通过减少有时与三相交流整流相关的直流脉动来促进减少直流 链路244的电压幅度变化。
[0062] 直流电随后从直流链路244传输到转子侧功率转换器220,且转子侧功率转换器 220充当逆变器,其经配置以将来自直流链路244的直流电力转换成具有预定电压、电流和 频率的三相正弦交流电。这种转换经由转换器控制器262进行监测和控制。所转换的交流 电经由转子滤波器总线219从转子侧功率转换器220传输到转子滤波器218,且随后经由转 子总线212传输到发电机转子122,从而促进亚同步运行。
[0063] 功率转换组件210经配置以从涡轮机控制器202接收控制信号。所述控制信号依 据的是风力发电机100与电气和控制系统20的感知条件或运行特性。控制信号由涡轮机 控制器202接收,且用于对功率转换组件210的运行进行控制。来自一个或多个传感器的 反馈可由电气和控制系统20用来经由转换器控制器262控制功率转换组件210,所述反馈 包括,例如,经由第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256以及第四组 电压和电流传感器264的转换断路器总线230、定子总线和转子总线电压或电流反馈。使 用此反馈信息以及,例如,开关控制信号,即可采用任何已知方式生成定子同开关控制信号 和系统断路器控制(跳闸)信号。例如,针对具有预定特性的电网电压瞬变,转换器控制器 262将至少大体上暂时中止IGBT在线路侧功率转换器222中进行传导。这种线路侧功率转 换器222运行中止将使通过功率转换组件210传输的电力大体上减少到约为零。
[0064] 图3为根据一项实施例的风力发电机101的示意图。风力发电机101包括:发电 机118,其形成发电单元,例如,如上文参考图2所述的DFIG;以及涡轮机控制器202。发电 机118连接到风力发电机101的内部电网110,且经配置以将交流电,例如,690V的50Hz或 60Hz三相交流电馈送到内部电网110。如上文参考图2所述,涡轮机控制器202通常经配 置以至少控制发电机118。这由涡轮机控制器202与发电机118之间的点划线表示。
[0065] 在示例性实施例中,风力发电机101包括变压器150,所述变压器具有连接到内部 电网110的低压侧151以及高压侧152。变压器150经配置以将低压侧的电压,例如,690V 提升到外部电网的电压。在下文中,变压器150也称为风力发电机变压器。通常,外部电网 200是额定电压为约10kV到约50kV的风场电网,所述电网在正常运行过程中与风力发电机 101相连。在其他实施例中,风力发电机101在正常运行过程中直接连接到公用电网。
[0066] 在示例性实施例中,变压器150的低压侧151经由内部电网110连接到发电机 118。变压器150的高压侧151可经由中压开关柜175连接到外部电网200,所述中压开关 柜在电网故障,例如,外部电网200断电的情况下将变压器150与外部电网200断开连接。
[0067] 在其他实施例中,变频器或逆变器连接于发电机与内部电网110之间,以将发电 机生成的电力转换成内部电网110的额定交流电。在这些实施例中,发电机和变频器,或者 发电机和逆变器形成风力发电机的发电单元。
[0068] 发电单元的额定输出电压匹配内部电网的额定电压,例如,690V。根据发电单元的 设计,其额定输出电压对应于经由内部电网110连接到变压器150的低压侧151的发电机、 逆变器或变频器的额定输出电压。
[0069] 根据一项实施例,风力发电机101包括充电装置130,其经由内部电网110连接到 变压器150的低压侧151。充电装置130经配置以在发电机118未将交流电馈送到内部电 网110时,通常是在电网故障而导致变压器150的低压侧151与外部电网200断开连接之 后,分别为内部电网110和变压器150的低压侧151充电。因此,充电装置130可在外部 电网200恢复后并在将变压器150的高压侧152连接回外部电网200之前为内部电网110 充电。这样,当变压器150的高压侧152连接到外部电网200时,可避免或至少减少浪涌电 流。因此,可至少减少变压器的绕组的机械负载,且进一步可分别减少并大体上避免由风力 发电机101和外部电网200形成的电力系统的共振和/或振荡。
[0070] 在分别为内部电网和变压器150的低压侧151充电之后,充电装置130通常会向 中压开关柜175发送信号,以闭合开关171,且因此连接外部电网200和变压器150的高压 侧152。为此,将至少一根信号线,例如,TTL线或LAN线缆布置在充电装置130与中压开关 柜175之间,如图3中的点划线所示。通常,充电装置130还经由至少一根信号线与涡轮机 控制器202连接,以交换信息。例如,涡轮机控制器202可经由充电装置130发出命令来闭 合开关171。因此,与涡轮机控制器202连接或在其上运行的SCADA系统可将若干个风力发 电机101相继切换回到由风电场电网形成的外部电网200。因此,可更进一步减少浪涌电 流。
[0071] 在示例性实施例中,中压开关柜175进一步包括内部电压互感器176,通常用来测 量外部电网200的电压。因此,电压互感器176的高压侧连接到外部电网200。在外部电 网200恢复之后,外部电网200的电压可由电压互感器176降低到电源电压,例如,降低到 双相110V或230V电压。在示例性实施例中,充电装置130经由低压电网115连接到电压 互感器176的低压侧。因此,外部电网200的恢复情况可由充电装置130经由低压电网115 进行检测。此外,充电装置130可缓冲并使用低压电网115的电能,以分别为内部电网110 和变压器150充电。这在下文参考图7和图8更详细地说明。
[0072] 图4为根据另一项实施例的风力发电机102的示意图。图4所示的风力发电机 102与上文参考图3所述的示例性实施例非常类似。但将中压开关柜175和变压器150布 置在风力发电机102的外部,例如,在风力机发电机102的塔筒附近的额外建筑物中。在这 种布置中,中压开关柜175和变压器150还被视为风力发电机102的部件,因为它们形成无 需布置在单个结构中的功能单元。
[0073] 图5为根据又一项实施例的风力发电机103的示意图。图5所示的风力发电机 103与上文参考图3所述的示例性实施例非常类似。但替代于中压开关柜,风力发电机103 包括开关170,所述开关170连接在外部电网200与变压器150的高压侧之间,以断开和闭 合变压器150的高压侧与外部电网200之间的连接。充电装置131连接到内部电网110,且 经配置以为内部电网110充电,并使开关171闭合。内部电网110和外部电网200也可为 三相电网。为清晰起见,图5中仅图示了电网110、200的一条相应线路。这也适用于以下 各图。
[0074] 此外,风力发电机103包括传感器165,通常是电容传感器,该传感器165连接到外 部电网200以及充电装置131。因此,充电装置131可检测外部电网200的恢复情况。
[0075] 在示例性实施例中,充电装置131连接到长期储能装置180,例如,电池,以提供能 量用于在电网恢复后并在将变压器150的高压侧连接回外部电网200之前为变压器150充 电。
[0076] 图6为根据再一项实施例的风力发电机104的示意图。图6所示的风力发电机 103与上文参考图3所述的示例性实施例非常类似。但替代于中压开关柜,风力发电机103 包括开关170,所述开关连接在外部电网200与变压器150的高压侧之间,以断开和闭合变 压器150的高压侧与外部电网200之间的连接。充电装置132连接到内部电网110,且经配 置以为内部电网110充电,并使开关170闭合。
[0077] 在示例性实施例中,额外变压器160的高压侧连接到外部电网200。额外变压器 160的低压侧连接到充电装置132。与上文参考图3针对开关柜的电压互感器进行的说明 类似,充电装置132可使用额外变压器160的低压侧来检测外部电网200的恢复情况,和/ 或使用额外变压器160的低压侧的缓冲电力,在将变压器150的高压侧连接回外部电网200 之前为变压器150充电。换言之,额外变压器160可用作传感器和电源。
[0078] 图7为根据一项实施例的用于风力发电机的充电装置131的示意图。例如,充电 装置131可用于风力发电机,如上文参考图5所述。充电装置131包括逆变器135,所述逆 变器可分别连接到风力发电机变压器(图7中未图示)的低压侧和内部电网110,所述内部 电网连接到发电机(图7中未图示)。根据一项实施例,逆变器135经配置以将至少一个上 升交流电输出信号输出到内部电网110,例如,三相交流电输出信号,以在外部电网恢复之 后分别为内部电网110和风力发电机变压器充电。通常,逆变器135经配置以将至少一个 上升交流电输出信号斜升到发电机的额定电压,例如,690V。因此,在将风力发电机变压器 连接回外部电网之后的浪涌电流几乎或甚至可完全避免。
[0079] 通常,充电装置131包括控制器134。在示例性实施例中,充电装置131连接到逆 变器135,以控制逆变器135 ;连接到风力发电机的开关170,以在为风力发电机变压器充电 后使开关170闭合;以及连接到风力发电机的传感器165,以检测外部电网的恢复情况。这 由相应单元之间的点划线箭头表示,其中箭头指示在运行过程中信息的流动。
[0080] 此外,充电装置131通常连接到涡轮机控制器202,如上文参考图3所述。
[0081] 控制器134通常经配置以在内部电网110和逆变器135输出的电压分别已达到合 适的预定值,通常分别为发电机和发电单元的额定电压,或者为额定电压的至少80%,更常 见的是至少90%,最常见的是分别为发电机和发电单元的额定电压的至少95%之后,使开 关170闭合。
[0082] 在示例性实施例中,控制器134经配置以经由传感器165来检测外部电网的恢复 情况,例如,所述传感器可在外部电网恢复之后发送交流TTL信号,该信号与外部电网处于 规定相位的关系。所述交流TTL信号还可传送到逆变器135,所述逆变器通常向内部电网 110输出特定信号,该信号相移到交流TTL信号,以分别补偿延迟和相移。因此,内部电网 的相位经过设置,从而在将变压器连接回外部电网时大体上不存在相移。通常,控制器134 控制逆变器135,从而使至少一个上升交流电输出信号与外部电网处于规定相位的关系,例 如,同相。
[0083] 此外,充电装置通常包括能量缓冲器139,例如,电容器,其连接到逆变器135,以 在约几十毫秒到约几秒,更常见的是在约l〇〇ms到约ls,且最常见的是在约300ms到约 800ms的相对较短时间内,提供充足的电能,以便经由逆变器135分别为内部电网110和风 力发电机变压器充电。能量缓冲器139可从风力发电机的电池180充电,所述电池还向控 制器134供应电力。通常,控制器134在外部电网恢复之后决定为能量缓冲器139充电,且 在能量缓冲器139充电之后决定为内部电网110充电。
[0084] 图8为根据另一项实施例的用于风力发电机的充电装置130的示意图。例如,充 电装置130可用于风力发电机,如上文参考图3和图4所述,而且所述充电装置可用作上文 参考图6所述的风力发电机的充电装置132。图8所示的充电装置130类似于上文参考图 7所述的示例性实施例。但充电装置130经由变压器与外部电网200连接,所述外部电网连 接有风力发电机变压器的高压侧。所述风力发电机变压器可为中压开关柜的电压互感器, 如上文参考图3所述,额外的变压器,如上文参考图6所述,或者如图8所示的充电装置130 的可选内部变压器136。变压器136的低压侧的交流信号通常用于为能量缓冲器139充电, 并用于使用传感器137,通常是电容传感器,来检测外部电网200的恢复情况,所述电容器 连接在变压器136的低压侧与控制器134之间。
[0085] 通常,交流到直流电源组138用来为能量缓冲器139、传感器137以及控制器134 供电。
[0086] 图9为根据一项实施例的风场10的示意图。风场10包括风场电网200,所述风场 电网连接有一个,更常见的是多个风力发电机105、106、107。这三个示例性图示的风力发电 机105、106、107可为上文参考图3到图6所述的任意风力发电机。
[0087] 内部电网200通常为以几kV到几10kV以及50Hz或60Hz等运行的中压三相交流 电(ac)网络。变电站400的站变压器或主变压器450用来将电压从内部电网电压提升到外 部主电网或公用电网300的所需输电电压,变电站400可使用合适的电力开关700在公共 连接点(PCC)连接到所述电网300。此外,内部电网200通常经由变压器550为中央控制器 500供电。中央控制器500布置成经由通信链路570来与风力发电机105到107通信,这可 在硬件和/或软件中实施。此外,中央控制器500可配置成经由通信链路580与SCADA(数 据采集与监控系统)计算机800通信,以便能够进行远程控制。通常,通信链路570、580作 为以太网实现。然而,通信链路550还可经配置以根据所属领域的技术人员已知的任意光 纤、有线或无线通信网络将数据信号传送到中央控制器500并从所述中央控制器远程传送 数据信号。此类数据信号可包括,例如,表示单个风力发电机的运行条件的信号,所述信号 传输到中央控制器500,以及由中央控制器500传送到风力发电机105到107的各种命令信 号。中央控制器500通常进一步经由传感器600到602与内部电网200和外部电网通信, 所述传感器,例如,电压、电流、频率、功率传感器等。注意,传感器600到602中的每个传感 器,例如,针对每根相线可表示不同的传感器。此外,中央控制器500通常经操作以控制各 种开关装置或致动器,例如,馈电线700。注意,图9中的点划线仅表示中央控制器500与其 他装置之间存在链路。它们不必反映所使用的通信链路550和560的拓扑。
[0088] 风力发电机105到107中的每者均包括内部电网110、连接到内部电网110的发电 机118,以及连接到内部电网110的充电装置130。发电机118经配置以将额定电压的交流 电馈送到内部电网110。
[0089] 此外,风力发电机105到107中的每者均包括变压器150,所述变压器连接到内部 电网110,且经配置以将发电机118的额定电压提升到风场电网200的电压。相应开关170 连接在风场电网200与变压器150之间,以断开和闭合变压器150与风场电网200之间的 连接。
[0090] 根据一项实施例,风力发电机105、106、107的充电装置130经配置以在相应开关 170断开时将交流电馈送到相应内部电网110,所述开关断开的原因是公用电网故障,从而 造成风场电网200故障,通常是风场电网200断电。当公用电网300恢复时,风场电网200 通常也恢复。将交流电从充电装置130馈送到内部电网110造成变压器150充电,所述变 压器仍与风场电网200断开连接。在变压器150充电后,变压器150的高压侧连接回风场 电网200。由于变压器150在其高压侧连接回风场电网200之前充电,因此避免或至少实质 上减少了浪涌电流。因此,可增加变压器150的使用寿命,且避免主变电站400中的断路器 跳闸。
[0091] 通常,充电装置130包括逆变器(图9中未图示),其经配置以将内部电网110的 电压斜升到额定电压。电压的斜升以及开关170的闭合通常受充电装置130的内部控制器 控制。
[0092] 图10为用于在电网故障后将变压器连接到电网的方法1000的流程图,所述变压 器通常是风力发电机变压器,其低压侧连接到风力发电机的发电机。在第一块1100中,检 测电网的恢复情况。块1100可包括测量额外变压器的低压侧的信号,所述变压器的高压侧 连接到电网。例如,所述额外变压器可为布置在电网与变压器的高压侧之间的开关柜的电 压互感器。
[0093] 在随后的块1200中,缓冲电网的能量。例如,在电容器中缓冲额外变压器的低压 侧的电力。
[0094] 之后,在块1300中,用所缓冲的能量为变压器的低压侧充电,同时变压器的高压 侧仍与电网断开连接。这完成后通常使得变压器的高压侧与电网处于规定相位的关系,例 如,大体上同相。块1300通常包括将变压器的低压侧的电压斜升到预定值,例如,发电机的 额定电压或接近发电机的额定电压。
[0095] 在随后的块1400中,连接变压器的高压侧和电网。由于变压器在其高压侧连接回 电网之前充电,因此避免或至少实质上减少了浪涌电流。因此,可增加变压器的使用寿命。 此外,可避免变压器-电网系统的电流和/或电压的共振和/或振荡。
[0096] 块1400通常包括通过控制器来闭合连接在电网与变压器的高压侧之间的开关, 所述控制器还控制块1300的充电。闭合开关通常与切断用于在块1300中为变压器充电的 逆变器同步。
[0097]之后,发电机可斜升并与变压器的低压侧同步,从而能够将交流电馈送到电网中。
[0098] 在电网恢复之后将变压器连接到电网时,上述系统和方法有助于减少变压器的浪 涌电流。因此,可避免变压器绕组的机械负载、分别在电网和配电系统中产生的共振和/或 振荡,以及避免布置在变压器与公用电网之间的主变压器断开连接。
[0099] 上文详细描述了风力发电机和风场以及相关方法的示例性实施例。所述系统和方 法并不限于本专利申请文件所述的具体实施例,相反,系统的部件和/或方法的步骤可独 立于本专利申请文件所述的其他部件和/或步骤单独使用。例如,在电网恢复之后在将高 压侧连接到电网之前为变压器的低压侧充电并不限于只用本专利申请文件所述的风力发 电机组进行实践。相反,示例性实施例可与许多其他电厂结合实施和使用。
[0100] 尽管本发明各实施例的具体特征可能在某些附图中图示,但并未在其他附图中图 示,这仅仅是出于方便的考量。根据本发明的原则,附图中的任何特征可结合任何其他附图 中的任何特征进行参考和/或提出权利主张。
[0101] 本说明书使用了各个实例来揭示本发明,包括最佳模式,同时也让所属领域的任 何技术人员能够实践本发明,包括制造并使用任何装置或系统,以及实施所涵盖的任何方 法。虽然上文已揭示了各项具体实施例,但所属领域的技术人员应认识到,权利要求书的精 神和范围允许对本发明进行同等有效的修改。特别是,上述实施例的并不相互排斥的特征 可彼此组合。本发明的保护范围由权利要求书界定,并可包括所属领域的技术人员想出的 其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同,或如果此类实例 包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别,则此类实例也应属于权利要求 书的范围内。

Claims (20)

1•一种风力发电机,包括: 变压器,其包括低压侧和高压侧,且经配置以将所述低压侧的低压提升到外部电网的 尚压; 发电单元,其连接到所述变压器的所述低压侧,且经配置以将交流电馈送到所述变压 器的所述低压侧;以及 充电装置,其连接到所述变压器的所述低压侧,且经配置以在所述发电单元未将交流 电馈送到所述变压器的所述低压侧时,对所述变压器的所述低压侧充电。
2. 根据权利要求1所述的风力发电机,进一步包括开关,所述开关连接在所述外部电 网与所述变压器的所述高压侧之间,且经配置以断开和闭合所述变压器的所述高压侧与所 述外部电网之间的连接。
3. 根据权利要求2所述的风力发电机,其中所述充电装置包括控制器,所述控制器连 接到所述开关,且经配置以使所述开关闭合。
4. 根据权利要求2所述的风力发电机,进一步包括电压开关柜,所述电压开关柜包括 所述开关和电压互感器,所述电压互感器包括连接到所述外部电网的高压侧以及低压侧, 其中所述充电装置连接到所述电压互感器的所述低压侧。
5. 根据权利要求1所述的风力发电机,其中所述充电装置包括逆变器,所述逆变器连 接到所述变压器的所述低压侧,且经配置以将至少一个上升交流电输出信号输出到所述变 压器的所述低压侧。
6. 根据权利要求5所述的风力发电机,其中所述逆变器经配置以将所述至少一个上升 交流电输出信号大体上斜升到所述发电单元的额定电压。
7. 根据权利要求5所述的风力发电机,其中所述充电装置包括连接到所述逆变器的能 量缓冲器,所述能量缓冲器可用所述外部电网的电力进行充电。
8. 根据权利要求5所述的风力发电机,其中所述充电装置包括控制器,所述控制器经 配置以检测所述外部电网的恢复情况以控制所述逆变器,从而使所述至少一个上升交流电 输出信号大体上与所述外部电网同相。
9. 根据权利要求5所述的风力发电机,进一步包括连接到所述外部电网的传感器以及 连接到所述传感器的控制器,所述控制器经配置以控制所述逆变器,从而使所述至少一个 上升交流电输出信号大体上与所述外部电网同相。
10. 根据权利要求2所述的风力发电机,其中所述充电装置经配置以在所述变压器的 所述低压侧的电压已达到预定值之后使所述开关闭合。
11. 一种风场,包括: 风场电网; 主变压器,其连接到所述风场电网,且经配置以将所述风场电网的电压提升到与所述 风场连接的公用电网的电压; 至少一个风力发电机,所述至少一个风力发电机包括:内部电网;发电单元,其连接到 所述内部电网,且经配置以将额定电压的交流电馈送到所述内部电网;以及连接到所述内 部电网的充电装置; 变压器,所述变压器连接到所述风力发电机的所述内部电网,且经配置以将所述发电 单元的所述额定电压提升到所述风场电网的所述电压; 开关,所述开关连接在所述风场电网与所述变压器之间,且经配置以断开和闭合所述 变压器与所述风场电网之间的连接; 充电装置,所述充电装置经配置以在所述开关断开时将交流电馈送到所述风场的所述 内部电网。
12. 根据权利要求11所述的风场,其中所述充电装置包括逆变器,所述逆变器经配置 以在所述发电单元未将交流电馈送到所述内部电网时,将所述内部电网的电压斜升到所述 额定电压。
13. 根据权利要求11所述的风场,其中所述充电装置包括控制器,所述控制器连接到 所述开关,且经配置以使所述开关闭合。
14. 一种用于在电网故障后将变压器连接到电网的方法,包括: 检测所述电网的恢复情况; 缓冲所述电网的能量; 用所缓冲的能量对所述变压器的低压侧充电,同时所述变压器的高压侧与所述电网断 开连接,以便所述变压器的所述高压侧大体上与所述电网同相;以及 连接所述变压器的所述高压侧和所述电网。
15. 根据权利要求14所述的方法,其中对所述变压器的所述低压侧充电包括将所述变 压器的所述低压侧的电压斜升到预定值。
16. 根据权利要求14所述的方法,其中连接所述变压器的所述高压侧包括在通过充电 装置对所述变压器的所述低压侧充电后,使连接在所述电网与所述变压器的所述高压侧之 间的开关闭合。
17. 根据权利要求14所述的方法,进一步包括使发电机与所述变压器的低压侧同步。
18. 根据权利要求17所述的方法,其中所述发电机为风力涡轮发电机。
19. 根据权利要求14所述的方法,其中检测所述电网的所述恢复情况包括测量额外变 压器的低压侧的信号,所述额外变压器的高压侧连接到电网。
20. 根据权利要求19所述的方法,其中所述额外变压器为开关柜的电压互感器。
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