CN109155604A - 均衡dfig定子与电网侧逆变器之间的无功电流 - Google Patents

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Abstract

本发明的方面涉及一种用于在异常电力网事件期间控制从风力涡轮发电机提供给电力网的无功电流的量的方法，所述风力涡轮发电机包括具有转子和定子的双馈感应发电机和将所述转子耦合至所述电力网的功率转换器，所述功率转换器包括电网侧逆变器，其中，所述方法包括在无功定子电流与无功电网侧逆变器电流之间均衡提供给所述电力网的所述无功电流的步骤，其中，根据接收由所述电网侧逆变器提供的所述无功电流的电网断路器的无功电流容量来控制所述无功电网侧逆变器电流。本发明的方面还涉及能够执行该方法的风力涡轮发电机。

Description

均衡DFIG定子与电网侧逆变器之间的无功电流
技术领域
本发明的方面涉及用于在异常电力网事件期间均衡双馈感应发电机与电网侧逆变器之间的无功功率的方法与风力涡轮发电机。
背景技术
在异常电力网事件期间，可能必需增大输送至电力网的无功电流的量。在功率产生单元包含应用双馈感应发电机(DFIG)的风力涡轮发电机的情况下，大多数无功电流被经由电气发电机的定子输送至电力网。
发明内容
在包含DFIG的已知布置中，经由定子输送增大的量的无功电流。这可能是不利的，因为增大的量的无功电流可能将定子加热至不期望的温度，具有缩短DFIG的寿命的风险。从而，需要用于在异常电力网事件期间降低无功定子电流，同时将所需量的无功电流输送至电力网，的方法和布置。
可以将提供用于在经历异常电力网事件时减小DFIG的定子电流的方法视为本发明的实施例的目的。
上述目的通过在第一方面提供一种用于在异常电力网事件期间控制从风力涡轮发电机向电力网提供的无功电流的量的方法而得到满足，所述风力涡轮发电机包括具有转子和定子的双馈感应发电机和将所述转子耦合至所述电力网的功率转换器，所述功率转换器包括电网侧逆变器，其中，所述方法包括在无功定子电流与无功电网侧逆变器电流之间均衡提供给所述电力网的所述无功电流的步骤，其中，根据接收由所述电网侧逆变器提供的所述无功电流的电网断路器的过载电流容量来控制所述无功电网侧逆变器电流。
可以根据电网断路器的过载无功电流容量来控制无功电网侧逆变器电流。在本公开中，异常电力网事件包含电力网上的电压改变，诸如结合低电压穿越(LVRT)事件、欠电压穿越(UVRT)事件、过电压穿越(OVRT)事件或高电压穿越(HVRT)事件，其中，风力涡轮发电机保持连接至电力网，以在异常电力网事件期间支持电力网。
异常电力网事件可以包含预定电网电压值以下的电压降低。在LVRT或UVRT的情况下，此预定值原则上可以对应于0与名义电网电压的100％之间的每一个值。在UVRT或HVRT的情况下，预定值原则上可以对应于名义电网电压以上的任何值。可以使用连接至一个或更多相的一个或更多软件控制的电压传感器来测量电压改变。
异常电力网事件的持续时间可典型地从几分之一秒到数分钟变化，取决于异常类型。在异常电力网事件之前和之后，可以以功率模式操作风力涡轮发电机，而在诸如LVRT、UVRT、OVRT或HVRT事件的异常电力网事件期间，根据依据本发明的方法的实施例来操作风力涡轮发电机，其中在无功电网侧逆变器电流与DFIG发电机的定子电流之间均衡要提供给电力网的无功电流。为了不使连接至电网侧逆变器的电网断路器过载，根据电网断路器的过载无功电流容量来控制无功电网侧逆变器电流。电网断路器的过载电流容量或过载无功电流容量可以限定可以用以将电网断路器操作于其额定电流水平以上的条件。可以以使得电网断路器不跳闸的方式来控制电网侧逆变器电流。
电网侧逆变器与DFIG的定子之间的无功电流的均衡是有利的，因为可以将无功定子电流保持在预定定子电流上限以下，以避免例如对DFIG的不必要的加热。可以通过将无功转子电流保持在预定转子电流上限以下来将无功定子电流保持在预定定子电流上限以下。
要提供给电力网的无功电流的量等于无功定子电流和无功电网侧逆变器电流之和。
为了将无功定子电流保持在预定定子电流上限以下，可以在预定时间段的至少部分中，将无功电网侧逆变器电流控制为超过电网断路器的额定电流容量。预定时间段可以从小于一秒至数分钟或甚至更长。预定时间段可以等于异常电力网事件的持续时间。
在预定时间段的至少部分期间，无功电网侧逆变器电流可以超过电网断路器的额定电流容量的至少20％，诸如至少30％，诸如至少40％，诸如至少50％，诸如至少60％，诸如至少80％，诸如至少100％。典型的电网断路器的额定电流容量可以是例如200A。作为比较，DFIG的额定电流水平可以是例如1600A。然而，应当注意，电网断路器和DFIG的额定电流水平可以与于此提到的水平不同。
与异常电力网事件的结束阶段相比，电网断路器可能在异常电力网事件的初始阶段能够处理更多的电流。从而，如果高过载电流水平在整个异常电力网事件期间保持静态，则电网断路器可以归因于例如过热而跳闸。为了避免电网断路器的跳闸，可以将无功电网侧逆变器电流控制为在预定时间段期间降低。在预定时间段的至少部分期间，可以控制无功电网侧逆变器电流以预定方式，诸如以线性方式，降低。
在第二方面，本发明涉及一种风力涡轮发电机，所述风力涡轮发电机被布置为在异常电力网事件期间将无功电流的量输送至电力网，所述风力涡轮发电机包括：
1)具有转子和定子的双馈感应发电机；
2)将所述转子耦合至所述电力网的功率转换器，所述功率转换器包括电网侧逆变器；以及
3)控制器，用于在无功定子电流与无功电网侧逆变器电流之间均衡要提供至所述电力网的无功电流，并根据接收由所述电网侧逆变器提供的所述无功电流的电网断路器的过载电流容量来控制所述无功电网侧逆变器电流。
DFIG的定子与电网侧逆变器之间的无功电流的均衡是有利的，因为可以避免对DFIG的不必要的加热，因为可以将控制器布置为将无功定子电流保持在预定定子电流上限以下。可以通过将无功转子电流保持在预定转子电流上限以下来将无功定子电流保持在预定定子电流上限以下。
控制器可以附加地被布置为，在预定时间段的至少部分中，将无功电网侧逆变器电流保持在电网断路器的额定电流容量以上。预定时间段可以从小于一秒至数分钟或甚至更长。预定时间段可以等于异常电力网事件的持续时间。
在预定时间段的至少部分期间，无功电网侧逆变器电流可以超过电网断路器的额定电流容量的至少20％，诸如至少30％，诸如至少40％，诸如至少50％，诸如至少60％，诸如至少80％，诸如至少100％。典型的电网断路器的额定电流容量可以是例如200A。作为比较，DFIG的额定电流水平可以是例如1600A。然而，应当注意，电网断路器和DFIG的额定电流水平可以与于此提到的水平不同。
与异常电力网事件的结束阶段相比，电网断路器可能在异常电力网事件的初始阶段能够处理更多的电流。从而，如果高过载电流水平在整个异常电力网事件期间保持静态，则电网断路器可以归因于例如过热而跳闸。为了避免电网断路器的跳闸，可以使用控制器将无功电网侧逆变器电流控制为在预定时间段期间降低。在预定时间段的至少部分期间，可以控制无功电网侧逆变器电流以预定方式，诸如以线性方式，降低。
附图说明
现在将通过实施例并参照附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了应用双馈感应发电机的风力涡轮发电机；
图2示出了用于在异常电力网事件期间控制无功电流的控制环；以及
图3示出了示例根据本发明的方法的流程图。
虽然本发明可以具有各种修改和替代形式，但是通过附图中的范例示出了特定实施例，并且将于此详细描述这些特定实施例。然而，应当理解，不意图将本发明限制于公开的特殊形式。而是，本发明涵盖落入如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物、以及替代。
具体实施方式
本发明的方面涉及用于在异常电力网事件期间，诸如在包括LVRT事件、UVRT事件、OVRT事件或HVRT事件的电力网电压下降期间，操作使用DFIG的风力涡轮发电机的方法。当检测到异常电力网事件时，在DFIG的定子与电网侧逆变器之间均衡生成的无功功率，同时考虑操作地连接至电网侧逆变器的电网断路器的过载电流容量。电网断路器的过载电流容量可是过载无功电流容量。电网断路器的过载电流容量或过载无功电流容量可以限定电网断路器可以用以操作于其额定电流水平以上的条件。
现在参照图1，描绘了包含DFIG 104的风力涡轮发电机100。如图1中看到的，DFIG104的转子106经由可选变速箱103耦合至一组转子叶片102。转子叶片102响应于输入风功率101而旋转。DFIG 104适于经由两个三相分支113、114和115通过可选电网变压器111将功率输送至电力网112。在两个三相分支的后者115中，功率从DFIG 104的定子105输送至可选电网变压器111。两个三相分支的另一分支113、114还包括频率功率转换器，该频率功率转换器包含由中间DC链路109分开的转子侧AC/DC逆变器107和电网侧DC/AC逆变器108。转子侧AC/DC逆变器107和电网侧DC/AC逆变器108由功率控制器110控制。功率可以在三相分支113、114中在两个方向上流动。
三相分支114包括用于将电网侧DC/AC逆变器从可选电网变压器111断开的三相电网断路器116。电网断路器116可以包括插入于三相中的每一相中的可控开关。这些可控开关的技术规格设定电网断路器116的额定电流水平。
类似于其它电力电子部件，相比于其额定电流水平，电网断路器116可以被暂时过载。本发明的实施例利用电网断路器116的此暂时过载容量，因为然后可以减小经由DFIG定子输送的无功功率。
如上所述，电网断路器116的暂时过载容量有助于电网断路器116能够在预定时间段中操作于其额定电流水平以上，而无跳闸和/或无损坏。从而，通过将电网断路器16操作于其额定电流水平以上，能够通过电网断路器116将过量的无功电流提供给电力网112，同时能够相应地减小定子105提供的无功电流。通过电网断路器116的暂时过载电流在异常电力网事件期间典型地以受控的方式降低。例如，降低过载电流可以遵循线性依赖关系。然而，其它降低依赖关系也可以适用。
在异常操作期间，风力涡轮发电机100典型地以所谓的功率模式操作，其中要输送至电力网112的有功和无功功率的量由相应的有功和无功功率参考设定。
如以上处理的，异常电力网事件可以包含LVRT事件或UVRT事件，其中，由于某些原因，电力网电压下降至0与名义电力网电压的100％之间任意处的电压水平。在OVRT事件或HVRT事件的情况下，电力网电压原则上可以在名义电力网电压以上任意处。
当已经检测到异常电力网事件时，禁用功率模式。为了在异常电力网事件期间以无功功率支持电力网，风力涡轮发电机保持连接至电力网。
现在参照图2，描绘了闭控制环200。响应于无功电流参考IQref和两个测得的参数205、206，闭控制环控制d轴转子电压204，并且由此控制无功转子电流。如图2中示例的，将无功电流参考与电网断路器控制信号208和由DFIG 207的电网侧逆变器和定子提供的总无功电流205进行比较。电网断路器控制信号208表示图1中的电网断路器116的过载容量。
将无功电流参考IQref与测得的总无功电流205和电网断路器控制信号208之间的差异提供给调节器201，调节器201生成无功转子参考203。将无功转子参考203与测得的无功转子电流206进行比较，并且然后将它们之间的差异提供给调节器202，调节器202生成d轴转子电压204。调节器201、202原则上可以是任何类型的，诸如例如PI、PD或PID。还有，可以使用前馈，使得PI仅工作于该前馈之上。为简化，没有示出这个。
从而，在异常电力网事件期间，以闭环电流配置控制DFIG 207，其中作为输入信号提供电流参考IQref和电网断路器控制信号208。
以下，将给出与本发明的实施例相关联的优点的示例性范例。显然，各电流水平取决于K因子、电压降的大小、有功功率参考、无功功率参考、发电机速度等。
在示例性范例中，定子可以在发生异常电力网事件之前将1600A的有功电流和100A的无功电流输送至电力网。视在定子电流于是等于1603.12A。以下，假定电网断路器的额定电流水平为200A，而假定电网断路器的过载容量为280A。在20％的电压降和2.5的K因子的情况下，如果未使用电网断路器的过载容量，即通过电网断路器的视在电流可以不超过200A，则视在定子电流将达到1978A。另一方面，如果将电网断路器的过载容量使用到几乎其最大值，即279.3A，则要从定子输送的视在电流将被减小至1688.08A，即几乎300A的电流减小。
在图3中，描绘了示例根据本发明的方法的实施例的流程图300。如图3中描绘的，如果没有检测到异常电力网事件，即如果没有检测到电网故障，则以功率模式操作风力涡轮发电机。相反，如果检测到异常电力网事件，则以电流模式操作风力涡轮发电机。在电流模式中，以使得优选地将电网断路器的电流过载容量使用到其最大值的方式，参见以上给出的范例，在DFIG的定子与电网侧逆变器之间均衡要输送至电力网的总的无功功率。从而，在电流模式中，DFIG的定子提供一部分无功电流301，而另一部分无功电流302由电网侧逆变器输送。在发射到电力网之前，两部分无功功率被加和303。经由d轴转子电压204控制来自DFIG的定子的无功功率，参见图2，并且只要存在异常电力网事件，就将生成的d轴转子电压204提供给DFIG。
电网断路器可能在异常电力网事件的初始阶段能够处理更多的电流。从而，可能必须在异常电力网事件期间降低来自电网侧逆变器的无功电流贡献302，以不使电网断路器跳闸。无功电流的降低可以遵循基本线性的行为，使得在例如几秒之后或者或许接近异常电力网事件的末尾，通过电网断路器的无功电流达到电网断路器的额定电流水平。为了补偿通过电网断路器提供的无功电流的降低，能够相应地增大通过DFIG的定子输送的无功电流。
可以使用可变措施，诸如纯软件实施，来实施图3中示例的方法。

Claims (15)

1.一种用于在异常电力网事件期间控制从风力涡轮发电机提供给电力网的无功电流的量的方法，所述风力涡轮发电机包括具有转子和定子的双馈感应发电机和将所述转子耦合至所述电力网的功率转换器，所述功率转换器包括电网侧逆变器，其中，所述方法包括在无功定子电流与无功电网侧逆变器电流之间均衡提供给所述电力网的所述无功电流的步骤，其中，根据接收由所述电网侧逆变器提供的所述无功电流的电网断路器的过载电流容量来控制所述无功电网侧逆变器电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述电网断路器的过载无功电流容量来控制所述无功电网侧逆变器电流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述异常电力网事件包含低电压穿越事件、欠电压穿越事件、过电压穿越事件或高电压穿越事件。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，将所述无功定子电流保持在预定定子电流上限以下。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过将无功转子电流保持在预定转子电流上限以下来将所述无功定子电流保持在所述预定定子电流上限以下。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中，要提供给所述电力网的无功电流的所述量等于所述无功定子电流和所述无功电网侧逆变器电流之和。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，在预定时间段的至少部分中，将所述无功电网侧逆变器电流控制为超过所述电网断路器的额定电流容量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述预定时间段的至少部分期间，所述无功电网侧逆变器电流超过所述电网断路器的所述额定电流容量的至少20％，诸如至少30％，诸如至少40％，诸如至少50％，诸如至少60％，诸如至少80％，诸如至少100％。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在所述预定时间段的至少部分期间，控制所述无功电网侧逆变器电流以预定方式降低。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电网侧逆变器电流以基本线性的方式降低。
11.一种风力涡轮发电机，被布置为在异常电力网事件期间将一定量的无功电流输送至电力网，所述风力涡轮发电机包括：
1)具有转子和定子的双馈感应发电机；
2)将所述转子耦合至所述电力网的功率转换器，所述功率转换器包括电网侧逆变器；以及
3)控制器，用于在无功定子电流与无功电网侧逆变器电流之间均衡要提供至所述电力网的无功电流，并根据接收由所述电网侧逆变器提供的所述无功电流的电网断路器的过载电流容量来控制所述无功电网侧逆变器电流。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮发电机，其中，所述控制器被布置为将所述无功定子电流保持在预定定子电流上限以下。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮发电机，其中，通过将无功转子电流保持在预定转子电流上限以下来将所述无功定子电流保持在所述预定定子电流上限以下。
14.根据权利要求11-13中的任一项所述的风力涡轮发电机，其中，所述控制器被布置为：在预定时间段的至少部分中，将所述无功电网侧逆变器电流保持在所述电网断路器的额定电流容量以上。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮发电机，其中，所述控制器被布置为：在所述预定时间段的至少部分期间，以预定方式降低所述无功电网侧逆变器电流。
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