专利名称：用于控制发电系统的功率流的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及一种用于控制发电系统的功率流的系统，尤其涉及一种用于控制发电系统的功率流的系统和方法。
背景技术：
包括功率变换器的发电系统构成全部发电设备的较大部分。包括功率变换器的发电系统包括风轮机、汽轮机、太阳能发电系统、水力发电系统或燃料电池。发电系统有代表性地补充传统的发电设备，如柴油发电机组或大型涡轮发电机，其直接耦合到电网，而没有使用固态的功率变换级。
耦合到发电设备的典型的功率变换器具有集成的耗能元件，其起保护作用。这些耗能元件从电力系统消耗能量，典型地是转换成热能。例如，在风轮机中，耦合到功率变换器的耗能负载，在电网故障期间保护功率变换级和发电机。在正常工作期间这些耗能负载保留不用。
在交流(AC)应用系统中的功率不平衡，导致频率和/或电压偏离额定值，或者频率和电压在指定的公差带以外。如果应用系统的电压和/或频率在指定的公差带以外，负载设备和发电设备可能被损坏。例如，尽管依据应用系统可能允许更高的值，电压的公差带可以是在额定电压值的±10％的范围内。类似地，例如，频率的公差带可以是在额定频率值的±5％的范围内。
尤其在小型电网中，其没有被耦合到大型的应用系统，(也被称为“孤立电网”)，为了给电网提供稳定性，电力需求和电力生产需要匹配。在具有发电设备的孤立电网中，该发电设备包括的功率变换器通常表示全部发电系统的较大部分，负载突变，如负载脱落，可能导致在公差带范围外的暂态电压和频率。由于传统发电设备(例如，柴油发电机)或可选的发电设备，如风轮机、燃料电池等，在瞬时调节发电时都太慢。此外，负载突变给电网中所有的旋转发电单元施加额外的压力，导致发电机、轴承和齿轮的提前达到使用寿命。
因此，需要一种能够更快控制发电系统的电功率不平衡的技术。此外，也期望一种能够控制发电系统的电输出功率的系统。
发明内容
根据本实施例的一个方面，提供一种用于控制发电系统的功率流的方法。该方法包括，在包括变换器的发电设备中产生或消耗电功率，以维持电网预定的电压和频率。电功率被传输到电网，或从电网接收；并且这样传输的电功率的电流和电压被感测。基于该感测的电流或电压，确定电网的频率。当该感测电压落入预定的电压范围以外或该确定的频率落入预定的频率范围以外时，控制电网侧的变换器，以通过调度功率流到补偿电路来调节电网的电压和频率。
根据本实施例的另一方面，提供一种用于控制发电系统的功率流的方法。该方法包括产生或消耗电功率以维持电网预定的电压和频率。电功率被传输到电网，或从电网接收；并且这样传输的电功率的电流和电压被感测。基于该感测的电流或电压，确定传输到电网的的电功率的频率。当该感测的电压落到预定的电压范围以外或该确定的频率落到预定的频率范围以外时，控制电网侧的变换器，以通过返回发电机中的功率流来调节电网的电压和频率。
根据本实施例的另一方面，提供一种用于控制发电系统的功率流的系统。该系统包括电网侧变换器，其被构造成以预定的电压和频率向电网注入或从电网接收电功率。电流传感器可通信地耦合到电网，并被构造成在电网的预定位置处检测电流。电压传感器可通信地耦合到电网，并被构造成在电网的预定位置处检测电压。控制电路被构造成基于检测所得的电网电流或电压，确定传输到电网的电功率的频率。该控制电路还被构造成，当感测的电压落到预定的电压范围以外或该确定的频率落到预定的频率范围以外时，控制电网侧的变换器，以通过调度功率流到补偿电路来调节电网的电压和频率。
根据本实施例的另一方面，提供一种用于控制发电系统的功率流的系统。该系统包括电网侧变换器，其被构造成以预定的电压和频率注入或接收电功率，并传输该电功率到电网。电流传感器可通信地耦合到电网，并被构造成在电网的预定位置处检测电流。电压传感器可通信地耦合到电网，并被构造成在电网的预定位置处检测电压。控制电路被构造成基于检测所得的电网电流或电压，确定传输到电网的电功率的频率。该控制电路还被构造成当感测的电压落到预定的电压范围以外或该确定的频率落到预定的频率范围以外时，控制电网侧的变换器，以通过返回发电机中的功率流来调节电网的电压和频率。
当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优势将更好理解，其中在所有附图中相同的标号代表相同的部分，其中图1是根据本实施例的一个示例性方面的发电系统的简图；图2是根据本实施例的一个示例性方面的风力发电系统的简图，该风力发电系统具有多个位于风电厂中的风轮机；图3是根据本实施例的一个示例性方面的电网稳定性控制系统的简图；图4是根据图2描述的电网稳定性控制系统的进一步的概略图；以及图5是说明根据本实施例的一个示例性方面的，涉及控制发电系统的电网稳定性示例性步骤的流程图。
具体实施例方式
如下详细讨论的，本发明的多个方面提供一种系统和方法，其在负载波动时调节传输到电网的功率的电压和频率，以控制发电系统的网络输出功率。在示出的实施例中，发电系统包括配备在发电系统中的补偿电路。主要参考图1-5，下面讨论本技术的具体实施例。
参考图1，示出了一个发电系统，其通常由参考标记10表示。在该举例说明的实施例中，发电系统10包括电力发电机11，其具有风轮机发电系统13、或水力发电系统15、或汽轮机系统17、或燃料电池系统19、或太阳能发电系统21、或它们的适合共同给电网20供给电功率的组合。电力发电机11产生电力输出23。
在该举例说明的实施例中，提供多个辅助电源，如柴油发电机38、燃料电池40、汽轮机41、水力发电机45等，以便为电网20供应电功率。电网20的指定功率输出电平可以基于与电网20相连并向其供应电功率的辅助电源功率的上升/下降(ramp-up/ramp-down)能力。
在该举例说明的实施例中，系统10包括耦合到电力发电机11的电网侧功率变换器42。该变换器42被配置成变换从电力发电机11传输的功率，并传输该功率到电网20。如本领域技术人员理解的，变换器42可以包括单相逆变器、多相逆变器、或多电平逆变器、或平行结构、或其组合。在该举例说明的实施例中，虽然说明了一个电网20，但是系统10可以给多个电网供电，或更一般地，给不同的负载供电。类似地，在某些其它的实施例中，可以使用多个功率变换器，以将DC功率信号变换成AC功率信号，并传输该信号到电网20。
系统10包括电网稳定性控制系统43，其适合通过注入电网20或从电网20接收功率，来控制电功率电网的电压和/或频率。电网稳定性控制系统43包括感测电路44，其具有可通信地耦合到电网20的电流传感器46和电压传感器48。控制电路50被构造成从电流传感器46和电压传感器48接收电流和电压信号，并基于检测所得的电流和/或电压，确定电网20的频率和功率流，其中检测所得的电流和/或电压是以本领域技术人员通常已知的任何合适方式在电网20中检测的。
控制电路50可以包括处理器，其具有硬件电路和/或软件，它们使对来自感测电路44的信号的处理以及对电网20频率的计算变得容易。如本领域技术人员所熟知的，处理器36包括一定范围内的电路类型，如微处理器、可编程逻辑控制器、逻辑模块、以及辅助电路，如存储设备、信号接口、输入/输出模块等。
在一个典型的实施例中，具有卸载(dump load)电阻器54和卸载电容器56的补偿电路52被集成到电力发电机11中。补偿电路52适于消耗电功率。当检测到电网20的频率超出预定频率范围时，控制电路50激励功率变换器42产生从电网20到电力发电机的反向功率流。多余的功率通过卸载电阻器54被消耗。多余的功率可以被暂时存储在卸载电容器56中。因此，功率需求和所产生功率之间的瞬时差值被平衡了。例如，在短时负载波动状态期间，补偿电路52消耗多余的电功率，以稳定电网20的电功率的电压和频率，而不需要调节发出功率或辅助发电系统的发电。尤其在低风量的情况下，为了调节负载，可以利用功率变换器42的全部容量。在该举例说明的实施例中，有一个额外的优势，即，在永久磁体发电机中，在例如紧急的情况下，停止发电机也需要有补偿电路52。
现在参考图2，说明风力发电系统13。在该举例说明的实施例中，风力发电系统13包括风电场12，其具有多个风轮机发电机14、16、18，它们适于共同给电网20供应电功率。风轮机发电机14、16、18各自包括装有叶片的转子22、24和26，它们把风能转换成旋转运动，其被用来驱动传动耦合到转子22、24、26的电力发电机，以产生电力输出28、30和32。
在该举例说明的实施例中，单个风轮机发电机的功率输出被耦合到低压或中压交流或直流配电网34，以产生共同的风电场功率输出36。如本领域技术人员所熟知的，配电网34优选直流网络。该功率输出在被提供给电网20之前，可以被变压器(未示出)升高电压。共同的功率输出36可以基于单个风轮机发电机所处的风力环境而显著变化。本技术的实施例起控制网络功率输出的作用，其中该网络功率输出以电网20可以接受的等级传输到电网20，而无需减少风电场12的总的功率输出36。
在该举例说明的实施例中，系统10包括耦合到网络34的电网侧功率变换器42。变换器42被构造成变换从网络34传输的功率，并传输该功率到电网20。如果网络34是一个交流网络，需要一个交流到交流变换器。系统10包括电网稳定性控制系统43，其适于通过注入或从电网20接收的电功率，来控制电网的电压和/或频率。电网稳定性控制系统43包括补偿电路52，其具有集成在风轮机发电机14、16、18的至少一个中，或位于功率变换器42中心附近的卸载电阻器54和卸载电容器56。电网稳定性控制系统43的作用与上面所述的类似。
参考图3，该图说明了电网稳定性控制系统43。通常参考图3，风轮机系统包括涡轮部分58，其适合把风的机械能转换成旋转转矩(TAero)，以及包括发电机部分60，其适合把由涡轮部分58产生的旋转转矩转换成电能。提供传动系62以将涡轮部分32耦合到发电机部分34。
涡轮部分58包括转子22和耦合到转子22的涡轮转子轴64。旋转转矩通过传动系62被从转子轴64传送到发电机轴66。在某些实施例，如图3所示的实施例中，传动系62包括齿轮箱68，其被构造成从耦合到转子轴64的低速轴70传送转矩到耦合到发电机轴66的高速轴72。发电机轴66被耦合到电力发电机74的转子。随着涡轮转子22的速度的波动，发电机74的输出功率的频率也变化。发电机74产生气隙转矩，也被称为发电机转矩(TGen)，其对抗涡轮转子22的气动转矩(TAero)。
如上面讨论的，电网稳定性控制系统43适合于通过传输到电网20的电功率来控制电网的电压和频率。感测电路44被构造成检测传输到电网20的电流和电压。控制电路50被构造成从感测电路44接收电流和电压信号，并基于在电网20上检测的检测所得的电流和/或电压，确定传输到电网20的电功率的频率。
补偿电路52被集成到变换器42中，并适合于消耗电功率。在一个实例中，当检测的电压超过预定电压，和/或检测所得的电网20的电功率的频率超过预定频率时，控制电路50激励功率变换器42产生从电网20到风力发电机的反向功率流。该预定频率可以是本领域技术人员已知的阈值频率或额定频率。多余的功率通过补偿电路52被消耗。
参考图4，说明了根据图3的方面的电网稳定性控制系统43。在该举例说明的实施例中，变换器42被构造成把从电源传送来的交流功率信号变换成另一个交流功率信号，并给电网20传送该作为结果的交流信号。控制电路50被构造成从感测电路44接收电流和电压信号，并基于检测所得的电流和/或电压，确定传输到电网20的电功率的频率。
控制电路50可以进一步包括数据库76、算法78、和处理器80。数据库76可以被配置用于存储关于发电系统的预定信息。例如，数据库76可以存储有关风力发动机的数量、每个功率发电机的功率输出、辅助电源的数量、每个辅助电源的功率输出、功率需求、产生的功率、风速等信息。此外，数据库76可以配置用于存储由上述的电流和电压传感器实际感测/检测所得的信息，以及频率数据。通常作为可执行程序被存储在适当的存储器中的算法78，使处理来自上述的电流和电压传感器的信号(如，频率计算)更容易。
处理器80可以包括一定范围的电路类型，如微处理器、可编程逻辑控制器、逻辑模块等。处理器80结合算法78可以被用于执行各种与确定传输到电网20的电功率的电压、电流和频率有关的计算操作。在某些实施例中，控制电路50可以输出数据到用户接口(未示出)。用户接口使从用户到控制电路50的输入更容易，并提供这样一种机构，即用户可以通过它操纵来自控制电路50的数据和所感测的特性。如本领域技术人员将会理解的，用户接口可以包括命令行接口、菜单驱动接口。、和图形用户界面。
在该举例说明的实施例中，当检测所得的电网20的电功率的频率超出预定频率范围时，控制电路50激励变换器42产生从电网20到风力发电机的反向功率流。在一个典型实施例中，补偿电路的卸载控制电路82被触发，有利通过卸载电阻器54消耗多余的功率。在另一个实施例中，当检测所得的电网20的电功率的频率超出预定频率范围时，控制电路50激励变换器42产生从电网20到风力发电机的反向功率流，并且风力发电机被有效操作为消耗能量的负载。因此，多余的功率被消耗，并且电网的电功率的功率和频率被调节。然而在另一个实施例中，当检测所得的频率低于预定频率时，更大数量的功率被提供给电网20。
参考图5，说明了涉及控制风力发电系统的电网稳定性的示例性步骤的流程图。该方法包括通过多个风力发电机共同给电网提供电功率，如步骤84所示。风轮机发电机把风能转换成用来驱动发电机的旋转运动。电功率也通过多个辅助电源被提供给电网。如本领域技术人员将会理解的，这种“辅助电源”实际上可以是电网的基本电力能源，并可能包括基于燃料电池的电厂、核电厂、水电厂、地热电厂等等。
如步骤86所示，传输到电网或在电网中预定位置处的电功率的电压和频率被检测。特别地，在当前预期的实施例中，单独的电流传感器检测传输到电网的电流，并且电压传感器检测传输到电网的电压。控制电路从电流传感器和电压传感器接收电流和电压信号，并基于检测所得的电流和/或电压，确定传输到电网的电功率的频率。然后，如步骤88所示，检测所得的电压和预定电压进行比较，并且检测所得的电功率的频率和预定频率进行比较。当检测所得的电压落到预定电压范围以外，和/或在电网20检测所得的电功率的频率落到预定频率范围以外时，控制电路50激励变换器42产生从电网20到风力发电机的反向功率流。在该举例说明的典型实施例中，当检测所得的电压超过预定电压(或超过预定电压确定量和/或确定时间段)，和/或在电网中检测所得的电功率的频率超过预定频率(或更一般地，当频率之间的差值超过公差)时，控制电路激励功率变换器产生从电网到风力发电机的反向功率流，如步骤90所示。如步骤92所示，多余的功率通过卸载电阻器54被消耗。因此，功率需求和产生的功率之间的瞬时差值被平衡。如步骤94所示，通过消耗过多的功率，调节传输到电网的电功率的功率和频率。如上所述，在某些实施例中，可以通过产生从电网到风力发电机的反向功率流，有效地将风力发电机操作为电动机，以驱动其它应用设备，从而平衡功率需求和产生的功率之间的瞬时差值。
当检测所得的电压和/或检测所得的频率在期望范围内时，周期如上所述地重复。即，风轮机的正常生产和供电重新开始。上面提及的步骤对具有多个给单独电网供给电功率的风力发电机的风力发电系统也同样适用。依赖于负载情况，可能需要一些风轮机来供给或消耗电功率，而不需要其余的风轮机来供给或消耗电功率。因此，如本领域技术人员将会理解的，不需要提供电功率的风轮机的补偿电路可以被操作为负载接收器，以消耗多余的功率，而其余的风轮机运行在最佳运行状态。所得的控制模式有利于电网中的电功率的电压和频率的稳定性。尽管在该举例说明的实施例中，控制模式被描述为关于风轮机的，但是在某些其它实施例中，本实施例的方面对其它电力发电机同样适用。
这里只说明和描述了本发明的某些特征，本领域技术人员将会进行许多修改和变化。因此，可以理解，所附权利要求旨在覆盖所有落在本发明的实质主旨范围内的修改和变化。
元件列表10 发电系统11 电力发电机12 风电场13 风力发电系统14 风轮机发电机15 水力发电系统16 风轮机发电机17 汽轮机系统18 风轮机发电机19 燃料电池系统20 电网21 太阳能发电系统22 装有叶片的转子23 功率输出24 装有叶片的转子26 装有叶片的转子28 电力输出30 电力输出
32 电力输出34 中压配电网络36 功率输出38 柴油发电机40 燃料电池41 汽轮机42 功率变换器43 电网稳定性控制系统44 感测电路45 水力发电机46 电流传感器48 电压传感器50 控制电路52 补偿电路54 卸载电阻器56 卸载电容器58 涡轮部分60 发电机部分62 传动系64 涡轮转子轴66 发电机轴68 齿轮箱70 低速轴72 高速轴74 发电机76 数据库78 算法80 处理器82 卸载控制电路84 产生期望的电网输出功率的步骤
86 检测电网输出功率的电网频率和电压的步骤88 比较检测所得电压和预定电压以及检测所得的电功率的频率和预定频率的步骤90 切换变换器以提供反向电功率流的步骤92 从电网向卸载馈送电功率的步骤94 调节电网输出功率的频率和电压的步骤。
权利要求
1.一种用于控制发电系统(10)的功率流的方法，包括产生或消耗电功率，以维持预定的电网电压和频率；传输电功率到电网(20)；感测传输到电网(20)的电功率的电流或电压；基于该感测所得的电流和电压，确定电网(20)的频率和传输到电网(20)的功率；以及当该感测所得的电压超出预期的电压范围以外，或该确定的频率超出预期的频率范围以外时，控制电网侧的变换器(42)，以通过调度功率流到补偿电路(52)来调节电网(20)的电压和频率。
2.权利要求1的方法，包括通过补偿电路(52)消耗电功率。
3.权利要求1的方法，其中控制电网侧的变换器(42)以调节传输到电网(20)的电功率的电压和频率包括，产生从电网(20)到风力发电机的反向功率流。
4.权利要求1的方法，包括通过多个风力发电机(14，16，18)产生电功率。
5.一种用于控制发电系统(10)的功率流的系统(43)，包括电网侧变换器(42)，其被构造成以预定的电压和频率产生电功率，并传输该电功率给电网(20)；电流传感器(46)，其被可通信地耦合到电网(20)，并被构造成在电网(20)的预定位置处检测电流；电压传感器(48)，其被可通信地耦合到电网(20)，并被构造成在电网(20)的预定位置处检测电压；以及控制电路(50)，其被构造成基于检测所得的传输到电网(20)的电流或电压，确定传输到电网(20)的电功率的功率和频率，并且，当感测所得的电压超出预期电压范围以外或该确定的频率超出预期频率范围以外时，控制电网侧的变换器(42)，以通过补偿电路(52)调节传输到电网(20)的电功率的电压和频率。
6.权利要求5的系统(43)，其中电网(20)被耦合到风轮机。
7.权利要求6的系统(43)，其中补偿电路(52)被集成在风轮机中。
8.权利要求6的系统(43)，其中补偿电路(52)被构造成当感测所得的电压超过预定电压或确定的频率超过预定频率时，消耗电功率。
9.权利要求5的系统(43)，其中当感测所得的电压超过预定电压或确定的频率超过预定频率时，电网侧的变换器(42)被控制以产生从电网(20)到风轮机的反向功率流。
10.权利要求5的系统(43)，其中发电系统(10)包括至少一个辅助电源，其被耦合到电网(20)，并被配置成用于产生功率。
全文摘要
一种用于控制发电系统(10)的功率流的方法，包括产生或消耗电功率，以维持预定的电网电压和频率。电功率被传输到电网(20)；并且这样传输的电功率的电流和电压被感测。基于该感测所得的电流或电压，确定电网(20)的频率和传输到电网(20)的功率。当该感测所得的电压超出预定的电压范围以外或该确定的频率超出预定的频率范围以外时，控制电网侧的变换器(42)，以通过补偿电路(52)调节电网(20)的电压和频率。
文档编号H02J3/38GK1964153SQ20061016059
公开日2007年5月16日 申请日期2006年10月31日 优先权日2005年10月31日
发明者R·泰希曼 申请人:通用电气公司