專利名稱：在電網(wǎng)故障期間用于控制電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機的方法和實施所述方法的設備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及權(quán)利要求1的前序部分中所述類型電網(wǎng)故障期間用于控制電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機的方法。
背景技術(shù)：
在風力渦輪系統(tǒng)中，在電網(wǎng)故障期間提供某種類型控制風力渦輪機是眾所周知的。然而，這種控制設備的一般概念是停止風力渦輪機，其中借助于俯仰風力渦輪機葉片離開風力的范圍并斷開發(fā)電機與電網(wǎng)。在一段時間之后，當重新建立電網(wǎng)電壓時，按照正常的方式起動風力渦輪機，為的是傳送功率到電網(wǎng)，而從斷開到重新起動風力渦輪機所需的時間通常是1-10分鐘的數(shù)量級。來自風力渦輪發(fā)電機的短路電流貢獻通常限于持續(xù)約40-50ms，在此之后，風力渦輪發(fā)電機的電流變成零。因此，在較長的時間周期內(nèi)，風力渦輪發(fā)電機對重新建立電網(wǎng)電壓沒有貢獻并對電網(wǎng)中的短路電流沒有貢獻，這種情況對于激勵電網(wǎng)保護裝置以斷開電網(wǎng)的故障部分可能是需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在上述類型電網(wǎng)故障期間用于控制電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機的方法，一旦在故障之后重新建立電網(wǎng)電壓，利用該方法可以保持風力渦輪發(fā)電機磁化并可傳送功率到電網(wǎng)，在所述類型電網(wǎng)故障期間利用一種用于控制電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機的方法實現(xiàn)這個目的，按照本發(fā)明，該方法還包括權(quán)利要求1特征部分中所提出的特征。每當產(chǎn)生的功率因故障狀態(tài)不能傳送到電網(wǎng)時，例如，電網(wǎng)上的低電壓或零電壓，利用該方法可以耗散阻抗中產(chǎn)生的功率，且在重新建立電網(wǎng)時，幾乎可以瞬時地重新連接風力渦輪發(fā)電機與電網(wǎng)以傳送功率。
在從屬權(quán)利要求中展示按照本發(fā)明方法的優(yōu)選實施例，根據(jù)以下的詳細描述，本發(fā)明的優(yōu)點是顯而易見的。


在以下詳細的描述部分中，我們參照不同設備的典型實施例更詳細地解釋本發(fā)明，按照附圖所示的本發(fā)明，該設備在電網(wǎng)故障期間實施用于控制電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機的方法，其中圖1表示包括雙饋異步發(fā)電機的電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機示意圖，其中轉(zhuǎn)子通過背對背變換器連接到電網(wǎng)，可以在轉(zhuǎn)子繞組與電網(wǎng)之間轉(zhuǎn)移能量，圖2表示用于連接阻抗與風力渦輪發(fā)電機終端的可能連接系統(tǒng)示意圖，并能夠把發(fā)電機連接成星形配置和三角形配置，圖3表示用于阻抗連接系統(tǒng)的另一種可能結(jié)構(gòu)示意圖，其中阻抗可以串聯(lián)連接在發(fā)電機終端與電網(wǎng)之間，并能夠把發(fā)電機和阻抗連接成星形配置和三角形配置，圖4表示包括雙饋異步發(fā)電機的電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機示意圖，其中轉(zhuǎn)子連接到電子可控電阻器，為的是控制轉(zhuǎn)子電阻和相應地控制發(fā)電機的空轉(zhuǎn)，和圖5表示電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機示意圖，該發(fā)電機包括有所謂短路轉(zhuǎn)子的發(fā)電機。
具體實施例方式
圖1所示的風力渦輪發(fā)電機包括雙饋異步發(fā)電機G，發(fā)電機G的定子繞組通過接觸器正常連接到變壓器T標志的電網(wǎng)，為的是能夠控制從發(fā)電機G產(chǎn)生的功率，轉(zhuǎn)子繞組連接到包括轉(zhuǎn)子變換器的背對背變換器，中間DC電路和經(jīng)變壓器T連接到電網(wǎng)的電網(wǎng)變換器。通過正確控制轉(zhuǎn)子變換器和電網(wǎng)變換器，可以控制發(fā)電機G產(chǎn)生功率的頻率，有功功率，無功功率，電壓等。
若發(fā)生電網(wǎng)故障，從而使電網(wǎng)上的電壓急劇下降，則這個電壓下降導致發(fā)電機的去磁和從定子繞組傳送相應的高電流到電網(wǎng)和轉(zhuǎn)子繞組中的高電流。然而，轉(zhuǎn)子變換器和電網(wǎng)變換器通常不適宜這種高電流，因此，每當檢測到由于電網(wǎng)故障造成的高電流時，短路器或類似電路連接到轉(zhuǎn)子繞組并被激勵。在發(fā)電機G去磁之后，定子繞組與電網(wǎng)斷開并連接到定子阻抗，從而在發(fā)電機定子繞組上形成負載，按照這種方式，在這些阻抗中可以耗散從風力渦輪葉片提供給發(fā)電機的機械能。在定子繞組與電網(wǎng)斷開之后，關(guān)閉短路器，而轉(zhuǎn)子變換器恢復控制發(fā)電機磁化的運行并從定子繞組傳送功率到與其連接的阻抗。若存在一定的電網(wǎng)電壓，則從轉(zhuǎn)子繞組傳送到中間DC電路的可能能量還可以通過電網(wǎng)變換器再傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，反之亦然，可以從電網(wǎng)傳送功率到中間DC電路。若從轉(zhuǎn)子繞組傳送的功率不能被與電網(wǎng)連接的電網(wǎng)變換器耗散，則可以在中間DC電路中插入DC斬波器，它能夠耗散可能的剩余功率。
在故障狀態(tài)期間，最好是控制電網(wǎng)變換器以循環(huán)無功短路功率到電網(wǎng)，而這個功率僅受電網(wǎng)變換器標稱功率的限制。如上所述，可以從電網(wǎng)上的剩余電壓傳送系統(tǒng)中所損耗的功率，或按照這種方式連接發(fā)電機，定子繞組或多或少被短路，而功率是從轉(zhuǎn)子繞組通過轉(zhuǎn)子變換器傳送的。
如上所述，和在以下更詳細解釋的，可以或多或少直接地完成定子繞組的短路，其中在定子電路中有或沒有插入的阻抗。此外，也是在以下更詳細解釋的，利用星形或三角形配置的定子繞組以及相應星形或三角形配置中的對應阻抗，可以完成包含定子阻抗的定子短路。按照這種方式，可以按照這樣的方式選擇定子繞組和定子阻抗的配置，它能夠?qū)崿F(xiàn)合適的功率耗散并能在該阻抗中耗散從風力渦輪機傳送的大部分功率，從而避免風力渦輪機的急劇加速。此外，定子繞組的短路提供這種可能性，從轉(zhuǎn)子繞組通過背對背變換器傳送有功功率和無功功率到電網(wǎng)。
在超速風險是低的環(huán)境下，可以磁化發(fā)電機到約60-100％的額定電壓和預期返回電網(wǎng)電壓的幅度和角度。按照這種方式，可以減小同步時間，并在返回電網(wǎng)電壓之后，可以立刻重新連接定子繞組，在這種情況下，定子繞組電壓接近于電網(wǎng)電壓。在重新連接之后，可以快速地改變有功功率和無功功率到電網(wǎng)故障之前的功率值。
在故障期間，通過耗散定子連接阻抗中的功率，該阻抗可能是中間DC電路中的斬波器電阻，可以控制風力渦輪機的轉(zhuǎn)速。因此，只有在轉(zhuǎn)速變得很高時和/或電網(wǎng)故障以及相應的電壓下降具有較長的持久特征情況下，才主要使用俯仰控制。
在電網(wǎng)故障期間，借助于俯仰系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子變換器，可以控制風力渦輪機的轉(zhuǎn)速，且這種控制還可用于減小轉(zhuǎn)子軸上的扭轉(zhuǎn)振蕩。這種減小轉(zhuǎn)速增大和轉(zhuǎn)速變化使得重新同步變得較容易。在發(fā)電機減速期間，可以在DC斬波器中耗散從轉(zhuǎn)子繞組通過轉(zhuǎn)子變換器傳輸?shù)街虚gDC電路的功率，或者，若其中存在剩余電壓，則可能是傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的功率。
圖2所示用于連接阻抗與發(fā)電機定子繞組的系統(tǒng)包括正常安裝的接觸器S1，S3，S4，用于提供斷開發(fā)電機與電網(wǎng)(S1)和連接定子繞組成星形(S2，S4)和三角形(S2，S3)配置的可能性。圖2表示利用接觸器S5和S6分別連接阻抗的兩種不同的可能性，用于連接發(fā)電機定子繞組上連接成星形配置的阻抗，所述發(fā)電機繞組可以分別在星形配置與三角形配置之間轉(zhuǎn)換。定子繞組的短路可以與主電流連接分開，從而可以減小接觸器和導線的尺寸。在圖2中，通過閉合S5和S4和斷開S1，可以形成短路，從而使定子連接成星形配置。通過斷開S1和閉合S2，S3和S5，也可以形成短路，從而使定子連接成三角形配置。形成短路的另一個可能性是斷開S2和S3以及閉合S4和S6，從而再次形成阻抗和定子繞組的星形配置。借助于接觸器S2，S3，S4，可以形成定子繞組的直接短路，同時閉合這些接觸器和斷開S1可以形成定子繞組的直接短路。圖2所示配置形成的另一個可能性是這樣一種配置，其中阻抗與定子繞組串聯(lián)連接，且其中定子繞組連接到電網(wǎng)。這是通過閉合S6，S3和S1以及斷開S2，S4和S5形成的。在斷開電網(wǎng)期間和/或重新連接電網(wǎng)期間可以利用這種配置。
圖3所示的結(jié)構(gòu)提供連接阻抗的其他可能性。斷開S2插入與定子繞組終端U1，V1，W1串聯(lián)的阻抗，閉合S7，和閉合S3或S4連接定子繞組分別成三角形或星形配置。保持S1閉合以及S8和S9斷開，可以傳送有功功率和無功功率到電網(wǎng)，若發(fā)電機是雙饋異步發(fā)電機，如圖1所示，則通過控制背對背變換器，可以控制這個功率。通過斷開S1和閉合S8，可以使阻抗上的定子繞組短路。在這種配置中，借助于接觸器S3，S4，S7，S9，阻抗和定子繞組都可以連接成三角形配置和星形配置。
在快速重新建立有功功率有高優(yōu)先權(quán)的情況下，可以插入功率電子開關(guān)代替接觸器與定子繞組連接。可以按照這樣的方式提供這種開關(guān)元件，它們在故障狀態(tài)下主要是有源的，用于軟性和快速重新連接發(fā)電機繞組。一旦風力渦輪機是在正常狀態(tài)，借助于接觸器可以短路功率電子開關(guān)。
以上，本發(fā)明的描述是結(jié)合其優(yōu)選實施例，但是，本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員顯然知道，本發(fā)明還可用于圖4所示的風力渦輪發(fā)電機，其中轉(zhuǎn)子繞組連接到電子可控制阻抗，為的是在運行期間能夠優(yōu)化發(fā)電機的空轉(zhuǎn)。此外，通過斷開定子繞組與電網(wǎng)并連接阻抗到斷開的定子繞組，可以在故障狀態(tài)期間保持發(fā)電機至少部分地磁化。
此外，本發(fā)明還可用于圖5所示的所謂短路轉(zhuǎn)子發(fā)電機，其中通過斷開定子繞組與電網(wǎng)并連接合適的阻抗到斷開的定子繞組，也可以保持發(fā)電機磁化。
為了改進與電網(wǎng)的同步，可以利用三個獨立的電網(wǎng)測量結(jié)果和三個獨立的定子電壓測量結(jié)果，此外，可以提供編碼器以檢測轉(zhuǎn)子的位置。
權(quán)利要求
1.一種在電網(wǎng)故障期間用于控制電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機的方法，所述發(fā)電機包含風力渦輪驅(qū)動的轉(zhuǎn)子和正常電網(wǎng)連接的定子，并在正常運行期間連接到電網(wǎng)以傳送功率，其特征是，包括以下步驟a)在檢測到故障時，斷開定子繞組與電網(wǎng)，b)在電網(wǎng)故障狀態(tài)期間，連接定子繞組與阻抗，該阻抗用于耗散風力渦輪機產(chǎn)生0與100％之間的功率，c)在電網(wǎng)故障狀態(tài)期間，保持發(fā)電機的一定磁化，和d)在去除電網(wǎng)故障狀態(tài)之后，使發(fā)電機與電網(wǎng)同步，斷開阻抗，并重新連接定子繞組與電網(wǎng)。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是，包括步驟連接阻抗成星形配置或三角形配置和連接定子繞組成星形配置或三角形配置，它們都與風力渦輪機的測量參數(shù)有關(guān)。
3.按照以上權(quán)利要求中任何一個的方法，其中發(fā)電機是雙饋異步發(fā)電機，轉(zhuǎn)子繞組通過背對背變換器通常連接到電網(wǎng)，并按照可控方式在轉(zhuǎn)子繞組與電網(wǎng)之間轉(zhuǎn)移能量，其特征是，包括步驟在故障狀態(tài)期間保持背對背變換器連接到電網(wǎng)，在故障狀態(tài)期間控制背對背變換器傳送可控短路貢獻到電網(wǎng)，并在電網(wǎng)故障狀態(tài)期間保持發(fā)電機的一定磁化。
4.按照權(quán)利要求1-2中任何一個的方法，其中發(fā)電機是雙饋異步發(fā)電機，它包含連接到轉(zhuǎn)子繞組的電子可控阻抗，其特征是，包括步驟在故障狀態(tài)期間，控制電子可控阻抗連接到轉(zhuǎn)子繞組，從而在故障狀態(tài)期間可以保持發(fā)電機的一定磁化。
5.一種用于實施按照權(quán)利要求1方法的設備，所述設備包括電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機，它包含風力渦輪驅(qū)動的轉(zhuǎn)子和定子，所述定子在正常運行期間連接到電網(wǎng)以傳送功率，其特征是，包括在檢測到故障時用于斷開定子繞組與電網(wǎng)的裝置和連接阻抗與定子繞組的裝置，所述阻抗適合于耗散風力渦輪機在電網(wǎng)故障狀態(tài)期間產(chǎn)生0與100％之間的功率，并包括在斷開期間保持發(fā)電機一定磁化的裝置和在故障清除之后和重新連接到電網(wǎng)之前使發(fā)電機與電網(wǎng)同步的裝置。
6.按照權(quán)利要求5的設備，其中用于斷開定子繞組與電網(wǎng)的裝置和用于連接定子繞組與阻抗的裝置包括接觸器。
7.按照權(quán)利要求5的設備，其特征是，用于斷開定子繞組與電網(wǎng)的裝置和用于連接定子繞組與阻抗的裝置包括電源電子開關(guān)。
8.按照權(quán)利要求5-7中任何一個的設備，其特征是，還包括接觸器和/或電源電子開關(guān)，用于連接阻抗和/或連接定子繞組成星形配置和/或三角形配置。
9.按照權(quán)利要求5-8中任何一個的設備，其特征是，發(fā)電機是雙饋異步發(fā)電機。
10.按照權(quán)利要求9的設備，其特征是，包括在轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間連接的背對背變換器。
11.按照權(quán)利要求9的設備，其特征是，包括連接到轉(zhuǎn)子繞組的電子可控阻抗。
12.按照權(quán)利要求5-8中任何一個的設備，其特征是，發(fā)電機是有短路轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機。
全文摘要
本發(fā)明涉及在電網(wǎng)故障期間用于控制電網(wǎng)連接的風力渦輪發(fā)電機的方法和設備。在電網(wǎng)故障期間，斷開風力渦輪發(fā)電機的定子繞組與電網(wǎng)，而在電網(wǎng)故障狀態(tài)下用于耗散風力渦輪機產(chǎn)生的至少部分功率的阻抗連接到定子繞組。按照這種方式，可以保持發(fā)電機的一定磁化，并在去除電網(wǎng)故障狀態(tài)之后，使發(fā)電機與電網(wǎng)同步，斷開阻抗，和定子繞組重新連接到電網(wǎng)。按照這種方式，在電網(wǎng)故障期間，可以保持風力渦輪發(fā)電機至少部分磁化，從而在故障之后重新建立電網(wǎng)電壓時，可以立刻傳送功率到電網(wǎng)。
文檔編號F03D9/00GK1748356SQ03826072
公開日2006年3月15日 申請日期2003年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月7日
發(fā)明者約翰·G.·尼爾森 申請人:維斯塔斯風力系統(tǒng)公司