CN112881820B - 电力系统和执行风力涡轮机的电力系统的测试过程的方法 - Google Patents

Abstract

电力系统和执行风力涡轮机的电力系统的测试过程的方法。本发明涉及一种用于凭借电源单元（180）来执行风力涡轮机的电力系统（100）的测试过程的方法，其中所述方法包括将所述电源单元（180）连接到风力涡轮机的低压配电系统（110）。所述方法进一步包括闭合低压断路器（112），使得在所述低压配电系统与辅助变压器（140）之间提供电连接。经由所述低压配电系统（110）从所述电源（180）单元向功率转换器（160）提供电力，从而激励所述功率转换器（160）的直流链路（162）。将所述功率转换器（160）与电网（170）同步，以及闭合主变压器开关设备单元（130），使得在主变压器（120）与电网（170）之间提供电连接。

Description

电力系统和执行风力涡轮机的电力系统的测试过程的方法

技术领域

本发明涉及一种用于执行风力涡轮机的电力系统的测试过程的方法和布置。

背景技术

风力涡轮机可以包括电力系统，该电力系统包括发电机、主变压器、主变压器开关设备单元、辅助变压器、辅助变压器开关设备单元、低压配电系统、功率转换器和电网。电网也可以被称为风力涡轮机内部高压电网或开关设备总线，其与经常被称为电网或公共电网的外部电网络不同。

电网可以由连接电力系统的部件的电缆组成。功率转换器可以包括直流链路。

在将风力涡轮机连接到用于向用户提供电力的外部电网络之前，需要调试风力涡轮机的电力系统。

风力涡轮机的电力系统的部件需要根据要求和标准来操作。需要高压源来测试风力涡轮机的电力系统的高压部件，这些高压部件可以包括主变压器、辅助变压器和/或高压线缆。例如，可以凭借在测试区域处的外部硬件部件来提供测试风力涡轮机的电力系统所需的高压。可替代地，在将风力涡轮机部件运送到风力涡轮机的最终安装地点之前，可以将风力涡轮机部件运送到其中高压连接点可用于执行测试的位置。

执行风力涡轮机的电力系统的测试过程的一种方式包括：要么向测试区域提供能够生成高压的昂贵的硬件部件，要么将预组装的风力涡轮机部件运送到其中存在这样的高压连接点的位置。这些方法的一些缺点是能够生成高压的硬件部件的价格、运送成本、订约并开发高压连接点所需的持续时间。

专利申请US2018/254628A1公开了一种电力系统，该电力系统具有连接在电力网与电源之间的电路。该电路包括主功率转换器，该主功率转换器具有输出端子以及通过DC链路连接到电源的主输入端子。主功率转换器由控制器控制。该电路包括具有初级绕组和次级绕组的主变压器，该初级绕组连接到主功率转换器的输出端子。主开关设备连接在主变压器的次级绕组与电力网之间。辅助变压器具有与主开关设备并联地连接到电力网的初级绕组以及连接到控制器的次级绕组。预充电电路连接在辅助变压器与DC链路之间。

专利申请KR20050046890A涉及一种电源系统，并且更特别地涉及一种连接到商用负载侧电力系统的自发电负载侧电力系统的分布式电源系统。通常，电源系统被设计为通过传输线将发电厂生成的电力供应给用户侧上的负载。图1示出了电源，该电源连接到功率转换器的DC链路，从而激励该转换器。

专利申请US2009/284999A1示出了一种中压可调频率驱动器，其包括：具有三相输入和三相输出的输入隔离变压器；具有三相输入和提供直流总线的输出的转换器，该三相输入电连接到输入隔离变压器的三相输出；具有电连接到转换器的输出的输入以及三相输出的逆变器；以及预充电电路。预充电电路包括铁磁谐振变压器电路，该铁磁谐振变压器电路具有被构造成输入低压的初级绕组和被构造成输出中压并且提供恒定电流源的次级绕组。

专利申请US2018/069404A1公开了一种用于将主转换器连接到电力网的方法，该主转换器例如用于在具有发电机的用于再生能量的发电厂中使用。该方法包括从预充电单元向至少两个转换器路径中的至少一个提供能量。使用从预充电单元提供的能量对至少一个转换器路径进行预充电。使用从预充电单元、经由至少一个转换器路径、通过至少一个转换器路径的电网侧转换器和至少一个另外的转换器路径的电网侧转换器提供的能量而对至少两个转换器路径中的至少一个另外的转换器路径预充电。通过闭合电网断路器将主转换器连接到电力网。

文章“On the Emulation of an Isolated Wind Energy Conversion System:Experimental Results”呈现了隔离式风能转换系统的仿真，该系统由双馈感应发电机、连接到其转子的背靠背转换器、用以最小化所生成的电压中的谐波污染的LC滤波器、以及隔离的三相负载组成。描述了测试台并且介绍了其操作能力。之后，呈现了控制系统的设计。讨论了一项实验研究，该实验研究考虑了使用双馈感应发电机的自激发来实现隔离式风能转换系统的黑启动的可能性。

专利申请US2017/284369A1讨论了一种方法和使用该方法的控制系统，该方法和控制系统用于在公用电网中的故障期间协调风电场的多个风力涡轮机的控制，功率要经由风电场的至少一个线缆而被递送到该公用电网。该方法包括：断开（opening）电连接中的每一个；根据标准来选择多个风力涡轮机中的至少一个风力涡轮机，其中从所选的至少一个发电机可获得的有源电源的值之和等于或高于由所选的至少一个风力涡轮机的能量存储系统、所选的至少一个风力涡轮机的辅助设备以及变电站级辅助设备可消耗的有源功率消耗的值之和；激活所选的风力涡轮机；对于所选的风力涡轮机：将其转换器的功率输入电连接到其发电机的功率输出，将其转换器的功率输出电连接到其辅助设备的功率输入、其能量存储系统的功率输入和对应的线缆，以及将变电站级辅助设备的功率输入电连接到与所选风力涡轮机电连接的线缆；所激活的风力涡轮机充当用于变电站级辅助设备的有源电源。该方法和使用该方法的控制系统提供了一种有效且经济的方式，该方式在风电场以孤岛（islanding）模式操作的时段期间使用风力涡轮发电机生成的电力，以用于为风力涡轮机的辅助设备供电，为风力涡轮机的能量存储系统充电，并且为变电站级辅助设备供电。

专利申请US2008/084070A1描述了一种用于与风电场相关联的至少两个风力涡轮机的孤岛操作的方法和系统，其中所述风电场被配置成用于将由所述风电场中的风力涡轮机生成的电力提供给主电网，并且其中该方法包括：在所述风电场中检测至少两个或更多个去激活的风力涡轮机，所述去激活的风力涡轮机与所述主电网断开；配置至少一个孤岛本地电网以用于电连接所述两个或更多个去激活的风力涡轮机；使用黑启动操作来激活所述去激活的风力涡轮机中的至少一个；以及将所述去激活的风力涡轮机中的至少一个和所述至少一个激活的风力涡轮机连接到所述本地电网，所述激活的风力涡轮机充当用于连接到所述本地电网的所述至少一个去激活的风力涡轮机的电源。

专利申请US2008/0084070A1描述了一种具有用于黑启动的特征的风力涡轮机，其包括：发电系统，该发电系统用于通过风力操作来产生电，并且包括用于将电提供给电网的接口；控制系统，该控制系统用于在发电系统的启动期间控制风力涡轮机的部件，其中启动发生在电网的电信号不足期间；以及至少一个能量提供元件和至少一个能量耗散元件，以用于在风力涡轮机的输出与电网的电信号之间提供平衡。

发明内容

本发明的目的是提供用于执行电力系统、优选地是风力涡轮机的电力系统的测试过程的替代方法。

该目的是通过独立权利要求来实现的。从属权利要求描述了本发明的有利发展和修改。

根据本发明，提供了一种用于执行电力系统、优选地是风力涡轮机的电力系统的测试过程的方法。电源单元电连接到风力涡轮机的低压配电系统。低压断路器被闭合，从而在低压配电系统与风力涡轮机的辅助变压器之间提供电连接。电力从电源单元经由低压配电系统被提供给功率转换器，从而激励功率转换器的直流链路。功率转换器与电网同步。主变压器开关设备单元被闭合，使得在主变压器与电网之间提供电连接。

所描述的方法提供的优点在于：可以通过生成高压来执行电力系统的调试，而无需使用附加的高压生成硬件，和/或无需将电力系统的部件运送到提供高压连接点的测试设施。取而代之，执行测试过程可以在原始组装车间中被执行。

术语“主变压器”定义了可以处于发电机与外部电网之间的主功率路径中的变压器。

术语“辅助变压器”定义了可以位于低压配电系统与主变压器之间的变压器。它在风力涡轮机的常规操作期间可以用于使主变压器输出电压适应于辅助电力系统的电压水平。根据本发明，辅助变压器可以用作升压变压器。

根据本发明的优选实施例，连接到低压配电系统的电源单元可以是三相交流电源单元，优选地是低压三相交流电源单元。这种类型的电源单元可以在用于电力系统、优选地是风力涡轮机的电力系统的任何测试设施处可获得。

在进一步的实施例中，在将电源单元连接到风力涡轮机的低压配电系统之前，可以关闭功率转换器。可替代地，可以不激励功率转换器的直流链路。

在实施例中，功率转换器可以由单个功率转换器模块组成。可替代地，功率转换器可以包括并联运行的两个或更多个功率转换器模块。

在示例性实施例中，可以通过经由直流预充电单元向功率转换器的直流链路提供直流电来执行激励功率转换器的直流链路。

作为一个选择，直流预充电单元可以被适配成将来自低压配电系统的交流电转换成直流电，以向功率转换器的直流链路提供能量。

可以通过转换器控制单元控制电网侧转换器来实现功率转换器与电网的同步，使得电网侧转换器输出电压的相位和频率与电网电压的相位和频率匹配。

在一实施例中，主变压器可以是三绕组变压器，其中两个绕组连接到两个功率转换器模块的输出。可替代地，主变压器绕组中的一个可以连接到一个功率转换器模块的输出。

电网可以是风力涡轮机的内部高压电网。

本发明进一步涉及一种电力系统，针对该电力系统来执行先前解释的方法。该电力系统包括低压配电系统、电源单元、主变压器、主变压器开关设备单元、辅助变压器、辅助变压器开关设备单元、功率转换器和电网。

电力系统可以进一步包括配电板、冷却系统、防火系统、直流预充电单元、控制设备和电缆。

直流预充电单元可以与风力涡轮机的低压配电系统电连接。

有利地，直流预充电单元可以被适配成将来自低压配电系统的交流电转换成直流电，以向功率转换器的直流链路提供能量。

在一个实施例中，电源单元可以被适配成向辅助变压器供应电力，其中低压断路器和辅助变压器可以串联地提供在低压配电系统与电网之间。

在一个实施例中，主变压器开关设备单元和主变压器可以串联地提供在电网与功率转换器之间。

作为优选实施例，电源单元可以集成在测试床或车间中。

这样，电力系统的所有部件将被提供（激励或加载）有其额定电压。一旦部件被加载有其额定电压，对电力系统的各种电气部件执行检查就是可能的。检查可以包括对各种开关设备单元、线缆和端子的视觉检查。可替代地，检查可以包括执行电测试过程，例如在电力系统的部件（例如，变压器或电力转换器）中的电压和/或电流测量。

在一个实施例中，风力涡轮机的电力系统可以连接到电源单元，并且电源单元是测试床环境的一部分。风力涡轮机的电力系统包括低压断路器、主变压器、主变压器开关设备单元、辅助变压器、辅助变压器开关设备单元、功率转换器和电网。电力系统的所有列出的部件都被包括在风力涡轮机内，其中电源单元被包括在不是风力涡轮机的一部分的测试床环境中。

应当注意的是，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考装置类型的权利要求描述了一些实施例，而已经参考方法类型的权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从上文和下文的描述中得知，除非另有说明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合以外，与不同主题相关的特征之间（特别是在装置类型的权利要求的特征与方法类型的权利要求的特征之间）的任何组合也被认为由本申请公开。

本发明还适用于例如在发电设施或其他工业设施中使用的任何类型的电力系统。

本发明的以上所限定的方面和另外的方面根据将在下文中描述的实施例的示例而是清楚的，并且参考实施例的示例而被解释。

附图说明

现在将参考附图仅作为示例来描述本发明的实施例。

图1以原理方式示意性地示出了根据本发明的风力涡轮机的电力系统的实施例；

图2以原理方式示出了根据本发明的风力涡轮机的电力系统的第二实施例；

图3示出了风力涡轮机的电力系统的实施例，其中图示了在执行根据优选实施例的方法时对电力系统的部件的激励流程。

附图中的图示是示意性的。要注意的是，对于不同附图中的类似或相同元件，将使用相同的附图标记。

将针对风力涡轮机的电力系统解释一些特征以及尤其是优点，但是明显地，这些特征也可以应用于其他发电厂或工业设施的电力系统。

具体实施方式

现在参考图1，图示了风力涡轮机的电力系统100。

电力系统100包括低压配电系统110、主变压器120、主变压器开关设备单元130、辅助变压器140、辅助变压器开关设备单元150、功率转换器160和电网170。低压配电系统110的电压水平可以是例如400伏。低压配电系统110可以用于将电能递送到风力涡轮机的辅助系统200的部件。这些部件可以包括控制设备、传感器、冷却系统、风扇、泵、加热器、空气处理单元和/或灯。

第一低压断路器111当闭合时在低压配电系统110与电源单元180之间提供电连接。当第一低压断路器111断开时，低压配电系统110与电源单元180之间的电连接被破坏。

在优选实施例中，电源单元180是三相交流低压电源单元。低压电源单元可以是例如400伏的三相电源单元。通常，根据本发明的低压配电系统110的电压水平和低压电源单元可以在100伏至2000伏的范围内，优选地在200伏至600伏的范围内。

电源单元180可以被包括在风力涡轮机的电力系统100内。可替代地，电源单元180可以被集成在其中可以测试电力系统100的位置处的测试床中或车间中。测试床可以提供从低压配电系统110到电源单元180的接口。

第二低压断路器112允许低压配电系统110与辅助变压器140之间的电连接。

在优选实施例中，辅助变压器140用于将电压从低压配电系统110的电压水平升高到电网170的高压水平。作为示例，辅助变压器140可以用于将电压从400伏的电压水平升高到20千伏的电压水平。

辅助变压器140可以经由电网170电连接到主变压器120。辅助变压器140配备有辅助变压器开关设备单元150，并且主变压器120配备有主变压器开关设备单元130。

主变压器开关设备单元130和辅助变压器开关设备单元150用于将相应变压器与电网170电连接或断开。

功率转换器160经由主变压器120连接到电网170。功率转换器160可以包括发电机侧转换器161、功率转换器160的直流链路162以及电网侧转换器163。经由转换器控制单元164来控制功率转换器160的开关操作。功率转换器160可以包括并行操作的多个功率转换器单元，例如如图2中所示的两个单元。如图2中所示，功率转换器160可以包括两个发电机侧转换器161a和161b、功率转换器160的两个直流链路162a和162b以及两个电网侧转换器163a和163b。

功率转换器160的直流链路162可以经由直流预充电单元165电连接到低压配电系统110。

主变压器120可以是三绕组变压器，其中两个绕组连接到不同转换器单元的输出，如图2中所示。

接下来描述用于执行风力涡轮机的先前定义的电力系统100的测试过程的方法。

首先，低压断路器111被闭合，并且电源单元180连接到低压配电系统110。电源单元180由此为低压配电系统110供电。在图3中图示了从电源180激励低压配电系统110的该流程。

在下文中，低压断路器112被闭合，使得在低压配电系统110与辅助变压器140之间提供电连接。这样，电源单元180正在向辅助变压器140供应电力。在图3中图示了利用来自电源180的电力来激励辅助变压器140的流程。在优选实施例中，电源单元180是三相400伏的交流电源单元。辅助变压器140将电压从电源单元180的电压水平升高到高压水平，优选地升高到在电力系统100的正常的操作模式下将在电网170上使用的该高压水平。在优选实施例中，辅助变压器140上的高压水平是20千伏。通常，根据本发明的由辅助变压器140提供的高压可以在5千伏至40千伏的范围内，优选地在10千伏至30千伏的范围内。

辅助变压器开关设备单元150被闭合，并且高压被提供给电网170。

可以凭借可编程逻辑控制器（PLC）或数字信号处理器（DSP）或任何合适的信号处理单元来执行所有提及的开关设备单元和断路器的致动。

电网170也可以被称为内部高压电网或开关设备总线。电网170可以通过致动电网连接开关设备171而连接到外部电网和/或从外部电网断开。

作为进一步的步骤，凭借电源单元180对功率转换器160进行充电。经由低压配电系统110将电能提供给功率转换器160的直流链路162。在图3中图示了从电源180激励功率转换器160的直流链路162的该流程。

功率转换器160的直流链路162可以包括能够用于存储和释放电能的电容器和/或电感器（在该图中未示出）。为了将来自电源单元180的交流电变换为对功率转换器160的直流链路162进行充电所需的直流电，可以使用直流预充电单元165。

直流预充电单元165可以包括逆变器和/或至少一个整流器。

功率转换器160的输出与电网170同步。转换器控制单元164控制电网侧转换器163，使得电网侧转换器163的输出电压的相位和频率与电网170电压的相位和频率匹配、即与电网170电压的相位和频率同步。

一旦功率转换器160的输出电压与电网170的电压同步，则主变压器开关设备单元130被闭合，并且在主变压器120与电网170之间提供电耦合。图3中图示了该激励流程。

这样，电力系统100的所有部件将被提供有、即被加载有其额定电压。一旦部件被加载有其额定电压，对电力系统100的各种电气部件执行检查就是可能的。检查可以包括对各种开关设备单元、线缆和端子的视觉和/或听觉检查。端子的视觉检查可以包括检查变压器140、120的低压端子和高压端子或者功率转换器160的端子。如果在任何开关设备部件中没有跳闸或者如果没有其他损坏在视觉上可见（例如，电弧放电或者火和/或烟的存在），则可以认为测试过程是成功的。附加地，为了进行听觉检查，由部件发出的噪声可能指示损坏。可替代地，检查可以包括执行电测试过程，例如，对电力系统100的部件、优选地对变压器120、140或电力转换器160的电压和/或电流测量。以所定义的时间间隔、优选地5分钟至10分钟的间隔来执行测量。将所测量的电压和/或电流值与预定义的极限值进行比较。例如，电力系统100的高压侧中的测量电压可以在18千伏至22千伏的范围内，优选地在从19千伏至21千伏的范围内。在电力系统100的低压侧中（例如在电源单元180中）测量的电压应当与在高压侧中测量的电压相对应，该电压随着辅助变压器140的变压比而按比例缩小。优选地或附加地，可以在测试持续时间期间测量从电源单元180提供给辅助变压器140的电流，并且可以针对预定义的阈值来比较所测量的电流值。例如，如果在测试持续时间期间的所测量的电流值保持在20安培以下或优选地在10安培以下，则可以认为检查是成功的。技术人员基于他的经验将选择上面公开的测试方法中的任何（至少一个）方法来执行电力系统100的测试过程。

凭借电源单元180来提供用于激励被连接到电网170的部件所需的高压。与激励电力系统100的高压部件的替代方式相比，本方法是有利的，这是因为不需要进一步的外部硬件。向电网170提供高压的替代方式可以包括：将电网170连接到能够向电力系统100的电网170提供匹配的高压的外部硬件设备。可替代地，包括电力系统100的组装的风力涡轮机可以被运送到提供高压连接点的位置。如果包括电力系统100的风力涡轮机位于海上或位于远离测试实验室的其他位置中（例如，在陆上或海上二者的最终地点处或组装区域处），则这两种替代方法特别难以实现。

Claims (13)

1.一种用于凭借电源单元（180）来执行风力涡轮机的电力系统（100）的测试过程的方法，所述测试过程包括通过高压源来测试风力涡轮机的电力系统的高压部件，其中所述方法包括：

- 将所述电源单元（180）连接到风力涡轮机的低压配电系统（110），

- 闭合低压断路器（112），使得在所述低压配电系统与辅助变压器（140）之间提供电连接，

- 闭合辅助变压器开关设备单元(150)，使得辅助变压器(140)向作为风力涡轮机的内部高压电网或开关设备总线的电网(170)提供高压，其中所述辅助变压器(140) 将电压从电源单元（180）的电压水平升高到高压水平，

- 经由所述低压配电系统（110）从所述电源（180）单元向功率转换器（160）提供电力，从而激励所述功率转换器（160）的直流链路（162），

- 将所述功率转换器（160）与所述电网（170）同步，以及

- 闭合主变压器开关设备单元（130），使得在主变压器（120）与电网（170）之间提供电连接，

其中所述功率转换器（160）电连接至所述主变压器（120），

其中所述电源单元（180）是三相交流低压电源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述电源单元（180）连接到风力涡轮机的所述低压配电系统（110）之前，关闭所述功率转换器（160）。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率转换器（160）包括并联操作的至少两个功率转换器单元。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过经由直流预充电单元（165）向所述功率转换器（160）的直流链路（162）提供直流电来执行激励所述功率转换器（160）的直流链路（162）。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述直流预充电单元（165）被适配成将来自所述低压配电系统（110）的交流电转换成直流电，以向所述功率转换器（160）的直流链路（162）提供能量。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过转换器控制单元（164）控制电网侧转换器（163）来实现所述功率转换器（160）与电网（170）的同步，使得所述电网侧转换器输出电压的相位和频率与电网电压的相位和频率匹配。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述主变压器（120）是三绕组变压器，其中两个绕组连接到两个功率转换器模块的输出。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，电网（170）是风力涡轮机的内部高压电网。

9.一种电力系统（100），其特征在于，所述电力系统（100）包括低压配电系统（110）、电源单元（180）、主变压器（120）、主变压器开关设备单元（130）、辅助变压器（140）、辅助变压器开关设备单元（150）、功率转换器（160）和电网（170），

其中，所述电力系统（100）被配置成执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。

10.根据权利要求9所述的电力系统（100），其特征在于，所述电力系统（100）进一步包括配电板、冷却系统、防火系统、直流预充电单元（165）、控制设备和电缆。

11.根据权利要求10所述的电力系统（100），其特征在于，所述直流预充电单元（165）与风力涡轮机的所述低压配电系统（110）电连接。

12.根据权利要求10或11所述的电力系统（100），其特征在于，所述直流预充电单元（165）被适配成将来自所述低压配电系统的交流电转换成直流电，以向所述功率转换器（160）的直流链路（162）提供能量。

13.根据权利要求9-11中任一项所述的电力系统（100），其特征在于，所述电源单元（180）被集成在测试床或车间中。