CN103109083A - 抗电压跌落的发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双馈发电机（2），双馈发电机（2）的转子通过背靠背变换器（4）连接至电网（3），并且双馈发电机（2）的定子连接至电网（3），本质上，其特征在于，双馈发电机（2）包括：并联连接在发电机（2）的转子与背靠背变换器（4）之间的至少一个第一附加阻抗（5）；连接至发电机（2）的定子的至少一个第二附加阻抗（6）；以及能够调节附加阻抗（5、6）的至少一个控制单元。
Description
技术领域
本发明描述了一种抗电压跌落的发电系统和用于操作所述发电机的方法。
背景技术
电网中干扰的存在要求发电厂促进其稳定性，例如在电压跌落的情况下通过注入无功电流来促进其稳定性。直到最近，这些要求对于基于可再生能源的电厂而言仍未变得广泛，因为这些代表了所产生的总功率的一小部分。然而，鉴于近几年这些类型的发电厂的惊人增加，已经显著增加了这些类型的发电厂的紧急水平。
在电压跌落的特定情况下，存在这样的规则，其要求风力发电机满足关于在电压跌落期间注入到电网中的无功电流的严格要求，并且设想，一旦已经克服了要求发电机断开的电压跌落，如果电压在几秒钟后返回，则能够在跌落后很快地进行重新连接。以此方式，在干扰之前产生的有功功率将被尽可能快地注入。这些要求通常以所谓的跌落分布（dip profile）的形式来表示，该跌落分布定义了对于风力发电机必须能够承受的电压跌落的时间限制和幅值限制。
现有技术提出了在电压跌落的情况下的不同动作过程，例如：
-在WO2007057480A1中公开了第一种结构，其中，风力发电机包括并联连接在背靠背变换器与发电机转子之间的可变阻抗。当发生电压跌落时，所述阻抗被激活以保护背靠背变换器免受在跌落期间在转子中出现的电压浪涌的影响，由此允许发电机定子在从电压跌落开始的特定的时间间隔内保持连接到电网，从而在该时间期间注入无功电流以有助于电网恢复。如果电压跌落的持续时间超过跌落分布内标记的限制，则最终发电机将变为与电网断开。该系统的主要优点是：在发电机保持连接到电网的时间期间，其允许满足电网无功电流注入要求。主要缺点在于：发电机的断开意味着停止风轮机，由于该原因，在电压跌落后需要很长的时间来将发电机耦接至电网。
-WO2009156540A1与US07332827公开了本领域已知的第二种解决方案，其基于连接至发电机定子的阻抗。在该情况下，操作方法包括：在检测到跌落时激活所述阻抗，这允许发电机与电网断开，同时控制发电机负载转矩并使产生的功率朝向所述阻抗疏散。该系统的主要优点在于：如果电压在特定的时间间隔内恢复，则只要其没有超过由规则确立的最大限制，定子就可以耦接至电网。其缺点在于：发电机从电压跌落开始与电网断开，由于该原因，其不能注入电网操作方所需要的无功电流而有助于发电机恢复。
因此，这些系统均不允许满足电网的要求以及在电压已经被重新确立时的快速重新连接。
发明内容
所提出的发明通过结合了现有技术的两种已知系统的优点的系统来解决前述缺点。
根据第一方面，本发明的抗电压跌落的发电系统包括双馈发电机，该双馈发电机的转子通过背靠背变换器连接至电网，并且双馈发电机的定子连接至电网，除此以外，该发电系统还包括：
-并联连接在发电机转子与背靠背变换器之间的至少一个第一附加阻抗；
-连接至发电机定子的至少一个第二附加阻抗；以及
-能够管理附加阻抗（5、6）的至少一个控制单元。
也就是说，本发明的系统同时包括现有技术的系统公开的两种附加阻抗以及根据本文稍后描述的方法来管理所述附加阻抗的激活/无效的至少一个控制单元，所述方法使所述两种附加阻抗以配合的方式工作，这不同于独立系统的方法。控制单元可以依赖于或独立于变换器的控制单元。
虽然这里没有明确提出，但是应当理解：所述系统还包括本领域技术人员已知的基于双馈发电机的发电系统的所有常见辅助元件。例如，明显的是：除了存在在本文稍后将限定的时刻激活附加阻抗的装置（诸如开关等）之外，定子与电网之间的连接将具有允许发电机断开的开关。
应当理解，可以通过任何类型的可再生能源（例如海流或者潮汐）来使系统的发电机转子移动。然而，根据优选实施例，发电机转子被机械地耦接至风轮机，从而形成风力发电机组件。
本发明的第二方面针对用于操作前述系统的方法，该系统结合了现有技术已知的每个系统的优点，同时避免了每个系统各自的缺点。发电系统检测电压跌落，并且当系统在所确立的跌落分布内操作的情况下将所需要的无功电流注入到电网中。为此，根据需要，激活第一附加阻抗，即使本发明还包括其中不需要激活的情况。当它检测到已经过去了在最小电压条件下操作的最大时段时或者当认为有必要对风力发电机负载转矩重新建立控制时，将定子与电网断开，并且激活第二阻抗，从而吸收功率，这允许通过负载转矩来控制发电机。因此，当电网恢复时，该系统能够将所产生的电压与电网的电压同步，并且与至今已知的系统的情况相比更快地进行耦接，由此提高系统可用性。
因此，本发明的方法包括：当检测到电压跌落（只要电压超过由跌落分布所标记的限制）时，将无功电流注入到电网中，而不断开背靠背变换器。无功电流的注入可以在该阶段的部分或者全部持续时间期间执行。以此方式，有助于电网恢复。
此外，在已经过去了最小电压条件下的最大允许操作时段之后（该时段是在电压跌落的开始与电网电压落在由电网操作方施加的跌落分布之下的时刻之间经过的时间），或者当认为有必要对风力发电机中的负载转矩重新建立控制时，将定子与电网断开，并且激活第二附加阻抗。以此方式，允许在电网电压返回至其标称值时进行快速重新连接。当检测到电压跌落结束时，将定子电压与电网电压进行同步，并且将定子重新连接至电网，随后使第二附加阻抗无效。所提出的发明还设想：其中执行该最后阶段的顺序包括首先使第二附加阻抗无效，然后将定子重新连接至电网。
附图说明
图1示出了根据现有技术的发电系统的图，该发电系统包括连接至转子的附加阻抗。
图2示出了图1的系统的一些特性操作量值的波形。
图3示出了根据现有技术的发电系统的图，该发电系统包括连接至定子的附加阻抗。
图4示出了图3的系统的一些特性操作量值的波形。
图5示出了根据本发明的发电系统的图，该发电系统包括第一附加阻抗和第二附加阻抗。
图6示出了图5中表示的本发明的系统的一些特性操作量值的波形。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明。具体地，图1和图2a-d示出了根据现有技术的、具体应用于风力发电的系统（100）。该系统包括双馈发电机（102），双馈发电机（102）的转子通过背靠背变换器（104）连接至电网（103），背靠背变换器（104）由转子变换器（104a）、电网变换器（104b）以及直流链路（104c）形成。转子还机械地耦接至风轮机（107）。另一方面，定子通过开关（108）连接至电网（103）。
该系统（100）包括在转子与背靠背变换器（104）之间并联的附加阻抗（105），附加阻抗（105）在电压跌落（103）的情况下被激活以保护转子变换器（104a）免受跌落期间产生的瞬态浪涌的影响。图2a-d分别示出了电网电压（U）的行为、附加阻抗（105）的激活（CZR）（假设已需要其激活）、在跌落期间注入到电网（103）的无功强度（iq）、以及发电机（102）至电网（103）的耦接状态（Con）。可以观察到：在检测到电压跌落时，如何在短时间段内立即激活附加阻抗（105）（图2b），由此无功电流被注入到电网（103）中（图2c）。一旦电网（103）的电压（U）落在由规则施加的跌落分布（dip profile）之下，发电机（102）变为断开（图2d），跌落曲线在这里由图2a中的虚线表示。
图3示出根据现有技术的第二系统（300），其中使用只是将原来的1替换为3的相同的附图标记来表示与图1的系统（100）的部件等同的部件。然而，系统（300）具有连接至发电机定子（302）的附加阻抗（306）。图4a-d示出了系统（300）操作期间的一些特性系统量值。具体地，图4a示出了与由规则施加的跌落分布相关的电压（U）跌落的形状（这里用虚线表示跌落分布）。从检测到跌落的时刻起，附加阻抗（306）被激活（CZS）（图4b），并且发电机（302）与电网（303）去耦接（Con）（图4d）。当电网（303）的电压（U）落在跌落分布之下时，使附加阻抗（306）无效（图4b）。如可以在图4b中观察到的，在任何点无功强度（iq）没有被注入到电网（303）中。
图5示出了本发明的发电系统（1），发电系统（1）包括机械地耦接至风轮机（7）的发电机（2），发电机（2）的定子通过开关（8）连接至电网（3），并且发电机（2）的转子连接至背靠背变换器（4），背靠背变换器（4）又连接至电网（3）。背靠背变换器由通过直流链路（4c）连接的转子变换器（4a）和定子变换器（4b）形成。系统（1）还包括并联连接在发电机转子（2）和转子变换器（4a）之间的第一附加阻抗（5）以及连接至定子的第二附加阻抗（6）。附加阻抗（5、6）的激活/无效的时刻通过控制单元（未示出）控制。
图6a-e示出了一些图形，这些图形图示了当出现电压跌落时本发明的系统（1）的操作，电压跌落的持续期间需要使用两个附加阻抗（5、6）。图6a示出了与由规则施加的跌落分布相关的电压跌落（这里通过虚线表示该跌落分布）。首先，如可以在图6b中观察到的，第一附加阻抗（5）被激活（CZR），不久后，无功电流（iq）被注入到电网（3）中（图6d）。在本实施例中，一旦电网（3）的电压（U）落在跌落分布之下，发电机（2）与电网（3）断开（图6e），并且第二附加阻抗（6）被激活（CZS）（图6c）。明显地，如图6d所示，在此时刻结束无功电流（iq）到电网（3）中的注入，并且所产生的功率在第二附加阻抗（6）中耗散。当电网（3）的电压（U）返回至其标称值时，如图6a所示，定子电压和电网（3）的电压被同步，并且发电机（2）重新连接至电网（3），据此，使第二附加阻抗（6）无效。
Claims (3)
1.一种抗电压跌落的发电系统（1），所述发电系统包括双馈发电机（2），所述双馈发电机的转子通过背靠背变换器（4）连接至电网（3），并且所述双馈发电机的定子连接至所述电网（3），其特征在于，所述发电系统包括：
并联连接在所述发电机（2）的转子与所述背靠背变换器（4）之间的至少一个第一附加阻抗（5）；
连接至所述发电机（2）的定子的至少一个第二附加阻抗（6），以及
能够管理所述附加阻抗（5、6）的至少一个控制单元。
2.根据权利要求1所述的系统（1），其中，所述发电机（2）的转子连接至风轮机（7）。
3.一种用于操作根据权利要求1至2中任一项所述的系统（1）的方法，其特征在于，所述方法包括：
-检测所述电压跌落，
-保持连接至所述电网（3），并且在所需要的时间段内利用所述第一附加阻抗（5），
-注入所需要的无功电流，
-检测到在这些条件下经过了最大操作时段，
-将定子与所述电网（3）断开并激活所述第二附加阻抗（6），包括：
○控制发电机（2）的负载转矩，利用所述第二附加阻抗（6），
○检测电网（3）的电压重新确立为操作范围内的值，
○将定子电压与电网（3）的电压同步，
○将所述定子连接至所述电网（3），并且使所述第二附加阻抗（6）无效。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130515 |