专利名称：电力网弧岛的检测的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及发电，且更具体而言，涉及用于检测与电力网相连的发电设施的孤岛效应的方法和设备。该方法和设备特别适用于风电场，但不一定受限于此。
背景技术：
例如通过断开在风电场与电力网之间的辐射式连接装置中的开关、断路器或熔断器形成的开路可使风电场与电网隔离开。这种隔离被称作“孤岛运行”并且这种隔离在一些电网规范中是不允许存在的。相似地，断开风电场变电站的断路器或开关导致集电极电路与变电站隔离开，这样使得在该集电极电路中的风力涡轮机相对于变电站和电网形成孤岛。虽然风电场与电网隔离开，但是风电场可依然与风电场外部的用户相连。孤岛可造成设备上产生危险应力，包括高电压，并且可能对维护人员存在危险性。避免设备产生危险应力可能会要求对孤岛状态进行非常快速的检测。
美国专利No.6,810,339 B2描述了一些已公知的用于消除孤岛问题的方法。这些方法包括被动方法，例如若电压或频率超过预定的极限，则电压不足或过电压以及频率过低或超频率停止变流器(converter)设备的运行。其它方案使用“不稳定的频率”或“有源频率漂移”或改变变流器的有功功率输出或无功功率输出。已披露了据称优于这些方法的一种方法，其中变流器检测到频率的变化，即上升或下降，并且导致沿相同方向频率加速漂移从而快速跳过频率过低或超频率极限。
美国专利No.6,815,932 B2描述了一种用于控制连接到电力系统上的发电系统从而避免无意地使发电机形成孤岛的方法。该方法利用频率特征阈值与主动相角失稳技术的组合以使阱或完全匹配的孤岛失稳。
尽管如此，已证实难以通过被动观察电压、电流、频率和/或相角变化而对孤岛效应进行可靠的检测。这些检测方法通常不能进行非常快速地检测、容易发生由于电网事故所致的误动作、并且所述检测方法在由(例如)风电场所产生的功率与在风电场形成孤岛的电网区域内的功率需求之间的平衡或近乎平衡不会发生混乱。通过监控开关状态进行检测较复杂，需要昂贵的通信系统。通常需要多个开关装置的状态以及用于解决多条互连通路的逻辑电路。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供一种用于检测具有电力线电压的电力网中的孤岛状态的方法。所述方法包括在发电站处监控不同于电力线电压的可检测的信号，在发电站外部的网点处将所述可检测的信号加到电力线电压上，以及在确定不存在所述检测器响应的信号时将所述发电站从并网运行模式转变为孤岛运行模式。
在本发明的另一个方面中，提供一种用于检测具有电力线电压的电力网中的孤岛状态的设备。所述设备包括被构造用以在发电站处监控不同于电力线电压的可检测的信号的检测器；被构造用以在监控的发电站外部的网点处将所述可检测的信号加到电力线电压上的信号发生器；和被构造用以在确定不存在所述检测器响应的信号时将所述发电站从并网运行模式转变为孤岛运行模式的开关。
在本发明的又一个方面中，提供一种发电站。所述发电站包括至少一个电联接至电力网的发电装置；响应于从电力网电耦合至发电装置的信号的检测器；和响应于所述检测器以在确定不存在所述检测器响应的信号时将所述发电装置从并网运行模式转变为孤岛运行模式的开关。
应该意识到本发明的构型提供了对包括风电场中使用的单个风力涡轮发电机等发电机的孤岛状态的快速和可靠的检测。
图1是风力涡轮机的一种典型构型的视图；图2是图1所示的典型的风力涡轮机构型中的短舱的剖切透视图；图3是安装在发电站中的一种反孤岛系统构型的框图；图4是适用于图3所示构型的信号发生器(或信号接收器)的变压器相地耦合构型的局部示意图。虽然图4、5和6中的实例示出了与仅一相(或一种多相组合)的耦合，但是信号也可被耦合到两个或多个相(例如，在三相系统中的全部三相)；图5是适用于图3所示构型的信号发生器(或信号接收器)的变压器相相耦合构型的局部示意图；和图6是适用于图3所示构型的信号发生器(或信号接收器)的电容的相地耦合构型的局部示意图。
具体实施例方式
在本发明的一些构型中，利用在合适点处加到工频电压上的信号检测相对于电力网的发电站的孤岛效应。在发电站是风电场的情况下，在每一台风力涡轮机处的该信号被连续(或者近乎连续地)监控。缺少监控信号则意味着风力涡轮机与可被解释为孤岛迹象的信号注入点电绝缘。风力涡轮机可作出跳闸响应，或者发电机的控制模式可由适于并网运行(例如电流源控制)的模式变为适于隔离(即孤岛)运行(例如固定频率电压源控制)的模式。
选择注入信号的频率和特性，从而使得能够在不干扰电能质量或其它通信系统的情况下快速、可靠和安全地进行孤岛检测。在许多构型中，它与在风电场内产生的暂态和谐波电压和/或电流明显不同，从而避免在孤岛已产生时误检测出连接状态。通过同时注入两种均不是工频整数倍的频率有利于安全性。
在本发明的一些构型中，在风力涡轮机连接的低压电平下监控所述信号。该信号一般被连接在中压集电器总线处或在高压传输系统中。在这些构型中，所述系统被构造以使得信号在没有过度衰减的情况下传播通过高压和中压变压器。在一些构型中，使用电容式耦合器或变压器在风力涡轮机升压变压器的中压侧上监控到所述信号。
在一些构型中并且参见图1，风力涡轮机100包括罩住发电机(图1中未示出)的短舱102。短舱102被安装在高大支柱104的顶上，图1中仅示出该支柱的一部分。风力涡轮机100还包括具有一个或多个附接到旋转叶毂110上的转子桨叶108的转子106。虽然如图1中所示的风力涡轮机100包括三个转子桨叶108，但是本发明对转子桨叶108的个数没有具体限制。
在一些构型中并且参见图2，位于涡轮机100的支柱104顶上的短舱102罩住了多个部件。基于本领域已公知的因素和条件选定支柱104的高度。在一些构型中，在控制面板112内的一个或多个微控制器包括用于对整个系统进行监控和控制的控制系统。在一些构型中采用其它可选的分布式或集中式控制体系结构。
在一些构型中，设置可变桨叶桨距驱动装置114，从而控制由于风的作用而驱动叶毂110的桨叶108(图2中未示出)的桨距。在一些构型中，桨叶108的桨距由桨叶桨距驱动装置114单独地进行控制。叶毂110和桨叶108一起包括风力涡轮机转子106。
风力涡轮机的传动系包括通过主轴承130与叶毂110相连且(在一些构型中)其相对端与齿轮箱118相连的主转子轴116(也被叫作“低速轴”)。齿轮箱118驱动发电机120的高速轴。在其它构型中，主转子轴116直接与发电机120相联接。高速轴(在图2中未示出)被用以驱动装配在主机架132上的发电机120。在一些构型中，通过联轴节122传递转子转矩。在本发明的一些构型中，发电机120是直接驱动永磁发电机。
偏转驱动装置124和偏转底板126提供了用于风力涡轮机100的偏转定向系统。风向标128提供了用于涡轮机控制系统(可被设置在控制面板112上)的信息。该信息可包括风向和/或风速。在一些构型中，偏转系统被装配到设置在支柱104顶部的凸缘上。
参见图3，本发明的一些构型提供了一种用于检测具有电力线电压的电力网302中的孤岛状态的设备300。所述设备300包括被构造用以在发电站310外部的网点308处将不同于电力线电压的可检测的信号306加到电力线电压上的信号发生器304。(加上可检测的信号306的该点例如可以是与发电站310不同的发电站，或者是任何其它适合的网点。)同时包括在设备300内的是被构造用以在发电站310处监控可检测的信号306的检测器或监控器312。另外，设置被构造用以在检测器312确定不存在受到监控的可检测的信号时使发电站310或其一部分(例如单个风力涡轮机100或多个风力涡轮机100)跳闸的开关314。更一般地，发电站310的控制模式由适于并网运行(例如电流源控制)的模式变为适于隔离(即孤岛)运行(例如固定频率电压源控制)的模式。
在一些构型中，可检测的信号306与可由发电站310产生或者不然就是存在于电力网302中的暂态和谐波电压和/或电流不同。可检测的信号306包括一种频率，或者在一些构型中，包括至少两种同时发生的频率，所述频率不是电力线电压频率的整数倍。在一些构型中，检测器或监控器312进一步被构造用以在发生器304连接的低压电平下监控可检测的信号306。同时，在本发明的多种不同构型中，发生器304进一步被构造用以在中压集电器总线316或高压传输系统318处注入可检测的信号。
发电站310可以是，但不一定是，风电场，所述风电场包括多个产生电能的风力涡轮机100，并且检测器312可进一步被构造用以在风电场的风力涡轮机100连接的低压电平下监控可检测的信号306。在一些构型中，检测器312进一步包括电耦接至风力涡轮机升压变压器326的中压侧316的电容式耦合器322或(和)变压器324。变压器324与电容式耦合器322的实例如图4、5和6所示用于三相系统。实质上相类似的耦合类型可被用以注入来自发射器的信号。同样，在一些构型中，发电站310可以是单个发电机，例如单个风力涡轮机100，另一种类型的单个发电装置，或者全部、一些部分是风力涡轮机或根本就不是风力涡轮机的多个发电装置。因此，在多种不同构型中，发电站310可以是单个发电机或发电装置，或者多个发电机或发电装置(可分散开)，并且单个发电机或发电装置(或者多个发电机或发电装置)的类型不必是风力涡轮机，且甚至不必彼此相同。因此，本发明的构型还更普遍地适用于“动力围场(power park)”，且不被限制为特定类型的动力围场，例如风电场或太阳能电场。
在本发明的一些构型中并且参见图1、2和3，设置一种发电站，例如风力涡轮机100。发电站(例如风力涡轮机100)被电联接至电力网302，并且设有响应于从电力网302电耦合至发电机的信号306的检测器312，和响应于检测器312以在确定不存在检测器响应的信号306时使风力涡轮发电机120跳闸(断线)的开关314。在一些构型中，信号306与产生的暂态和谐波电压和/或电流不同，且可包括一种频率，或者至少两种同时产生的不是电力线电压频率整数倍的频率。
一种用于检测具有电力线电压的电力网302中的孤岛状态的方法，所述方法包括在发电站310外部的网点308处将不同于电力线电压的可检测的信号306加到电力线电压上，在发电站310处监控可检测的信号306，以及在确定不存在受到监控的可检测的信号时使发电站310或其一部分(例如风力涡轮机100)跳闸。在一些构型中，可检测的信号306与所产生的暂态和谐波电压和/或电流不同，和/或包括一种频率，或者在一些构型中，包括至少两种同时发生的频率，所述频率不是电力线电压频率的整数倍。在一些构型中，监控可检测的信号306进一步包括在发电机310连接的低压电平下监控可检测的信号306。在一些构型中，加上可检测的信号306进一步包括在中压集电器总线316或高压传输系统318处注入可检测的信号306。在一些构型中，发电站310是包括多个风力涡轮机100的风电场。监控可检测的信号可包括使用电容式耦合器322或/和变压器324监控风力涡轮机升压变压器326的中压侧316。
因此应意识到通过本发明的多种构型提供对孤岛效应的可靠检测。本发明的检测方法和设备构型提供了非常快速的检测，所述检测避免由于电网事故所致的误动作，并且所述检测在由(例如)风电场所产生的功率与在风电场形成孤岛的电网区域内的功率需求之间的平衡或近乎平衡不会发生混乱。不需要通过监控开关状态进行检测，也不需要昂贵的通信系统。
尽管已结合多个具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将会意识到可使用落入权利要求书的精神和范围内的变型实践本发明。
零件列表100风力涡轮机102短舱104支柱106转子108转子桨叶110叶毂112控制面板114桨叶桨距驱动装置116主转子轴118齿轮箱120发电机122联轴节124偏转驱动装置126偏转底板128风向标(meteorological boom)130主轴承132主机架300设备302电力网304发生器306可检测的信号308网点310发电站312检测器314开关316中压集电器总线316中压侧318传输系统322电容式耦合器324变压器
326升压变压器
权利要求
1.一种用于检测具有电力线电压的电力网(302)中的孤岛状态的设备(300)，所述设备包括被构造用以在发电站(310)处监控不同于电力线电压的可检测的信号(306)的检测器(312)；被构造用以在监控的发电站外部的网点(308)处将所述可检测的信号加到电力线电压上的信号发生器(304)；和被构造用以在确定不存在所述检测器响应的信号时将所述发电站从并网运行模式转变为孤岛运行模式的开关(314)。
2.根据权利要求1所述的设备(300)，其中所述可检测的信号(306)与所产生的暂态和谐波电压、电流或电压和电流不同。
3.根据权利要求1所述的设备(300)，其中所述可检测的信号(306)包括至少两种同时发生的大小不是电力线电压频率的整数倍的频率。
4.根据权利要求1所述的设备(300)，其中所述检测器(312)进一步被构造用以在发生器(304)连接的低压电平下监控可检测的信号(306)。
5.根据权利要求4所述的设备(300)，其中所述发生器(304)进一步被构造用以在中压集电器总线(316)或高压传输系统(318)处注入可检测的信号(306)。
6.根据权利要求1所述的设备(300)，其中所述发电站(310)是风电场且所述可检测的信号(306)与所产生的暂态和谐波电压、电流或电压和电流不同。
7.根据权利要求6所述的设备(300)，其中所述检测器(312)进一步被构造用以在风电场的风力涡轮机(100)连接的低压电平下监控可检测的信号(306)。
8.根据权利要求6所述的设备(300)，其中所述检测器(312)进一步包括电联接至风力涡轮机升压变压器(326)的中压侧上的电容式耦合器(322)或变压器(324)中的至少一种。
9.一种发电站(310)，所述发电站包括至少一个电联接至电力网(302)的发电装置；响应于从电力网(302)电耦合至所述至少一个发电装置的信号(306)的检测器(312)；和响应于所述检测器以在确定不存在所述检测器响应的信号时将所述至少一个发电装置从并网运行模式转变为孤岛运行模式的开关(314)。
10.根据权利要求9所述的发电站(310)，其中所述可检测的信号(306)与所产生的暂态和谐波电压、电流或电压和电流不同并且所述可检测的信号包括至少两种同时发生的大小不是电力线电压频率的整数倍的频率。
全文摘要
一种用于检测具有电力线电压的电力网中的孤岛状态的方法，所述方法包括在发电站(310)处监控不同于电力线电压的可检测的信号(306)，在发电站外部的网点(308)处将所述可检测的信号加到电力线电压上，以及在确定不存在所述检测器(312)响应的信号时将所述发电站从并网运行模式转变为孤岛运行模式。
文档编号G01R27/00GK1956286SQ20061013653
公开日2007年5月2日 申请日期2006年10月26日 优先权日2005年10月26日
发明者R·A·沃林, A·朗格尔 申请人:通用电气公司