CN107735935A - 风力涡轮机发电系统 - Google Patents

风力涡轮机发电系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107735935A
CN107735935A CN201680039950.2A CN201680039950A CN107735935A CN 107735935 A CN107735935 A CN 107735935A CN 201680039950 A CN201680039950 A CN 201680039950A CN 107735935 A CN107735935 A CN 107735935A
Authority
CN
China
Prior art keywords
converter
transformer
generator
wind
voltage levels
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201680039950.2A
Other languages
English (en)
Inventor
P·C·谢尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vestas Wind Systems AS
Original Assignee
Vestas Wind Systems AS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to DKPA201570259 priority Critical
Priority to DKPA201570259 priority
Application filed by Vestas Wind Systems AS filed Critical Vestas Wind Systems AS
Priority to PCT/DK2016/050113 priority patent/WO2016177376A1/en
Publication of CN107735935A publication Critical patent/CN107735935A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D9/00Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F03D9/255Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to an electrical general supply grid; Arrangements therefor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D9/00Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/28The renewable source being wind energy
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381Dispersed generators
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381Dispersed generators
    • H02J3/382Dispersed generators the generators exploiting renewable energy
    • H02J3/386Wind energy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/76Power conversion electric or electronic aspects

Abstract

一种风力涡轮机发电系统包括:耦合到发电机的转子轴,所述发电机在第一AC电压电平下产生功率输出;转换器系统,所述转换器系统将所述发电机在所述第一AC电压电平下的功率输出转换成第二AC电压电平下的转换器功率输出;变压器,所述变压器将所述第二AC电压电平下的转换器系统功率输出转换成第三AC电压电平下的发电系统功率输出;其中,所述转换器系统包括机器侧转换器、线路侧转换器和DC链路。该机器侧转换器是线路换向整流器,并且该变压器是在线分接开关变压器。在另一方面中,本发明涉及一种风力发电厂,其包括至少一个风力发电系统,该风力发电系统电耦合到变电站,以用于向前输电到电网。该变电站包括所述一个或多个发电系统所电连接到的公共连接点以及变压器,其中该变压器是在线分接开关变压器。

Description

风力涡轮机发电系统
技术领域
[0001] 本发明涉及风力涡轮机发电机系统,并且还涉及并入一个或多个这样的发电机系 统的风力涡轮机发电厂或风电场。
背景技术
[0002] 常见类型的风力涡轮发电机是三叶片逆风水平轴风力涡轮发电机(HAWT),其中涡 轮机转子位于机舱前方并面向其支撑涡轮机塔架上游的风。叶片捕获风能,并在转子处将 风能转换成机械转矩,其然后通过传动系传输到发电机。发电机将机械功率转换成电功率, 然后将电功率注入到电网中,其可以利用考虑电网要求的功率电子频率转换器。
[0003] 存在功率电子频率转换器的若干已知拓扑结构,其中之一被称为满量程频率转换 器。尽管在技术上很复杂,但这样的转换器拓扑结构为风力涡轮发电机的输出电压频率提 供了完全控制,这对于大规模风力涡轮机和风电场是至关紧要的以便遵守电网规范。
[0004] 然而,尽管由于其技术复杂性,基于满量程转换器拓扑结构的风力涡轮发电机成 本更高,但由于技术复杂性,其效率很低。这对能量产生成本具有影响,能量产生成本是风 力涡轮机发电效率中的关键性度量。
[0005] 因此需要一般地降低风力涡轮发电机频率转换器设备的成本,并且更具体地,降 低以满量程转换器拓扑结构为特征的发电设备的成本。正是针对这一背景提出了本发明。
发明内容
[0006] 在一个方面中,本发明的实施例提供了一种风力涡轮机发电系统,包括:耦合到发 电机的转子轴,所述发电机在第一AC电压电平下产生功率输出;转换器系统,所述转换器系 统将所述发电机在所述第一 AC电压电平下的功率输出转换成第二AC电压电平下的转换器 功率输出;变压器,所述变压器将所述第二AC电压电平下的所述转换器系统功率输出转换 成第三AC电压电平下的发电系统功率输出;其中,所述转换器系统包括机器侧转换器、线路 侧转换器和DC链路。该机器侧转换器是线路换向整流器,并且该变压器是在线分接开关变 压器。所述在线分接开关变压器还以有载分接开关(OLTC)变压器的替代名称公知。
[0007] 有益地,变压器提供的可调节匝数比允许改变线路侧转换器的AC电压,其可以用 于将有功和无功功率能力扩展到具有固定匝数比的能力外围之外,并改进线路侧转换器的 可操作性。与线路换向整流器组合,本发明还实现了优于利用基于IGBT的FSC架构的常规系 统的成本降低。
[0008] 在本发明的这方面中,变压器位于由风力涡轮机设施自身的发电机系统限定的边 界之内。典型地,可以在包括多个风力涡轮发电机的风力涡轮机发电厂中将这样的发电机 分组到一起。可以通过如下方式实现类似的益处:将在线分接开关变压器的功能转移到风 力发电厂自身,亦即,转移到发电厂的变电站,替代地或另外地转移到每个风力涡轮发电机 系统的变压器。
[0009] 相应地,在第二方面中,本发明涉及一种风力发电厂,其包括至少一个风力发电系 统,该风力发电系统电耦合到变电站,以用于向前输电到电网,其中该发电系统包括:耦合 到发电机的转子轴,所述发电机在第一 AC电压电平下产生功率输出;转换器系统,所述转换 器系统将所述发电机在所述第一 AC电压电平下的功率输出转换成第二AC电压电平下的转 换器功率输出;变压器,所述变压器将所述第二AC电压电平下的所述转换器系统功率输出 转换成第三AC电压电平下的发电系统功率输出;其中,所述转换器系统包括机器侧转换器、 线路侧转换器和DC链路;并且其中,所述机器侧转换器是线路换向整流器。该变电站包括所 述一个或多个发电系统所电连接到的公共连接点以及变压器,其中该变压器是在线分接开 关变压器。因此将要理解,本发明的这一方面在某种意义上向第一方面的风力涡轮发电机 提供了替代构造,其中具有可调节匝数比的变压器的功能主要处于变电站水平而不是处于 每个风力涡轮机发电系统的水平。
[0010] 在以上风力发电厂中,尽管发电系统的变压器可以是具有固定匝数比的变压器, 但在一个实施例中,发电系统的变压器是在线分接开关变压器。
[0011] 在这两个方面中,线路换向整流器可以是六脉冲电桥构造,其相应地适用于三相 发电系统。此外,线路换向整流器可以基于晶闸管器件,并且如此可以是相控的。
[0012] 与机器侧转换器相比,线路侧转换器可以是强制换向转换器,其可以替代地称为 “电压源转换器”。尽管本发明适用于单相发电系统,但如有必要,这也可以是三相系统,。
[0013] 参考本发明以上方面的发电系统,该在线分接开关变压器可以被配置成在所述DC 链路上提供低于所述第一 AC电压电平的峰值的电压。
[0014] 在该实施例中,可以根据发电机速度、风速和电网电压中的至少一个来控制在线 分接开关变压器,并可以使用这些因素的组合控制该变压器。
[0015] 本发明的实施例适用于发电机为永磁发电机或绕场同步发电机的发电系统。
[0016] 为了避免引起疑问,应当指出,可以将本发明第一方面的优选和/或任选特征与本 发明的第二方面组合。
附图说明
[0017] 现在将参考以下附图,仅通过举例的方式描述本发明的实施例,在附图中:
[0018] 图1是风力涡轮机的正视图;
[0019] 图2是图1中的风力涡轮机的发电系统的示意图;
[0020] 图3是根据本发明的实施例的基于满量程转换器(FSC)拓扑结构的发电系统的示 意图;以及
[0021] 图4是根据本发明的另一实施例的包括基于满量程转换器(FSC)拓扑结构的至少 一个发电系统的风电场的不意图。
具体实施方式
[0022] 参考图1,风力涡轮机设施2包括安装在塔架6顶部的风力涡轮机模块4,塔架6自身 以常规方式固定到地基8中。风力涡轮机模块4容纳并支撑风力涡轮机设施2的各种发电部 件,其中之一为转子10,转子10包括限定转子轮盘16的轮毂12和三个叶片14。图1中所示的 风力涡轮机设施为水平轴风力涡轮机(HAWT),这是一种常见类型的系统,但也存在本发明 也适用的其它类型。
[0023] 众所周知,作用于叶片14的风流使转子10旋转,这样会驱动风力涡轮机模块4中容 纳的发电系统。图2中更详细地示出了发电系统,并且一般被标记为附图标记“18”。
[0024] 图2示出了发电系统架构的示例,其被示意性示出并用于将本发明置于其适当环 境下。应当认识到,发电系统18包括对于本论述重要的特征,但应当认识到,为了简洁起见 未示出很多其它常规特征,但隐含了它们的存在。还应当指出,这里论述的特定架构被用作 示例以例示本发明的技术功能,并且因此将要显而易见的是,可以由具有不同具体架构的 系统来实施本发明。
[0025] 返回到该图,转子10利用输入驱动轴22驱动变速器20。尽管本文将变速器20以变 速箱的形式示出,但还知道风力涡轮机具有没有变速箱的直接驱动架构。变速器20具有输 出轴24,其驱动发电机26以产生功率。在实用规模的风力涡轮机系统中三相发电是常见的, 但这对于本文的论述而言不是必要的。为了避免引起疑问,应当指出,例如,发电机26可以 是例如永磁发电机或绕场同步发电机。
[0026] 发电机26通过适合的三相电连接器(例如,电缆或总线32)连接到频率转换器30。 频率转换器30是常规架构,并如所周知的,将发电机26的输出频率和电压转换成适于经由 升压变压器36和滤波器37供应到电网34的电压电平和频率。将认识到,本文描述的具体架 构是两级背对背强制换向电压源满量程频率转换器(FSC)系统,其包括机器侧转换器38和 线路侧转换器40,它们经由DC链路42耦合。两个转换器实质上相同并且是电压源转换器,其 中控制强制换向IGBT功率电子半导体以调整从发电机通过转换器到线路侧的功率流动。这 样的拓扑结构为发电提供了很大益处,因为其使得能够完全控制所产生的功率(有功和无 功分量)以及频率,这意味着其能够有助于符合电网连接要求(也称为“电网规范”)。
[0027] 为了将发电系统置于环境中,现在将通过举例简要论述风力涡轮机的控制策略。 如所周知的,变速风力涡轮机典型地在两种主控制策略下工作:低于额定功率和高于额定 功率。如所周知的,这里在其被接受意义上使用术语“额定功率”以表示风力涡轮机系统额 定或保证风力涡轮机系统在连续工作时产生的功率输出。类似地,使用术语“额定风速”应 当被理解为表示产生风力涡轮机的额定功率所处的最低风速。
[0028] 低于额定功率发生于切入速度和额定风速之间的风速下,典型地介于10和17m/s 之间,但根据风力涡轮机的尺寸可能不同。在该工作范围中,风力涡轮机模块4可操作以控 制转子速度,以便使从风捕获的能量最大化。这是通过控制转子速度使叶尖速比处在最优 值(即6和7之间)来实现的。为了控制转子速度,如将要描述的,风力涡轮机模块4控制发电 机转矩,以便跟踪功率基准。
[0029] 高于额定功率发生于风速增大到或超过额定风速的时候。在该工作条件下,风力 涡轮机模块4的目标是维持恒定输出功率。这是通过如下方式实现的:控制发电机转矩为基 本恒定,以便跟踪恒定功率基准,但改变叶片的桨距角,这调节了转子平面中叶片的所得到 的升力和曳力。这将控制转移到转子轴的转矩,使得旋转速度以及系统产生的功率保持恒 定于设定阈值以下。
[0030] 为了实现低于额定功率和高于额定功率的控制目标,为风力涡轮机模块4装备控 制器50。控制器50可操作以经由转矩基准Tref控制频率转换器30,以影响发电机26施加于转 子10上的转矩,还经由桨距基准PSref控制叶片的桨距,并且由此通过叶片桨距调节系统52 控制转子10的速度。
[0031] 控制器50接收多个控制输入,但这里特别示出了两个控制输入:由更高级的控制 器(例如操作序列控制器53)直接向控制器50或通过基于适当协议的数据分配网络(例如以 太网)提供的转子速度基准参数Nref和功率基准参数Pref。控制器50还接收监测输入,使其能 够确定其控制下的各部件的正确操作。具体地,控制器50接收可以来自与转子、变速器或发 电机相关联的速度传感器54的机器速度参数Ns,以及来自频率转换器30的功率输出参数Ps。
[0032] 在低于额定条件期间,控制系统50可主要操作以通过向频率转换器30输出需求转 矩信号Tref,以便跟踪功率基准Pref,从而控制与功率基准Pref相关联并由其计算出的发电机 转矩。类似地,在高于额定功率的工作条件下,控制系统50可操作以保持发电机转矩基本恒 定(并且因此,以跟踪恒定功率基准),但向桨距控制系统52提供控制输入P0REF,以整体调制 转子1 〇的所有三个叶片的桨距角。
[0033] 返回到如图2中所示的满量程转换器拓扑结构,已经提到过这样的拓扑结构为发 电提供了显著益处,因为其使得能够完全控制所产生的功率(有功分量和无功分量)和频 率。然而,这种转换器拓扑结构也带来了挑战。一个因素是,尽管这样的拓扑结构提供了操 作优点,但它们在技术上复杂,这增大了实施成本,并且它们还往往在操作期间呈现出高的 换向和传导损耗,这降低了发电系统的整体发电效率。此外,半导体对于诸如DC链路短路之 类的故障而言的鲁棒性可能较不理想。此外,转换器的脉宽调制在AC电压和AC电流中产生 谐波,这需要由专用的滤波器部件滤波或导致附接的变压器和发电机中损耗增大,这可能 增加成本权重和复杂性。
[0034] 针对上文所述且如图2中所示的满量程转换器风力涡轮机发电系统的环境,现在 将结合图3描述修改的发电系统60。
[0035] 应当指出,图3的发电系统60类似于图2的发电系统18的拓扑结构和操作。因此,出 于简洁的原因,将不提供对工作原理的重复解释,并且论述将集中于发电系统60的关键不 同以及那些不同所产生的效果。
[0036] 现在参考图3,与图2中的系统方式相同,发电系统60具有满量程转换器架构,并且 如此包括发电机62;包括有时称为发电机侧转换器的机器侧转换器(MSC) 64以及由于其相 对于机器侧转换器64接近配电网67而称为电网侧转换器的线路侧转换器(LSC) 66的满量程 转换器系统63;以公知方式将机器侧转换器64和线路侧转换器66耦合在一起的DC链路68; 以及变压器70,变压器70将线路侧转换器66输出处的线路侧电压(V·)提升到适合电网67 的电平(假设为适合所谓风电场之内“内部电网”的电平或其直接为市电配电网馈电的电平 (根据国家,典型地在30_38kV左右))。图3中未示出的是DV链路电抗器,其也可以用于改进 DC链路68的DC电压分布。
[0037] 机器侧转换器64和线路侧转换器66可以被认为执行现有技术中公知的功能,即, 机器侧转换器64将发电机62产生的AC电压和频率转换成DC链路68上的DC电压,而线路侧转 换器66将DC电压电平转换成变压器70电气上游的AC电压和频率。
[0038] 然而,发电系统60的关键特征在于,变压器70是被称为在线分接开关(OLTC)变压 器的设备,更简单地,仅被称为“0LTC”。所述设备还以有载分接开关(OLTC)变压器的替代名 称公知。原则上,这种类型的设备是输电系统环境之内的现有技术已知的,并且实质上,是 具有若干分接点的变压器,从而能够改变设备的匝数比,因此能够被认为具有可调节的匝 数比。由于OLTC是输电工程中已知的设备,所以这里为了简洁起见将不提供这种设备的工 作原理的完整论述。然而,应当指出,分接开关的适当示例可以被认为是Maschinenfabrik Reinhausen GmbH,93059,德国,在OILTAP®和VACUTAP®的商标下营销的油型OLTC和 真空型OLTC的范围。
[0039] 在图3的实施例的风力涡轮机发电系统60的环境中,OLTC 70提供了显著的益处。 例如,一个益处是OLTC 70使得能够从发电系统60改进输出电压调节。这可以用于提高传统 设备(例如STATC0M)的电网电压支持能力。此外,OLTC 70可以用于保护或隔离发电系统60 以免于电网上的电压不均衡。更详细地,OLTC 70提供的可调节匝数比允许改变由线路侧转 换器66“经历”的AC电压的变化。通过调节OLTC 70的分接位置来调节这种AC电压可以用于 将线路侧转换器66的有功和无功功率能力扩展到利用具有固定匝数比的变压器的能力范 围之外。常规上,将利用处于或低于转换器的半导体的安全上限的DC链路电压来操作基于 强制换向电压源转换器的线路侧转换器。同时,电压源转换器工作原理需要DC链路电压比 最高的AC电压更高。因此,在某一更高电平的AC电压下,电压源转换器停止可控,并且必须 要阻断换向,并且最终从AC线路断开。为了在这样的情形下抵消和跳闸,OLTC能够对线路侧 转换器66经历的AC电压执行有效降低。
[0040] 此外,如常规那样,在电网电压低时,线路侧转换器66必须提高其输出AC电流,以 维持有功和无功功率不变。线路侧转换器66产生的AC电流必须受到控制,以保持在或低于 转换器半导体的安全上限。相应地,在某一更低电平的AC电压下,电压源转换器达到其最大 AC电流水平,并且不能再输送需求的有功和无功功率。为了扩展工作范围,即在电网电压降 低期间输送需求的功率,OLTC 70可以对线路侧转换器66经历的AC电压执行有效提高,这对 于具有固定匝数比的变压器是不可能的。
[0041] 在满量程转换器系统(也被称为类型4的风力涡轮机系统)中使用的常规转换器 中,机器侧转换器和线路侧转换器两者实质上是相同的,因为它们通常使用基于IGBT的转 换器,被称为电压源转换器或强制或自换向转换器。由于这些转换器基于IGBT开关设备或 “开关半导体”,所以它们高度可控,因为可以在提高的频率下对开关进行转换,这将AC电压 和电流中产生的谐波含量移动到更高频率,这进而更容易滤波……电压源转换器的特性在 于它们在“升压”模式下工作,其中AC-DC或DC-AC转换器的DC侧电压比峰值AC电压电平更 高。因此,考虑在额定负载下运行的机器侧转换器的示例,输入AC电压(S卩,相-相RMS电压电 平)可以是480V,并且DC链路电压可以是750V。应当指出,这里给出的具体电压值是为了例 示原理,但并不是要进行限制。
[0042] 相反,对于线路侧转换器,电压从DC链路降低到线路侧转换器的线路输出电压。通 过举例的方式,如果电网电压处于标称的400V,则DC链路可以在750V左右。
[0043] 因此,如将认识到的,要求DC链路68上的电压电平相对高,以便电压源机器侧和线 路侧转换器能够正常工作。然而,在本发明的该实施例的发电系统60中,OLTC 70用于控制 线路侧转换器上的AC电压,进而控制DC链路68上的电压,以使得机器侧转换器64能够是使 用晶闸管替代IGBT作为机器侧转换器的半导体的相控、线路换向的整流器/转换器。如本领 域中所公知的,相控整流器又称为线路换向整流器,以如下原理工作:电压转换过程依赖于 来自发电机62的AC线路输入的线路电压(V*前〇,以实现从一个开关设备到另一个的切换。 对于要导通并开始传导的晶闸管,必须在晶闸管正向偏置的同时存在栅极信号。在其反向 偏置且电流衰减到零时,晶闸管截止。换向频率跟随连接的AC电压的频率。栅极信号的任何 延迟都将延迟导通,从而减少晶闸管每次导通时段期间传输的功率量。因此,从现在开始将 在适当的情况下将机器侧转换器64称为线路换向整流器64。
[0044] 对于风力涡轮机发电系统中典型的三相系统,线路换向整流器64可以采用本领域 中公知的六脉冲电桥或“Graetz”桥构造的形式。在图3中,和与线路侧转换器66相关联的 IGBT符号相比,基于晶闸管的开关设备由与线路换向整流器64相关联的晶闸管符号例示。 此外,在标记为“A”的插图格中更详细示出了电桥拓扑结构,而在标记为“B”的插图格中示 出了 IGBT转换器拓扑结构。
[0045] 线路换向整流器需要比AC线路输入电压电平更低的DC输出电压电平。电压源DC-AC转换器需要AC电压电平低于DC电平。有益地,因此,可配置OLTC变压器70,使得可以通过 受控方式,通过控制线路侧转换器66的输出下的线路电压V嫩,同时保持OLTC变压器70的输 出电压基本恒定,来降低DC链路68上的电压。更详细地,基于稳态电网电压,OLTC 70分接点 的变化用于降低线路侧转换器66的线路侧处所需的电压,以便支持OLTC 70所需的输出电 压。这样的结果是,线路侧转换器66的输出处电压下降需要DC链路68上更低的电压。由于线 路换向整流器64的电压输入随着发电机的速度和期望功率改变,所以尽管在标称电压电平 附近稍微变化,但线路电压V嫩基本恒定,可以根据转子/发电机速度和功率来控制0LTC70, 以便维持可接受的低DC链路电压,从而即使在较低转子转速下也能够进行受控整流。
[0046] 使用线路换向整流器作为机器侧转换器64替代基于IGBT的强制换向电压源转换 器有若干益处。首先,线路换向整流器是更有成本效率的电子工件,这使得能够在功率电子 设备方面降低发电系统的复杂性。
[0047] 线路换向的整流器提供了比电压源转换器更低的转换损耗,既有传导损耗,尤其 又有换向损耗,因为换向频率低得多。换向频率对发电机引起的损耗也有影响。根据频率, 具有线路换向整流器的发电机损耗可以比具有电压源转换器的更低。晶闸管还提供了比其 IGBT对应物更高的浪涌电流能力,在DC链路中发生短路故障的情况下这是有利的。
[0048] 技术人员将理解,可以对上述具体实施例做出变化和修改而不脱离如由权利要求 所限定的发明构思。
[0049] 应当认识到,在上述实施例中,基于晶闸管的相控线路换向整流器64允许对发电 机功率进行控制,使得例如可以在特定环境下减小发电机功率,特定环境可以是在风力涡 轮机工作于额定风速以上的时候。然而,还想到在特定情况下可以使用二极管替代晶闸管。 这样的拓扑结构仍然会是线路换向的,因为是线路电压实现从一个设备到下一个的换向, 尽管二极管的导通点不受控制。
[0050] 参考图4,示出了替代实施例,其中OLTC的位置相对于图3的实施例不同。图4的实 施例与图3的实施例共享很多相似性,因此在适当的情况下,将使用相同的附图标记指代公 共部分。
[0051] 在图3的实施例中,OLTC 70连接在转换器系统63与电网67之间。这里,电网67可以 是风电场本地的“内部”电网,多个风力涡轮发电机系统连接于风电场变电站的上游,或者 可以直接连接到国家配电网或输电网。
[0052] 图4的实施例例示了用于风电场或风力发电厂80的布置,其包括连接到变电站82 的至少一个风力涡轮机发电系统60。变电站82进而连接到国家配电网或输电网84。
[0053] 首先参考发电系统60,应当认识到,该系统类似于图3,因为其包括发电机62和满 量程转换器系统63,并且重要的是转换器系统63包括作为线路换向整流器的机器侧转换器 64和作为强制换向电压源转换器的线路侧转换器66。由于转换器64、66与图3中的那些相 同,所以这里未提供插图格A、B中给出的详细视图。在该实施例中,发电系统60包括具有固 定匝数比的变压器84,并且不是图3的实施例中那样的OLTC。前文由图3中的OLTC执行的电 压调节功能现在转而位于变电站82中。
[0054] 现在具体参考变电站82的构造,将要看到,变电站82接收三个电力线输入86,这些 可以被认为是来自类似地构造到系统60的相应风力涡轮机发电系统。耦合到公共连接点88 或“PCC”(其进而馈送到变压器90)的电力线输入86中的每个具有将PCC 88处读取的“内部” 风电场电网电压提升到适于向前分配到国家电网84的电压电平。然而,在该实施例中,变压 器90是匝数比可配置的0LTC。如此,在图4的实施例中,可以实现与图3实施例相同的技术益 处。亦即,OLTC 90可操作以实现OLTC 90上游(即内部电网内)的更低电压电平,同时仍然为 电网84供应由电网确定的电压电平。一直这样进行,在PCC 88的上游内部电网实现的更低 电压进一步被变压器84降低,该变压器是发电系统60的一部分,这使得DC链路68的电压能 够被设置在能够将线路换向整流器64用作机器侧转换器的电平。在控制OLTC 90的方面,由 于风电场中有若干发电系统,所以想到可以根据从所有系统获取的发电机速度的平均值来 控制OLTC 90的分接位置。替代地,可以根据风速来控制OLTC 90。替代地,可以根据请求的 功率或电网电压电平或以上的组合来控制OLTC 90。目的是控制OLTC 90以降低线路侧转换 器的AC电压,并进而降低DC链路电压,使得线路换向整流器64能够在特定风速、发电机速度 和电网AC电压下供应所请求的功率。尤其在低风速、低发电机速度下需要降低电压。
[0055] 由于线路换向整流器比基于IGBT的器件更有成本效率,所以图3和4的实施例与已 知风电场相比提供了改进很多的生产成本,在已知风电场中,用于i)每个风力涡轮机和ϋ) 变电站的功率变压器为具有固定匝数比的变压器。
[0056] 应当指出,尽管上文指出的线路控制整流器64被描述为具有六脉冲电桥拓扑结 构,但对于技术人员而言,替代拓扑结构也可能显而易见,例如,十二-十八-或二十四脉冲 电桥,并且通常对“线路换向整流器”的引用应当被解释为涵盖所有这样的替代方案。
[0057] 作为图4的实施例的变体,应当指出,变压器84 (为固定匝数比变压器)可以替代地 为OLTC变压器,亦即,像图3中的系统那样,这样会提供进一步扩展电压调节能力的可能性。
[0058] 在相控整流器中使用晶闸管提供了改进的成本、更低的转换损耗、具有更低频率 含量的谐波谱以及浪涌电流鲁棒性。

Claims (11)

1. 一种风力涡轮机发电系统,包括: 耦合到发电机的转子轴,所述发电机在第一 AC电压电平下产生功率输出; 转换器系统,所述转换器系统将所述发电机在所述第一 AC电压电平下的所述功率输出 转换成第二AC电压电平下的转换器功率输出; 变压器,所述变压器将所述第二AC电压电平下的所述转换器系统功率输出转换成第三 AC电压电平下的发电系统功率输出; 其中,所述转换器系统包括机器侧转换器、线路侧转换器和DC链路; 其中,所述机器侧转换器是线路换向整流器; 并且其中,所述变压器是在线分接开关变压器。
2. —种风力发电厂,包括: 至少一个风力发电系统,所述至少一个风力发电系统电耦合到变电站,以用于向前输 电到电网,其中,所述发电系统包括: 耦合到发电机的转子轴,所述发电机在第一 AC电压电平下产生功率输出; 转换器系统,所述转换器系统将所述发电机在所述第一 AC电压电平下的所述功率输出 转换成第二AC电压电平下的转换器功率输出; 变压器,所述变压器将所述第二AC电压电平下的所述转换器系统功率输出转换成第三 AC电压电平下的发电系统功率输出; 其中,所述转换器系统包括机器侧转换器、线路侧转换器和DC链路; 并且其中,所述机器侧转换器是线路换向整流器; 并且其中,所述变电站包括一个或多个所述发电系统所电连接到的公共连接点以及变 压器,其中,所述变电站的所述变压器是在线分接开关变压器。
3. 根据权利要求2所述的风力发电厂或根据权利要求1所述的系统,其中,所述发电系 统的所述变压器是在线分接开关变压器。
4. 根据权利要求1至3所述的风力发电厂或系统,其中,所述线路换向整流器为六脉冲 电桥构造。
5. 根据权利要求1至4所述的风力发电厂或系统,其中,所述线路换向整流器是被相控 的。
6. 根据权利要求1至5所述的风力发电厂或系统,其中,所述线路侧转换器是强制换向 转换器。
7. 根据权利要求6所述的风力发电厂或系统,其中,所述强制换向转换器是三相转换 器。
8. 根据权利要求1至7中的任一项所述的风力发电厂或系统,其中,所述发电系统的所 述在线分接开关变压器被配置为在所述DC链路上提供低于所述第一 AC电压电平的峰值的 电压。
9. 根据权利要求1至8中的任一项所述的风力发电厂或系统,其中,根据发电机速度、风 速和电网电压中的至少一个来控制所述在线分接开关变压器。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力发电厂或系统,其中,所述发电机是永磁 发电机。
11. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力发电厂或系统,其中,所述发电机是绕场 同步发电机。
CN201680039950.2A 2015-05-06 2016-05-03 风力涡轮机发电系统 Pending CN107735935A (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA201570259 2015-05-06
DKPA201570259 2015-05-06
PCT/DK2016/050113 WO2016177376A1 (en) 2015-05-06 2016-05-03 Wind turbine power generation system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107735935A true CN107735935A (zh) 2018-02-23

Family

ID=55952918

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680039950.2A Pending CN107735935A (zh) 2015-05-06 2016-05-03 风力涡轮机发电系统

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10865777B2 (zh)
EP (1) EP3292625A1 (zh)
CN (1) CN107735935A (zh)
WO (1) WO2016177376A1 (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107735935A (zh) 2015-05-06 2018-02-23 维斯塔斯风力系统集团公司 风力涡轮机发电系统
CN110326208A (zh) * 2016-12-27 2019-10-11 维斯塔斯风力系统集团公司 用于模块化多电平变换器的控制系统
DE102017106436A1 (de) * 2017-03-24 2018-09-27 Wobben Properties Gmbh Windpark mit mehreren Windenergieanlagen
US10794225B2 (en) 2018-03-16 2020-10-06 Uop Llc Turbine with supersonic separation
US10508568B2 (en) 2018-03-16 2019-12-17 Uop Llc Process improvement through the addition of power recovery turbine equipment in existing processes
US10829698B2 (en) 2018-03-16 2020-11-10 Uop Llc Power recovery from quench and dilution vapor streams
US10745631B2 (en) 2018-03-16 2020-08-18 Uop Llc Hydroprocessing unit with power recovery turbines
US10811884B2 (en) 2018-03-16 2020-10-20 Uop Llc Consolidation and use of power recovered from a turbine in a process unit
US10871085B2 (en) 2018-03-16 2020-12-22 Uop Llc Energy-recovery turbines for gas streams
US10753235B2 (en) 2018-03-16 2020-08-25 Uop Llc Use of recovered power in a process
US10690010B2 (en) 2018-03-16 2020-06-23 Uop Llc Steam reboiler with turbine
US10920624B2 (en) 2018-06-27 2021-02-16 Uop Llc Energy-recovery turbines for gas streams
EP3591821A1 (en) 2018-07-04 2020-01-08 Vestas Wind Systems A/S Controlled switching current of an on-load tap changer of a wind turbine

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2410386A (en) * 2004-01-22 2005-07-27 Areva T & D Uk Ltd Controlling reactive power output
US20090096211A1 (en) * 2005-05-13 2009-04-16 Siemens Ag Wind Farm and Method for Controlling the Same
CN101867194A (zh) * 2009-04-17 2010-10-20 维斯塔斯风力系统集团公司 风电场、校正电压不平衡的方法以及风涡轮
CN102171921A (zh) * 2008-10-03 2011-08-31 垂直风公司 发电单元以及用于产生电能的方法
CN102437808A (zh) * 2010-08-26 2012-05-02 通用电气公司 用于控制风力涡轮机电功率产生量的方法和设备
CN102904274A (zh) * 2011-07-29 2013-01-30 通用电气公司 影响高压电力线的实际高压特性的控制系统和控制方法
CN102979674A (zh) * 2011-09-05 2013-03-20 西门子公司 使用自适应参考变量操作风力涡轮机的系统和方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6040254B2 (zh) * 1978-06-14 1985-09-10 Hitachi Ltd
US7015595B2 (en) * 2002-02-11 2006-03-21 Vestas Wind Systems A/S Variable speed wind turbine having a passive grid side rectifier with scalar power control and dependent pitch control
US7071579B2 (en) * 2002-06-07 2006-07-04 Global Energyconcepts,Llc Wind farm electrical system
US6950322B2 (en) * 2003-04-10 2005-09-27 Rsm Electron Power, Inc. Regulated AC to DC converter for aerospace applications
CN101536304A (zh) * 2006-11-06 2009-09-16 西门子公司 用于水下应用的可变速驱动器
EP2227847B1 (en) * 2007-12-28 2014-01-29 Vestas Wind Systems A/S Method for controlling a grid voltage
US8198742B2 (en) * 2007-12-28 2012-06-12 Vestas Wind Systems A/S Variable speed wind turbine with a doubly-fed induction generator and rotor and grid inverters that use scalar controls
US8058753B2 (en) * 2008-10-31 2011-11-15 General Electric Company Wide area transmission control of windfarms
DK2541718T3 (en) * 2011-06-29 2015-11-16 Siemens Ag Control unit, wind and guide method
US9099936B2 (en) * 2013-03-14 2015-08-04 General Electric Company High voltage direct current (HVDC) converter system and method of operating the same
EP2793392A1 (en) * 2013-04-16 2014-10-22 Siemens Aktiengesellschaft Controller for controlling a power converter
US9442137B2 (en) * 2013-05-03 2016-09-13 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for determining an electrical characteristics at a regulation point
US9780709B2 (en) * 2014-09-03 2017-10-03 General Electric Company System and method for optimizing wind turbine operation
US20160172992A1 (en) * 2014-12-16 2016-06-16 Rockwell Automation Technologies, Inc. Ac drive scr and relay precharging apparatus
US10749343B2 (en) * 2015-02-02 2020-08-18 Ingeteam Power Technology, S.A. Control method for a system comprising a frequency converter connected to a power grid
CN107735935A (zh) 2015-05-06 2018-02-23 维斯塔斯风力系统集团公司 风力涡轮机发电系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2410386A (en) * 2004-01-22 2005-07-27 Areva T & D Uk Ltd Controlling reactive power output
US20090096211A1 (en) * 2005-05-13 2009-04-16 Siemens Ag Wind Farm and Method for Controlling the Same
CN102171921A (zh) * 2008-10-03 2011-08-31 垂直风公司 发电单元以及用于产生电能的方法
CN101867194A (zh) * 2009-04-17 2010-10-20 维斯塔斯风力系统集团公司 风电场、校正电压不平衡的方法以及风涡轮
CN102437808A (zh) * 2010-08-26 2012-05-02 通用电气公司 用于控制风力涡轮机电功率产生量的方法和设备
CN102904274A (zh) * 2011-07-29 2013-01-30 通用电气公司 影响高压电力线的实际高压特性的控制系统和控制方法
CN102979674A (zh) * 2011-09-05 2013-03-20 西门子公司 使用自适应参考变量操作风力涡轮机的系统和方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016177376A1 (en) 2016-11-10
US20180119674A1 (en) 2018-05-03
EP3292625A1 (en) 2018-03-14
US10865777B2 (en) 2020-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yaramasu et al. High-power wind energy conversion systems: State-of-the-art and emerging technologies
Mitra et al. Offshore wind integration to a weak grid by VSC-HVDC links using power-synchronization control: A case study
Yaramasu et al. PMSG-based wind energy conversion systems: survey on power converters and controls
Rashid et al. Transient stability enhancement of doubly fed induction machine-based wind generator by bridge-type fault current limiter
Robinson et al. Analysis and design of an offshore wind farm using a MV DC grid
Chen et al. Integrating wind farm to the grid using hybrid multiterminal HVDC technology
Blaabjerg et al. Future on power electronics for wind turbine systems
Troester New German grid codes for connecting PV systems to the medium voltage power grid
CN104145396B (zh) 中压dc收集系统
CN102155356B (zh) 一种基于电磁耦合器调速前端的风电机组运行控制方法
CN102545759B (zh) 为双馈感应发电机提供增加的涡轮机输出的方法和系统
Kanjiya et al. A novel fault-tolerant DFIG-based wind energy conversion system for seamless operation during grid faults
AU2004318142C1 (en) Method for operating a frequency converter of a generator and wind energy turbine having a generator operated according to the method
CA2771730C (en) Method and arrangement for controlling an operation of an electric energy production facility during a disconnection to a utility grid
Faulstich et al. Medium voltage converter for permanent magnet wind power generators up to 5 MW
US9745959B2 (en) Inrush current protection for wind turbines and wind farms
Yang et al. A series-dynamic-resistor-based converter protection scheme for doubly-fed induction generator during various fault conditions
EP1561946B1 (en) Generator with utility fault ride-through capability
CA2646114C (en) Variable speed wind turbine having an exciter machine and a power converter not connected to the grid
Samuel et al. Grid interface of wind power with large split-winding alternator using cascaded multilevel inverter
US8013461B2 (en) Power conversion system and method for a rotary power generation system
US8018082B2 (en) Method and apparatus for controlling a wind turbine
Fletcher et al. Introduction to doubly-fed induction generator for wind power applications
Xiang et al. Coordinated control of an HVDC link and doubly fed induction generators in a large offshore wind farm
US7095597B1 (en) Distributed static var compensation (DSVC) system for wind and water turbine applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination