用于将风力涡轮发电机连接到公用电力网的系统技术方案

一种用于将风力涡轮发电机连接到公用电力网的系统包括：第一功率转换器，其将来自风力涡轮发电机的ＡＣ信号转换为ＤＣ信号并且将受控量的无功电流提供到风力涡轮发电机。该系统还包括与第一转换器串联连接的第二功率转换器，其将来自第一功率转换器的ＤＣ信号转换为线路侧ＡＣ信号，并且将受控量的电流提供到公用电力网。功率耗散元件被耦接到第一和第二功率转换器，用于耗散来自第一功率转换器的功率。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及风力涡轮发电机(WTG)。
技术介绍
风能作为增长最快的能源而出现，为基于化石的能源供应提供了清洁、可再生和 生态友善的替选物。以目前的增长率，风能转换计划到2009年为止产生117， OOO丽以上， 声称大约全球发电的1.25%。除了它们在电网隔绝的区域为乡村住宅服务的传统角色之 外，风力涡轮发电机现在越来越多地被安装在大规模的(例如，多兆瓦)风力农场中以及被 集成到可以将电力递送到全国范围的消费者的电力网中。 电网连接的WTG的性能可以受到很多因素的影响，例如电网上的电压波动。例如， 电网上的短路可能导致突然的电压下降，这减小在WTG上的有效阻力(drag)并且可能导致 涡轮和发电机两者迅速地加速。为了确保安全工作，某些WTG被设计成一旦电网电压下降 到低于规定电平(例如，额定电压的85%)就跳闸离线(即，从电网切断连接并且停工)。 在故障清除之后，这些WTG进入重启周期，其在恢复向电网的功率输送之前可能持续几分 钟。 在此离线期间，发电的损失可能影响WTG所连接到的公用电网的稳定性。随着电 网集成的风力工厂/农场的数目继续增长，很多国家的管理机构开始采用严格的互连标 准，其要求大型WTG在干扰期间保持在线并且在延长的期间继续工作_被称为"低电压穿 越，，(LVRT， low-voltage ridethrough)的过禾呈。 在各种互连标准当中，西班牙电网法规例如要求WTG能够维持("穿越")额定电 平的20%的线路电压至少500ms。图1A示出在低电压事件发生时电压瞬态的示例。在这 种情况下，在500ms的初始骤降之后，线路电压开始恢复并且在15秒内返回到额定的95% 。 在整个低电压期间( 15s)，西班牙电网法规要求WTG继续工作并且以受控量提供电流，以帮助稳定电网。图iB示出由作为线路电压函数的无功电流与总电流的幅值比率a，。tivyIt。tal)测量的所需电流的行为。注意，其他国家对于电网连接的WTG响应于低电压干扰的电 流和电压行为可能有不同的规定。
技术实现思路
在本专利技术的一个总体方面，提供了一种用于将风力涡轮发电机连接到公用电力网 的系统。第一功率转换器将来自风力涡轮发电机的AC信号转换为DC信号并且将受控量的 无功电流提供到风力涡轮发电机。与第一转换器串联连接的第二功率转换器将来自第一功 率转换器的DC信号转换为线路侧AC信号并且将受控量的电流提供到公用电力网。功率耗 散元件被耦接到第一和第二功率转换器，用于耗散来自第一功率转换器的功率。 本专利技术这方面的实施例可以包括下面特征中的一个或多个。 被提供到公用电力网的电流量满足与公用电力网的电压状况相关联的预定标准。 预定标准可以包括在公用电力网的电压降到预定阈值之下时，被提供到公用电力网的无功电流的幅值至少是被提供到公用电力网的实际电流的幅值的两倍。 第一和第二功率转换器经由DC总线连接。电容器被耦接到DC总线。第一和第二 AC滤波电抗器可以分别被耦接到第一和第二功率转换器。功率耗散元件可以包括电阻器。 电阻器可以包括动态制动电阻器。可控开关器件可以被耦接到电阻器，用于调整通过电阻 器的电流。功率因数校正单元可以被提供用于调节被提供到公用电力网的电功率的功率因 数。功率因数校正单元可以包括可控电容器，其可以通过电信号来接通和断开。 在本专利技术的另一总体方面，提供了一种用于控制在风力涡轮发电机和公用电力网 之间的互连的控制系统。在发生低电压事件时，控制系统在电气上断开第一互连路径。在 低电压事件期间控制第二互连路径以提供以下电流第一电流，其适合用于维持风力涡轮 发电机工作；以及第二电流，其具有与公用电力网的工作相关联的预定特性。 本专利技术这方面的实施例可以包括下面特征中的一个或多个。 控制系统可以基于与公用电力网相关联的电压状况、或者可替选地基于与风力涡轮发电机相关联的电流状况或这两种方法的组合，确定低电压事件的发生。 第一电流包括足以用于维持风力涡轮发电机的激励的无功电流分量。第二电流包括实际电流分量和无功电流分量。在低电压事件期间，控制第二电流，使得无功电流分量的幅值至少为实际电流分量的幅值的两倍。 第一路径包括通过外部信号可控的开关单元，并且还可以包括强制换向电路，其 被配置成将换向信号提供到开关单元。第二路径包括第一功率转换器，用于将来自风力涡 轮发电机的AC功率转换为DC功率并且用于提供第一电流。第二功率转换器与第一转换器 串联连接，用于将来自第一功率转换器的DC功率转换为线路侧AC功率并且用于提供第二 电流。功率耗散元件被耦接到第一和第二功率转换器，用于耗散来自第一功率转换器的功 率。功率耗散元件可以包括电阻器以及被耦接到该电阻器的可控开关器件，其中控制开关 器件被配置成调整通过电阻器的电流。电容器被耦接到第一和第二功率转换器。 控制系统还可以控制功率因数校正单元，以调节被提供到公用电力网的电功率的 功率因数。功率因数校正单元可以包括可控电容器，其可以通过电信号来接通和断开。 在其他优点和特征当中，提供了一种用于将风力涡轮发电机连接到公用电力网的 系统。在正常操作期间，可以以接近一的功率因数和LVRT系统中的可忽略的功率损失(例 如，小于0.3%)将由WTG生成的电功率递送到公用电力网。当网络上的故障导致线路电压 下降时，系统在发电机端维持接近额定电压并且将足够的阻抗提供到发电机。结果，WTG继 续工作而无需受到低电压影响(例如，超速)。也可以基于电压状况而控制被递送到网络的 实际和无功功率的量。例如，期望时，可以以足够量(例如，至少实际功率量的两倍)将无 功功率注入到电网，以帮助在严重的低电压事件中稳定公用网络。在某些情况下，功率电子 器件和电路设计的适当选择也可以减少对故障的系统响应时间。 本专利技术的其他特征和优点根据下面的描述以及权利要求而清楚。附图说明 图1A和1B图示在西班牙电网法规中的LVRT要求的某些方面； 图2A和2B分别提供具有LVRT能力的风力发电系统的概览和示例性实现； 图3是图示风力发电系统的控制方案的流程图；以及6 图4A到4D是风力发电系统的一种实现的稳态和瞬态操作的示例。具体实施例方式1.系统概览 参考图2A，具有LVRT能力的风力发电系统200包括转子202 (例如，低速螺旋桨)， 其驱动风力涡轮发电机204，以便将风力转换为交流电(AC)形式的电力。通过互连系统 208，将AC功率提供到变压器242，其中变压器242通过升高AC电压，将功率输送到本地电 网244。 互连系统208包括开关单元210和背靠背转换单元220，其分别在发电机204和变 压器242之间提供第一和第二路径211和221。 一般而言，可以通过外部信号(例如，控制 信号)在电气上"接通"(闭合)或"关断"(断开)开关单元210，以允许或阻止第一路径 211中的电流通路。开关单元210可以是单个功率电子开关(例如，晶闸管)、或本质上用 作具有至少两个不同的阻抗状态的电开关的电路。优选地，当"选通"时，开关单元210提 供对由发电机204生成的电流可忽略不计的阻抗，从而最小化输送期间的潜在功率损耗。 当电网在正常状况下工作时(例如，电压波动保持在额定的±10%范围内)，开关 单元210被闭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将风力涡轮发电机连接到公用电力网的系统，所述系统包括：第一功率转换器，用于将来自所述风力涡轮发电机的ＡＣ信号转换为ＤＣ信号并且用于将受控量的无功电流提供到所述风力涡轮发电机；与所述第一转换器串联连接的第二功率转换器，用于将来自所述第一功率转换器的所述ＤＣ信号转换为线路侧ＡＣ信号，并且用于在低电压事件期间将受控量的无功电流提供到所述公用电力网；以及功率耗散元件，其被耦接到所述第一和第二功率转换器，用于耗散来自所述第一功率转换器的功率。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：道格拉斯C福尔茨，大卫J格里特，迈克尔P罗斯，
申请(专利权)人：美国超导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]