风力发电系统的制作方法

专利名称：风力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电系统，其在功率系统内发生停电等电压下降时，吸收在交流励磁型发电机的转子上产生的过大电流以保护与转子连接的变流器(converter)，并 且，不需要从系统中将风力发电系统解列，就可以在吸收过大电流之后实现与转子连接的 变流器的运转的重新开始。
背景技术：
发电装置中所使用的交流励磁型发电机，通过利用功率转换器以转差频率(系统 频率与旋转频率之差)对转子绕组进行交流励磁，从而可以通过转子的励磁使定子侧产生 的电压成为与系统频率相同的频率。通过使转子的励磁频率(转差频率)可变，能够使风 车的旋转数可变，并且，能够使功率转换器的容量比发电机的容量小等的优点。但是，如果功率系统中发生接地故障等电压降低的情况，则交流励磁型发电机进 行向发生故障处提供电流的操作。此时，由于在转子绕组中感应过大电流，且在与转子侧连 接的励磁用变流器中流过过大的电流，因此，采用设置用闸流晶体管将转子电路短路的、即 被称为撬棒(Crow-bar)的装置的方法。在欧洲等地规定在系统发生故障时，不将风力发电系统从系统解列，必须持续运转，因此，需要在短时间的电压降低时，通过不将风力发电系统从功率系统解列，在故障之 后重新开始发电运转，从而减小对功率系统的影响。专利文献1中记载了 以往在检测到发电机侧变流器的过电流时启动短路电路的方式。另外，专利文献2中记载了 在检测到系统电压降低时启动短路电路的方式。[现有技术文献]专利文献1 美国专利第6，921，985号专利文献2 美国专利第7，321，221号本发明要解决的问题点在于保护交流励磁型发电机的励磁用功率转换器不会受 到由于系统故障或系统干扰而产生的过电流的影响，可以不将发电机与系统断开地进行运 转。特别是，在低发电量时，有时会有在转子达到过电流电平之前，变流器直流电压上升，变 流器不能运转的情况发生。因此，本发明要解决的问题点还包括避免这种情况发生，防止 变流器直流过电压，使得发电运转可以在系统故障恢复后立即重新开始。

发明内容
本发明的风力发电系统中，将系统故障时过电流消耗装置的交流输入与发电机转 子和励磁用变流器之间连接，检测出励磁用变流器直流电压上升，在系统故障时启动短路 电路。为了解决上述技术课题，本发明提供一种风力发电系统，其中，将交流励磁型发电 机的定子与功率系统连接，将交流励磁用变流器与该交流励磁型发电机的转子连接，另外， 将该交流励磁型发电机的转子与涡轮连接，通过涡轮的动力使发电机转子旋转，在该交流励磁用变流器与发电机转子之间，具有可以通过开关单元进行短路的短路电路单元，并具有与上述交流励磁型发电机的定子和上述功率系统连接的系统侧变流器，该系统侧变流器 的直流部分与上述交流励磁用变流器的直流部分连接，另外，具有用于对在系统电压降低 时备用的励磁用变流器和系统侧变流器进行控制的控制装置，且上述该交流励磁型发电机 向上述功率系统提供发电功率，上述变流器的控制装置具有检测直流电压的单元和直流电 压上升检测单元，并具有检测直流电压的上升，启动上述短路电路单元的单元。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征上述变流器的控制装置具有检测上述发电机与上述交流励磁用变流器之间的电流，并检测过大电流的单元；通过上述检测 过大电流的单元或上述直流电压上升检测单元的任一个单元的信号来启动上述短路电路 单元。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征作为上述直流电压上升检测单元，检测比通常运转时的值大的值。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征作为上述直流电压上升检测单元，以设定在通常的运转时的电压电平与使上述变流器保护停止的过电压电平之间的过电压 检测电平来检测直流电压的上升。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征上述直流电压上升检测单元对直流电压指令值与检测值的偏差大的情形进行检测。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征具有在上述发电机与上述变流器之间发生过大电流的情况下，使上述交流励磁用变流器的栅极停止的单元。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征上述短路电路单元具有包括多个电阻器，且在短路时几乎同时工作，在解除短路时按顺序断开的单元。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征上述短路电路单元具有包括多个电阻器，且在短路时几乎同时工作，在解除短路时按顺序断开的单元，并具有根据系统电压 的振幅值使上述同时工作的期间可变的单元。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征当通过上述短路电路单元将已短路的电阻都断开之后，开始上述交流励磁用变流器的工作，工作开始后，在功率系统的电压 中大量存在反相成分时，将发电机定子的有效功率以及无效功率控制在几乎为零。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征上述短路电路单元连续2次实施从同时接通到按顺序断开的循环，在第3次使系统停止。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征具有防止上述变流器控制的发电功率的指令值的骤变的单元。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征具有检测系统电压下降的单元和在系统电压的下降中降低上述变流器的直流电压的单元。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征，具有当上述变流器的直流电压上升时，将有效电流变更到放电方向的单元。另外，本发明的风力发电系统还具有如下特征，具有检测上述系统变流器的输出交流电流的过电流的单元；在通过上述过电流检测单元检测出过电流的情况下，使上述系 统侧变流器暂时停止的单元；和进行再启动的再启动单元。[发明效果]
根据本发明的风力发电系统，可以通过将短路电路(过电流消耗装置)的交流输入连接到发电机转子与励磁用变流器之间，检测出系统电压下降和励磁用变流器直流电压 上升，而启动过电流消耗装置，来实现保护交流励磁型发电机的励磁用功率转换器不受系 统干扰引起的过电流的影响，并可以持续运转的操作。


图1是风力发电装置的电路构成的说明图。图2是系统侧变流器2041的构成的说明图。图3是空载时间附加器2041-02,2042-02的说明图。图4是发电机侧变流器2042的构成的说明图。图5是变流器2041的控制构成的说明图。图6是变流器2041的监视处理CTL_WTCH1的处理流程图。图7是变流器2042的控制构成的说明图。图8是相位检测器THDET的说明图。图9是指令切换器SW的构成图。图10是系统故障应对装置212的电路构成的说明图。图11是系统故障应对装置212的操作说明图。图12是系统故障应对装置的控制装置213的控制构成的说明图。图13是变流器2042的监视处理CTL_WTCH2的处理流程图。图14是变流器2042的监视处理CTL_WTCH2的处理流程图。符号的说明10系统的发电设备20风力发电装置201交流励磁型发电机202 翼203风车控制装置204变流器205变流器控制装置206断路器207连接用变压器208，209电磁接触器或断路器210变流器直流电路211编码器212过电流消耗装置213过电流消耗装置的控制装置214交流滤波器电路215dv/dt控制用电抗器216无停电电源装置217变压器(控制电源用)
218传动装置219a, 219b, 219c, 219d 电流传感器220a, 220b电压传感器
221系统故障应对系统Qref无效功率指令值Pref有效功率指令值Run运转/停止指令值PCH桨叶角指令VSY系统电压检测值VST定子电压检测值ISY系统电流1ST 定子电流IR 变流器2042电流IG 变流器2041电流VDC变流器直流部电压
具体实施例方式以下，通过附图对本发明的实施例进行说明。(实施例1)通过图1对本发明的实施例1的装置构成(单线接线图)进行说明。风力发电装置20通过输电线与功率系统10连接。风力发电装置20主要由发电 机201、翼202、风车控制装置203、变流器(励磁装置)204、变流器控制装置205、过电流消 耗装置212、过电流消耗装置212的控制装置213而构成。翼202通过传动装置218与发电机201的转子机械性地连接。发电机201的转子绕组与变流器204电连接，另外，发电机201的定子通过断路器 206或变压器207等与功率系统电连接。风车控制装置203对风速检测或翼202的角度控制、发电功率指令值Pref的作 成、或运转/停止等的指令值Run的输出、无效功率指令Qref的作成等的运转指令信号 OPSO进行计算。通过上述风车控制装置203作成的无效功率指令值Qref或，发电功率指令值 Pref、上述运转/停止指令值Rim等的各种运转信号OPSO、翼角度指令值PCH被分别传送到 变流器控制装置205或翼角度变更装置。变流器控制装置205按照指令值调整变流器204的输出电压，并控制发电机201 和系统之间的功率(发电功率、无效功率)。接下来，对变流器(励磁装置)2042、变流器控制装置2041、过电流消耗装置212、 过电流消耗装置的控制装置213进行简单地说明。发电机201的定子侧的3相输出，通过 利用外部信号SGl可以开闭的例如断路器208、系统联系用变压器207和断路器206与功率 系统10连接。另外，系统联系用变压器207的断路器208侧的电路通过其他的断路器209 与滤波器电路214、变流器2041连接。
变流器2041的直流电路210也和变流器2042的直流电路连接。上述变流器2042 的交流输出通过dv/dt控制用的电抗器215与发电机201的转子绕组连接。另外，在上述电抗器215的变流器2042侧连接过电流消耗装置212的交流输入端 子，将直流输出端子与变流器2041以及2042的直流电路210连接。过电流消耗装置212 的直流端子和变流器204的直流端子可以通过阻抗连接，也可以以低阻抗连接。另外，变流器控制装置205由无停电电源装置216进行备用，在系统电压降低时， 由无停电电源装置216向变流器控制装置205提供功率。另外，过电流消耗装置212的控 制器213也通过无停电电源装置216进行备用，在系统电压下降时，由无停电电源装置216 向控制器213提供功率。上述断路器206用于例如为了保护系统20，在电流过大的情况持续发生时，打开断路器206，断开电流，将系统20完全停止，并切断与系统10的电连接。发电机侧变流器2042以及系统侧变流器2041采用例如半导体的开关元件(GT0， IGBT，MOS, SiC等)而构成，并具有将交流转换为直流或将直流转换为交流的功能。另外，在上述系统侧变流器2041的交流输出端子处，设置由电抗器或电容器构成 的、使高次谐波电流、高次谐波电压衰减的交流滤波器电路214。在发电机201的旋转部分，通过传动装置218连接有风力发电用的叶片202，受到 风力而旋转。另外，在旋转部分连接有对旋转位置进行检测的例如编码器等的位置检测器 211，并将旋转数信号ω进行输出。检测出的旋转数信号ω被输入给风车控制装置203和 变流器控制装置205。接下来，对用于控制发电功率的配线以及装置进行说明。变压器207的次级侧的 三相电压以及三相电流的值被分别通过电压传感器220a和电流传感器219a，转换为低电 压的电压检测信号VSY和低电压的电流检测信号ISY，上述低电压的信号VSY以及ISY被输 入到变流器控制装置205。另外，断路器208的次级侧(断路器208和发电机201的定子之间)的电压的值 被电压传感器220b转换为低电压的信号VST，并被输入到变流器控制装置205。与上述变流器2041、2042的直流部210连接的电容器Cd的电压被通过电压传感 器转换为低电压的直流电压信号VDC，直流电压信号VDC被输入到变流器控制装置205。另外，用电流传感器219c检测变流器2042的输出电流IR，用电流传感器219d检 测变流器2041的输出电流IG，电流检测值IR以及IG被传送给变流器控制装置205。另外，风车控制器203具备向变流器控制装置205发送启动/停止指令Rim、有效 功率指令Pref、无效功率指令Qref等的各种指令值0PS0，或，检测风车或系统的状态量，与 外部通信的通信功能等。另外，变流器控制装置205分别用信号SG1、SG2控制断路器208、209，并输出对由 半导体开关元件构成的变流器2041、2042分别进行驱动控制的脉冲信号P1、P2。电源与无停电电源装置216连接，以使变流器控制装置205在系统电压降低时也 可以工作。无停电电源装置216输入由变压器217调整的电压。无停电电源装置216的输 入电压正常时，从系统电压向控制器205提供功率，在系统电压异常的情况下，从无停电电 源装置216内的能量积蓄要素(例如电池)向控制器205提供功率。另外，过电流消耗装置212的控制装置213向过电流消耗装置212传送操作指令P3。另外，后面将对控制装置213的详细操作进行说明，因此在此省略。图2表示变流器2041的构成。变流器2041由半导体元件等构成。在此，表示三 相变流器的构成，由半导体元件(在本实施例中以由IGBT和二极管构成的变流器为例进行 说明)Sll、S12、S21、S22、S3US32构成。元件SlU S12构成U相的上下臂；元件S2US22 构成V相的上下臂；元件S31、S32构成W相的上下臂。通过将这些半导体元件的IGBT (Insulated Gate BipolarTransistor)接通 / 断 开，在交流端子中产生三相的交流电压，并且，通过调整该交流电压，可以控制输出的电流 IG0由控制装置205提供用于接通/断开半导体元件的栅极信号Pl (P1_GB.P1_U.P1_ V、Pl_ff)。在此，栅极信号Pl的附加标记U表示U相的信号P1_U，P1_V表示V相、Pl_ff表 示W相的栅极信号。另外，P1_P0WER是用来使变流器2041的元件接通/断开的栅极电路 电源，由控制装置205以被绝缘的电源提供。另外，栅极块信号P1_GB是停止由栅极信号控 制的半导体元件Sll S32的接通/断开操作(使半导体元件Sll S32都为断开)的信 号，同样由控制装置205提供。U相的下臂元件S12的栅极信号提供上臂元件Sll的反转(S卩，当Sll为接通时， 元件S12为断开)，同样，关于V相、W相的上下臂，也是下侧臂提供上侧臂的反转信号。为 了产生反转信号，使用反转器NOT。在栅极信号Sll到S32中，为了防止上下臂的短路(防 止同时接通)，用栅极电路2041-01内的短路防止电路2041-02附加被称为空载时间(dead time)的期间。栅极块信号P1_GB和脉冲信号Pl被同时输入到AND电路2041-03，栅极停止时， P1.GB =“0”，因此，此时，半导体元件Sll S32与脉冲信号P1_U、P1_V、P1_W的状态无关， 全都处于断开的状态。图3表示短路防止电路2041-02的构成。短路防止期间的时间延迟，通过时间延 迟附加器Delay被附加给所输入的脉冲。附加了该时间延迟后的信号和所输入的原来的信 号被输入到“AND”运算器中，进行逻辑运算(AND)。由此，输出信号Out成为在原始信号中 附加了时间延迟Td的接通延迟的信号。由此可见，通过在上下臂的信号中附加接通延迟， 例如，在上侧的开关元件断开时，下侧的开关元件从断开开始延迟时间Td后接通，由此，可 以防止上下的开关元件过渡性地同时处于接通状态，从而防止直流的短路。图4表示变流器2042的构成。变流器2042和变流器2041 —样，由半导体元件等 构成。在此，表示三相变流器的构成，由半导体元件(IGBT和二极管)S41、S42、S51、S52、 S61、S62构成。元件S41、S42构成U相的上下臂；元件S51、S52构成V相的上下臂；元件 S6US62构成W相的上下臂。通过将这些半导体元件接通/断开，在交流端子中产生三相的交流电压，并且通 过调整该交流电压，可以控制变流器2042输出的电流IR。由控制装置205提供用于将半导体元件接通/断开的栅极信号P2。栅极信号P2 包括各相的栅极信号(三相)、栅极电路工作电源、栅极块信号，分别用P2_U、P2_V、P2_W、 P2_P0WER、P2_GB的信号名表示(信号名的附加标记U表示U相的信号P2_U，P2_V表示V 相、P2_W表示W相的栅极信号)。U相的下臂元件S42的栅极信号提供上臂元件S41的反转(S卩，当S41为接通时，元件S42为断开)，同样，关于V相、W相的上下臂，也是下侧臂提供上侧臂的反转信号。为了产生反转信号，使用反转器NOT。在栅极信号S41到S62中，由于上下臂的短路防止期间， 用栅极电路2042-01内的短路防止电路2042-02附加被称为空载时间的期间。为了停止半导体元件的接通/断开，使用栅极块信号P2_GB。该栅极块信号P2_GB 被输入到各脉冲信号P2 (P2_U、P2_V、P2_ff)所分别具有的各AND电路2042-03中。栅极停 止时，P2_GB = “0”，因此，此时，半导体元件S41 S62与脉冲信号P2的状态无关，全都处 于断开状态。通过图5到图8对控制装置205的功能进行说明。图5表示变流器2041的控制构成。变流器2041具有将平滑电容器Cd的直流电 压VDC控制为恒定的功能。因此，变流器2041的控制部对系统电压VSY(三相)的相位进 行检测，使用检测出的电压相位对电流IG(三相)进行控制，与系统交换有效功率，并控制 直流电压。如果发电机励磁用变流器2042利用直流部的功率，来消耗平滑电容器Cd的能量， 从而导致电流电压VDC降低，则系统侧变流器2041的直流电压控制DCAVR进行调整有效 电流Ipn (有效功率成分)，给平滑电容器Cd充电，将直流电压VDC保持在恒定的操作。相 反，在功率转换器2042充电直流功率，直流电压VDC上升的情况下，功率转换器2041的直 流电压控制DCAVR进行将直流功率转换为交流功率，为了对功率系统放电而调整有效电流 Ipn (有效功率成分)，将直流电压VDC保持在恒定的操作。变流器2041开始运转之前，由直流电压的初始充电电路(图中没有显示)充电直 流电压VDC，然后，电磁接触器209的投入指令SG2被输出，变流器2041与系统连接。上述三相交流电压检测值VSY向相位检测器THDET和3相2相转换器32TRS输 入。上述相位检测器THDET以追踪系统的电压的相位信号THS，将相位信号THS (将系统U 相电压设为正弦波时的角度信号)输出到3相2相旋转坐标转换器3DQ01、2相dq转换器 2DQ02、2相3相旋转坐标转换器DQ23-01。直流电压指令值VDCREF和上述直流电压检测 值VDC被输入到直流电压调整器DCAVR(例如，由比例积分控制器PI构成)。上述直流电 压调整器DCAVR调整输出的ρ轴电流指令值(有效电流指令值)IpR，以使被输入的指令值 VDCREF与检测值VDC的偏差为零，用加减法运算器303对电流指令IpH进行加减运算，并将 其结果Ipnstr输出给电流调整器ACRl。系统侧变流器2041的输出三相电流IG被输入到过电流检测器OCl和过电流检 测器0C2中，直流电压VDC被输入到过电压检测器0V2中。过电流检测器OCl和过电流检 测器0C2、过电压检测器0V2由比较器和保持电路构成，检测到过电流或过电压时，将输出 0PSla、0PSlb、0PSlc由“ 1 ”变更为“0”，并保持。如果输入来自监视环路处(CTL_WTCH1)的 复位信号(RESET1、RESET2)，则过电流检测器OCl及0C2、过电压检测器0V2的输出“0”的 保持被解除，输出变更为“ 1 ”。过电流检测器OCl被设定为以比过电流检测器0C2还低的电 流电平进行工作。另外，过电压检测器0V2被设定为以比后面要提到的过电压检测器OVl 还高的电压进行工作。监视环路处(CTL_WTCH1)输出直流电压指令值VDCREF和有效电流指令值修正量 IpH。另外，直流过电压通过检测器0V2进行监视，当直流电压VDC比过电压电平0V_REF2还大时，将过电压信号OPSlc输出到逻辑运算AND中。检测器0V2以检测到过电压时 为“0”，除此之外为“1”的方式作成过电压检测信号OPSlc，并具有如果检测出过电压，信号 为“0”，则保持该值的功能。另外，检测信号OPSlc也可以用于图7所示的变流器2042的控 制部分。过电流、过电压检测信号(0PSla、0PSlb、0PSlc)被传送到OR运算器和监视环路处 理(CTL_WTCH1)中。运算器“AND”进行过电流检测信号(0PSla、0PSlb、0PSlc)的AND运算 (逻辑运算)，将其结果P1_GB传送到变流器2041中。也就是说，如果过电流、过电压检测 信号(OPSla、OPSlb、OPSlc)变成“0”，则栅极信号P1_GB成为零，变流器2041停止开关操作。3相DQ坐标转换器3DQ01根据所输入的电流IG，利用公式1所示的3相2相转换 式以及公式2所示的旋转坐标转换式，计算ρ轴电流检测值Ipn (有效电流)和q轴电流检 测值Iqn (无效电流)，并将ρ轴电流检测值Ipn输出到电流调整器ACRl中，将q轴电流检 测值Iqn输出到电流调整器ACR2中。
在此，附加标记U、V、W表示三相交流的各相，例如，电流IG的U相电流用I⑶表 示。以下的电压等也同样(系统电压VSY的U相为VSYU等)。在此，系数kl为换算为微型 计算机内部的任意单位的系数。式1
(JGU\
IGV ) IGW I式2
/Ιρη\ Sin(THS) - cos(THS)\ /In a\l/gn/ " \€οβ(Γ 5) Sin(THS)) Iln β)上述电流调整器ACRl调整输出的P轴电压指令值VpnO，以使上述ρ轴电流指令值 Ipnstr与上述ρ轴电流检测值Ipn的偏差为零，并向加法运算器301输出。同样，上述电流 调整器ACR2对输出的q轴电压指令值VqnO进行调整，以使q轴电流指令值(=0)与上述 q轴电流检测值Iqn的偏差为零，并向加法运算器302输出。在此，上述电流调整器(ACR1、 ACR2)能由例如比例积分(PI)控制器构成。上述3相2相转换器32TRS根据所输入的电压VSY，利用公式3所示的转换式，计 算α成分Vsa和β成分Vsi3，另外，利用公式4计算ρ轴电压检测值(与系统电压矢量 一致的成分)Vps和q轴电压检测值(与上述ρ轴电压检测值Vps正交的成分)Vqs,并分别 输出到上述加法运算器301、302。在此，系数k2为换算为微型计算机内部的任意单位的系数。式3
Vsv V Vsw )式4/Fps\ — isin(THS) - cos(THS)\ /Vsa\ Wgsi = \cos(THS) Sin(THS)) Ws/ /上述加法运算器301将上述P轴电压指令值VpnO和上述ρ轴电压检测值Vps相 加后，向2相3相坐标转换器DQ23-01输出。同样，上述加法运算器302将上述q轴电压指 令值VqnO和上述q轴电压检测值Vqs相加后，向2相3相坐标转换器DQ23-01输出。上述2相3相坐标转换器DQ23-01将上述相位信号THS和上述各加法运算器的结 果VpruVqn输入，根据公式5以及公式6所示的转换式，计算上述转换器DQ23-01输出的电 压指令值Vim、Vvn, Vwn，并向脉冲运算器PWMl输出。在此，系数gl是将微型计算机内部的 任意单位的值换算为调制率]的系数。式5
— / sm(JHS) cos(THS)\ /l^priv^y5J = (__ cos(THS) Sin(THS) ) VFqn/式6
/Vim\ ( cos(O) sin(O) \f Ftm U α I cos(2tt/3)sin(2 r/3) \(Va) I Fwn 1 \ cos(4 r/3) sin(4w/3) I ^b/上述脉冲运算器PWMl根据输入的电压指令Vim、Vvn, Vwn，通过脉冲宽度调制方 式，计算将构成上述功率转换器2041的η个半导体元件接通/断开的栅极信号P1_U、Pl_ V、P1_W，并向上述功率转换器2041输出。使用图6对上述监视环路处理(CTL_WTCH1)进行说明。如果系统电压的下降降低，则系统侧变流器2041使直流电压的指令值降低5% (处理6002、6003)。这是为了通过来自发电机侧变流器的能量来防止发生直流过电压而实 施的。如果增大直流部的电容器电容，则虽然可以减小直流电压的上升，但会导致成本增 力口，因此，通过降低直流电压，为直流电压的上升留出余地。另外，在即使上述直流电压下降运转时直流电压也上升的情况下，由于将直流电 压降低，所以直接对有效电流指令值进行变更(在此，以为-50%为例进行说明)。在通常 的运转中，如图5中也说明的那样，有效电流指令值由直流电压调整器DC-AVR输出来决定。 但是，由于直流电压调整器中会发生控制延迟，所以，降低电压的操作会发生延迟。因此，对 直流电压偏差(指令值与检测值之差)的大小进行检测(处6005)，将有效电流指令值变更 为放电侧(处理6006)。 另外，虽然有可能由于系统侧电压变动而发生过电流，但是由于尽量使运转持续， 所以，具有比系统侧变流器的过电流保护电平2还小的过电流电平1 (处理6008、6009)，在 检测出过电流保护电平1时，暂时停止系统侧变流器的栅极、控制(处理6011)。如果栅极 停止，IGBT的开关就停止，因此，仅成为整流器，而过电流衰减。在过电流电平1发生之后， 检测出过电流电平2的情况下，由于有可能对IGBT元件造成损害，因此，系统侧变流器停 止(处理6010)。在没有过电流电平2，而只检测出过电流电平1的情况下，暂时停止(处 6011)，经过一定的时间后(例如大约Ims后)(处理6012、6013)再次启动(处理6015)。
综上所述，本发明可以提供一种通过在系统电压下降时降低直流电压，从而很难 形成直流电压的过电压状态的系统。另外，本发明还能提供这样一种系统，S卩，当直流电压变得比指令值还大时，通过 具有将有效电流直接变更的单元，从而可以实现比直流电压控制更快地降低直流电压的操 作，且防止由于直流电压控制的响应延迟引起的过电压，并很难成为过电压状态。 另外，本发明可以提供一种通过在检测出过电流时暂时停止，从而防止变流器的 元件的故障，并且通过马上再次启动，从而防止直流电压上升的系统。接下来，通过图7对变流器2042的控制进行说明。表示发电机201的转数以及位置的转数信号ω被输入到旋转相位检测器R0TDET。 在转数信号中使用例如AB Z式的编码器。旋转相位检测器ROTDET对转数信号ω的脉冲A 以及B进行计数后换算成相位信号，并且，将相位信号按每旋转一周以1次脉冲(例如ABZ 式的编码器中为Z相脉冲)复位为0，生成0到360度的相位信号RTH，并将所生成的相位 信号RTH输出到加法运算器303。相位信号RTH和同步控制器SYNC的输出相位信号LTH由加法运算器304进行相 加而成为相位信号ΤΗ，相位信号TH和上述相位信号THS (在变流器2041的控制已经进行说 明)一起被输入到励磁相位运算器SLDET。上述励磁相位运算器SLDET对上述相位信号TH和THS进行减法运算，进一步使发 电机的极对数增加k倍(THR = k(THS-TH)，并输出发电机转子的滑动相位信号THR。功率运算器PQCAL将系统电流ISY通过与上述公式1相同的转换矩阵进行转换， 输入所获得的α轴电流Isa、β轴电流Is β、通过上述公式3计算出的α轴电压检测值 Vs α、β轴电压检测值Vs β，并通过公式7对系统的有效功率Ps和无效功率Qs进行计算。式7Ps = 3 (Vs α X Is α +Vs β X Is β ) /2Qs = 3 (-Vs α X Is β +Vs β X Is α ) /2有效功率调整器AI3R输入有效功率Ps和风力发电装置的输出功率指令Pref，将输 出的有效电流指令值IpO输出，以使上述功率指令值Pref与上述功率检测值Ps的偏差为 零。在此，虽然以有效功率指令为例进行说明，但在转矩指令的情况下，可以将转矩指令与 发电机的转数相乘后转换为有效功率指令来进行控制。有效功率控制与转矩控制不同，即 使转数变化，也不会受到其影响，而能将输出功率控制为恒定。另外，无效功率调整器AQR输入无效功率Qs和风力发电装置的输出功率指令 Qref,并将输出的励磁电流指令值IqO输出，以使上述功率指令值Qref与上述功率检测值 Qs的偏差为零。在此，上述功率调整器APR、AQR能由例如比例积分器构成。上述有效/无效功率调整器的各输出的电流指令值IpO以及IqO被输入到切换器
Sffo另外，发电机定子电流1ST被输入到3相旋转坐标转换器3DQ03。3相旋转坐标转 换器3DQ03通过式1以及式2所示的转换式，被分解为有效电流Ipst和无效电流Iqst，并 被分别输入到发电机电流调整器ACRP、ACRQ。 另外，发电机电流调整器ACRP输入0作为定子有效电流指令值，并计算转子电流 指令值Ip2，并将指令值Ip2输出到切换器SW，以使发电机定子电流的有效成分Ipst成为O。另外，发电机电流调整器ACRQ输入定子无效电流指令值Iqstr，并计算转子电流指令值 Iq2，将指令值Iq2输出到切换器SW，以使发电机定子电流的无效电流成分Iqst与指令值一 致。定子无效电流指令值Iqstr是以例如系统电压降低量的函数给出的，是为了在系统电 压下降时，为系统提供无效电流而设定的。接下来，对电压调整器AVR进行说明。电压调整器AVR将发电机定子电压VST的 振幅值Vpk作为反馈值，将通过滤波器的值或平均值作为指令值Vref输入到系统电压VSY 的振幅值中，将使上述发电机VST的振幅值与上述指令值Vref的偏差为零的励磁电流指令 值Iql输出到上述切换器SW。在此，上述电压调整器AVR可以由例如比例积分控制器构成。 该电压调整器AVR在电磁接触器208处在打开的状态下工作，为了使发电机Gen的定子电 压的振幅值与系统电压的振幅值一致，调整由变流器2042流向发电机201的次级侧的励磁 电流指令值。变流器2042的输出电流IR也被输入到过电流检测器0C3和3相旋转坐标转换器 3DQ04。过电流检测器0C3由比较器和保持电路构成，检测到过电流时，将输出信号0PS2a 变更为“0”并保持。如果输入来自监视环路处理(CTL_WTCH2)的复位信号(RESET3)，则过 电流检测器0C3的输出“0”的保持被解除，输出被变更为“1”。过电流检测信号0PS2a被传送到监视环路处理(CTL_WTCH2)和AND运算器。另外， 监视环路处理(CTL_WTCH2)生成运转模式信号MD，运转模式信号MD被传送到切换器SW。另外，反相电压成分检测器UBV输入系统电压VSY，例如，根据三相电压的各相电 压实效值中的实效值最大值和实效值最小值的差分来计算反相电压的大小VNEG。反相电压 的大小VNEG和系统电压的振幅值Vpk被传送到监视环路处(CTL_WTCH2)。另外，直流电压VDC的过电压检测器OVl被设定为以比图5所说明过的检测器0V2 还低的电压进行工作。检测器0V2的检测电平为，如果变流器204进行开关操作，则有可能 破坏元件的电压电平；检测器OVl的检测电平被设定为，比0V2低，并且即使进行开关操作 也不会产生破坏的电平。接下来，通过图8对上述相位检测器THDET进行说明。相位检测器THDET输入系 统电压VSYU、VSYV、VSYff,通过3相2相转换32TRS进行公式3所示的计算，转换为2相的 电压信号Vs α和Vs β。旋转坐标转换器ABDQ输入上述2相信号Vs α和Vs β，通过公式 4所示的坐标转换式计算Vps和Vqs。利用如果计算的相位THS和系统电压的U相一致则 Vqs成为0，来校正相位以使Vqs成为0。因此，将Vqs与0比较而生成频率校正指令OMGO。 频率校正值OMGO被输入到积分器中，通过积分器THCAL进行积分，将频率信号OMGO转换为 相位信号THS。图9表示切换器SW的构成。SW决定输出下列3种模式中的任意一种。该3种模 式分别是使用上述功率调整器APR以及AQR的输出(IpO以及IqO)的通常发电运转模式 (开关位置“a”)；或者在有效电流指令值中使用零，在励磁电流指令值中使用电压调整器 的输出Iql的系统同步运转模式(开关位置“b”)；或使用调整发电机的定子电流的定子电 流调整器ACRP、ACRQ的输出(Ip2、Iq2)的系统故障时运转模式(开关装置“C”)切换器SW在断路器208被投入之前(即，在使发电机定子电压与系统电压同步的 电压同步运转时，投入信号SGO =“b”)，在有效电流指令值中使用零，在励磁电流指令值中 使用电压调整器的输出Iql，在投入断路器208之后(投入信号SGO = “a”的状态)，选择各功率调整器APR、AQR的输出IpO、IqO0另外，在通常的发电运转时，运转模式MD信号处 于“1”的通常运转的状态，选择基于上述投入信号SGO的指令值切换，但在检测系统故障等 成为运转模式MD = “2”的状态时，选择上述定子的电流调整器ACRP、ACRQ的输出即Ip2、 Iq2。另外，图7所示的同步控制器SYNC具有以下功能在断路器208处在开放状态时， 根据上述系统电压检测值Vsref和上述发电机定子电压检测值Vgpk，判断发电机的电压振 幅是否同步的功能；在系统电压和定子电压的相位不同的情况下，输出对其进行校正的相 位校正信号LTH的功能；和判断系统电压和定子电压的相位是否在所规定的范围内，并同 步的功能，并将断路器的操作信号SGl和控制切换信号SGO输出。当由于信号SGl而断路 器208成为关闭状态时，上述相位校正信号LTH保持当时的值。根据该同步控制器的功能，在发电机201与系统连接之前，可以与系统电压同步， 另外，在与系统连接之后，可以迅速地在功率控制中切换控制。3相旋转坐标转换器3DQ04根据所输入的电流IR以及转子的相位THR，利用公式 8以及公式9所示的转换式，计算q轴电流检测值Iqr (励磁电流成分)和ρ轴电流检测值 Ipr (有效电流成分)，并将q轴电流检测值Iqr输出到电流调整器ACR4中，将ρ轴电流检 测值Ipr输出到电流调整器ACR3。在此，系数k3为换算成微型计算机内部的任意单位的系数。式8
Irv] Irw j式9
<formula>formula see original document page 15</formula>
上述电流调整器ACR4调整输出的q轴电压指令值Vqr，以使上述q轴电流指令值 Iql或IqO或Iq2与上述q轴电流检测值Iqr的偏差为零。同样，上述电流调整器ACR3调 整输出的P轴电压指令值Vpr，以使上述ρ轴电流指令值Ipl或IpO或Ip2与上述ρ轴电流 检测值Ipr的偏差为零。在此，上述电流调整器可以由例如比例积分器构成。上述ρ轴电压指令值Vpr和上述q轴电压检测值Vqr被输入到2相3相旋转坐 标转换器DQ23-02，上述2相3相坐标转换器DQ23-02根据上述相位信号THR和上述各输 入值，通过公式10和公式11所示的转换式计算上述转换器DQ23-02所输出的电压指令值 Vur, Vvr, Vwr，并向脉冲运算器PWM2输出。在此，系数g2是将微型计算机内部的任意单位 的值换算为调制率]的系数。式10
_ <formula>formula see original document page 15</formula>
式11
<formula>formula see original document page 16</formula>上述脉冲运算器PWM2根据输入的电压指令Vur、Vvr, Vwr，通过脉冲宽度调制方 式，计算将构成上述变流器2042的半导体元件接通/断开的栅极信号P_2U、P2_V、P2_W，向 上述变流器2042输出。图10表示过电流消耗装置212的电路构成。过电流消耗装置212主要由整流器 2121和能量消耗部2122和短路开关部2126构成。整流器2121的交流输入与发电机201 的次级侧绕组端子连接。在此，表示整流器2121由二极管011、012、021、022、031、032构 成的图。上述整流器2121在其直流部分具有电容器Cx。另外，上述整流器2121的直流部中 具有由将电阻R2和R3分别与半导体开关S71和S72连接的电路构成的能量消耗部2122。 能量消耗部2122和变流器204的直流部的正极侧和负极侧通过电阻Rl连接。另外，为了短路，短路开关部2126可以使用开关单元Tl (在此，是作为半导体开关 的闸流晶体管)，根据来自控制装置213的接通指令(P3_THY0N)，使短路电路Tl进行接通 操作。控制装置213提供用于将半导体元件S71和S72接通/断开的栅极信号P3_R0N。 栅极信号P3_R0N被作为接通元件S71的信号来使用。另外，信号S71也被输出到断开延迟 器2126。断开延迟器2126被输入到在信号中附加延迟时间的延迟器2123、逻辑或运算器 2125两者中，针对输入信号S71，输出断开时刻延迟了断开延迟时间TD2的信号S72。在信 号S72接通时，电阻器R3接通。根据这样图示的构成，可以实现在电阻器R2和R3同时接 通/断开时，R2先断开，然后R3才断开的操作。此处，虽然给出了电阻器R2和R3的2种 情况，但在电阻器的数量为3以上时，也能够通过采用同样的构成，并改变断开的时刻，来 阶段性地变更短路的电阻值。另外，最后进行断开操作的电阻器的操作信号R_0FFSIG被传送到如图7所示的变 流器控制装置205。在根据来自控制装置213的指令，过电流消耗装置212启动的情况下，功率转换器 2042成为栅极停止状态，成为栅极停止状态的功率转换器2042作为二极管而发挥作用。例 如，如果在发电机的转子中发生过电流，则停止功率转换器2042的栅极，并进一步地将在 过电流消耗装置的直流部中的半导体元件S71和S72接通。此时，与发挥二极管整流器的 作用的功率转换器2042相比，过电流消耗装置212的阻抗变小，因此，在转子中产生的过电 流几乎都流到过电流消耗装置212，可以降低流入功率转换器2042中的量，因此可以防止 由于电流过大而破坏变流器2042的半导体开关元件。此时，从三相交流流入过电流消耗装 置212的直流部的能量被电阻器R2和R3消耗。由于将消耗能量的电阻器的电容设置得小， 因此，对过电流消耗装置212的操作次数设置限制，在实际应用上优选连续进行2 3次左 右ο利用图11对图10的工作过程进行说明。首先，如果检测出系统故障，则检测信号 P.3R0N由0变为1。根据图10所示的构成，在信号S71、S72同时接通、断开时，S71断开之后，在延迟断开延迟时间TD2之后，S72才断开。因此，电阻器R2和R3被同时连接，在保持期间THLD内，R2和R3仍旧保持原来的连接状态。然后，电阻器R2断开，经过断开延迟时 间TD2之后，电阻器R3才断开。另外，电阻Rl的值也可以设定为构成与变流器204的直流部的电容器Cd的电容 的串联电路时的时间常数TCR ( = Rl[Q]XCd[F])为保持时间THLD以上，例如，保持时间 THLD为IOOms的情况下，时间常数TCR也为IOOms以上即可。通过进行这样的设定，在元件 S71或S72接通时，可以减小变流器204的直流电压下降的量。图12表示过电流消耗装置212的控制器213。控制器213输入信号0PS2b，在经过接通延迟的设定时间TD3之后，接通电阻器的 信号被输出到过电流消耗装置212。另外，控制器213输入信号OPSlc，在经过接通延迟的 设定时间TD4之后，接通闸流晶体管Tl的信号P3_THY0N被输出到过电流消耗装置212。通过这些接通延迟TD3、TD4，可以确实地防止在变流器2042的工作中电阻器接
ο接下来，使用图13的处理流程对发电机侧转换器2042的监视环路处理CTL_WTCH2 的工作过程进行说明。在运转状态为通常运转(MD= 1)的情况下，对运转模式MD的监视(处1001、 1002)、直流电压VDC的上升(过电压信号0PS2d)、发电机侧变流器2042的过电流(过电流 信号0PS2a = 0)进行监视(处1003)。如果检测出转子过电流(0PS2a =“0”)(处1003)，则过电流消耗装置212的操 作信号变成0PS2b = “0”，过电流消耗装置212的电阻器接通。另外，在检测出直流过电压 (0PS2d = “0”)的情况下(处1004)，操作信号成为0PS2c = 0(处1005)，因此，过电流消 耗装置212的操作信号成为0PS2b = 0，过电流消耗装置212的电阻接通(如图7所说明 的那样，如果发电机侧变流器2042检测出转子过电流(0PS2a =“0”)，或检测出过电流消 耗装置212的操作信号(0PS2b =“0”)，则成为停止状态。另外，根据操作信号(0PS2b = “0”)，过电流消耗装置212的电阻接通)。检测出上述过电流或过电压，在过电流消耗装置 212的电阻器(R2、R3)接通的时刻，启动计时器，使电阻器接通所规定的时间Tr (处1006、 1007、1008、1009)。例如，在Tr = 150ms期间，对系统电压是否恢复到正常值进行监视，如果在期间Tr 的范围内，系统电压恢复到100% 士 10%的正常值，则复位计时器，并转入电阻器的依次断 开操作(处理1009)。因此，如果系统电压恢复到正常值，则不用等到期间Tr的结束，电阻 器进入断开操作，在系统电压没有恢复到正常值时，在期间Tr结束后进行电阻器的断开操作。然后，通过信号R_0FFSIG对电阻器的断开进行确认(处理1010)之后，复位图7 已经说明过的发电机侧变流器的控制(比例积分器)，将运转模式设定为MD =“2”，将过电 流检测器0C3复位，来再启动变流器2042。此时，为了测量使运转模式MD = “2”持续的时 间，启动计时器(处1012)。在运转模式为MD =“2”的情况下，如图7所说明的那样，发电机侧变流器2042成 为控制发电机的有效功率和定子电流的无效电流成分的运转状态。在运转模式为MD = “2”时，在电压的反相成分大的情况下，有效功率指令值Pref和无效电流指令值Iq2为零(处1013，1014)。如果反相电压比所规定值小，则以例如在E. ON的电网规则(Grid code)的范围内的方式输出所规定时间的无效电流输出。在系统的反相电压大的情况下，交流励磁发电机 的次级侧端子中出现大幅的由反相成分引起的脉动电压。因此，由于有可能再次出现要使 电流增大的过电流，所以反相电压大时，使定子侧的功率处在零的状态为宜。在反相电压小 时，因为由于转子侧的反相电压所引起的脉动电压小，所以，即使从发电机定子输出无效电 流，也可以不会产生过电流而进行运转。在运转模式为MD =“2”的状态下经过所规定的时间(例如，由功率系统的规格等 所决定的时间)，此时，如果也会有反相电压高或者系统电压低的情况，则会由于系统异常 而使系统停止(处1017、1018)。在没有检测出系统异常的情况下(处理1019)，设运转模 式为正常运转(MD = “1”，SGO = “a”)，恢复到通常运转。如上所述，通过在启动过电流消耗装置212之前，使变流器2042的栅极停止，可以 只将转子电流分流到过电流消耗装置212。另外，通过在电阻器的断开操作结束之后，再次开始变流器2042的运转，可以在 不将变流器2042输出的电流流到过电流消耗装置的情况下再次开始运转。另外，在变流器204的直流部的电压上升到一打开开关就会破坏变流器的电平 (图5的基于0V2的检测电平)之前，通过利用直流电压的上升(低于停止电平的过电压电 平图7的0V1)使过电流消耗装置进行工作(处1004)，能扩大系统的连续运转的范围。作为直流电压上升的检测手段，可以使用直流电压控制DCAVR的指令值与反馈值 的偏差。另外，如果图7所示的功率指令值Pref大幅度地急剧变化，则由于直流电压VDC 大幅度地变化，优选在功率指令值Pref中具有变化率限流器等防止急剧变化的装置。另外，在过旋转时或速度下限等的变流器控制无非跟随的条件下，由于直流电压 VDC可能发生变化，因此，在可以预料到过旋转或速度降低的系统中，图13的处理1004的条 件可以设为只在旋转数正常的范围内工作。综上所述，通过系统电压的恢复将电阻的断开开始时间提早，由此，可以缩短将电 阻器与转子连接的时间，消除多余的电阻连接时间，而缩短恢复到正常的运转的时间。如上所述，在反相电压大的情况下，通过将发电功率、无效功率控制为零，可以防 止系统的反相成分产生的转子过电流。[产业上的可利用性]本发明除了风力发电系统之外，还可以用于次级励磁型发电机的励磁用功率转换 器或发电装置。
权利要求
一种风力发电系统，其中，将交流励磁型发电机的定子与功率系统连接，将交流励磁用变流器与该交流励磁型发电机的转子连接，另外，将该交流励磁型发电机的转子与涡轮连接，通过涡轮的动力使发电机转子旋转，在该交流励磁用变流器与发电机转子之间，具有可以通过开关单元进行短路的短路电路单元，并具有与上述交流励磁型发电机的定子和上述功率系统连接的系统侧变流器，该系统侧变流器的直流部分与上述交流励磁用变流器的直流部分连接，另外，具有用于对在系统电压降低时备用的励磁用变流器和系统侧变流器进行控制的控制装置，且上述该交流励磁型发电机向上述功率系统提供发电功率，上述风力发电系统的特征为上述变流器的控制装置具有检测直流电压的单元；和直流电压上升检测单元，并具有检测直流电压的上升，启动上述短路电路单元的单元。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为上述变流器的控制装置具有检测上述发电机与上述交流励磁用变流器之间的电流，并 检测过大电流的单元，通过上述检测过大电流的单元或上述直流电压上升检测单元的任一个单元的信号，来 启动上述短路电路单元。
3.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为作为上述直流电压上升检测单元，检测比通常运转时的值大的值。
4.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为作为上述直流电压上升检测单元，以设定在通常运转时的电压电平与使上述变流器保 护停止的过电压电平之间的过电压检测电平，来检测直流电压的上升。
5.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为上述直流电压上升检测单元，对直流电压指令值与检测值的偏差大的情形进行检测。
6.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为具有在上述发电机与上述变流器之间发生过大电流的情况下，使上述交流励磁用变 流器的栅极停止的单元。
7.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为上述短路电路单元具有包括多个电阻器，且在短路时几乎同时工作，在解除短路时按 顺序断开的单元。
8.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为上述短路电路单元具有包括多个电阻器，且在短路时几乎同时工作，在解除短路时按 顺序断开的单元，并具有根据系统电压的振幅值使上述同时工作的期间可变的单元。
9.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为当通过上述短路电路单元将已短路的电阻都断开之后，开始上述交流励磁用变流器的 工作，工作开始后，在功率系统的电压中大量存在反相成分时，将发电机定子的有效功率以 及无效功率控制在几乎为零。
10.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为上述短路电路单元连续2次实施从同时接通到按顺序断开的循环，在第3次时使系统停止。
11.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为具有防止上述变流器控制的发电功率的指令值的骤变的单元。
12.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为具有检测系统电压下降的单元；和在系统电压的下降中降低上述变流器的直流电压 的单元。
13.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为具有当上述变流器的直流电压上升时，将有效电流变更到放电方向的单元。
14.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征为具有检测上述系统变流器的输出交流电流的过电流的单元；在上述过电流检测单元 检测出过电流时，使上述系统侧变流器暂时停止的单元；和进行再启动的再启动单元。
全文摘要
本发明提供一种风力发电系统，可解决在低发电量时，在转子达到过电流电平之前，会出现变流器的直流电压上升，变流器不能运转的问题。在本发明的风力发电系统中，在系统故障时将过电流消耗装置的交流输入连接到发电机转子和励磁用变流器之间，检测出励磁用变流器直流电压上升，在系统故障时启动短路电路。根据本发明的风力发电系统，可以通过将短路电路(过电流消耗装置)的交流输入连接到发电机转子和励磁用变流器之间，检测出系统电压下降和励磁用变流器直流电压上升，而启动过电流消耗装置，来实现保护交流励磁型发电机的励磁用功率转换器不受系统干扰引起的过电流的影响，并可以持续运转的操作。
文档编号H02P9/14GK101800510SQ201010116850
公开日2010年8月11日 申请日期2010年2月9日 优先权日2009年2月10日
发明者一濑雅哉, 二见基生, 今家和宏, 酒井洋满 申请人:株式会社日立制作所