CN108604795B - 风力涡轮机故障穿越能力 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机系统(20、70)通过逆变器(38)连接到电网(42)，逆变器在电网低压故障期间通过向电网提供无功功率而向电网提供涡轮机端电压(Vt)支持，该电网低压故障与发电机(30)缺乏实际功率产生同时发生。处理器(46)通过在DC母线电压下降到高于低母线电压跳闸设定点(56)的阈值(59)时，停止无功功率输出来控制逆变器，以保持本地DC母线(34)上的最小电压。诸如电池的能量存储装置(48)可以连接到DC母线，以提供在电网故障期间支持延长的穿越能力的电力。

Description

风力涡轮机故障穿越能力
技术领域
本发明主要涉及基于逆变器的可变能源领域，更具体地涉及在电网的低电压状态下，当风力涡轮发电机不发电时，通过AC-AC转换器连接到电网的风力涡轮发电机系统的穿越能力。
背景技术
在风力涡轮机正常运行期间，通过风力向转子供电，风力通过齿轮传动机器中的齿轮箱或直接在直接驱动机器中转动发电机。发电机的输出由发电机侧转换器整流成DC(直流)，并瞬时存储在电容电场中的DC母线中。DC母线能量被提供给线路侧转换器，线路侧转换器在电网频率下将DC能量转换成AC(交流)。本文中的“电网”是指连接到线路侧转换器的输出的配电系统。这包括例如风力涡轮机场中的收集系统，该收集系统从多个风力涡轮机收集电力，并且可以被认为是本地电网。线路侧转换器产生以兆瓦(MW)测量的有功功率和以兆乏(MVAR)测量的无功功率。有功功率必须由发电机提供，但无功功率可由线路侧转换器产生，无需发电机发生作用。当线路侧转换器不产生有功功率，而是向电网提供无功功率，或者从电网吸收无功功率时，它作为本地电压调节器运行。通过向电网提供无功功率，提高了本地电网电压，通过从电网吸收无功功率，降低了电网电压。当涡轮机在这种模式下运行时，其被描述为在“同步调相机模式”或“STATCOM模式”下运行。在此期间，发电机和发电机侧转换器保持运转，但是由于它们不起作用因而处于待机模式，只有DC母线和线路侧转换器起作用。
在电网的低电压情况下，线路侧逆变器可以提供无功电流来支持电网电压。尽管纯无功电流不传递任何净有功或实际功率，但由于所有非超导电气元件都具有串联电阻，因此在不产生一些有功功率损耗的情况下提供无功电流是不可能的。这将耗尽DC母线上的电压直到满足低DC母线电压设定点，发电机跳闸，然后可能需要几分钟才能重新启动，以便进行诊断，确定与跳闸相关的涡轮机没有损坏。DC母线中的实际能量由E＝1/2C V2描述，其中E是能量，C是DC母线电容，V是DC母线电压。这种能量由于系统中的损耗而耗散，因此必须补充。当风力涡轮机产生来自风的电力时，该能量从风力获得。然而，在低风速(低于风力涡轮机切入速度)或高风速(高于切出速度)期间，或者当系统操作者需要时，有时期望风力涡轮机作为系统电压调节器操作而不产生有功功率。发生这种情况时，DC母线能量必须由电力系统提供。如果本地电力系统出现三相故障，系统电压降至零，则无法传输电力。DC母线能量在此过程中被消耗，DC母线电压下降。在这种情况下，发电机侧转换器不能补充DC母线以支持实际损耗，并且存在DC母线电压下降到不可接受的低水平或零的风险，从而导致涡轮机跳闸。
附图说明
本发明在下面的描述中参照附图进行解释，附图显示：
图1是描绘本发明实施例的一个方面的风力涡轮机能源的示意图。
图2示出了两个现有技术选项和两个当前实施例的方面，用于当发电机功率无效时对低电网电压的无功电流响应。
图3示出了对应图2的各个选项的DC母线电压随时间的变化。
图4示出了本发明的两个附加实施例的方面，用于当发电机功率无效时对低电网电压的无功电流响应。
图5示出了对应图4的各个选项的DC母线电压随时间的变化。
图6是包括双馈感应发电机的风力涡轮机能源的示意性系统视图，示出了本发明实施例的一个方面。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机能源20，其包括气动转子22，气动转子通过直接驱动或经由齿轮箱26驱动发电机24。AC-AC转换器28具有发电机侧AC-DC转换器30，发电机侧AC-DC转换器30从发电机接收电力32并在DC母线34上将其转换成DC电力，DC母线34可包括用于平滑的电容器36。线路侧DC-AC转换器38(逆变器)在电网频率下将DC电压转换成AC。该电压由变压器40升压以传输到电网。集电装置42可以从一个或多个风力涡轮机收集电力，并且可以被认为是本文讨论的电网的一部分。线路侧DC-AC转换器通过断路器44连接到电网，断路器在某些故障情况下断开输出与电网的连接。处理器46控制AC-AC转换器并监视DC母线电压水平Vb和涡轮机端电压水平Vt。本文中的“处理器”指的是一个或多个数字和/或模拟元件，其启用和执行控制其他元件操作的控制逻辑。如本文所使用的，涡轮机端电压(或端电压)是变压器40的低压侧上的电压，并且与变压器40的高压侧上的集电装置系统电压或电网电压直接相关，因此，如本领域技术人员所理解的那样这些术语在本文中有时可以互换使用。如下文更充分讨论的，诸如电池或其它装置的能量存储装置48可以连接到DC母线，以在发电机24功率无效且该单元在STATCOM模式下操作时，在预定持续时间内支持DC母线上的电压或在电网的低电压状态下支持穿越。这可能会发生在当诸如发电机或发电机侧转换器之类的上游组件由于维护而停止运行，或者当系统操作者以其他方式指示，在发电机24由于风力低于切入速度或高于切入速度而不运行的期间，电网发生故障，例如短路。
图2和图3示出了与本发明的第一和第二示例性实施例相比的两个现有技术故障响应选项的各方面，用于在STATCOM模式中的电网故障期间控制线路侧转换器38的无功电流输出。在这些图中，以52和54开头的附图标记是现有技术的示例，以58和60开头的附图标记是本发明的实施例。图3示出了对应图2的各个电流选项的DC母线电压Vb随时间的变化。第一现有技术选项在故障50发生后尽快将无功电流52C减小到零(受控制系统限制)。这保持了DC母线34上的电压52V。第二现有技术选项向电网提供无功电流54C，直到DC母线上的电压54V耗至低压跳闸设定点56。这导致风力涡轮机能源20跳闸和脱机。本发明人已经认识到，这些选项都不是所期望的，因其或者不提供对电网电压的支持，或者需要风力涡轮机能源20到电网的再同步。
本发明的第一实施例向电网提供无功电流58C，但仅在DC母线电压58V保持高于跳闸设定点56的有限时间内。当DC母线电压达到高于DC母线低压跳闸设定点56的预定阈值59时，线路侧转换器38由处理器46控制以停止向电网提供无功功率。
本发明的第二实施例向电网提供无功电流60C，并且可以使用能量存储装置48(图1)，该能量存储装置在规定的故障穿越持续时间(例如至少150ms)内将DC母线上的电压60V支持在跳闸设定点56之上。能量存储装置可以是电池或一些其他装置。DC母线上相对较小的电容器36提供瞬时电压支持，电池提供更长持续时间的支持。电力还可以由用于较长电网支撑的任何适当类型的辅助发电机提供给母线。电容器比电池贵但速度更快，所以这种阶段性的能量支持具有协同效应。本实施例特别适用于弱电网和具有穿越问题或要求的电力系统。
图4和图5示出了本发明的第三和第四实施例的方面，用于在STATCOM模式下电网的低压故障期间控制线路侧转换器的无功电流输出。
本发明的实施例3在DC母线电压62V下降到第一预定阈值66时，将无功电流62C从第一编程值A减小到小于第一编程值的第二编程值B。然后，当DC母线电压下降到小于第一预定阈值66且大于低DC母线电压跳闸设定点56的第二预定阈值59时，无功电流输出62C下降到零。这在故障持续时间的第一部分为电网提供了相对较高的支持，在故障持续时间的第二部分提供了较低的支持，同时保持DC母线高于跳闸设定点56。在给定的电池尺寸下，它提供了比图2和图3的选项60更长的穿越时间。
实施例4在DC母线电压64V下降到高于DC母线低压跳闸设定点56的预定阈值59时，平滑地将提供给电网的无功电流64C从第一编程值A减小到小于第一编程值的第二编程值B。当DC母线电压达到预定阈值59时，无功电流下降为零。实施例4以分级的方式支持电网，以实现故障穿越，同时将DC母线保持在跳闸设定点以上。在给定的电池尺寸下，它提供了比图2和图3的选项60更长的穿越时间。
参照图1，在第五实施例中，处理器46可以执行程序步骤并控制线路侧转换器38，使得当涡轮机端电压Vt下降到预定最小Vm(未示出)以下时，线路侧转换器38以与电网电压成反比的关系向电网提供无功电流。示例性程序形式是：
如果Vt<Vm，则Ir＝K(1-(Vt/Vn))pu
其中Ir是由处理器发送到线路侧转换器38以产生相应的无功电流水平的每单位控制值，Vn是额定涡轮机端电压，K是常数。在另一示例中，程序可以针对低于Vm的涡轮机端电压的每个下降级别(例如1％)，将无功电流输出增加给定的百分比，直到涡轮母线电压Vb下降到预定无跳闸阈值59，然后将无功电流输出设置为零。示例性程序形式是：
如果Vt<Vm，则Ir＝(K*(Vm-Vt))/Vn
例如，如果Vn＝690V，Vm＝621V，Vt＝586.5V(额定值的85％)，K＝2，则Ir＝0.10pu，或10％。相对于额定端电压Vn，逆变器在低于621V的最小涡轮机端电压的涡轮机端电压Vt每下降1％时产生比额定值高2％的无功电流。在这个具体的示例中，提供了10％的无功电流。无功电流调节可以设置上限，例如额定值的1.1倍。本实施例提供对电网电压的渐进支持，其中能量存储装置48在故障的特定穿越持续时间内足以提供这种支持。注意，这里描述的控制基于涡轮机端电压，但是它可以基于电网或集电装置系统电压以及电网和涡轮机之间的通信来应用。
图6示出了风力涡轮机能源70，其包括气动转子22，气动转子通过直接驱动或经由齿轮箱26驱动双馈感应发电机72。AC-AC转换器28具有发电机侧AC-DC转换器30，发电机侧AC-DC转换器30从发电机接收电力32并在DC母线34上将其转换成DC电力，DC母线可包含电容器36。线路侧DC-AC转换器38在电网频率下将DC电压转换成AC。逆变器输出74的一部分激励双馈发电机的绕线转子。其余部分由变压器40升压以传输到电网。集电装置42可以从一个或多个风力涡轮机收集电力。线路侧DC-AC转换器通过断路器44连接到电网，断路器在某些故障情况下断开风力涡轮机系统与电网的连接。处理器46控制AC-AC转换器。在本发明的一个实施例中，诸如电池的能量存储装置48连接到DC母线，以在发电机功率无效时在电网的低电压状态下将DC母线上的电压保持预定穿越持续时间。前面描述的本发明的各方面在这种类型的系统上操作相同。
当在电网故障期间电网上没有由风力涡轮机能源提供的负载时，本实施例的每一个可以以同步调相机模式运行。在这种模式下，能量存储装置提供短路电流以覆盖由于电路中的电阻引起的实际损耗，从而在没有风力的情况下支持DC母线电压。
尽管本文已经示出和描述了本发明的各种实施例，但是显然，这些实施例仅作为示例提供。在不脱离本发明的情况下，可以进行多种变化、改变和替换。因此，本发明旨在仅受所附权利要求书的精神和范围的限制。

Claims (17)

1.一种在包括连接到电网的风力涡轮机能源的发电系统中的方法，包括：
在所述风力涡轮机能源未向所述电网提供有功功率期间，通过从所述风力涡轮机能源的逆变器向所述电网提供无功电流来支持所述电网上的电压；
在支持电压的步骤期间，监测所述风力涡轮机能源的DC母线电压；以及
当监测到的所述DC母线电压下降到高于所述风力涡轮机能源的低DC母线电压跳闸设定点的预定阈值时，减少供应到所述电网的所述无功电流的量，从而防止所监测的所述DC母线电压下降到所述低DC母线电压跳闸设定点以防止所述风力涡轮机能源跳闸。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：当所述DC母线电压下降到所述预定阈值时，将供应到所述电网的所述无功电流的量减少到零。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述DC母线电压下降到第一预定阈值时，将供应到所述电网的所述无功电流的量从第一编程值减小到小于所述第一编程值的第二编程值；以及
当所述DC母线电压下降到小于所述第一预定阈值且大于所述低DC母线电压跳闸设定点的第二预定阈值时，将供应到所述电网的所述无功电流的量减小到零。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在支持电压的步骤期间，向所述DC母线提供电力以支持所述DC母线电压。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：在支持电压的步骤期间，由能量存储装置向所述DC母线提供电力以支持所述DC母线电压。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：在预定故障状态期间，以至少预定时间段提供所述能量存储装置以具有足够的容量来将所述DC母线电压维持在所述预定阈值以上。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述预定时间段为至少150 ms。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在风能源的处理器上执行以下步骤：
监测涡轮机端电压Vt，如果其低于预定水平Vm，则根据公式Ir=K(1-(Vt/Vn)) pu控制所述逆变器向所述电网提供所述无功电流，其中，Ir是所述处理器发送到所述逆变器以产生相应无功电流水平的每单位控制值，Vn是额定涡轮机端电压，K是常数；以及
当所述DC母线电压下降到所述预定阈值时，将所述无功电流减小为零。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括在风能源的处理器上执行以下步骤：
监测涡轮机端电压Vt，如果其低于预定最小电压水平Vm，则根据公式Ir=(K*(Vm-Vt))/Vn控制所述逆变器向所述电网提供所述无功电流，其中Ir是所述处理器发送到所述逆变器以产生相应无功电流水平的每单位控制值，Vn是额定涡轮机端电压，并且K是常数；以及
当所述DC母线电压下降到所述预定阈值时，将所述无功电流减小为零。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，还包括：在风能源的处理器上执行以下步骤：
接收响应于电网或集电装置系统电压的通信；
监测所述电网或集电装置系统电压，如果其低于预定水平，则响应于监测到的电网或集电装置系统电压，控制所述逆变器向所述电网提供所述无功电流；以及
当所述DC母线电压下降到所述预定阈值时，将所述无功电流减小为零。
11.一种风力涡轮机能源，包括：
控制逻辑，能够在处理器中操作，以在所述风力涡轮机能源不产生有功功率时，控制所述风力涡轮机能源的逆变器以同步调相机模式，向连接到所述风力涡轮机能源的电网提供无功功率；
DC母线电压传感器，响应于所述风力涡轮机能源的DC母线电压提供信号；以及
所述控制逻辑被编程为当所述DC母线电压下降到预定阈值以下超过低DC母线电压跳闸设定点时，减少由所述逆变器提供给所述电网的所述无功功率的量，从而防止所监测的所述DC母线电压下降到所述低DC母线电压跳闸设定点以防止所述风力涡轮机能源跳闸。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机能源，还包括：连接到所述DC母线的电池，所述电池在所述电网的预定故障状态期间，以至少150 ms提供足以将所述DC母线电压维持在所述预定阈值以上的电流。
13.一种用于在故障状态期间保护电力传输系统的计算机实现的方法，包括在处理器上执行以下步骤：
接收同时包含以下内容的电子通信：
a）由风力涡轮发电机系统的逆变器供电的电网处于低电压状态的表示；以及
b）所述风力涡轮发电机系统不产生有功功率的表示；
通过控制所述逆变器响应于所述电网的电气条件向所述电网提供无功电流或从所述电网吸收无功电流，在低电压状态期间提供所述电网的电压调节；
感测连接到所述逆变器的DC母线上的DC母线电压；以及
如果所述DC母线电压降到预定阈值以下，则停止提供所述电压调节的步骤，以将所述DC母线上的剩余电压保持在所述风力涡轮发电机系统的低DC母线电压跳闸设定点之上，从而防止所监测的所述DC母线电压下降到所述低DC母线电压跳闸设定点以防止所述风力涡轮发电机系统跳闸。
14.根据权利要求13所述的计算机实现的方法，还包括：
提供连接到所述DC母线的能量存储装置；以及
在提供所述电压调节的步骤期间，从所述能量存储装置向所述DC母线提供能量。
15.根据权利要求14所述的计算机实现的方法，还包括：将所述能量存储装置提供为电池，所述电池具有将所述DC母线的电压维持在所述预定阈值以上的容量，同时在所述低电压状态期间通过所述逆变器以至少150 ms提供所述电网的电压调节。
16.根据权利要求15所述的计算机实现的方法，其中，所述低电压状态包括所述电网的空载状态。
17.根据权利要求15所述的计算机实现的方法，其中，所述低电压状态包括所述电网的短路。
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