專利名稱：風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的操作方法及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種操作風(fēng)輪機(jī)的方法，其中由饋入或供給單元饋送或供給轉(zhuǎn)子電流的感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，該感應(yīng)發(fā)電機(jī)包括耦合到電壓網(wǎng)的定子線圈；其中饋送或供給的轉(zhuǎn)子電流的頻率根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率而控制，并且在電網(wǎng)電壓幅值發(fā)生預(yù)定變動(dòng)量的情形下，饋送單元從轉(zhuǎn)子繞組上電氣解耦，本發(fā)明還涉及可以用這樣的方法操作的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。
風(fēng)力發(fā)電設(shè)備易受由于陣風(fēng)帶來的一次能源可用性極大和短期波動(dòng)的影響。為此，通常變速發(fā)電機(jī)被用于通過風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生電能，因?yàn)楫?dāng)用這種發(fā)電機(jī)時(shí)，陣風(fēng)的能量不會(huì)立即供給電網(wǎng)而是該能量能通過旋轉(zhuǎn)速度的變動(dòng)而儲(chǔ)存在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的離心質(zhì)量中。以這種方式，與固定旋轉(zhuǎn)速度的設(shè)備相比，該風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的機(jī)械負(fù)載能夠被顯著地減少，并且機(jī)械部分能被設(shè)計(jì)和制造的重量輕并減小了花費(fèi)。感應(yīng)發(fā)電機(jī)通常被用作變速發(fā)電機(jī)，其中它們的定子線圈直接耦合到電壓網(wǎng)，并且它們的轉(zhuǎn)子繞組受到風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，并且通過適當(dāng)?shù)淖儞Q器供給轉(zhuǎn)子電流。其中，以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)子電流頻率之和恒等于電網(wǎng)頻率的方式控制供給轉(zhuǎn)子的電流的頻率。為了饋送轉(zhuǎn)子繞組，使用了耦合到電網(wǎng)的直接變換器以及具有通過感性和/或容性電抗耦合到其上的轉(zhuǎn)子功率變換器和網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)變換器的中間電壓電路變換器。
當(dāng)使用直接變換器和使用中間電壓電路變換器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這樣的問題，即在由例如短路電路而在電網(wǎng)中引起的電源電壓幅值的變動(dòng)的時(shí)候，出現(xiàn)了在電網(wǎng)和定子線圈之間大的電壓差。這些差值導(dǎo)致在直接耦合到電網(wǎng)的定子線圈中出現(xiàn)強(qiáng)電流。這些強(qiáng)電流由于感應(yīng)發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)頻率幅值變動(dòng)時(shí)常常處于全勵(lì)磁狀態(tài)而在定子線圈中產(chǎn)生，并且機(jī)械能一直由轉(zhuǎn)子提供。在電源電壓變動(dòng)時(shí)出現(xiàn)于定子線圈的強(qiáng)電流在轉(zhuǎn)子繞組中導(dǎo)致高感應(yīng)電壓，其能對(duì)饋送轉(zhuǎn)子電流用的變換器造成損壞。當(dāng)用中間電壓電路變換器時(shí)，轉(zhuǎn)子功率變換器的反向二極管會(huì)被由轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓而產(chǎn)生的高的電流完全地?fù)p壞。為此，在現(xiàn)有已知的用于操作帶有感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的方法中，用于饋送轉(zhuǎn)子電流的饋入單元在中間電路電壓的變動(dòng)時(shí)通常從轉(zhuǎn)子繞組上解耦，尤其在由于短路引起電源電壓的下降時(shí)，借此相應(yīng)地防止由在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電壓或電流導(dǎo)致的饋入單元或變換器的損壞。穩(wěn)定電源電壓后，為了感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁在現(xiàn)有已知方法中恢復(fù)轉(zhuǎn)子電流的饋送并且該電流的饋送與電網(wǎng)重新同步。例如，在“Sienmens-Energietechnik5”(1983)第6卷第364-367頁(yè)“Einsatx einer doppelt gespeisten Asynchronmaschinein der Groenβen Windenergieanlage Grovian”，描述了這種方法。上述文獻(xiàn)關(guān)于從轉(zhuǎn)子繞組上解耦交換器的公開在此明確地并入到本說明書中作為參考。在可以導(dǎo)致電源電壓幅值下降到期望值的15％的電源電壓下降和例如達(dá)到期望值的80％的電源電壓的恢復(fù)之間的感應(yīng)發(fā)電機(jī)的操作中斷期通常僅僅數(shù)秒，因此由該中斷引起的損耗基本上不會(huì)減小風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的總效率。
隨著越來越多地利用可再生能源，例如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，產(chǎn)生電能，出現(xiàn)了由于在例如由短路電路引起的電壓下降之后，沒有提供足夠的電能以快速地穩(wěn)定電源電壓，而使得電源電壓下降的周期顯著增加的問題。
考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種對(duì)操作風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的已知方法的改進(jìn)，這種改進(jìn)能夠用作在電壓下降之后穩(wěn)定電源電壓而不會(huì)危害到風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的電氣元件，也提供一種能夠執(zhí)行這種方法的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。
關(guān)于方法方面，依靠對(duì)已知操作風(fēng)力發(fā)電設(shè)備方法的改進(jìn)而使得這個(gè)目的能夠?qū)崿F(xiàn)，其實(shí)質(zhì)上的特征在于，在由電源電壓幅值的變動(dòng)而引起的饋入單元的解耦之后，只要轉(zhuǎn)子線圈中的由這種變動(dòng)產(chǎn)生的電流下降到預(yù)定值，就立即恢復(fù)轉(zhuǎn)子電流的饋送。
這種改進(jìn)涉及一種發(fā)現(xiàn)，即在電源電壓下降時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的高的電流，會(huì)在饋送轉(zhuǎn)子電流的變換器的解耦(例如通過具有低阻抗的電阻短路轉(zhuǎn)子繞組)之后在50至150msec內(nèi)減小或逐漸消失，這使得在短時(shí)期之后即可恢復(fù)轉(zhuǎn)子電流的饋送，而不會(huì)危害該變換器。此外考慮的事實(shí)是甚至當(dāng)電源電壓下降到期望值的15％的情形下，相位和過零點(diǎn)的可靠的檢測(cè)也是可能的。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備到電網(wǎng)的受控的饋送操作能夠在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電流減小后立即通過供給的轉(zhuǎn)子電流的相應(yīng)的幅值和相位控制重新恢復(fù)。因此，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有助于電源電壓的穩(wěn)定，電源電壓能夠保持其大約15％的值500msec，這使得在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流減小和/或逐漸消失之后可以持續(xù)超過300msec的期間。在此時(shí)間內(nèi)，在電源電壓再次升高并且導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電流新的增加之前，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備能夠有助于電源電壓的穩(wěn)定，該電流可能導(dǎo)致將饋入單元或變換器相應(yīng)地從轉(zhuǎn)子繞組新解耦以防止損壞的需要。
在此期間內(nèi)，數(shù)倍于設(shè)備額定值的電流能夠饋送入電網(wǎng)或者導(dǎo)致電源電壓下降的短路電路。
基本上，在考慮到預(yù)定的時(shí)間常數(shù)下能夠完成轉(zhuǎn)子電流饋送的恢復(fù)。從提高設(shè)備的安全性考慮，已經(jīng)提出當(dāng)轉(zhuǎn)子電流作為兩相或三相信號(hào)被檢測(cè)到或整流電流作為單相信號(hào)被檢測(cè)，并且檢測(cè)到的電流下降到預(yù)定的值時(shí)，才恢復(fù)轉(zhuǎn)子電流的饋送是特別有利的。電流互感器(例如電流補(bǔ)償互感器)能用作檢測(cè)該電流。
必須考慮在電源電壓恢復(fù)時(shí)電源電壓幅值會(huì)在少于1毫秒的時(shí)間內(nèi)上升到期望值。因此，能夠在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出DC電壓和50HZ的AC電壓，因而必須將轉(zhuǎn)子繞組從饋入單元重新解耦，例如通過轉(zhuǎn)子繞組的短路。發(fā)電機(jī)通過準(zhǔn)短路轉(zhuǎn)子繞組而部分地去激勵(lì)。結(jié)果是DC分量減少了，并且取決于實(shí)際的轉(zhuǎn)速，50HZ的AC分量是有效的。如果在電源電壓下降(存在電網(wǎng)欠壓)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的速度處于次同步范圍內(nèi)，電源電壓的恢復(fù)導(dǎo)致短路的引擎試圖斜坡上升到電動(dòng)機(jī)模式中的同步速。這意味著當(dāng)電源電壓恢復(fù)時(shí)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備能夠獲得電流。如果在電源電壓下降時(shí)(電網(wǎng)欠壓的存在)，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的速度處于過同步范圍內(nèi)，電源電壓的恢復(fù)導(dǎo)致短路的發(fā)動(dòng)機(jī)斜坡下降到發(fā)電機(jī)模式中的同步速。這意味著當(dāng)電源電壓恢復(fù)時(shí)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備能夠供給電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流的幅值在100至200msec后已經(jīng)充分地下降之后，轉(zhuǎn)子電流的饋送能夠在根據(jù)本發(fā)明的方法的框架內(nèi)在電源電壓恢復(fù)時(shí)重新開始。
如上述所解釋的，在本發(fā)明框架內(nèi)的特別的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子繞組被短路以從饋入或供給單元解耦，這使得在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電流能夠十分迅速地減少。因此，可使用所謂的“撬杠(crow bar)”，其能通過低阻抗的電阻，尤其是阻抗，短路該轉(zhuǎn)子繞組，并且減少發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)。例如，撬杠能夠以部分受控的B6橋的形式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用中間電壓電路變換器時(shí)，轉(zhuǎn)子電流變換器能夠在電網(wǎng)變換器仍然連接到電網(wǎng)并提供視在功率時(shí)同時(shí)阻斷。如上述所解釋的，在此情形下，轉(zhuǎn)子和起動(dòng)器電流依靠電阻在50至150msec內(nèi)減小。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)計(jì)控制裝置以控制在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電流的幅值和/或相位?？扛淖兿辔?，感應(yīng)發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率能夠被彼此獨(dú)立地控制。
以下，參考附圖描述本發(fā)明使得讀者明確本發(fā)明所必要的，但是在說明書中沒有詳細(xì)地解釋的每一個(gè)節(jié)。在圖中，

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的帶有雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和在轉(zhuǎn)子電路中帶有變換器的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的基本電路框圖，圖2示出一種典型的電源電壓下降隨時(shí)間的變化，以及圖3示出圖1所示的電路框圖的細(xì)節(jié)。
根據(jù)圖1，根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子10，其關(guān)于基本上水平的轉(zhuǎn)子軸可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置并通過齒輪箱20耦合到總體上由參考標(biāo)號(hào)30標(biāo)示的感應(yīng)發(fā)電機(jī)。該感應(yīng)發(fā)電機(jī)包括耦合到電網(wǎng)的定子線圈32以及通過齒輪箱20耦合到轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)子繞組34。
轉(zhuǎn)子34的旋轉(zhuǎn)頻率由傳感器40檢測(cè)。轉(zhuǎn)子電流通過總體上由參考標(biāo)號(hào)50標(biāo)示的變換器饋入到轉(zhuǎn)子繞組。變換器50包括網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)變換器52以及通過DC電壓電路56耦合到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)子變換器54。而且，提供一種形成為所謂的“撬杠(crow bar)”的短路元件60，其中轉(zhuǎn)子34的繞組能夠通過低阻抗的電阻被短路。傳感器40檢測(cè)轉(zhuǎn)子34的旋轉(zhuǎn)頻率，該轉(zhuǎn)子連接到轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)子變換器54使得根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率來控制饋入到轉(zhuǎn)子繞組的電流的頻率。而且，形成為低通濾波器的轉(zhuǎn)子濾波器70連接在短路元件60和轉(zhuǎn)子變換器54之間。此外，提供電網(wǎng)濾波器71在電網(wǎng)變換器52和該電網(wǎng)之間。而且，提供同步開關(guān)72使該風(fēng)輪機(jī)與電網(wǎng)同步。
根據(jù)圖2，電源電壓的下降有三個(gè)階段。在第一階段，電源電壓幅值在小于1毫秒的時(shí)間內(nèi)快速下降到期望值的大約15％。在持續(xù)到3秒的第二階段，電源電壓幅值保持在該低值。最后，在持續(xù)50-150msec的第三階段中，電源電壓值恢復(fù)到期望值的大約80％或更多。
在第一階段中的電源電壓下降過程中，變換器50，尤其是轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)子變換器54，必須受到保護(hù)以防止受到轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流的損壞。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中提供應(yīng)急單元。該應(yīng)急單元能夠被操作以從轉(zhuǎn)子繞組34上電氣解耦饋入單元，該饋入單元也就是變換器50。為此，該應(yīng)急單元包括短路元件60。因此，在緊急情況下，例如，在電網(wǎng)電壓下降存在時(shí)，在第一階段中轉(zhuǎn)子繞組通過短路元件60被短路，并且轉(zhuǎn)子變換器54被阻斷。在50至150msec的時(shí)間內(nèi)在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流逐漸消失之后，通過轉(zhuǎn)子測(cè)轉(zhuǎn)子變換器54的轉(zhuǎn)子電流的饋送由斷開該短路元件(“撬杠”)和釋放該轉(zhuǎn)子電流變換器得以繼續(xù)。為此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備包括在解耦后釋放轉(zhuǎn)子電流饋入的釋放裝置。當(dāng)在轉(zhuǎn)子繞組34中產(chǎn)生的并且觸發(fā)變換器50從轉(zhuǎn)子繞組解耦的電流已經(jīng)下降到期望值時(shí)，該釋放裝置釋放該饋入的轉(zhuǎn)子電流。然后，繼續(xù)轉(zhuǎn)子電流的饋送。在本發(fā)明的實(shí)施例中，釋放裝置包含于短路元件60中。在第三階段中當(dāng)電源電壓恢復(fù)時(shí)，如果需要可以實(shí)現(xiàn)從轉(zhuǎn)子繞組上重新解耦變換器，從而在電源電壓的恢復(fù)期間防止由于轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流對(duì)變換器造成的損壞。
如圖3所示，短路元件60(“撬杠”)能夠作為B6橋而實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，經(jīng)過整流的轉(zhuǎn)子電流的逐漸消失能夠通過B6橋中的電流互感器電阻62而完成。當(dāng)變換器50中的中間電路電壓由于極高的轉(zhuǎn)子電流而超過預(yù)定值時(shí)，形成為B6橋的撬杠被激活。然后，執(zhí)行與電網(wǎng)的短路電路同樣情形的過程。當(dāng)由于短期的電網(wǎng)欠壓在轉(zhuǎn)子中出現(xiàn)極高的電流時(shí)，輪機(jī)真正的作用就像電網(wǎng)的短路電路的情形。當(dāng)電流下降至預(yù)定值時(shí)，B6橋的晶閘管變成阻斷，并且轉(zhuǎn)子繞組34的短路也被終止。然后繼續(xù)轉(zhuǎn)子電流的饋入。因此，晶閘管形成了本發(fā)明實(shí)施例中的釋放裝置。
權(quán)利要求
1.操作風(fēng)輪機(jī)的方法，其中由饋入單元饋送轉(zhuǎn)子電流的感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，該感應(yīng)發(fā)電機(jī)包含耦合到電壓電網(wǎng)的定子線圈；其中根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率來控制饋入的轉(zhuǎn)子電流的頻率，并且在電網(wǎng)電壓幅值發(fā)生預(yù)定變動(dòng)的情形下，上述饋入單元從轉(zhuǎn)子繞組上電氣解耦，其特征在于在由電網(wǎng)電壓幅值的變動(dòng)引起解耦之后，當(dāng)由于該變動(dòng)而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的電流下降到預(yù)定的值時(shí)，恢復(fù)饋入轉(zhuǎn)子電流。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于轉(zhuǎn)子電流通過耦合到電網(wǎng)電壓的變換器饋入，尤其是通過具有轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)子電流變換器和電網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)變換器的中間DC電壓變換器。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在解耦期間內(nèi)，電網(wǎng)變換器保持耦合到電網(wǎng)并且轉(zhuǎn)子電流變換器被阻斷。
4.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在解耦期間，轉(zhuǎn)子繞組被短路。
5.實(shí)施如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述方法的風(fēng)輪機(jī)，其包括轉(zhuǎn)子，其帶有至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，該轉(zhuǎn)子關(guān)于基本垂直的轉(zhuǎn)子軸可旋轉(zhuǎn)地安置；感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子繞組耦合到轉(zhuǎn)子并且其定子線圈能夠耦合到電壓電網(wǎng)；饋入單元，用于饋送電流到轉(zhuǎn)子繞組中；控制單元，用于根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率控制饋入電流的頻率，以及應(yīng)急單元，在電網(wǎng)電壓幅值變動(dòng)的情形下，操作該應(yīng)急單元以將饋入單元從轉(zhuǎn)子繞組上解耦，其特征在于應(yīng)急單元包括釋放裝置，該釋放裝置用于在解耦后，當(dāng)由于觸發(fā)該解耦的電網(wǎng)電壓幅值的改變而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的電流下降到預(yù)定值時(shí)，釋放轉(zhuǎn)子電流的饋入。
6.如權(quán)利要求5所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)子通過齒輪機(jī)構(gòu)耦合到轉(zhuǎn)子繞組。
7.如權(quán)利要求5或6之一所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于饋入單元包括耦合到電網(wǎng)電壓的變換器。
8.如權(quán)利要求7所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于該變換器是帶有轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)子電流變換器和電網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)變換器的中間DC電壓變換器。
9.如權(quán)利要求5至8中任何一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于應(yīng)急單元包括撬杠，用于短路該轉(zhuǎn)子繞組。
10.如權(quán)利要求5至9中任何一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)，其特征在于控制單元適于控制饋入到轉(zhuǎn)子繞組的電流的幅值狀態(tài)和/或相位狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種操作風(fēng)輪機(jī)的方法，其中，由饋入單元饋送轉(zhuǎn)子電流的感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)，該感應(yīng)發(fā)電機(jī)包括耦合到電壓網(wǎng)的定子線圈；其中饋入的轉(zhuǎn)子電流的頻率根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率而控制，在電網(wǎng)電壓幅值的預(yù)定變動(dòng)的情況下，饋入單元從轉(zhuǎn)子繞組上電氣解耦，并且當(dāng)由該變動(dòng)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的電流下降到預(yù)定的值時(shí)，在由電網(wǎng)電壓幅值的變動(dòng)引起的解耦之后繼續(xù)轉(zhuǎn)子電流的饋入。
文檔編號(hào)H02P9/42GK1669212SQ03816848
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月17日
發(fā)明者A·比克爾, W·楊森, H·呂策 申請(qǐng)人:通用電氣公司