CN1926742B - 用于操作发电机变频器的方法以及具有根据这种方法操作的发电机的风能涡轮机 - Google Patents

用于操作发电机变频器的方法以及具有根据这种方法操作的发电机的风能涡轮机 Download PDF

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Abstract

该方法用于在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下操作发电机(14)的变频器(26)，尤其是操作风能涡轮机(10)的发电机的变频器，其中，所述变频器(26)包括：与发电机(14)相连的发电机侧功率转换器(32)，与电压网(18)相连的电网侧功率转换器(28)，以及用于连接发电机侧功率转换器(32)和电网侧功率转换器(28)的DC耦合电路(30)，所述方法包括以下步骤：通过控制变频器(26)以产生要供给电网(18)的无功电流量。

Description

用于操作发电机变频器的方法以及具有根据这种方法操作的发电机的风能涡轮机
技术领域
本发明涉及一种用于在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下操作发电机变频器的方法，尤其是操作风能涡轮机的发电机变频器的方法。而且，本发明还包括具有相应操作的发电机的一种风能涡轮机。最后，本发明还提供正常电网条件下发电机不在其为电网供电的操作状态下的发电机的操作，以及具有相应操作的发电机的风能涡轮机。
背景技术
公共电网中通过各种将机械能转换成电能的能源来提供电力。这些支持公共电网的主要能源有火电厂和核电站。其它几种类型的能源，特别是诸如太阳能电站、水电站或风能涡轮机的再生能源电站也提供对公共电网的支持。
过去，在公共电网中出现显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下，需要在此时自动关闭风能涡轮机。但是，由于风能涡轮机数量的增加，这些涡轮机在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下支持公共电网变得越来越重要。
在像这些用于风能涡轮机的发电机中，已知发电机的转子绕组经变频器连接至所述电网。在该变频器中，发电机的发电频率被转换成电网频率。
为了支持公共电网，不仅要提供有功功率，还必须提供无功功率。该有功功率和无功功率在正常电网条件下必须由所述变频器进行控制。在正常电网条件下用于控制无功功率的方法在诸如DE-A-100 20 635、WO-A-01/20745、WO-A-02/086314、WO-A-02/086315和EP-A-1222389中均有说明。
从实用性出发，在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况或在正常电网条件但发电机的定子绕阻与该电网断开连接时，越来越多地要求通过提供无功电流来支持电网。
发明内容
本发明提供一种用于在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下操作发电机变频器的方法，尤其是操作风能涡轮机的发电机变频器的方法，其中，所述变频器包括与发电机相连的发电机侧功率转换器、与电压网相连的电网侧功率转换器以及用于连接发电机侧功率转换器和电网侧功率转换器的DC耦合电路，所述方法包括以下步骤：在电网电压下降(grid voltage drop)情况下通过控制变频器以产生无功电流来控制要供给电网的无功电流量。
根据本发明的第一方面，在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下，通过相应地控制变频器以便产生无功电流来控制供给电网的无功电流量。根据所使用发电机的类型，来控制所述变频器的发电机侧功率转换器或电网侧功率转换器或这二者。变频器的发电机侧功率转换器通常被称为AC/DC转换器或整流器，而电网侧功率转换器被称为DC/AC转换器或逆变器(inverter)。在变频器中，发电机侧和电网侧功率转换器通过至少包含一个电容的DC耦合电路连接。
如果使用双馈或双重供电异步发电机，在显著电网电压下降(gridvoltage drop)情况下，根据本发明，控制所述发电机侧功率转换器和电网侧功率转换器中的至少一个以产生支持电网所需的无功电流。双馈异步机是一种感应发电机，其定子和转子绕组由电网驱动。假如定子绕组与电网断开连接，根据本发明在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下由于电网侧功率转换器被控制所以仍然能够控制所述无功电流。假如所述发电机是异步或同步机，则通过控制电网侧功率转换器产生无功电流来执行对供给该电网的无功电流量的控制。如果在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下这种发电机未处于其产生功率的操作状态，即：定子与电网断开连接，例如，当风速低于接通或最小风速或者超过断开的最大风速时，通过控制所述电网侧功率转换器以产生供给电网的无功电流量。
最优和最典型地，通过控制性能系数(
Figure GSB00000377575700021
)来对根据本发明的变频器中的无功电流进行控制。但是，根据本发明也能使用本领域技术人员所熟知的其它相移控制机构。
典型地，当在某一确定时间周期，如几毫秒和几秒之间的时间周期，所述电网电压下降至其正常值的至少40％，更优选是20％，以及尤其是达到至少15％时，该正常值对于中高压电网为20kV左右，则执行所述无功电流控制步骤或这些控制步骤的至少一个。根据本发明的另一方面，例如在这种电网电压下降之后，当在几秒钟长的时间中所述电网电压再次上升至其正常值的至少70％，更优选是80，以及尤其是达到90％左右时，所述无功电流控制步骤或这些控制步骤的至少一个被终止。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于在基本正常电网条件(通常偏离正常电网电压±5-10％)下所述发电机未处于其操作状态时操作发电机变频器，尤其是风能涡轮机的发电机变频器的方法，其中，所述变频器包括与发电机相连的发电机侧功率转换器、与电压网相连的电网侧功率转换器以及用于连接发电机侧功率转换器和电网侧功率转换器的DC耦合电路，所述方法包括以下步骤：通过控制所述电网侧功率转换器来控制供给电网的无功电流量。
根据本发明的这个方面，当在正常电网条件下，所述发电机未处在其操作状态，即：如前所述其定子与所述电网断开连接时，通过控制所述电网侧功率转换器来控制供给电网的无功电流量。所述发电机可以是异步机、双馈异步机或同步机。变频器的控制可以通过公用事业设备(utility)或者所述发电机或者其中至少有一个可操作地连接到电网的发电机组的功率管理控制来监管。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种用于发电以便供给电网的风能涡轮机，包括
转子，
可操作地与该转子相连的发电机，
变频器，可电连接至所述发电机和电网，且包括：发电机侧功率转换器，可操作地连接至所述发电机；电网侧功率转换器，可操作地连接至所述电网；和DC耦合电路，用于将所述发电机侧功率转换器连接至电网侧功率转换器，以及
控制单元，用于控制所述变频器以产生要供给电网的无功电流，
其中，在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下，所述控制单元控制用于控制要供给电网的无功电流量的所述变频器以产生无功电流。
最后，根据本发明的最后一方面，提供了一种用于发电以便供给电网的风能涡轮机，包括
转子，
可操作地与该转子相连的发电机，
变频器，可电连接至所述发电机和电网，且包括：发电机侧功率转换器，可操作地连接至所述发电机；电网侧功率转换器，可操作地连接至所述电网；和DC耦合电路，用于将所述发电机侧功率转换器连接至电网侧功率转换器，以及
控制单元，用于控制所述变频器以产生要供给电网的无功电流，
其中，在正常电网条件下，但所述发电机没有处在其操作状态，所述控制单元控制所述变频器的电网侧功率转换器以控制要供给电网的无功电流量。
附图说明
本发明完整和充分的公开，包括其最佳模式，尤其是在本说明书包括参照附图的提示下向本领域的技术人员阐述，其中
图1示意地示出在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下，所述发电机与电网断开连接或没有断开连接时，或在正常电网条件下但该发电机与电网断开连接时，用于控制无功功率量的一种变频器的电路，
图2示出了类似于图1的本发明的实施方案，其中异步发电机用永久励磁的同步发电机代替，以及
图3示出了类似于图1的本发明的实施方案，其中永久励磁同步发电机用电励磁同步发电机代替。
具体实施方式
在图1中，示出了用于将机械能转换成电能的风能涡轮机10的主要组件。根据该图，风能涡轮机10的转子12通过传动箱(gearbox)16机械连接到异步发电机14(即：感应发电机)。该异步发电机将旋转机械能转换成提供给电力分配网18的电能。为此，所述异步发电机通常包括具有三相绕组(未示出)的定子20，并被连接至电力分配网18。而且，该异步发电机14还包括具有三相绕组(未示出)的转子22，被连接至短接电路24(也称为消弧电路)。
众所周知，转子绕组由变频器26励磁，它进而又与所述电力分配网18相连。该变频器26的设计通常为本领域技术人员所熟悉。该变频器26包括：与所述电力分配网18相连的电网侧功率转换器28(DC/AC转换器或逆变器)，DC耦合电路30，和与该转子绕组相连的发电机侧功率转换器32(AC/DC转换器或整流器)。在所述变频器26的输入端和输出端处，提供了滤波器电路34、36。开关37、39分别被提供用于将所述定子和转子连接到电网和从电网断开连接。
变频器26由控制单元38控制，该控制单元从所述风能涡轮机(未示出)接收额定参数(如：操作条件)以及电网电压Ugrid和电网电流Igrid。关于变速风能涡轮机，控制器38接收的这些输入参数通常是本领域技术人员已知的。
虽然在图1中特定的电子开关分别被示出为电网侧和发电机侧功率转换器28、32的一部分，但任何类型的自传达(self-communicating)或外部控制的换向电气元件，如：闸流晶体管、晶体管、IGBT、二极管等等都能使用。而且，在图1中，虽然所示发电机14按双馈异步机构造，但其他类型的发电机，如：异步机或同步机(后者是电励磁或永久励磁的)，根据本发明也能用于在显著电网电压下降(grid voltage drop)情况下和/或发电机由于暂时与电网18断开连接而没有处在其操作状态下控制无功电流。
如图1所示，所述控制单元38的控制由涡轮机控制器40监管，在本实施方案中，该涡轮机控制器40通过控制若干(未示出)涡轮机控制器40的风电厂管理器42进行控制，并由公用事业设备(utility)44控制。在所述风能涡轮机10不是包含若干风能涡轮机的风电场的一部分时，所述公用事业设备44直接控制该涡轮机控制器40。
目前，通过常规电站使电网稳定。在发生短时的短路或扰动时，例如在电网中的不希望的断开，电网电压经历短时下降，以及在扰动终止以后，电站通常会再次升高电压。目前，风能电站的更多的额定功率输出被提供，而且风能电站的数量迅速增加。因此，今天的大型风电场达到常规小型电站的功率输出。为实现电网稳定，未来的风能电站在电网发生扰动时必须具有与常规电站相同的特性。在出现电网电压下降时，不仅要产生有功功率来支持电网18，还必须产生无功电流或功率，以支持因其阻抗而受干扰的电网，尤其是因电网电线引起的电感需要一些无功功率。
根据本发明，一旦电网电压和/电网电流检测器46检测到电网畸变(即：显著电网电压下降)，通过涡轮机控制器40和/或控制单元38对所述变频器26进行控制，以提供支持该受干扰的电网所需的无功电流量。该无功电流能由电网侧功率转换器28和发电机侧功率转换器32中的至少一个来产生和控制。如果开关37打开，即：如果发电机14没有处在其操作状态下，且如果电网18受到干扰，能通过仅仅控制所述电网侧功率转换器28来产生所述无功电流。例如，为了在上述条件下控制所述无功电流，可以控制所述变频器26的功率转换器28、32的性能系数。
而且，还是在正常电网条件下且发电机14与电网18断开连接(开关37打开)，用图1所示的电路和***能够产生无功电流以便提供给电网18。在本实施方案中，这可以通过控制所述电网侧功率转换器28来实现。
根据上述说明显而易见的是，在本发明的一个方面中，通过所述变频器26能够向电网18提供无功功率以支持该电网18。无功功率供电量将增加。这会引起风能涡轮机10的电压供应的增加，这在电网电压下降的情况下是希望的。根据本发明，通过操作所述变频器来提供无功功率，即：通过操作其功率转换器28和32中的至少一个。这两个转换器都能够产生能受所述控制单元38和/或涡轮机控制器40控制的无功功率。
用于控制所述风能涡轮机10产生并提供给电网18的无功功率量的一种可能是测量电网电压以便以发电机14将被过励磁这样一种方式来影响控制单元38。这会使发电机14提供无功功率。通过控制变频器26的发电机侧功率转换器32，这种可能适用于双馈异步机。作为一种替换或附加，还可以通过控制电网侧功率转换器28产生无功功率。在这种情况下，所述电网侧功率转换器28将无功功率传送至电网18。即使所述发电机14的定子没有与电网18相连，所述电网侧功率转换器28也能在发电机14过励磁或欠励磁两种操作模式下传送无功功率。
本发明的另一方面涉及在正常电网条件下的无功功率控制。在这种情况下，当发电机14的定子没有与电网18相连且风能涡轮机10没有传送有功功率时，所述电网侧功率转换器28能够在发电机14过励磁或欠励磁两种操作模式下传送无功功率。
对于以上提到的所有方面，无功功率的参考能够在所述转换器控制单元38或涡轮机控制器40中计算。也可以用其它单元来计算该无功功率的参考，例如风电场能量管理42。这还可以包括外部单元计算该无功功率的参考的选项，即，例如公用事业设备44。
本发明的另一实施方案在图2和图3中示出。在这些图中，对于和图1相似或相同的部分，使用了带有撇号或双撇号的相同参考数字。
根据图2的风能涡轮机10’区别于图1的特性涉及所使用的发电机14’的类型。但在变频器26’中产生无功电流的控制基本相同。这对于图3的实施方案也是成立的，其中图2实施方案的同步发电机14’由电励磁同步发电机14”代替，该发电机由涡轮机控制器40”除了其它方面之外还根据转子12”转速来控制的励磁电路48”进行驱动。
更具体地，在图2和图3的实施方案中，通过控制所述变频器26的电网侧功率转换器28来在电网电压下降的情况下产生无功电流。
关于图1的实施方案，还应考虑这种情况：电网18处于基本正常的条件且发电机14借助打开的开关37与该电网断开连接。在图2和图3所示的同步发电机14’和14”中，通过使发电机侧功率转换器32的电气开关打开来断开发电机与电网的连接。
在这种情况下，由于所述开关37’和37”仍分别闭合，所述电网侧功率转换器28仍与电网18相连。因此，能够通过控制电网侧功率转换器28产生无功电流以便向电网18提供无功电流。
虽然本发明参照其特定示例性实施方案进行了描述和解释，但这并非试图将本发明限制在这些示例性实施例上。本领域技术人员将认识到，能够做出变形和修改而不偏离下述权利要求所定义的本发明的实质范围。因此，这意味着在本发明中包含所有这些落在所附权利要求和其等效的范围中的变形和修改。

Claims (30)

1.一种用于在电网畸变且发电机(14，14’，14”)不处于发电的操作状态、即所述发电机的定子与电网断开连接的情况下操作所述发电机的变频器(26，26’，26”)的方法，其中，所述变频器(26，26’，26”)包括：与所述发电机(14，14’，14”)相连的发电机侧功率转换器(32，32’，32”)、与电网(18，18’，18”)相连的电网侧功率转换器(28，28’，28”)以及用于连接所述发电机侧功率转换器(32，32’，32”)和所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)的DC耦合电路(30，30’，30”)，所述方法包括以下步骤：
通过控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)以产生无功电流来产生要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述发电机(14)是风能涡轮机(10，10’，10”)的发电机。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述发电机(14)是双馈异步机。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述发电机(14’，14”)是异步机。
5.根据权利要求1的方法，其中，所述发电机(14’，14”)是同步机。
6.根据权利要求1到5中任何一项的方法，其中，为了产生通过所述变频器(26，26’，26”)的无功电流，而控制功率因数
7.根据权利要求1到5中任何一项的方法，其中，当在几毫秒到几秒的时间周期内电网电压下降至其正常值的至少40％时，执行所述通过控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)以产生无功电流来产生要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量的步骤。
8.根据权利要求1到5中任何一项的方法，其中，当在几毫秒到几秒的时间周期内电网电压下降至其正常值的20％时，执行所述通过控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)以产生无功电流来产生要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量的步骤。
9.根据权利要求1到5中任何一项的方法，其中，当在几毫秒到几秒的时间周期内电网电压下降至其正常值的15％时，执行所述通过控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)以产生无功电流来产生要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量的步骤。
10.根据权利要求1到5中任何一项的方法，其中，在电网电压下降之后，当在几秒钟长的时间中所述电网电压再次上升至其正常值的至少70％时，终止所述通过控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)以产生无功电流来产生要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量的步骤。
11.根据权利要求1到5中任何一项的方法，其中，在电网电压下降之后，当在几秒钟长的时间中所述电网电压再次上升至其正常值的80％时，终止所述通过控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)以产生无功电流来产生要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量的步骤。
12.根据权利要求1到5中任何一项的方法，其中，在电网电压下降之后，当在几秒钟长的时间中所述电网电压再次上升至其正常值的90％时，终止所述通过控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)以产生无功电流来产生要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量的步骤。
13.根据权利要求1到5中任何一项的方法，其中，所述电网侧功率转换器(28，28’28”)的控制通过公用事业设备(44，44’，44”)来监管，或者通过所述发电机(14，14’，14”)的功率管理控制(40，40’，40”，42，42’，42”)来监管，或者通过发电机(14，14’，14”)组的功率管理控制(40，40’，40”，42，42’，42”)来监管，所述发电机(14，14’，14”)组中至少有一个发电机与所述电网(18，18’，18”)可操作地相连。
14.一种用于在正常电网条件且发电机(14，14’，14”)未处于其操作状态、即所述发电机的定子与电网(18，18’，18”)断开连接之下操作所述发电机(14，14’，14”)的变频器(26，26’，26”)的方法，其中，所述变频器(26，26’，26”)包括：与所述发电机(14，14’，14”)的转子(22，22’，22”)相连的发电机侧功率转换器(32，32’，32”)、与所述电网(18，18’，18”)相连的电网侧功率转换器(28，28’，28”)以及用于连接所述发电机侧功率转换器(32，32’，32”)和所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)的DC耦合电路(30，30’，30”)，所述方法包括以下步骤：
通过控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)来控制要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述发电机(14)是风能涡轮机(10，10’，10”)的发电机。
16.根据权利要求14的方法，其中，所述发电机(14，14’，14”)是异步机或同步机。
17.根据权利要求14的方法，其中，所述发电机(14，14’，14”)是双馈异步机。
18.根据权利要求14到17中任何一项的方法，其中，为了控制通过所述变频器(26，26’，26”)的无功电流，而控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)的功率因数
Figure FSB00000402078800031
19.根据权利要求14到17中任何一项的方法，其中，所述变频器(26，26’，26”)的控制通过公用事业设备(44，44’，44”)来监管，或者通过所述发电机(14，14’，14”)的功率管理控制(40，40’，40”，42，42’，42”)来监管，或者通过发电机(14，14’，14”)组的功率管理控制(40，40’，40”，42，42’，42”)来监管，所述发电机(14，14’，14”)组中至少有一个发电机与所述电网(18，18’，18”)可操作地相连。
20.一种用于发电以供给电网(18，18’，18”)的风能涡轮机(10，10’，10”)，包括
-转子(12，12’，12”)，
-可操作地与所述转子(12，12’，12”)相连的发电机(14，14’，14”)，
-变频器(26，26’，26”)，电连接至所述发电机(14，14’，14”)和所述电网(18，18’，18”)，且包括：可操作地连接至所述发电机(14，14’，14”)的发电机侧功率转换器(32，32’，32”)、可操作地连接至所述电网(18，18’，18”)的电网侧功率转换器(28，28’，28”)以及用于连接所述发电机侧功率转换器(32，32’，32”)和所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)的DC耦合电路(30，30’，30”)，以及
-控制单元(38，38’，38”)，用于控制所述变频器(26，26’，26”)以产生要供给所述电网的无功电流，
-其中，在电网畸变且所述发电机不处于发电的操作状态、即所述发电机的定子与所述电网断开连接的情况下，所述控制单元(38，38’，38”)控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)用于产生要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量。
21.根据权利要求20的风能涡轮机，其中，所述发电机(14)是双馈异步机。
22.根据权利要求20的风能涡轮机，其中，所述发电机(14’，14”)是异步机。
23.根据权利要求20的风能涡轮机，其中，所述发电机(14’，14”)是同步机。
24.根据权利要求20到23中任何一项的风能涡轮机，其中，为了产生通过所述变频器(26，26’，26”)的无功电流，而控制功率因数
25.根据权利要求20到23中任何一项的风能涡轮机，其中，所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)的控制通过公用事业设备(44，44’，44”)来监管，或者通过风能涡轮机(10，10’，10”)的功率管理控制(42，42’，42”)来监管，或者通过包含多个风能涡轮机(10，10’，10”)的风电场的功率管理控制(42，42’，42”)来监管，所述多个风能涡轮机(10，10’，10”)中至少有一个风能涡轮机与所述电网(18，18’，18”)可操作地相连。
26.一种用于发电以供给电网的风能涡轮机，包括：
-转子(12，12’，12”)，
-可操作地与所述转子(12，12’，12”)相连的发电机(14，14’，14”)，所述发电机(14，14’，14”)的转子(22，22’，22”)和定子连接到所述电网，
-变频器(26，26’，26”)，电连接至所述发电机(14，14’，14”)和电网(18，18’，18”)，且包括：可操作地连接至所述发电机(14，14’14”)的转子(22，22’，22”)的发电机侧功率转换器(32，32’，32”)、可操作地连接至所述电网(18，18’，18”)的电网侧功率转换器(28，28’，28”)，和用于连接所述发电机侧功率转换器(32，32’，32”)和所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)的DC耦合电路(30，30’，30”)，以及
-控制单元(38，38’，38”)，用于控制所述变频器(26，26’，26”)以产生要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流，
-其中，在正常电网条件但所述发电机(14，14’，14”)未处于其操作状态、即所述定子与所述电网断开连接之下，所述控制单元(38，38’，38”)控制所述变频器(26，26’，26”)的电网侧功率转换器(28，28’，28”)以控制要供给所述电网(18，18’，18”)的无功电流量。
27.根据权利要求26的风能涡轮机，其中，所述发电机(14)是异步机或同步机。
28.根据权利要求26的风能涡轮机，其中，所述发电机(14)是双馈异步机。
29.根据权利要求26到28中任何一项的风能涡轮机，其中，为了控制通过所述变频器(26，26’，26”)的无功电流，而控制所述电网侧功率转换器(28，28’，28”)的功率因数
Figure FSB00000402078800042
30.根据权利要求26到28中任何一项的风能涡轮机，其中，所述变频器(26，26’，26”)的控制通过公用事业设备(44，44’，44”)来监管，或者通过风能涡轮机(10，10’，10”)的功率管理控制(42，42’，42”)来监管，或者通过包含多个风能涡轮机(10，10’，10”)的风电场的功率管理控制(42，42’，42”)来监管，所述多个风能涡轮机(10，10’，10”)中至少有一个风能涡轮机与所述电网(18，18’，18”)可操作地相连。
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