TWI415384B - 具有超速保護之風力發電系統及其操作方法 - Google Patents

具有超速保護之風力發電系統及其操作方法 Download PDF

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TWI415384B TW100134684A TW100134684A TWI415384B TW I415384 B TWI415384 B TW I415384B TW 100134684 A TW100134684 A TW 100134684A TW 100134684 A TW100134684 A TW 100134684A TW I415384 B TWI415384 B TW I415384B
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Description

具有超速保護之風力發電系統及其操作方法
本發明係有關一種風力發電系統及其操作方法，尤指一種具有超速保護之風力發電系統及其操作方法。
在目前主流的風力發電系統中，風力機需要透過變流器來確保使風能轉化成頻率恆定的電能輸送到電網中。然而，在大型風力發電系統中所使用的設備都比較昂貴，而且也不宜更換，因此，風力發電系統乃至變流器系統的可靠性顯得至關重要。再者，大型風力發電系統經常使用在惡劣的氣候條件之環境，例如，在內陸的荒漠地帶或者在沿海地帶。然而，由於在這些環境操作下，風的變化是非常頻繁且劇烈，經常發生風暴或颱風，因此，使得風力發電系統的保護功能將受嚴峻的考驗。故此，風力發電變流器系統在電機超速情況下，會承受很高的電壓，導致系統損毀。
請參見第一圖係為先前技術發電機之冗餘保護系統之電路。發電機之冗餘電制動器及保護系統之電路係揭露於中華人民共和國公開專利(公開號為CN101087122A)中。冗餘保護系統包括其中結合了兩個功率消耗路徑的系統。一條路徑包括發電機側轉換器111，另一條路徑包括剩餘負載電阻器221。還可以設計發電機側轉 換器111以適應發電機101的定額輸出額定功率，同時剩餘負載電阻器221的大小以補償發電機側轉換器111的額定值與所需制動功率之間的差值。
風輪機控制單元190進行發電機側轉換器111是否可使用之判定。如果發電機側轉換器111不能使用，則風輪機控制單元190使制動單元工作。若發電機側轉換器111可使用，則轉換器控制單元140進行所需制動功率大小的判定。如果所需制動功率小於發電機101的額定輸出功率，則轉換器控制單元140工作以在發電機側轉換器111中消耗功率。若所需制動功率超過輸出功率的情況下，使剩餘負載電阻器221工作。
因此，如何設計出一種具有超速保護之風力發電系統及其操作方法，當風機發生異常超速運轉時，以導入電阻保護單元或導入直流截波器，以消耗發電機所產生過餘之能量，進而提供超載運轉之制動保護。甚或透過短路斷開熔斷器，使隔離發電機，乃為本案創作人所欲行克服並加以解決的一大課題。
本發明之一目的在於提供一種具有超速保護之風力發電系統，以克服習知技術的問題。
本發明之具有超速保護之風力發電系統，係透過風機將風能轉換為機械能，再由風機帶動發電機以轉換機械能為電能，再將電能傳送至電網併聯運轉。風力發電系統係包含電阻保護單元、熔斷器、發電機側轉換器、直流截波器、電網側轉換器、併網濾波器以及變壓器。
電阻保護單元係電性連接發電機。熔斷器係電性連接電阻保護單元與發電機。發電機側轉換器係電性連接熔斷器，以提供電能之交流至直流轉換。直流截波器係電性連接發電機側轉換器。電網側轉換器係電性連接直流截波器，以提供電能之直流至交流轉換。併網濾波器係電性連接電網側轉換器，以提供電能之濾波。變壓器係電性連接併網濾波器與電網，以轉換電能之電壓準位為電網併聯運轉所需之電壓準位。
當風機發生第一級超速運轉時，係導入電阻保護單元或直流截波器，以消耗發電機所產生過餘之能量，進而提供超載運轉之制動保護；當發生第二級超速運轉時，則透過短路斷開熔斷器，使發電機側轉換器與發電機隔離。
本發明之另一目的在於提供一種具有超速保護之風力發電系統之操作方法，包含下列步驟：當發生第一級超速運轉時，導入電阻保護單元或直流截波器，以消耗發電機所產生過餘之能量，進而提供超載運轉之制動保護。當發生第二級超速運轉時，則透過短路斷開熔斷器，使發電機側轉換器與發電機隔離。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
[先前技術]
100‧‧‧風輪機
101‧‧‧發電機
102‧‧‧定子總線
103‧‧‧變頻器
105‧‧‧制動單元
110‧‧‧發電機接觸器
111‧‧‧發電機側轉換器
120‧‧‧線路接觸器
121‧‧‧電網側轉換器
130‧‧‧DC總線
131‧‧‧DC電容器
140‧‧‧轉換器控制單元
180‧‧‧電網
181‧‧‧電網耦合變壓器
182‧‧‧主開關
190‧‧‧風輪機控制單元
210‧‧‧動態制動器
211‧‧‧動態制動器電阻
212‧‧‧制動斬波器
220‧‧‧急劇短路線路
221‧‧‧剩餘負載電阻器
222‧‧‧剩餘負載接觸器
[本發明]
10‧‧‧風力發電系統
102‧‧‧電阻保護單元
104‧‧‧熔斷器
106‧‧‧發電機側轉換器
108‧‧‧直流截波器
110‧‧‧電網側轉換器
112‧‧‧併網濾波器
114‧‧‧變壓器
20‧‧‧三相可控整流電路
30‧‧‧三相短路接觸器
V1‧‧‧臨限電壓
V2‧‧‧空載電壓
S1‧‧‧第一轉速
S2‧‧‧第二轉速
S100~S300‧‧‧步驟
第一圖係為先前技術發電機之冗餘保護系統之電路；第二圖係為本發明具有超速保護之風力發電系統之電路方塊圖； 第三圖係為本發明利用導通三相可控整流電路以短路斷開熔斷器之電路方塊圖；第四圖係為本發明利用導通三相短路接觸器以短路斷開熔斷器之電路方塊圖；第五圖係為本發明具有超速保護之風力發電系統之操作方法之流程圖；及第六圖係為本發明發電機之轉速與輸出電壓之關係示意圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：
請參見第二圖係為本發明具有超速保護之風力發電系統之電路方塊圖。其中，風力發電系統10係為全功率變流風力發電系統(full-power converter wind power system)。風力發電系統10係透過風機(未圖示)將風能轉換為機械能，再由風機帶動發電機(未標示)以轉換機械能為電能，再將電能傳送至電網(未圖示)併聯運轉。在一實施態樣中，發電機係可為永磁式同步發電機(permanent-magnet synchronous generator)，但不以此為限。風力發電系統10係包含電阻保護單元(AC crowbar)102、熔斷器(fuse)104、發電機側轉換器(generator-side converter)106、直流截波器(DC chopper)108、電網側轉換器(grid-side converter)110、併網濾波器(grid-connected filter)112以及變壓器114。
電阻保護單元102係電性連接發電機。熔斷器104係電性連接電阻保護單元102與發電機。發電機側轉換器106係電性連接熔斷器104，以提供電能之交流至直流轉換。本質上，發電機側轉換器 106係為交流轉直流轉換器(AC-to-DC converter)。直流截波器108係電性連接發電機側轉換器106。本質上，直流截波器108係為直流轉直流轉換器(DC-to-DC converter)。電網側轉換器110係電性連接直流截波器108，以提供電能之直流至交流轉換。本質上，電網側轉換器110為直流轉交流轉換器(DC-to-AC converter)。併網濾波器112係電性連接電網側轉換器110，以提供電能之濾波。變壓器114係電性連接併網濾波器112與電網，以轉換電能之電壓準位為電網併聯運轉所需之電壓準位。
當風機發生第一級超速運轉時，係導入電阻保護單元102，以消耗發電機所產生過餘之能量，進而提供超載運轉之制動保護。在一實施態樣中，第一級超速運轉係為當風機之轉速大於額定轉速，但不以此為限，其可根據風機製造廠商所提供之風機運轉參數予以調整。之後，若風機仍持續運轉在第一級超速運轉，則導入直流截波器108，以提供消耗發電機所產生過餘之能量，進而提供超載運轉之制動保護。亦即，當導入電阻保護單元102後，仍無法消耗發電機所產生過餘之能量，而使風機持續過載運轉時，則導入直流截波器108。再者，當風機之第一級超速運轉保護失效，而發生第二級超速運轉時，則透過短路斷開熔斷器104，使發電機側轉換器106與發電機隔離。在一實施態樣中，第二級超速運轉係為當風機之轉速大於額定轉速百分之十，但不以此為限，其可根據風機製造廠商所提供之風機運轉參數予以調整。亦即，當電阻保護單元102與直流截波器108皆導入做為消耗發電機所產生過餘之能量使用，仍無法使風機恢復正常轉速之運轉，甚至，風機之轉速仍持續增加而達到第二級超速運轉時，則透過短路 斷開熔斷器104，使發電機側轉換器106與發電機隔離。因此，當風機發生第二級超速運轉時，係利用對熔斷器104提供破壞性之強制短路斷開，以達到將發電機隔離，使發電機所產生之電能無法提供至電網，讓風力發電系統10不會因為風機超速運轉而造成異常供電。
配合參見第六圖係為本發明發電機之轉速與輸出電壓之關係示意圖。如圖所示，具有兩條主要之示意曲線，包含臨限電壓V1與空載電壓V2。其中，臨限電壓V1係表示發電機之輸出電壓的安全限幅電壓值，另外，空載電壓V2係表示發電機空載運轉時之輸出電壓。在本實施例中，上述之第一級超速運轉，係表示風機運轉超過第一轉速S1時，亦即，第一轉速S1之定義係為當發電機之空載運轉之輸出電壓(即為空載電壓V2)達到發電機之輸出電壓的安全限幅電壓(即為臨限電壓V1)時，風機當時所運轉之轉速。此外，上述之第二級超速運轉，係表示風機運轉超過第二轉速S1時，其中，如上所述，第二轉速S1係可定義為大於第一轉速之百分之十，但不以此為限，可根據風機製造廠商所提供之風機運轉參數予以調整。
當風機發生第一級超速運轉之前，亦即，當偵測到風機轉速不正常之加速狀況，係更可利用修正風機之葉槳受風角度，使風機所接收之風能減少。如此，將使得風機之轉速能降低，而使風機恢復正常轉速之運轉。
此外，當風機發生第二級超速運轉前之異常超速運轉，可分別透過上述三種方式(一、調整風機之葉槳受風角度；二、導入電阻保護單元102；以及，三、導入直流截波器108)，使得風機之轉 速能降低，而使風機恢復正常轉速之運轉。更甚，所述之三種方式，不限定逐一各別實施，亦即，可同時導入上述三種方式，或同時導入上述其中兩種方式。端視風機實際運轉之狀況或依現場操作人員之經驗予以決定。
當風機發生第二級超速運轉時，在本發明中係提出三種方式，以短路斷開熔斷器104，使發電機側轉換器106與發電機隔離，如下所述：一、利用同時導通發電機側轉換器106之上橋臂(未標示)與下橋臂(未標示)，以短路斷開熔斷器104；二、利用同時導通三相可控整流電路20，以短路斷開熔斷器104(參見第三圖)；及三、利用同時導通三相短路接觸器30，以短路斷開熔斷器104(參見第四圖)。
惟，不以上述之實施態樣為限，只要能以短路斷開熔斷器104之電氣方式與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中。
請參見第五圖係為本發明具有超速保護之風力發電系統之操作方法之流程圖。其中，風力發電系統係可為全功率變流風力發電系統(full-power converter wind power system)，但不以此為限。風力發電系統係透過風機將風能轉換為機械能，再由風機帶動發電機以轉換機械能為電能，再將電能傳送至電網併聯運轉。在一實施態樣中，發電機係為永磁式同步發電機(permanent-magnet synchronous generator)。風力發電系統係包含電阻保護單元(AC crowbar)、熔斷器(fuse)、發電機側轉換 器(generator-side converter)、直流截波器(DC chopper)、電網側轉換器(grid-side converter)、併網濾波器(grid-connected filter)以及變壓器。
電阻保護單元係電性連接發電機。熔斷器係電性連接電阻保護單元與發電機。發電機側轉換器係電性連接熔斷器，以提供電能之交流至直流轉換。本質上，發電機側轉換器係為交流轉直流轉換器(AC-to-DC converter)。直流截波器108係電性連接發電機側轉換器。本質上，直流截波器係為直流轉直流轉換器(DC-to-DC converter)。電網側轉換器係電性連接直流截波器，以提供電能之直流至交流轉換。本質上，電網側轉換器為直流轉交流轉換器(DC-to-AC converter)。併網濾波器係電性連接電網側轉換器，以提供電能之濾波。變壓器係電性連接併網濾波器與電網，以轉換電能之電壓準位為電網併聯運轉所需之電壓準位。
具有超速保護之風力發電系統操作方法之步驟係包含：當發生第一級超速運轉時，導入電阻保護單元或直流截波器(S100)，以消耗發電機所產生過餘之能量，進而提供超載運轉之制動保護。其中，第一級超速運轉係為當風機之轉速大於額定轉速。接著，判斷風機之第一級超速運轉保護是否失效而發生第二級超速運轉(S200)。在一實施態樣中，第二級超速運轉係可為當風機之轉速大於額定轉速百分之十，但不以此為限，可根據風機製造廠商所提供之風機運轉參數予以調整。若風機之第一級超速運轉保護生效，且未進入第二級超速運轉，則代表完成超速運轉保護。反之，若風機進入第二級超速運轉，則透過短路斷開熔斷器(S300)，使發電機側轉換器與發電機隔離。亦即，當電阻保護單元與直流 截波器皆導入做為消耗發電機所產生過餘之能量使用，仍無法使風機恢復正常轉速之運轉，風機之轉速仍持續增加而達到第二級超速運轉時，則透過短路斷開熔斷器，使發電機側轉換器與發電機隔離。當風機發生第二級超速運轉時，係利用對熔斷器提供破壞性之強制短路斷開，以達到將發電機隔離，使發電機所產生之電能無法提供至電網，讓風力發電系統不會因為風機超速運轉而造成異常供電。
當風機發生第一級超速運轉之前，係更可利用修正風機之葉槳受風角度，使風機所接收之風能減少。如此，將使得風機之轉速能降低，而使風機恢復正常轉速之運轉。
此外，當風機發生第二級超速運轉前之異常超速運轉，可分別透過如上所述三種方式(一、調整風機之葉槳受風角度；二、導入電阻保護單元；以及，三導入直流截波器)，用以使得風機之轉速能降低，而使風機恢復正常轉速之運轉。更甚，所述之三種方式，不限定逐一各別實施，亦即，可同時導入上述三種方式，或同時導入上述其中兩種方式。端視風機實際運轉之狀況或依現場操作人員之經驗予以決定。
當風機發生第二級超速運轉時，在本發明中係提出三種方式，以短路斷開熔斷器，使發電機側轉換器與發電機隔離，如下所述：一、利用同時導通發電機側轉換器之上橋臂(未標示)與下橋臂(未標示)，以短路斷開熔斷器；二、利用同時導通三相可控整流電路，以短路斷開熔斷器(參見第三圖)；及 三、利用同時導通三相短路接觸器，以短路斷開熔斷器(參見第四圖)。
惟，不以上述之實施態樣為限，只要能以短路斷開熔斷器之電氣方式與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中。
綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：1、當風機發生第一級超速運轉時，可透過導入電阻保護單元、導入直流截波器或者，當風機發生第一級超速運轉之前，偵測到風機轉速不正常之加速狀況時，可調整風機之葉槳受風角度，以控制風機恢復正常轉速之運轉。再者，若當風機發生第二級超速運轉時，可利用同時導通發電機側轉換器之上橋臂與下橋臂、利用同時導通三相可控整流電路或利用同時導通三相短路接觸器，以短路斷開熔斷器，以控制風機恢復正常轉速之運轉；及2、若風機非為異常超速運轉時，而為正常例行之檢查或維修，可透過直接短路斷開熔斷器，使發電機無法轉動，而避免檢修過程中，電機側感應出危及檢修人員之電壓，導致傷亡之情事發生。
惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
10‧‧‧風力發電系統
102‧‧‧電阻保護單元
104‧‧‧熔斷器
106‧‧‧發電機側轉換器
108‧‧‧直流截波器
110‧‧‧電網側轉換器
112‧‧‧併網濾波器
114‧‧‧變壓器

Claims (7)

  1. 一種具有超速保護之風力發電系統，係透過一風機將風能轉換為機械能，再由該風機帶動一發電機以轉換機械能為電能，再將電能傳送至一電網併聯運轉；該風力發電系統係包含：一電阻保護單元，係電性連接該發電機；一熔斷器，係電性連接該電阻保護單元與該發電機；一發電機側轉換器，係電性連接該熔斷器，以提供電能之交流至直流轉換；一直流截波器，係電性連接該發電機側轉換器；一電網側轉換器，係電性連接該直流截波器，以提供電能之直流至交流轉換；一併網濾波器，係電性連接該電網側轉換器，以提供電能之濾波；及一變壓器，係電性連接該併網濾波器與該電網，以轉換電能之電壓準位為該電網併聯運轉所需之電壓準位；當該風機發生第一級超速運轉時，係導入該電阻保護單元或該直流截波器，以消耗該發電機所產生過餘之能量，進而提供超載運轉之制動保護；當該第一級超速運轉保護失效而發生第二級超速運轉時，則透過短路斷開該熔斷器，使該發電機側轉換器與該發電機隔離。
  2. 如申請專利範圍第1項之具有超速保護之風力發電系統，其中利用同時導通該發電機側轉換器之一上橋臂與一下橋臂，以短路斷 開該熔斷器。
  3. 如申請專利範圍第1項之具有超速保護之風力發電系統，其中該風力發電系統係更包含一三相可控整流電路，該三相可控整流電路係與該熔斷器和該發電機側轉換器電性連接。
  4. 如申請專利範圍第3項之具有超速保護之風力發電系統，其中利用同時導通該三相可控整流電路，以短路斷開該熔斷器。
  5. 如申請專利範圍第1項之具有超速保護之風力發電系統，其中該風力發電系統係更包含一三相短路接觸器，該三相短路接觸器係與該熔斷器和該發電機側轉換器電性連接。
  6. 如申請專利範圍第5項之具有超速保護之風力發電系統，其中利用同時導通該三相短路接觸器，以短路斷開該熔斷器。
  7. 一種具有如申請專利範圍第1-6項所述之超速保護之風力發電系統之操作方法，包含下列步驟：(a)當發生第一級超速運轉時，導入該電阻保護單元或該直流截波器，以消耗該發電機所產生過餘之能量，進而提供超載運轉之制動保護；及(b)當該第一級超速運轉保護失效而發生第二級超速運轉時，則透過短路斷開該熔斷器，使該發電機側轉換器與該發電機隔離。
TW100134684A 2011-09-07 2011-09-26 具有超速保護之風力發電系統及其操作方法 TWI415384B (zh)

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