控制连接到公用电网的风力涡轮机的方法

专利名称：控制连接到公用电网的风力涡轮机的方法
技术领域：
本发明涉及在公用电网(electric utility grid)发生故障时控制连接到所述公用电网的风力涡轮机的方法，根据权利要求10的导言的控制系统以及根据权利要求15的导言的风力涡轮机。
背景技术：
典型地，为了能发电并向远离风力涡轮机的用户供电，将风力涡轮机连接到公用电网。通过所述公用电网的传输线或配电线将电力发送给用户。
通常通过电网断开开关保护风力涡轮机和其它连接到公用电网的发电装置不受公用电网故障的影响。在检测到故障时，所述开关将风力涡轮机从公用电网断开。可以将所述故障定义为某具体限制以上的电网变动，该限制例如，相对于所述电网电压的额定值，电压下降超过+/-5％。
在一些情况下，所述公用电网的故障包括短时间内的几次显著的电压下降，例如，下陷(sag)或“持续低电压(brownout)”，它们属于公用电网中最常被记录的电力扰动。
所述风力涡轮机的电网断开的问题在于如下事实，由于来自风力涡轮发电机的电力产生的损失，所述电压变动在大小和持续时间上都可能增加。进一步，所述断开的风力涡轮机在被再次连接到公用电网之前需要一段时间。断开所述风力涡轮机影响从该风力涡轮机产生电力，从而影响效益。
为了风力涡轮机经过一个短的电网故障，现有技术提出了不同的解决方案。然而，当所述公用电网的电压突然消失并且现代的可变速风力涡轮机没有从所述电网断开时，其将遭受损坏。由风力涡轮发电机的转子侧或变频器中的快速升高的电压导致所述损坏。当由于大电流流过，尤其当流到所述变频器导致电网电压返回时，将对所述风力涡轮机造成进一步损害。
在德国专利申请DE-A10206828中公开的现有技术建议在整流器和逆变器电路之间的DC链路中使用电阻器和功率晶体管，并将其并联到所述DC链路的电容器。可以进进出出地切换所述电阻器，以对所述电容器放电，从而消除短时电压尖峰。
本发明的一个目的在于建立这样的技术，其能够在公用电网出现严重故障时控制风力涡轮机，而没有上述缺点。
本发明的目的尤其在于产生一种弹性的技术，不管所述故障的性质如何，其能够在公用电网故障期间以及消除所述故障之后即刻保护所述风力涡轮机。

发明内容
本发明涉及一种方法，其在公用电网发生故障期间控制连接到所述公用电网的风力涡轮机，所述方法包括如下步骤并且关于至少一个电力变换器限制值操作所述电力变换器(power converter)的至少两个控制单元。
据此，建立了不包括前述缺点的方法。其优点在于，所述方法允许在电网故障期间保护装置进行更有弹性的控制，其中在处理所述电网故障以及由此的具体后果时可以选择很多不同的途径。
尤其是，可以减小dV/dt值，从而避免任何可能例如损坏所述电力变换器的开关的电压或电流尖峰。
在本发明的一个方面，关于所述电力变换器中的DC链路的最小或最大限制电压值来操作所述至少两个控制单元，以便保持所述DC链路的电压值在所述最小和最大限制电压值之间。据此，可以关于电压、温度值或者表示所述变换器的进一步的工作值(work value)加上或减去控制单元，以便满足和抑制所述故障的后果。
在本发明的一个方面，所述控制单元包括所述电力变换器的发电机和电网侧电路，该电路被操作，以在达到所述DC链路的所述最小或最大限制值时，将所述电力变换器从所述发电机和所述公用电网断开。据此，如果所述电网故障过于严重，而在没有从所述公用电网断开的情况下不能度过，则其可以保护所述电力变换器。进一步，其可以保存诸如DC链路电压和变换器频率值的一些最小数值，当所述公用电网返回到正常功能性时，这些值将成为所述电力变换器的初始工作值。
在本发明的一个方面，所述控制单元进一步包括一个或多个电阻器块(resistor block)，其连接所述电力变换器中的DC链路的母线之间的至少一个电阻器。据此，可以通过所述电阻器将功率从所述DC链路的电容器传到接地面，从而降低DC链路电压。
在本发明的一个方面，所述至少一个电阻器被可切换地连接到所述母线。据此，可以减轻与所述块的连续操作有关的所述块遇到的紧张(strain)。
在本发明的一个方面，用取决于所述DC链路的电压值的频率切换所述电阻器块的每一个。据此，可以优化与电阻器块有关的功率减小以及电力变换器的切换。
在本发明的一个方面，随着所述DC链路的电压值升高，所述电阻器块接连变得起作用(active)。据此，可以将所述块调整为所述故障情况的相关值。
在本发明的一个方面，在限制的时间段内，各个所述电阻器块是起作用的。据此，可以确保不会使所述块工作过长时间，导致损坏所述控制系统。
在本发明的一个方面，各个所述电阻器块关于它们的块温度被操作并且变得起作用。据此，可以更加准确地控制所述块，并且因而延长所述块的起作用期间。
本发明还涉及一种控制系统，其中，所述系统进一步包括所述电力变换器的至少两个控制单元，在所述故障期间，关于至少一个电力变换器限制值控制所述电力变换器。据此，建立了一个先进的控制系统。
在本发明的一个方面，所述至少两个单元包括多个电阻器块，其中，各块包括至少一个电阻器和开关。据此，可以单独控制所述块，并且优化所述功率减小。
在本发明的一个方面，所述电阻器块进一步包括温度测量装置。
在本发明的一个方面，所述至少两个单元还包括通过所述电力变换器的DC链路相互连接的所述电力变换器的发电机和电网侧电路。
在本发明的一个方面，所述系统包括测量DC链路电压值的装置，以及将所述值与限制值相比较的装置，所述限制值诸如所述电力变换器中DC链路的最小或最大限制电压值。
本发明还涉及风力涡轮机，其包括所述电力变换器的至少两个单元，其中关于至少一个电力变换器限制值控制所述电力变换器。
在本发明的一个方面，将所述电力变换器的所述至少两个单元相互离开一定距离放置，例如，放置在机舱的不同位置处。据此，可以拉平来自不同单元的热影响，以及最小化各个单元的任何必需的冷却装置的尺寸。


将在以下参考附图描述本发明，其中图1阐明了大型现代风力涡轮机；图2阐明了根据本发明实施例的具有连接到公用电网的变频器的风力涡轮发电机；图3阐明了所述变频器的一部分；图4a和4b示意性地阐明了过电压控制单元和所述单元的栅极驱动器控制信号的例子；图5阐明了所述过电压控制单元的控制系统；图6阐明了所述公用电网电压的曲线以及在公用电网发生故障时的中间DC电压的对应曲线；图7阐明了所述过电压单元的栅极驱动器控制信号和所述中间DC电压的对应曲线；以及图8阐明了在公用电网故障期间所述风力涡轮机的温度曲线。
具体实施例方式
图1示出了具有塔架2和位于塔架顶部的风力涡轮机机舱3的现代风力涡轮机1。包括三个风力涡轮机叶片的风力涡轮机转子5，其被通过伸出机舱前端的低速轴连接到所述机舱。
如图所示，由于作用在叶片上的升力，超过某种程度的风将激活所述风力涡轮机转子，并且使其在风的垂直方向旋转。所述旋转运动被转化为提供给公用电网的电力。
图2阐明了可变速风力涡轮机的优选实施例，其包括双馈感应发电机6和连接到所述发电机的转子的频率和电力变换器12。
发电机6包括定子7，其通过断开开关11和三相变压器8连接到公用电网，并且可以直接向公用电网提供功率PSt(有功定子功率)和QSt(无功定子功率)或者从所述公用电网接收功率。
通过所述低速轴、传动装置以及高速轴(图中未示出)由风力涡轮机转子(图1所示的5)机械地驱动所述发电机的转子。进一步，所述转子被电连接到变频器12。变频器12可以将可变的AC电压转换为中间DC电压，并随后转换为具有固定频率的固定AC电压。
变频器12包括转子侧变换器电路13，用以将发电机6的AC电压整流为DC链路14处的DC电压，或者将所述DC电压转换为将提供给发电机转子的AC电压。所述DC链路平滑DC链路电容器C上的DC电压。电网侧变换器电路15将所述DC电压转换为具有优选频率的AC电压，或者相反。具有所得到的AC电压和所述优选频率的转子功率，Pr(有功转子功率)和Qr(无功转子功率)，被通过变压器8传送给所述公用电网，或者从所述公用电网接收该功率。
不管风力以及风力涡轮机转子速度如何变化，可以控制所述风力涡轮机从而以恒定电压和频率从发电机向公用电网供电。
所述DC链路进一步包括至少两个过电压控制单元B1、Bn，电阻器块，其被连接在DC链路的两个母线之间。各控制单元被并联到DC链路电容器C，并且包括串联的至少电阻器R和可控电力开关SP。所述控制单元的当前实施例还包括与电阻器和电力开关(power switch)反并联的二极管。可以开启或关闭所述电力开关，以便通过电阻器引导电流，并由此在电阻器中耗散功率P1、Pn。当通过控制单元的电阻器导通电流，从而将电荷从DC链路电容器中清除时，可以降低DC链路电压UDC。因此，在不能将一些或者全部功率PR导向公用电网的时间段，可以将发电机产生的功率耗散为过电压控制单元中的功率P1、Pn。
定子和转子的断开开关11使得发电机从所述公用电网断开，例如，这与风力涡轮机上的维护工作或者公用电网中的孤立情形有关。进一步，如果在较长时间内持续涉及显著电压下降的电网故障，则可以将所述风力涡轮机从所述公用电网断开。
图3阐明了变频器的一部分，所述变频器包括转子侧变换器电路的支路以及所述DC链路。所述支路是三相脉冲宽度调制(PWM)变频器的一相，并且包括具有反并联二极管的诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的两个电力开关SP。
DC链路电容器C和所述至少两个过电压控制单元B1、Bn被连接到DC链路的正负母线。
进一步，所述附图示意性地阐明了如何在所述至少两个过电压控制单元B1、Bn的电阻器中耗散功率，从而降低所述DC链路电压。控制所述单元的开关，使得可关于包括所述单元的变频器的过电压值和/或温度同时或者在不同时间段在所述电阻器中耗散功率，如以下将进行进一步解释的。
图4a和4b示意性地阐明了所述过电压控制单元以及控制所述单元的栅极驱动器控制信号G1、G2的例子。
图4a阐明了本发明的一个实施例，其涉及连接到DC链路14的母线系统并且与DC链路电容器C并联的四个过电压控制单元B1-B4。
各个控制单元被示意性地描述为，包括电阻器R和由栅极驱动器控制信号G1或G2控制的开关SP。使用第一控制信号G1控制前两个控制单元B1、B2，即，例如在风力涡轮机的机舱或塔架内部的不同放置的单元中耗散相同量的功率。使用第二控制信号G2控制后两个控制单元B3、B4，即，在不同放置的单元中耗散相同量的功率。
图4b阐明了控制所述单元的栅极驱动器控制信号G1、G2的例子。所述附图阐明了第一信号G1在某时间段内从低关闭值变为高开启值，由此过电压控制单元B1和B2将耗散功率。随后，第二信号G2在某时间段内从低关闭值变为高开启值，由此过电压控制单元B3和B4将耗散功率。
所述例子阐明，控制所述过电压控制单元，以便在不同的时段耗散功率，其中，所述时段是不同的持续时间，即，在所述控制单元中耗散不等量的功率。
然而，可以为单独的控制单元选择一些控制策略，例如，利用相同或不同值的电阻器以及利用相同或不同的时间段进行控制。通过电阻器值和时间段的选择，可以将控制单元面对的功率量化分为，例如，各单元相同的功率量或者不同的功率量。
图5阐明了根据本发明的过电压控制单元的控制系统的实施例。
所述系统包括来自测量装置的对于微处理器μP的一些输入值，诸如公用电网UNet的测量电压值、变频器12的DC链路电压值UDC，以及控制单元B1-Bn的温度。
所述微处理器进一步包括到参数和数据存储器PS的连接，其中所述存储器可以保存限制值和阈值，诸如最大和最小DC链路电压值以及温度值。
所述最大值定义了对于变频器的所述开关的危险的和可能导致损坏的过电压。所述最小值定义了欠电压，其导致将流经所述变频器的开关的危险的和可能导致损坏的电流。
所述温度限制值定义了这样的温度值，其中，所述控制单元或变频器在此温度将被损坏。所述限制值还可包括时间值，诸如，控制单元可以是起作用的并且面对功率的最长时间段。进一步，可以在存储器中存储阈值电压或温度值，其中所述值定义了对诸如激励更多控制单元的动作进行初始化的情形。
可以在存储器中存储其它值，诸如过电流值，其指示的变频器开关的控制信号的更短终止(shorter termination)，例如用以限制风力涡轮机的双馈感应发电机的转子电流。
所述微处理器关于所述测量的和存储的值通过栅极驱动器GD1-GDn控制多个控制单元B1-Bn。所述附图阐明了每个栅极驱动器控制两个控制单元，并且通常用相同的栅极驱动器控制信号来开关所述控制单元。然而，需要理解，可以通过所述微处理器和栅极驱动器单独控制各个控制单元，或者仅通过一个栅极驱动器来控制两个以上单元。
所述控制系统的优选实施例可涉及两个或四个控制单元，但是如果在给定应用中具有优势，例如，在功率非常高的变频器中的更多单元，也可以选择其它数量。
图6阐明了公用电网电压UNet的曲线以及公用电网发生故障时的中间DC链路电压UDC的对应曲线的例子。
在所述例子中所述公用电网电压被被示意性地阐明为曲线，其在电网故障期间从额定值迅速下降到非常接近零电压的值。
DC链路电压的对应曲线包括由于所述DC链路电容器的能量存储导致的倾斜。然而，所述值也降低，并最终达到值UDCmin，其中，所述转子开关和电网侧变换器电路被去激励，从而将所述变频器与所述发电机和所述公用电网分开。进一步，去激励在所述DC链路的母线之间连接的控制单元，并且因此，停止对所述DC链路电容器的放电。从而电压UDC保持为值UDCmin，直到消除所述公用电网故障，并且所述公用电网电压恢复其额定值，此时，电压UDC也将返回其正常值。
据此，将初始电流值限制为电压UDC，其保持在值UDCmin，直到电网电压返回。
图7进一步阐明了所述控制系统中的多个过电压单元的栅极驱动器控制信号G1、G2以及电网故障期间所述中间DC电压UDC的对应曲线。
所述附图初始地阐明了所述电网故障如何导致过电压增长到值U1(接近于Umax的值)。为了保护所述变频器和所述风力涡轮机，两个栅极驱动器控制信号都变为高值，从而激励对应的控制单元。一段时间之后，所述电压降低到较低值U4，并且一个控制信号变为低值；去激励对应的控制单元，并且随后，另一个控制信号变为低值；在所述电压保持降低时去激励最后一个控制单元。通过去激励所有控制单元，所述电压再次上升，并且所述控制系统可以再次激励一个或多个控制单元，以便控制所述电压，直到电网故障消失。
图8阐明了公用电网故障期间所述风力涡轮机的控制单元的温度曲线，其中，所述故障开始于时刻t1。此时激励所述一个或多个控制单元，并且面对由于它们对于变频器的DC链路中的过电压的限制而导致的功率量。于是，温度曲线上升，并且在时刻t2达到活动的控制单元的温度限制Tmax值。所述微处理器进一步激励控制单元，并且所述温度在时刻t3降低到温度限制Tmin，以及，结果，去激励至少一个单元。继续对活动的控制单元的数目进行控制，直到电网故障消失。
已经参考具体例子对本发明进行了示例。
然而，可以理解，本发明不限于以上描述的具体例子，也可以用于各种类型的应用，例如，连接到相同变频器的多个风力涡轮机。进一步的应用涉及连接到满量程变频器(full scale frequency converter)的风力涡轮机的感应和同步发电机。
更进一步，可以理解，尤其可以以多种变形来设计所述变频器，例如，设计为基于晶闸管的整流器和逆变器系统。
进一步，可以理解，如果测量值直接或间接地对应于上述电压和温度值，则本发明可以使用各种的测量值，例如，用电流值代替电压值。如果至少在电网故障期间中所述测量对应于以上所建议的，则也可以改变风力涡轮机系统中的测量位置。
清单1.风力涡轮机2.风力涡轮机塔架3.风力涡轮机机舱4.风力涡轮机毂5.风力涡轮机转子6.感应发电机7.发电机的定子侧，其包括与断开开关和电网变压器的连接8.公用电网发电机9.具有电压UNet的公用电网或网络10.发电机的转子侧，其包括与变频器的连接12.变频器13.转子侧变换器电路14.在转子和电网侧变换器电路之间的DC链路15.电网侧变换器电路16.与断开开关和电网变压器的变换器连接17.过电压控制单元的控制系统Bn第n个过电压控制单元C.DC链路电容器D.与电力开关反并联的二极管En.启用控制信号Gn.第n个栅极控制信号GDn第n个栅极驱动单元I.电流PR，QR有功和无功转子功率通量PSt，QSt有功和无功定子功率通量P1，Pn在过电压情形下通过控制单元的功率通量PS.参数/数据存储器
R.电阻器SP电力开关，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)t.时间[秒]T.温度[摄氏度]U.电压[伏特]UNet公用电网电压UDCDC链路中的电压
权利要求
1.一种控制风力涡轮机的方法，其在公用电网发生故障期间控制连接到所述电网的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机包括发电机和电力变换器，所述方法包括如下步骤检测所述公用电网中的故障，以及关于至少一个电力变换器限制值操作所述电力变换器的至少两个控制单元。
2.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其中，关于所述电力变换器中的DC链路的最小或最大限制电压值来操作所述至少两个控制单元，以便保持所述DC链路的电压值在所述最小和最大限制电压值之间。
3.根据权利要求1或2所述的控制风力涡轮机的方法，其中，所述控制单元包括所述电力变换器的发电机和电网侧电路，该电路被操作，以在达到所述DC链路的所述最小或最大限制值时，将所述电力变换器从所述发电机和所述公用电网断开。
4.根据权利要求1到3中任何一个所述的控制风力涡轮机的方法，其中，所述控制单元进一步包括一个或多个电阻器块，其连接所述电力变换器中的DC链路的母线之间的至少一个电阻器。
5.根据权利要求4所述的控制风力涡轮机的方法，其中，所述至少一个电阻器被可切换地连接到所述母线。
6.根据权利要求4或5所述的控制风力涡轮机的方法，其中，用取决于所述DC链路的电压值的频率切换所述电阻器块的每一个。
7.根据权利要求4到6中任何一个所述的控制风力涡轮机的方法，其中，随着所述DC链路的电压值升高，所述电阻器块接连变得起作用。
8.根据权利要求4到7中任何一个所述的控制风力涡轮机的方法，其中，在有限的时间段内，各个所述电阻器块是起作用的。
9.根据权利要求4到8中任何一个所述的控制风力涡轮机的方法，其中，各个所述电阻器块关于它们的块温度被操作并且变得起作用。
10.一种控制系统，用于在公用电网发生故障期间控制连接到所述电网的风力涡轮机，所述系统包括检测所述公用电网中的故障的装置，以及电力变换器，其特征在于，所述系统进一步包括在所述故障期间关于至少一个电力变换器限制值控制的所述电力变换器的至少两个控制单元(B1-Bn)。
11.根据权利要求10所述的控制系统，其特征在于，所述至少两个单元包括多个电阻器块，其中，各块包括至少一个电阻器(R)和开关(SP)。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述电阻器块进一步包括温度测量装置。
13.根据权利要求10到12中任何一个所述的控制系统，其特征在于，所述至少两个单元还包括通过所述电力变换器的DC链路相互连接的所述电力变换器的发电机和电网侧电路。
14.根据权利要求10到13中任何一个所述的控制系统，其特征在于，所述系统包括用于测量DC链路电压值的装置，以及用于将所述值与限制值相比较的装置，所述限制值诸如所述电力变换器中的DC链路的最小或最大限制电压值。
15.一种连接到公用电网(9)的风力涡轮机，其包括发电机(6)，连接到所述发电机和公用电网的电力变换器(12)，以及根据权利要求10到14中任何一个所述的控制系统，其包括关于至少一个电力变换器限制值控制的所述电力变换器的至少两个单元。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮机，其中，将所述电力变换器的所述至少两个单元(B1-Bn)相互离开一定距离放置，例如，放置在机舱的不同位置处。
全文摘要
本发明涉及一种在公用电网(9)发生故障期间控制连接到该电网的风力涡轮机的方法。所述方法包括如下步骤检测所述公用电网中的故障，以及关于至少一个电力变换器限制值操作所述电力变换器(12)的至少两个控制单元。本发明还涉及用于连接到公用电网的风力涡轮机的控制系统以及风力涡轮机。
文档编号F03D9/00GK101091305SQ200480044765
公开日2007年12月19日 申请日期2004年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者J·G·尼尔森, C·埃斯本森 申请人:维斯塔斯风力系统有限公司