DK174291B1 - Fremgangsmåde til indkobling af en asynkron generator på et vekselspændingsnet, og en elektrisk kobling til brug ved denne fremgangsmåde - Google Patents

Description

DK 174291 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til indkobling af en asynkron generator på et vekselspændingsnet, og en elektrisk kobling til brug ved denne fremgangsmåde. Fremgangsmåden er nærmere bestemt af den i indledningen til krav I angivne art.

Koblingen kan være af den type, som er omtalt i den indledende del af krav 5.

5

Hvis en asynkronmotor drives over det synkrone omløbstal, vil maskinen virke som en elektrisk generator, der omdanner den tilførte mekaniske akseleffekt til elektrisk effekt. Forudsat maskinen -nu cn asynkron generator- er koblet på et vekselspændingsnet, vil den genererede strøm blive sendt ind på dette. Denne egenskab udnyttes bl a i moderne 10 vindmøller og lignende energianlæg til udnyttelse af vedvarende energi. Det bemærkes dog, at der til dette formål benyttes asynkronmaskiner, som er specielt viklet til generatordrift.

I praksis er man naturligvis nødt til at tage højde for vindens varierende hastighed og 15 ustadige, uberegnelige natur. Specielt det forhold, at vindens hastighed og dermed energiindhold kan ændre sig endog meget hurtigt, er et alvorligt problem i forbindelse med vindmøller. I kraftige vindstød vil vindmøllerotoren således kunne accelereres op over det synkrone omløbstal på meget kort tid, forudsat der indledes fra en "tomgangstilstand", hvor møllen roterer med undersynkront omdrejningstal, og hvor 20 generatoren følgelig er ubelastet. Indkoblingen af generatoren på nettet skal foregå netop i det øjeblik, det synkrone omløbstal passeres, hvis ikke vindmøllen skal løbe løbsk. For at hindre uacceptabelt store strømstød på nettet og momentstød på rotoren er det nødvendigt at foretage indkoblingen "blødt", dvs at effekttransmissionen mellem generatoren og nettet under indkoblingsforløbet skal øges jævnt fra et minimum til fuldt 25 indkoblet effekt. Dette krav er imidlertid i modstrid med behovet for en hurtig indkobling af generatoren på nettet, når de dynamiske forhold omkring møllen fordrer dette, dvs når vindmøllen udsættes for kraftige vindstød som beskrevet. I praksis er det nødvendigt at vælge et kompromis, hvor generatorens indkobling foretages under et styret indkoblingsforløb, således at påvirkningerne dels på nettet, dels på 30 vindmøllekonstruktionen som sådan (momentbelastning på gear og rotoraksel, bøjningspåvirkninger på vingerne, etc) holdes indenfor acceptable grænseværdier. Til dette formål er der udviklet forskellige typer elektriske koblinger og forskellige indkoblings- og generatorstyringsprincipper.

35 Grundlaget for koblingsreguleringen i de kendte koblinger er fx måling af den resulterende generatorspænding. Her er der imidlertid reelt tale om, at koblingsreguleringen foretages på grundlag af en indirekte måling, idet generatorspændingen og generatorstrømstyrken jo er afhængig af mange faktorer, hvorfor man ikke kan udforme en præcis regulering uden at dette under forskellige driftsmæssige 40 forudsætninger resulterer i momentdiskontinuiteter mellem nettet og møllen, især under indkoblingsforløbet. Ved sådanne kendte reguleringer kan det derfor være vanskeligt at holde momentdiskontinuiteterne, og de deraf følgende strømstød i nettet, inden for de grænser, der stilles hertil af ejeren af nettet. Og det er især vanskeligt at minimere momentdiskontinuiteterne, når den genererede effekt er lille i forhold til generatorens 45 nominelle effekt.

-2- DK 174291 B1

En elektrisk kobling af den her omhandlede art, hvor indkoblingen på nettet foretages v hj af thyristorer eller lignende variable, regulerbare koblingselementer, er kendt fra beskrivelsen til USA patent nr 4.656.413. Thyristorernes åbningsvinkel -og dermed koblingens koblingsgrad- styres ud fra en måling af generatorspændingen og 5 generatorstrømmen. Herudover måles generatorens omdrejningstal med en omdrejningstæller for fastlæggelse af sikkerhedsgrænser, og systemet har desuden midler til måling af vindhastigheden. Når vindhastigheden er under et bestemt niveau afbrydes den elektriske forbindelse mellem nettet og generatoren.

10 Fra dansk patent nr 171.689 B (Dancontrol) kendes en lignende metode til indkobling af en asynkron generator på et vekselspændingsnet. Der er her typisk tale om en trefaset vindmøllegenerator, som indkobles på et trefaset net via et sæt antiparallelt koblede thyristorer eller lignende regulerbare (dvs elektrisk styrbare) elektriske koblingsenheder indsat i hver fase. Koblingsenhedeme styres ved ændring af thyristoråbningsvinklen.

15 Man kan således ved successiv forøgelse af åbningsvinklen regulere thyristor-indkoblingsgraden jævnt fra 0 til 100% indkobling.

Den nye teknik, som Dancontrol-patentet beskriver, består i, at thyristorernes tændingstidspunkt under indkoblingsforløbet primært reguleres i afhængighed af 20 generatorens omdrejningstal, således at indkoblingen sker gradvis ved en rampestyring som funktion heraf. De signaler, hvormed thyristorerne tændes, genereres af en datamat, hvori der er indlagt en algoritme baseret på generatorens elektriske specifikationer. Tændingssignalerne genereres i øvrigt på basis af elektroniske målekredsløb for generatoromdrejningstal, netfrekvens og fasespænding. Hverken den af generatoren 25 producerede strømstyrke eller fasevinklen cos φ udnyttes i denne sammenhæng, dvs til styring af den variable switch, hvormed thyristorerne tændes. Fasevinklen cos φ måles ganske vist v hj af et dertil indrettet målekredsløb, men målingen udnyttes udelukkende til at styre indkoblingen af fasebatterier med det formål, at opnå en fasekompensering og derigennem en minimering af de reaktive effekt. Det er altså klart, at hverken strømmen 30 eller cos φ benyttes til styring af den variable switch, hvilket i denne sammenhæng er væsentligt, idet indkoblingsforløbet på denne måde i praksis bliver ukontrollabelt.

Forklaringen herpå er følgende. Uanset den gradvise forøgelse af thyristoråbningsvinklen efter et forud fastlagt program (rampe) under asynkrongeneratorens passage af det 35 synkrone omløbstal, dvs under forøgelse af omdrejningstallet, opstår der et uønsket stort strømstød i systemet under indkoblingsforløbet. Dette strømstød kan lettest forklares ved det forhold, at asynkronmaskinens fasevinkel φ øges signifikant, når maskinen konverterer fra motordrift til generatordrift, dvs under passagen af synkronomdrejningstallet. Fasevinklen φ har indflydelse på den effektive 40 thyristoråbningstid, således at åbningstiden øges når φ vokser (forudsat uændret thyristoråbningsvinkel). Dvs at en gradvis forøgelse af thyristor-åbningsvinklen alene ikke er tilstrækkelig til at sikre et "blødt" indkoblingsforløb uden strømstød. Thyristorkoblingen er populært sagt selvforstærkende i et snævert interval omkring synkronomdrejningstallet. En mere intelligent styring af thyristorerne, hvor der blandt 45 flere driftsparametre også tages hensyn til ændringerne i fasevinklen φ under processen, -3- DK 174291 B1 er påkrævet, hvis den tilsigtede begrænsning af strømstyrken under indkoblingsforløbet og umiddelbart efter dette skal opnås.

Ønsket om en begrænsning af indkoblingsstrømstyrkcn er ikke kun begrundet i de rent 5 tekniske forhold omkring møllekonstruktionen -her tænkes på en forlænget mekanisk levetid hos gear og vinger m v, når momentstøddene begrænses- men er også begrundet i det forhold, at flere netejere i dag stiller krav om, at de nettilsluttede vindkraftanlæg overholder nærmere specificerede krav til en maksimal indkoblingsstrømstyrke. Formålet med den foreliggende opfindelse er netop at anvise et koblingsprincip og en kobling, der 10 imødekommer dette krav.

Ved at vælge en fremgangsmåde som angivet i den kendetegnende del af krav 1, og eksempelvis under anvendelse af en elektrisk kobling som angivet i den kendetegnende del af krav 5, opnår man den tilsigtede trinløse, regulerbare kobling, som muliggør en 15 ’’blød" indkobling på nettet og en kontrollerbar begrænsning af generatorens strømstyrke under og efter passagen af det synkrone omdrejningstal. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen løser på denne måde de ovenfor omtalte problemer i forbindelse med indkobling af vindkraftanlæg af den omhandlede art på nettet.

20 Thyristor-indkoblingsgraden reguleres kontinuerligt ved styring af tændingstidspunktet (thyristoremes åbningsvinkel) under hele indkoblingsforløbet. Tændingstidspunktet beregnes løbende på grundlag af bl a fasevinklen φ, men også andre driftsparametre kan indgå i beregningen, bl a generatoromdrejningstallet, generatorens acceleration og den genererede strømstyrke. Beregningen kan ifølge opfindelsen med fordel udføres af en 25 microprocessorbaseret datamat med indlagt styringsalgoritme, jf. krav 5. De for den pågældende generator specifikke egenskaber kan ligeledes indlægges i datamaten som et generator-parametersæt, således at der ikke skal udvikles særlige algoritmer til hver ny generatortype.

30 Til bestemmelse af generatorens fasevinkel φ er det nødvendigt at kende thyristorens strøm-nulgennemgangstidspunkt i den respektive fase, jvf indledningen til krav 1. Bestemmelsen af denne nulgennemgang kan ifølge opfindelsen med fordel foregå ved (indirekte) måling af spændingen over thyristoren. således som angivet i krav 2. Ved at udnytte det i krav 5 anførte optokobler-princip til detekteringen af nulgennemgangen 35 sikres en nøjagtig og stabil bestemmelse af tidspunktet for nulgennemgangen, og dermed af fasevinklen φ. Optokoblerprincippet udmærker sig ved at være ufølsomt overfor transienter og anden form for elektrisk og elektromagnetisk støj. Måleresultaterne for strøm- og spændings-nulgennemgangen i den resp fase videresendes til den omtalte datamat, (eller analogkredsløbet, når et sådant benyttes), som på grundlag af fasevinklen 40 beregner tændingstidspunktet for thyristorerne.

Reguleringen af thyristor-tændingstidspunktet foretages, således at den resulterende indkoblingsgrad for thyristorerne øges i en kontrolleret jævn rate under indkoblingsforløbet, dvs således, at den indflydelse på koblingsgraden, som variationerne 45 i fasevinklen φ giver anledning til, udkompenseres. I praksis betyder dette, at thyristor-åbningsvinklen i hovedsagen mindskes, når φ vokser og vice versa, idet der ved -4- DK 174291 B1 reguleringen primært tages hensyn til, at den af generatoren producerede strømstyrke ikke overstiger en vis maksimal værdi under og efter passage af det synkrone omdrejningstal. Dette er af indlysende årsager ensbetydende med en blød. skånsom indkobling af generatoren uden momentstød, dvs at koblingen ifølge opfindelsen på bedst 5 mulig måde sikrer gear, rotoraksel, vinger og andre vitale mekaniske komponenter længst mulig levetid.

Opfindelsen skal forklares nærmere i forbindelse med tegningen, hvor fig. 1 viser et diagram for en elektrisk kobling ifølge opfindelsen, 10 fig. 2 et eksempel på forløbet omkring indkoblingstidspunktet (synkronomløbstallet) for strøm, fasevinkel og thyristoråbningsvinkel vist i kurveform, og fig. 3 et forstørret udsnit af samme kurver vist i et mere snævert interval omkring synkronomløbstal let.

15 Det i fig. 1 viste eksempel på en elektrisk kobling mellem en asynkron vindmøllegenerator 1 og et trefaset vekselspændingsnet 2 er baseret på et thyristor-batteri 3 bestående af ialt 6 stk enkelt-thyristorer 4. Thyristorerne er to og to indsat i hver sin faseledning R, S, T, således at de to thyristorer i hver fase er forbundet indbyrdes parallelt og modsatrettede. Thyristorerne fungerer i øvrigt på traditionel måde ved at åbne 20 for hver sin halvperiode under en hel vekselstrømsperiode, når thyristorerne tændes med fuld åbningsvinkel. Tændes der kun delvis for thyristorerne, dvs med en åbningsvinkel mindre end 180°, vil den effektive åbningstid, og dermed indkoblingsgraden, være tilsvarende reduceret. Denne egenskab udnyttes til regulering afkoblingen som allerede beskrevet.

25

Den elektriske kobling omfatter endvidere et målekredsløb 5 til bestemmelse af fasevinklen φ, og et tændingskredsløb 6 til frembringelse tændimpulser til thyristorerne 4. Tændingskredsløbet 6 indeholder til det formål egnede beregnings- og datafaciliteter, som på basis af de forskellige målte driftsparametre -bl a fasevinklen φ og genereret 30 strømstyrke- og de fast indlagte systemdata -fx generatorens datasæt- beregner tændingstidspunktet, dvs thyristorernes åbningsvinkel, ud fra en passende algoritme.

Målekredsløbet 5 er baseret på et nyt optisk princip, hvor den enkelte thyristors strøm-nulgennemgang detekteres af en lysdiode 7, der er forbundet parallelt over thyristoren og 35 med samme lederetning som denne. Lysdioden tændes ved en spænding på ca 70 V, dvs at lysdioden er slukket, når thyristoren er tændt, og tændt når spændingen over thyristoren er over 70 V, dvs når thyristoren er spærret. Da thyristoren altid går i spærret tilstand, når strømmen går gennem nul. vil dette tidspunkt derfor blive klart detekteret af lysdioden, udtrykt ved lysdiodens samtidige tænding (dvs udsendelse af detekterbart lys).

40 Ganske vist tænder lysdioden først, når spændingen over thyristoren er øget til over 70 V , dvs med en vis forsinkelse, men dette tidsmæssige offset er uden praktisk betydning. I beregningen af fasevinklen kan der evt korrigeres for lysdiodens offset.

Lysdioden 7 aflastes af en fotodetektor 8, der er placeret ud for lysdioden. Alternativt kan 45 der anvendes en egnet optokobler som erstatning for lysdiode/fotodetektor-sættet 7, 8.

Ved lysdiodens lysemission frembringer fotodetektoren et signal, som videresendes til -5- DK 174291 B1 tændingskredsløbet 6. Tændingskredsløbet modtager endvidere et spændingssignal U, fra den respektive fase T, og ud fra dette signal detekteres fasens spændings-nulgennemgang.

På grundlag af de to tidsværdier for henholdsvis strøm-nulgennemgang og spændings-nulgennemgang er fasevinklen φ fastlagt. Målesystemet udmærker sig ved at være enkelt 5 og pålideligt (nøjagtigt), og systemet er samtidig ufølsomt overfor elektriske transienter.

Kurverne i fig. 2 og 3 illustrerer, hvorledes thyristor-tændiugsvinklen reguleres som funktion af fasevinklen φ under indkoblingsforløbet. Der henvises i øvrigt til den forklaring af reguleringsprincipperne, der allerede er givet i den indledende del af 10 beskrivelsen. På kurverne i fig. 3 er markeret, hvorledes thyristor-åbningsvinklen i hovedsagen mindskes, når φ vokser og vice versa.

Opfindelsen er ikke begrænset til den på tegningen viste og ovenfor beskrevne udførelsesform, ligesom anvendelsen afkoblingen kan tænkes udvidet til andre områder 15 end det anførte. Eksempelvis kan fremgangsmåden og koblingen ifølge opfindelsen også benyttes til indkobling afen asynkrongenerator ved over- og undersynkront omløbstal.

Claims (5)

1. Fremgangsmåde til indkobling af en flerfaset asynkron generator på et flei" t vekselspændingsnet, hvor indkoblingen foretages v hj af en regulerbar elektrisk kobling baseret på thyristorer eller lignende variable (regulerbare) koblingselementer, hvis 5 indkoblingsgrad varieres under et kontrolleret indkobiingsforløb, der styres under hensyntagen til ønsket om en "blød” indkobling på nettet og en begrænsning af den maksimale strømstyrke under indkoblingsforløbet, hvilken fremgangsmåde nærmere bestemt består i, at der under hele indkoblingsforløbet foretages en kontinuerlig bestemmelse af generatorens fasevinkel φ, på grundlag af hvilken der udføres en 10 kontinuerlig regulering af koblingselementemes indkoblingsgrad (åbningsvinkel, når der er tale om thyristorer), således at den tilstræbte successive belastningsindkobling af generatoren på nettet (soft-kobling) opnås, og hvor fremgangsmåden endvidere omfatter en metode til bestemmelse af generatorens fasevinkel φ ved registrering af tidspunktet for nulgennemgang på fasespændingen og en samtidig detektering af den respektive 15 thyristors strøm-nulgennemgangstidspunkt, idet forskellen mellem de to tidspunkter tages som udtryk for fasevinklen φ i den respektive fase, kendetegnet ved, at tændingstidspunktet for thy ristorerne successivt korrigeres i forhold til fasevinklen φ, således at den resulterende indkoblingsgrad for thyristoreme øges i en kontrolleret jævn rate under indkoblingsforløbet, hvilken korrektion nærmere 20 bestemt består i, at den indvirkning på thyristor-koblingsgraden, som variationerne i fasevinklen φ under og efter passagen af synkronomløbstallet forårsager, udlignes ved den løbende korrektion af thyristor-tændingstidspunktet, idet åbningsvinklen for thyristoren mindskes, når φ vokser og vice versa, og - at der ved reguleringen af indkoblingsgraden primært tages hensyn til, at den af 25 generatoren producerede strømstyrke ikke overstiger en vis maksimalværdi under og efter passage af det synkrone omdrejningstal.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at detekteringen af thyristorens strøm-nulgennemgangstidspunkt sker ved måling afspændingen over thyristoren 30

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at der i det elektroniske kredsløb til styring af koblingselcmenteme (dvs tændingstidspunktet, når der er tale om thyristorer) er indført en algoritme, som løbende beregner tændingstidspunktet på grundlag af den registrerede fasevinkel φ og under hensyntagen til andre relevante 35 styrings- og beregningsparametre, der kan være specifikke for den pågældende asynkrongenerator, og som kan være bestemt ved beregning og/eller ad empirisk vej.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1,2 eller 3, kendetegnet ved, at der i kombination med den angivne metode til regulering af indkoblingsgraden på grundlag af en 40 fasevinkel-detektering foretages en traditionel styring af generatoren, fx efter et i og for sig kendt PD- eller PID-rcguleringsprincip, hvor den af generatoren frembragte strømstyrke indgår som en primær reguleringsparameter, og hvor der endvidere tages hensyn til generatorens frekvens og acceleration. 45

5. Elektrisk kobling til indkobling af en flerfaset asynkron generator (1) på et flerfaset vekselspændingsnet (2), og nærmere bestemt til udøvelse af fremgangsmåden ifølge et eller flere af kravene 1 - 4, hvilken kobling i hovedsagen udgøres af to modsatrettede, paralleltkoblede thyristorer (4) i hver fase, et elektronisk tændingskredsløb (6) for -7- DK 174291 B1 thyristorerne indeholdende beregnings- og datafaciliteter, eksempelvis i form af en mikroprocessorbaseret datamat til beregning af tændingstidspunktet, alternativt i form af et analogt reguleringskredsløb med samme funktion, og et elektronisk målekredsløb (5) til detektering af fasevinklen, kendetegnet ved, at det elektroniske målekredsløb 5 (5) i princippet er opbygget med to modsatrettede lysdioder (7), der er indkoblet parallelt over hver sin thyristor (4) i en bestemt faseledning, således at den enkelte lysdiode er tændt, når den resp. thyristor er slukket, dvs når der er spænding over thyristoren, og slukket, når thyristoren er tændt, 10. at der ud for hver lysdiode er placeret en optokobler (8), fotodetektor eller et lignende optisk aktiverbart element til detektering af lysdiodemes (7) tændingstidspunkt, hvilket tidspunkt -som jo netop indikerer thyristorens strøm-nulgennemgang (=thyristorens slukningstidspunkt)- indgår i bestemmelsen af fasevinklen φ mellem strøm og spænding i den pågældende fase, og 15 - at koblingen endvidere indeholderet kredsløb til måling af fasespændingen (Uf) i hver fase, hvilken spændingsmåling udnyttes til bestemmelse af fasernes resp. spændingsnulgennemgang.