用于在低市电网电压条件下运行风力涡轮机的设备和方法技术

本发明专利技术涉及风力涡轮机和相关联的用于控制从所述风力涡轮机到电网的输出电流的方法，特别地，涉及风力涡轮机和在由于变化的电网条件引起的电网电压变化的条件下控制电流的方法，例如当风力涡轮机经历故障并从故障中恢复时。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对从风力涡轮机到电网的输出电流进行控制，特别涉及用于在电网电 压由于变化的电网条件而变化的条件下控制电流的系统和方法，例如，当风力涡轮机经历 故障以及从故障中恢复时。
技术介绍
风力涡轮机是一种能量转换装置，其将风中的动能转换为电能，由连接到市电网 的用户使用。这种类型的能量转换典型地涉及使用风旋转涡轮机叶片，涡轮机叶片又直接 或通过齿轮箱旋转交流(AC)发电机的转子。AC发电机的主要电气输出来自其定子。来自定子的输出可直接连接到电网，或通 过电力转换器传送。现有技术中的系统的一种通用发电机为双馈感应发电机(DFIG)，其中， 来自定子的输出受到在其转子中的电流的控制。这样的系统中的定子可直接连接到电网， 因为受到转子控制的定子电压和频率可被强制匹配于电网电压和频率。非DFIG发电机，例如同步发电机或鼠笼式感应发电机，也可用作风力涡轮机系统 中的发电机，其提供受控的有功和无功功率。当这些机器类型用在可变速度配置中时，完全 转换器(full converter)用在定子输出和市电网之间，因为发电机的输出频率不受控制。 完全转换器将定子的AC输出整流为DC，接着，在与电网电压和频率匹配的等级上将DC逆变 回为AC。可从风力涡轮机获得并供到市电网的电力为风速、风力涡轮机转子特性、风力涡 轮机以及相关联的设备的效率、电网中的损耗以及配电系统和连接于其上的负载的特性的 函数。由于风速和负载波动，电网中的电压等级可能变化。类似地，由于大多数电力传输部 件具有相当大的无功部件，电网中的电压也是连接到电网的部件以及负载的无功特性的函数。 0006]为了防止对设备的损坏，电网电压必须被保持在某个容许范围内，当这些限制值 被超过时，必须采取动作。对于标称电压+/-5%或类似的数量级上的变化，可变量的无功的 供给者或吸收者用于补偿由于电网无功性质的电压变化。当发生短路型电网故障时，电网电压可能下降到远远低于正常水平，除其它的以 外，由于过大的电流和机械应力，可潜在地损坏发电设备。如公知的那样，功率等于电压乘 以电流。因此，如果存在电压的下降且功率不减少，电流将会急剧上升。为了保护免受损坏，如果电压中的下降对于相当大的时间段存在，断路器或类似 于保险丝的装置将包含故障的电网部分与电源隔离。包含故障的电网部分的隔离称为“清 除(clearing)”。使用恒定功率控制器(有功与无功)的风力涡轮机和/或风电场特别容易受到过 大的电流的损坏。如果功率控制环不能足够快地响应，输出电流将会出现尖峰，以便保持 固定的功率等级并补偿下降的电压。为了保护免受高电流损坏，许多现有技术中的系统将 故障电流期间的输出电流限制到最大预设值，由此使得由于高电流引起的潜在的损坏最小化。本专利技术对于保护使用通常被描述为恒定电流或受控电流源的控制概念。本说明书 中使用的术语“恒定电流”或“受控电流”可解释为意味着恒定或受控电流通过实质上固定 的比例因子与命令或基准相关联，且实质上不依赖于电流被馈送的电压。作为恒定或受控电流源运行的风力涡轮机的功率输出与电网电压直接成比例地 变化。因此，故障期间的电压经历变化的输出功率的两个阶段。当电压响应于故障下降时， 输出功率处于最小值，已经经过从完整功率到低得多的等级的实质上陡峭的转变。在故障 被清除之后，电网电压上升，这从风力涡轮机要求增大的量的输出功率，直到功率被恢复到 故障前的水平。过去，更为常见的是通过将受到故障影响的涡轮机从电网断开来保护涡轮机。然 而，随着用于发电的风力涡轮机的数量增多，增大了其对电网总电力的相对贡献，出现的实 际要求风力涡轮机保持连接，以便在故障期间以及在电网从故障恢复时帮助支撑电网，也 就是说，根据需要提供有功或无功电流。支撑要求通常涉及通过试图升高系统电压并使将风力涡轮机引回在线发电需要 的时间最小化来抵消故障的影响。另外，尽管看起来违反直觉，被影响的风力涡轮机继续以 与故障之前存在的实质上相同的量值提供输出电流而不减小它是有利的。标准化的输出电 流最好能够致动保护装置，并因此可能缩短隔离故障的时间。在故障过程中保持风力涡轮机连接并提供电力的另一动机是减小在故障清除后 使断开的涡轮机重新回到在线需要的时间。如果风力涡轮机转子可以以故障前的速度或 接近故障前的速度保持运行，完全回到在线的时间可大大缩短。相反，如果负载被减小，如 同在故障条件下一样，将会使得涡轮机的叶片迅速加速，除非采取某些步骤来解决问题，否 则，损坏将会发生。世界范围内的电网规程要求低电压电网故障期间的不同的动作。某些电网规程在 电网扰动期间要求完全的无功电流以及尽可能大的有效电流。其它的电网规程优先考虑有 效电流。尽管可能希望能够同时使得有功与无功电流最大化，部件发热——无论其是DFIG 的转子还是部分或完全转换器的电流承载元件——为被承载的电流的有功与无功分量的 函数。因此，如果希望使得有功电流最大化，则无功电流部件必须最小化。类似地，如果无 功电流将被最大化，则总电流的有功电流分量必须被最小化。本专利技术被指向解决上述问题，通过提供分立的无功电力供应以处理故障期间的无 功电流需求，并要求风力涡轮机自身使得有功功率最大化，能够最大化可从风力涡轮机或 风力涡轮机组获得的有功与无功电流分量。本领域技术人员知道，当叶片尖端速度与风速比恒定在对于特定风力涡轮机设计 的特定设置值上或其附近时，可变速度风力涡轮机提取其能从风获得的最大量。然而，由 于发电机速度限制，不可能在整个风速范围上以其最优叶片尖端-风速比来运行风力涡轮 机。换句话说，由于风速增大，发电机的旋转速度增大，并将之引入更加接近于转子和发电 机的速度上限。在作为风力涡轮机最有效率的区域的中速到高速区域中，通过使来自系统的功率 输出与可从风中获得的功率输出平衡，叶片尖端与风速比被保持为恒定。也就是说，风力涡 轮机被命令的功率从对风速的获知得出，并被设置为该值。4在较高的风速下，不能允许风力涡轮机以其最优叶片尖端与风速比——称为尖端 速度比(典型地在大约6到10范围内)——运行，因为保持该比恒定将要求超过其限制值 的发电机旋转速度。因此，当风速增大到其标称速度，且进一步的增大将使发电机进入不安 全的速度范围时，发电机速度基准被钳位到标称速度点。如果风速进一步增大，被命令的功 率输出被限制到固定值，叶片桨距变化，以便保持从风获取的功率等于保持风力涡轮机转 子、且因此保持发电机处于发电机标称速度所必需的功率。使用叶片桨距控制，因为即使存 在在高风速下可从风中提取的更多的功率，使得风力涡轮机转子在提取过多电力方面效率 较低。在较高风速的情况下(如同在较低速度范围的情况下那样)，必须存在由转子系 统捕获的功率和从涡轮机输出的功率加上多种风力涡轮机系统中的损耗之间的平衡。然 而，这些范围中的运行之间的差异在于，在最优速度范围内，叶片被设置为提取尽可能多的 可获取的功率，在较高速度范围内，叶片桨距被设置为提取刚好够的功率，以满足对于完全 功率所要求的值，其小于实际可从风中获得的。当平衡被干扰时，如同突然低电压故障的情况中那样，现有技术的系统经常使用 到无功率位置的迅速叶片桨距改变，接着关闭，以便防止由于过电流以及过速度条件引起 的设备损坏。通常，风力涡轮机转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力涡轮机，其用于在低输出电压和可变功率条件下向电网供给电力，所述风力涡轮机包含ＡＣ发电机，ＡＣ发电机具有定子和转子，转子具有可操作地连接于其上的可变桨距叶片，所述风力涡轮机包含：－输出功率传感器；－输出电流传感器；－第一采样保持，用于保持在低输出电压条件之前建立的第一值；－第二采样保持，用于保持在低输出电压条件之前建立的第二值；－转子变换器控制器，其包含：－功率到电流转换器，用于从第一采样保持接收值并产生电流基准信号，－误差检测器，用于产生依赖于电流基准信号和来自电流传感器的输出电流信号之间的误差的信号；－ＰＷＭ，耦合到误差检测器，用于产生转子驱动电流，以便建立依赖于基准电流信号的定子输出电流值；以及－叶片桨距控制器，用于接收来自第二采样保持的值和来自输出功率传感器的信号，并依赖于低电压条件期间的输出功率信号和来自第二采样保持的值调节可变桨距叶片的桨距。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：AH约恩森，L赫勒，L沙伊尔，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统有限公司，
类型：发明
国别省市：DK