具有功率转换系统的风力发电设备技术方案

描述了一种用于向公用电网（101）提供电功率（141）的风力发电设备（100、200、300、400），该风力发电设备包括：至少一个风力涡轮机（103），其具有耦合到风力涡轮机旋转轴（105）的风力涡轮机发电机，多个转子叶片（107）被安装到该风力涡轮机旋转轴，该风力涡轮机在输出端子（109）处提供电功率；至少一个功率转换系统（110），每个功率转换系统包括：设备马达（111），其被电气地耦合，并且被配置成从至少一个风力涡轮机（103）的输出端子（109）接收电功率（127）并将其转换成设备马达轴（113）的旋转动力；设备发电机（115），其机械地耦合到设备马达轴（113）并且可电气地耦合到电气公用电网（101）。（113）并且可电气地耦合到电气公用电网（101）。（113）并且可电气地耦合到电气公用电网（101）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有功率转换系统的风力发电设备


[0001]本专利技术涉及用于向公用电网（utility grid）提供电功率的风力发电设备（wind power plant），其中该风力发电设备包括至少一个功率转换系统。

技术介绍

[0002]发电设备向公用电网供应电功率。众所周知，为了保证电网稳定性，电功率生成和电功率消耗必须平衡。电网操作者需要不断地预计预期能源需求的量，以调度匹配的能量生产。
[0003]到目前为止，基于同步发电（synchronous generation）——其中一次能源（primary energy）基于化石燃料（即，碳、石油和天然气等）——的发电设备占主导地位，并且确保了电网稳定性。基于化石燃料的电功率生成使电网更加强大，这是因为当发电负载不平衡出现时，所调度的需求和实际需求可以被调整。这是可能的，因为一次能源是有保障的，并且具有大机械惯性的同步发电机可以平衡短暂的发电
‑
负载差异。
[0004]在同步发电机中，旋转速度和电气频率直接相关。每个发电设备的每个常规同步发电机耦合到电网，因此电气系统的惯性是耦合到电网的所有同步发电机的旋转质量的总和。使用电气频率作为关键控制参数，并且考虑耦合到电网的所有同步发电机的大惯性，电网稳定性以容易的方式被控制。
[0005]如今，由于电网的日益去碳化（decarbonization），如风、光伏和热这样的可再生能源的高渗透正在以快速的步伐替换常规发电。但是基于风和光伏（PV）的能量是基于异步发电的。风力涡轮机采取异步发电，因为需要采用变化的速度来优化能量生产。PV能量采取异步发电，因为一次源（primary source）是在直流电流（DC）中获得的。
[0006]可再生能源的高渗透的主要缺陷是：借助于异步发电对同步发电的取代显著降低了电网的惯性。
[0007]如所指示的，高的可再生能源渗透不会向该系统提供惯性，并且可再生能源发电中的虚拟惯性对于确保电网稳定性将是必要的。此外，可再生能源是间歇性的，并且非常难以被调度。为了避免由于可再生能源发电的这些典型特性而失去对电网的控制，电网操作者在电网规范中包括了与虚拟惯性、频率和电压相关的特殊要求。此外，还包括/需要新的功能，如电网形成和黑启动能力。
[0008]为了满足在惯性、频率和电压方面具有扩展要求的新电网规范，正在研究不同的控制和硬件解决方案。但是现在，对于适当地形成可再生能量源的规模，存在若干个问题。一个关键问题是不同的国家具有不同的电网规范要求。每个国家需要具体的控制，并且有时还需要具体的硬件。而且，每年，新的电网规范被发布，并且因此需要在分析、产品开发中的改变、验证、建模和认证（certification）方面花费大量的时间。所有这些都使得发电机系统制造商（OEM）难以标准化和优化他们的产品。
[0009]另一个问题与功率品质有关。异步发电具有较差的频率和电压波形品质，并且因此功率消费者（consumer）需要适配他们的设施（installation），以避免他们的设备中的问
题。
[0010]根据现有技术，包括风力涡轮机的可再生能源发电设备被配备有特定控制和特定硬件，以符合不同国家的具体电网规范。然而，所观察到的是，仅实现了相对低的功率品质响应。特别地，对于每个国家，可再生能源制造商正在寻找并保护具体的控制和硬件解决方案。现在正在被逐步地引入的低功率品质可能会在未来几年内产生消费者问题。如今，这些问题没有被充分地考虑和/或解决。例如，公用电网——常规发电设备的功率被提供给它——可能无法确保去往电功率的多个接收方的稳定电压和/或频率。因此，在接收方的装备（equipment）或装置（device）处可能会出现问题。
[0011]因此，可能存在针对用于向公用电网提供电功率的风力发电设备的需要，其中组件可以更加标准化，并且其中被提供给公用电网的功率的功率品质被改进。此外，本地电网规范要求可以以更好的程度被满足。此外，该风力发电设备可以以可靠的方式来操作，特别地还包括黑启动能力。此外，该风力发电设备可以以改进的方式来符合关于公用电网的有功功率和/或无功功率和/或电压的电网规范要求，还包括频率控制中的参与。

技术实现思路

[0012]这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本专利技术的有利实施例。
[0013]根据本专利技术的实施例，提供了一种用于向公用电网提供电功率的风力发电设备，该风力发电设备包括：至少一个风力涡轮机，其具有耦合到风力涡轮机旋转轴的风力涡轮机发电机，多个转子叶片被安装到该风力涡轮机旋转轴，该风力涡轮机在输出端子处提供电功率；至少一个功率转换系统，每个功率转换系统包括：设备马达（plant motor），其被电气地耦合并且被配置成从该至少一个风力涡轮机的输出端子接收电功率（例如，在功率转换系统的输入端子处）并将其转换成设备马达轴的旋转动力；设备发电机，其机械地耦合到设备马达轴并且可电气地耦合到电气公用电网（例如，耦合到功率转换系统输出端子，该功率转换系统输出端子可耦合到电气公用电网）。
[0014]该风力发电设备可以包括例如1至100或1至500个风力涡轮机。该风力发电设备可以是海上或陆上风力发电设备。此外，该风力发电设备可以包括不同于风力涡轮机或者不基于风能的一个或多个功率生成装置或装备。这可以包括能够产生电能的装备和/或能够生成机械能的装备。
[0015]电功率可以特别地包括AC功率，特别是三相电气AC功率。风力涡轮机发电机可以例如包括同步发电机，特别是例如永磁同步发电机或双馈感应发电机（DFIG）。每个风力涡轮机可以包括特定风力涡轮机控制器，该特定风力涡轮机控制器控制发电机和/或耦合到发电机的转换器。风力涡轮机转换器可以特别地包括AC
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DC
‑
AC转换器，该AC
‑
DC
‑
AC转换器能够将从风力涡轮机发电机接收到的可变频率AC功率流转换成固定频率AC功率流，例如具有50Hz或60Hz的频率。该风力涡轮机可以进一步特别地耦合到风力涡轮机变压器，该风力涡轮机变压器将固定频率的AC功率变换到更高的电压值。
[0016]该至少一个功率转换系统可能能够收集所有风力涡轮机（并且特别地还有另外的能量生成装备）的所有功率贡献，并且将该功率供应给设备马达。然后，设备马达可以经由马达轴来驱动设备发电机。设备发电机可以最终将总电功率（不同功率生成装备的贡献的
总和）输出到电气公用电网。由此，特别地，设备变压器可以被用于变换到更高的电压。
[0017]通过提供耦合到设备发电机的设备马达的组合，由该风力发电设备输出的功率品质可以以更好的程度遵守电网规范要求，特别是关于电压和/或有功功率和/或无功功率的电网规范要求。
[0018]在本专利技术的实施例的集中式变型中，特别地，仅提供一个功率转换系统，所有风力涡轮机向该功率转换系统提供它们的电功率，并且可选地，另外的能量生成装备向该功率转换系统提供电功率和/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于向公用电网（101）提供电功率（141）的风力发电设备（100、200、300、400），所述风力发电设备包括：至少一个风力涡轮机（103），其具有耦合到风力涡轮机旋转轴（105）的风力涡轮机发电机，多个转子叶片（107）被安装到所述风力涡轮机旋转轴（105），所述风力涡轮机在输出端子（109）处提供电功率；至少一个功率转换系统（110），每个功率转换系统包括：设备马达（111），其被电气地耦合，并且被配置成从所述至少一个风力涡轮机（103）的输出端子（109）接收电功率（127）并将其转换成设备马达轴（113）的旋转动力；设备发电机（115），其机械地耦合到所述设备马达轴（113）并且可电气地耦合到电气公用电网（101），其中功率转换系统（110）中的至少一个进一步包括：功率转换系统控制器（129），其被配置成基于与公用电网相关的至少一个参考值来控制功率转换系统输出端子（131）处的有功功率，其中所述功率转换系统控制器（429）包括通信地耦合到所述设备马达（411）的设备马达控制器（463）和通信地耦合到所述设备发电机（415）的设备发电机控制器（465），其中所述设备马达控制器（463）被配置成：接收设备有功功率参考信号（467），基于所述设备有功功率参考信号来确定针对所述至少一个风力涡轮机和/或功率生成组件中的至少一个的个体有功功率参考信号（469），以及将所述个体有功功率参考信号（469）供应到所述至少一个风力涡轮机和/或所述功率生成组件。2.根据前一项权利要求所述的风力发电设备，其中所述至少一个功率转换系统（110）中的至少一个的设备发电机（115）和/或设备马达（111）包括同步电机，特别是电激励同步电机。3.根据前述权利要求中的一项所述的风力发电设备，其中功率转换系统（110）中的至少一个进一步包括：机械惯性质量（117），特别是飞轮，其耦合或可耦合到相应的设备马达轴。4.根据前述权利要求中的一项所述的风力发电设备，其中所述风力发电设备（117）的惯性值（H）总计为在2秒与5秒之间。5.根据前述权利要求中的一项所述的风力发电设备，其中所述功率转换系统控制器（129）进一步被配置成：基于与公用电网相关和/或与设备电网相关的至少一个参考值和/或测量值来控制功率转换系统输出端子（131）处和/或公用电网处和/或功率转换系统输入端子（125）处的有功功率。6.根据前述权利要求中的一项所述的风力发电设备，其中所述功率转换系统控制器（129）进一步被配置成：基于与公用电网相关和/或与设备电网相关的至少一个参考值和/或测量值来控制功率转换系统输出端子（131）处和/或公用电网处和/或功率转换系统输入端子（125）处的无功功率和/或电压。7.根据前述权利要求中的一项所述的风力发电设备，...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：西门子歌美飒可再生能源创新与技术有限公司，
类型：发明
国别省市：