具有低电压穿越的风力鼠笼式感应发电的制造方法
【专利摘要】一种风力发电设备，包括：风力转子、变压器、鼠笼式感应发电机以及电网离合器。所述鼠笼式感应发电机包括鼠笼式转子，所述鼠笼式转子由所述风力转子驱动，用于经由所述变压器向公用电网供电。所述电网离合器响应于电压跌落而将所述鼠笼式感应发电机从所述电网脱离，并在所述电压跌落期间控制所述鼠笼式转子的速度。
【专利说明】具有低电压穿越的风力鼠笼式感应发电机
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电能发电机，且特别涉及风机。
【背景技术】
[0002]常见类型的风力发电机为鼠笼式感应发电机。在这样的发电机中，需要在定子绕组中维持电流，否则无法在鼠笼上感应出电流。此电流可来源于电网本身。
[0003]当电网中发生电压跌落时会产生问题。这样的电压跌落可能是由各种干扰引起的，大多数这样的干扰不受任何人控制。
[0004]在这样的情况下，期望鼠笼式转子在电压跌落期间继续旋转，使得一旦电压恢复就能够很快地重新连接到电网。实现此目的的发电机被称为是“渡过”或“穿越”低电压事件。类似地，这样的发电机被称为具有“低电压穿越”能力。
[0005]电压跌落的其中一个影响是发电机中过高的电流。这反过来又使转子旋转得更快。许多感应发电机具有将在转子旋转太快时停止或减慢转子的保护机制。由于低电压事件，如果鼠笼式转子旋转得足够快以致激活此保护系统，则将感应发电机重连接到电网上的问题将变得更困难。
[0006]在风机中使用的老式感应发电机缺少适当的低电压穿越能力。由于感应发电机的这一较大的安装基础，改造现有的发电机比替换它们更经济。
[0007]已知的改造结构依赖于不间断电源或依赖于电压恢复器。这些电源或电压恢复器串联地插在风机的变压器和电气系统的其余部分之间。
[0008]已知的为鼠笼式感应发电机装配低电压穿越的改造方法往往是昂贵的，部分原因在于需要许多额外的零件。由它们的构造产生的复杂度会导致可靠性的缺乏，且因此导致更高的维护成本。此外，电压恢复器是致损耗的。
【发明内容】
[0009]一方面，本发明的特征在于一种风力发电设备。这样的设备包括:风力转子、变压器、鼠笼式感应发电机以及电网离合器。所述鼠笼式感应发电机包括鼠笼式转子，所述鼠笼式转子由所述风力转子驱动，用于经由所述变压器向公用电网供电。所述电网离合器响应于电压跌落而将所述鼠笼式感应发电机从所述电网脱离，并在所述电压跌落期间控制所述鼠笼式转子的速度。
[0010]在一些实施例中，所述电网离合器包括激励电容器、电容器开关以及与所述激励电容器并联的动态制动器。所述电容器开关选择性将所述激励电容器与所述定子绕组连接。所述动态制动器包括制动开关，所述制动开关用于选择性向转储电阻器转移电流以耗
散能量。
[0011]除前述各实施例之外，还有那些还包括离合控制器的实施例，所述离合控制器用于控制所述制动开关以及所述电容器开关。这些实施例中的一些还包括与所述离合控制器连通的传感器系统。所述传感器系统提供所述离合控制器所使用的信息以用于控制所述制动开关和所述电容器开关。
[0012]除本发明的这些实施例之外，还有那些所述离合控制器进一步包括静态转换开关的实施例。除这些实施例之外还有那些所述离合控制器进一步包括离合控制器的实施例，所述离合控制器用于控制所述静态转换开关、所述制动开关以及所述电容器开关。除包括离合控制器的各实施例之外，还有那些包括传感器系统的实施例，所述传感器系统连接至所述离合控制器，用于向所述离合控制器提供用于控制所述静态转换开关、所述制动开关以及所述电容器开关的信息。
[0013]还有一些实施例是那些所述离合控制器具有静态转换开关的实施例，所述静态转换开关选择性将所述定子绕组连接至所述变压器。这些实施例中的一些还包括离合控制器，用于控制所述静态转换开关。除这些实施例之外还有那些还包括传感器系统的实施例，所述传感器系统用于向所述离合控制器提供用于控制所述静态转换开关的信息。另一方面，本发明的特征在于一种风力发电设备。这样的设备包括风力转子；变压器；具有鼠笼式转子的鼠笼式感应发电机，所述鼠笼式转子由风力收集表面驱动，用于经由所述变压器向公用电网供电；用于响应于电压跌落而选择性将所述鼠笼式感应发电机与所述公用电网接合以及从所述公用电网脱离的装置；以及用于在所述电压跌落期间控制所述鼠笼式转子的速度的装置。
[0014]本发明的另一方面为一种用于使风力鼠笼式感应发电机穿越公用电网上的低电压事件的方法。这样的方法包括:检测低电压事件；响应于所述低电压事件而断开所述鼠笼式感应发电机与所述公用电网的连接；以及当所述鼠笼式感应发电机与所述公用电网断开连接时，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流。
[0015]在一些实现方式中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流包括:选择性使电荷流入所述鼠笼式感应发电机的定子绕组。
[0016]在其它实现方式中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流包括:选择性使所述鼠笼式感应发电机的鼠笼式转子中感应出电流。
[0017]本发明的可选的实现方式还包括这样一些实施方式，其中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流包括:选择性耗散由上述鼠笼式感应发电机生成的电力。在这些实现方式中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流进一步包括:选择性使电荷流入所述鼠笼式感应发电机的定子绕组。
[0018]本发明的其它实现方式包括这样一些实施方式，其中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流包括:监视所述鼠笼式感应发电机的电气输出；以及响应于监视到的电气输出而选择性将电容器连接至所述鼠笼式感应发电机。在这些实现方式的一些中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流包括:响应于监视到的电气输出而选择性耗散由所述感应发电机生成的电力。
[0019]本发明的其它实现方式进一步包括以下步骤:检测所述公用电网上的线路电压的恢复；以及作为响应，将所述鼠笼式感应发电机与所述公用电网重新连接。
[0020]通过以下详细描述和附图，本发明的这些和其它特征将更明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1显示了风机中的经改造的鼠笼式感应发电机的一种结构。[0022]发明的详细描述
[0023]图1显示了与齿轮箱12机械连通的风力转子10。齿轮箱12使鼠笼式感应发电机中的鼠笼式转子转动，以经由电网侧变压器18将电力供应给公用电网15。发电机14和风力转子10之间的电网离合器20响应于来自离合控制器22的指令而选择性将鼠笼式感应发电机14与变压器18接合，以及将鼠笼式感应发电机14从变压器18脱离。
[0024]电网离合器20包括静态转换开关24，其被设置用于选择性中断变压器18和鼠笼式感应发电机14之间的主总线26上的电流。典型的静态转换开关24的每一相包括一对并联但具有相反极性的晶闸管28A、28B，晶闸管的栅极电流由离合控制器22控制。
[0025]电网离合器20还包括连接至主总线26的激励电容器32。由离合控制器22控制的电容器开关34选择性将激励电容器32与主总线26连接，以及断开激励电容器32与主总线26的连接。
[0026]许多风机发电机已具有功率因数控制电容器的电容器组，用于注入电抗性电流，并由此控制功率因数。在正常运行期间，这些功率因数控制电容器可能已经被切换并脱离了电路。在这些情况下，同一电容器组可作为激励电容器32重新使用以供应激励电流。由于使用了同一电容器组的两种不同的功能，避免了提供额外的零件，这是特别有利的。
[0027]在其它风机发电机中，功率因数控制电容器可不用被额定设置为提供激励电流所必须的更大的电流。在这些实施例中，由单独的且额外的电容器组来实现激励电容器32。在这种情况下，当激励电容器32将与鼠笼式感应发电机14连接时，功率因数控制电容器应断开与鼠笼式感应发电机14的连接。
[0028]与激励电容器32并联的是动态制动器30，其具有:用于整流发电机电压的二极管电桥35 ;由离合控制器22控制的自动开关36 ；以及与制动开关36并联的转储电阻器38。通过控制制动开关36，离合控制器22选择性使电流穿过转储电阻器38，由此将过剩的能量作为热量耗散。这反过来又允许离合控制器22在静态转换开关24已将鼠笼式感应发电机14从变压器18脱离时调整鼠笼式感应发电机14的鼠笼式转子的旋转速度。
[0029]离合控制器22响应于三个传感器所提供的测量值而控制静态转换开关24、电容器开关34以及制动开关36，该三个传感器包括:感测变压器电压的变压器侧电压传感器40 ;感测发电机电压的发电机侧电压传感器42 ;以及感测发电机电流的发电机侧电流传感器44。
[0030]变压器侧电压传感器40设置于静态转换开关24和变压器18之间，使得即便静态转换开关24打开，离合控制器22也能够监视电网15的电压。发电机侧电压传感器42以及发电机侧电流传感器44设置在静态转换开关24和鼠笼式感应发电机14之间，使得即便静态转换开关24已将鼠笼式感应发电机14从变压器18脱离，也能够测量这些量。
[0031]响应于经由变压器侧电压传感器40检测到电压跌落，离合控制器22控制静态转换开关24。由于晶闸管在电流降至一定阈值时自动停止导通，静态转换开关24在下一个电流过零点打开。
[0032]此外，离合控制器22关闭电容器开关34，因此使得能够从激励电容器32上存储的电荷中供应用于发电机激励的电抗性电流。为了维持发电机速度，离合控制器22选择性打开及关闭制动开关36，由此选择性由转储电阻器38耗散能量。
[0033]在三相电路中，每一相将具有一个静态转换开关24。其结果是，一相的静态转换开关24能够独立于其余两个静态转换开关而运行。
[0034]离合控制器22还经由变压器侧电压传感器40感测足以重新接合鼠笼式感应发电机14和电网15的、电网电压的恢复。在感测到这样的恢复后，离合控制器22通过重新同步鼠笼式感应发电机14生成的电压和电网15处的主导电压来开始重新接合程序。通过控制动态制动器30来实现这一点，以将发电机电压和电网电压的相位角对准。尽管鼠笼式感应发电机14的电压幅值可能与此点上电网15的主导电压不一样，但对于每一相，仍可通过使静态转换开关24在其下一个过零点重新接合该相来执行重新同步。
[0035]本发明中描述的风力发电机难以通过注入电抗性电流来参与电网15的电压控制。为了消除这个缺点，一些实施例的特征还在于三相转换器，该三相转换器可用于注入电抗性电流。不需要冷却系统即可达到使这样的转换器仅在电压跌落期间短暂使用的程度。
[0036]前述改造后的结构的优势来自其低成本，而其低成本又源于现有零件的重用。例如，本领域的许多发电机已具有补偿电容器，该补偿电容器可被用作激励电容器32，以用于在电网离合器20已将发电机14从电网15脱离后向发电机14提供激励电流。
[0037]由于其仅需要最小数量的额外的零件，该改造后的结构还比现有技术中的那些更简单。在这种简单性下衍生的可靠性方面，前述改造后的结构还比现有技术中的那些更可
靠 [0038]与已知的结构不同，前述的结构在自激励模式下运行鼠笼式感应发电机14且将其鼠笼式转子的速度维持在划定的界限内。
[0039]在一些实施例中，离合控制器22为一种处理系统，该处理系统执行以软件、硬件或软硬件结合的形式存储在可触知的且非易失性的计算机可读媒介上的离合控制指令。这样的处理系统包括合作以操纵其所包含的正、负载荷子的各种半导体设备。
[0040]离合控制指令合作以执行一种方法,该方法用于响应于来自上面描述的各传感器的测量值而控制多个开关。这样，该方法与一种特别的机器相关联，该机器包括至少前述各开关和传感器。
[0041]前述各开关显然由本领域的技术人员所理解的术语所代表的物质制成。开关的打开和关闭显然为物质的转换。因此，该方法不仅仅限于上面描述的特别的机器，其执行还引起物质的转换。
[0042]已经描述了本发明及其优选的实施例，我们声称是新颖的且由专利保护的是随附权利要求书。
【权利要求】
1.一种风力发电设备，所述设备包括: 风力转子； 变压器； 鼠笼式感应发电机，其具有鼠笼式转子，所述鼠笼式转子由所述风力转子驱动，用于经由所述变压器向公用电网供电；以及 电网离合器，其用于响应于电压跌落而将所述鼠笼式感应发电机从所述电网脱离，以及用于在所述电压跌落期间控制所述鼠笼式转子的速度。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述电网离合器包括 激励电容器； 电容器开关，其用于选择性将所述激励电容器连接至所述定子绕组，以及动态制动器，其与所述激励电容器并联，所述动态制动器包括制动开关，所述制动开关用于选择性向转储电阻器转移电流以耗散能量。
3.如权利要求2所述的设备，进一步包括离合控制器，其用于控制所述制动开关以及所述电容器开关。
4.如权利要求3所述的设备，进一步包括传感器系统，其与所述离合控制器连通，所述传感器系统提供所述离合控制器使用的信息以用于控制所述制动开关以及所述电容器开关。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述电网离合器包括静态转换开关，用于选择性将所述定子绕组连接至所述变压器。
6.如权利要求5所述的设备，进一`步包括离合控制器，用于控制所述静态转换开关。
7.如权利要求6所述的设备，进一步包括传感器系统，用于向所述离合控制器提供用于控制所述静态转换开关的信息。
8.如权利要求2所述的设备，其中，所述电网离合器进一步包括静态转换开关。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述电网离合器进一步包括离合控制器，用于控制所述静态转换开关、所述制动开关以及所述电容器开关。
10.如权利要求9所述的设备，进一步包括传感器系统，其连接至所述离合控制器，用于向所述离合控制器提供用于控制所述静态转换开关、所述制动开关以及所述电容器开关的信息。
11.一种风力发电设备，所述设备包括: 风力转子； 变压器； 鼠笼式感应发电机，其具有鼠笼式转子，所述鼠笼式转子由风力收集表面驱动，用于经由所述变压器向公用电网供电；以及 用于响应于电压跌落而选择性将所述鼠笼式感应发电机与所述公用电网接合以及从所述公用电网脱离的装置；以及 用于在所述电压跌落期间控制所述鼠笼式转子的速度的装置。
12.一种用于使风力鼠笼式感应发电机穿越公用电网上的低电压事件的方法，所述方法包括: 检测低电压事件；响应于所述低电压事件而断开所述鼠笼式感应发电机与所述公用电网的连接；以及 当断开所述鼠笼式感应发电机与所述公用电网的连接时，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流。
13.如权利要求12所述的方法，其中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流包括:选择性使电荷流入所述鼠笼式感应发电机的定子绕组。
14.如权利要求12所述的方法，其中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流包括:选择性使所述鼠笼式感应发电机的鼠笼式转子中感应出电流。
15.如权利要求12所述的方法，其中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流包括:选择性耗散由所述鼠笼式感应发电机生成的电力。
16.如权利要求15所述的方法，其中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流进一步包括:选择性使电荷流入所述鼠笼式感应发电机的定子绕组。
17.如权利要求12所述的方法，其中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流包括: 监视所述鼠笼式感应发电机的电气输出；以及 响应于监视到的电气输出而选择性将电容器连接至所述鼠笼式感应发电机。
18.如权利要求17所述的方法，其中，使所述鼠笼式感应发电机维持具有特定特征的电压和电流进一步包括: 响应于监视到的电气输出而选择性耗散由所述感应发电机生成的电力。
19.如权利要求12所述的方法，`进一步包括: 检测所述公用电网上的线路电压的恢复；以及 作为响应，将所述鼠笼式感应发电机与所述公用电网重新连接。
【文档编号】H02P9/46GK103874851SQ201180072549
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2011年7月29日 优先权日:2011年7月29日
【发明者】彼得·韦氏伯德, 马丁·费舍尔, 德扬·拉察 申请人:美国超导公司