具有故障穿越能力的发电系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总地涉及电能转换，并且更具体地说，涉及用于连接在电网上的、具有低的惯性力矩的小型发电机组的故障穿越能力的系统和方法，小型发电机组以。
【背景技术】
[0002]在传统的电力系统中，大部分电功率是在大型集中化的设施中产生的，例如化石燃料(以煤、燃气为动力的)电厂、核电厂或水力电厂。这些传统的电厂具有优良的规模经济性，但通常长距离传输电力，并可能影响环境。分布式能源(DER)系统是小型发电机组(通常在3kW至10，OOOkff的范围内)，其用于为传统电力系统提供一种备选或增强。小型发电机组可被例如小型燃气发动机、柴油机和/或风力涡轮驱动。DER系统减少了传输电力的能量损失量，因为电力产生地非常靠近其使用地。DER系统还减少了必须建造的电力线路的尺寸和数量。然而，由于利用小型发电机组进行分布式发电的日益增长的趋势，许多电网规范需要小型发电机组提供增强的能力，例如故障电压穿越能力。
[0003]当在电力系统中发生故障时，系统中的电压可在很短的期间(通常小于500毫秒)下降极大的量，直至清除故障。故障可为由于至少一个相导体被接地(接地故障)或由于两个或多个相导体的短路而造成的。这些类型的故障可发生在闪电和风暴期间，或者由于传输线路意外被接地而造成的。故障可导致极大的电压下降事件。在过去，在这些无意造成的故障和大功率干扰的情况下，无论何时发生电压下降，使小型发电机组跳脱线路是可接受的且合乎需要的。在小型发电机组的穿透水平较低时这样的操作对于电力供给没有实际的损害影响。然而，随着电力系统中的小型发电机组的穿透水平的增加，需要这些小型发电机组保持在线，并穿越这种低压状况，并且与电网保持同步，从而能够在清除故障之后继续为电网供给功率。这与应用于大型发电机组的要求是相似的。
[0004]因此,需要确定一种将解决如述问题的方法和系统。
【发明内容】
[0005]根据本技术的一个实施例，提供了一种发电系统。这种发电系统包括发电机，其以机械的方式联接在发动机上，以产生电功率。发电系统还包括连接在发电机和电网之间的故障穿越系统。故障穿越系统包括与固态开关并联连接的机械开关，以及用于协调地控制机械开关、固态开关和发动机点火的控制器。
[0006]根据本技术的另一实施例，提供了一种将电功率从发电系统供给电网的方法。发电系统包括连接在发电机和电网之间的故障穿越系统，其中故障穿越系统包括与固态开关并联连接的机械开关。该方法包括当检测到故障时控制机械开关断开，并且如果在预定的时间之前清除了故障则闭合机械开关，并且在机械开关断开之后通过固态开关为发电机电流提供旁路路径。该方法还包括与固态开关协调地控制发动机的点火，发动机联接在发电机上。
[0007]技术方案1.一种发电系统，包括: 发电机，其以机械的方式联接在发动机上，以产生电功率；
故障穿越系统，其连接在所述发电机和电网之间，所述故障穿越系统包括:
机械开关，其与固态开关并联连接；和
控制器，其用于协调地控制所述机械开关、所述固态开关和所述发动机的点火。
[0008]技术方案2.根据技术方案I所述的系统，所述发动机包括燃气涡轮或燃气发动机或风力涡轮。
[0009]技术方案3.根据技术方案I所述的系统,所述控制器配置成产生第一控制信号来控制所述发动机的点火，产生第二控制信号来控制所述机械开关，并产生第三控制信号来控制所述固态开关。
[0010]技术方案4.根据技术方案3所述的系统，所述控制器配置成当检测到电网故障状况时产生所述第一控制信号来部分地或完全地切断所述发动机的点火。
[0011]技术方案5.根据技术方案4所述的系统，所述控制器配置成当检测到电网故障状况时产生所述第二控制信号来断开所述机械开关，并且在所述机械开关断开之前产生所述第三控制信号来闭合所述固态开关，从而在所述机械开关断开时提供旁路路径。
[0012]技术方案6.根据技术方案5所述的系统，所述控制器配置成如果在预定的时间之前清除了故障状况，就接通所述机械开关并切断所述固态开关。
[0013]技术方案7.根据技术方案6所述的系统，所述控制器配置成如果在所述预定的时间之后没有清除故障状况，并且所述发电机停止下来，就保持所述机械开关和所述固态开关处于不导通状态。
[0014]技术方案8.根据技术方案4所述的系统，所述控制器配置成基于输入信号来检测故障状况。
[0015]技术方案9.根据技术方案8所述的系统,所述控制器基于所述输入信号来控制所述发动机的点火。
[0016]技术方案10.根据技术方案9所述的系统,所述输入信号包括电压信号或电流信号或发电机功率信号或速度信号或转子角度信号或发动机功率或发动机转矩或任何其组口 ο
[0017]技术方案11.根据技术方案I所述的系统，所述固态开关包括集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或用于交流的三极管(TRIAC)。
[0018]技术方案12.—种将电功率从发电系统供给电网的方法，所述发电系统包括连接在发电机和所述电网之间的故障穿越系统，所述故障穿越系统包括与固态开关并联连接的机械开关，所述方法包括:
当检测到故障时控制所述机械开关断开，并且如果在预定的时间之前清除了故障就闭合所述机械开关；
在所述机械开关断开之后通过所述固态开关为发电机电流提供旁路路径；且与所述固态开关协调地控制发动机的点火，所述发动机联接在所述发电机上。
[0019]技术方案13.根据技术方案12所述的方法，所述发动机包括燃气涡轮或燃气发动机或风力涡轮。
[0020]技术方案14.根据技术方案12所述的方法，还包括当检测到故障时，部分地或完全地切断所述发动机的点火达规定的时间。
[0021]技术方案15.根据技术方案14所述的方法，包括如果在预定的时间之前清除了故障状况就切断所述固态开关。
[0022]技术方案16.根据技术方案15所述的方法，还包括如果在预定的时间没有清除故障，并且所述发电机停止下来，就切断所述机械开关和所述固态开关。
[0023]技术方案17.根据技术方案12所述的方法,基于输入信号而检测故障。
[0024]技术方案18.根据技术方案17所述的方法,基于所述输入信号而控制所述发动机的点火。
[0025]技术方案19.根据技术方案18所述的方法,所述输入信号包括电压信号或电流信号或发电机功率信号或速度信号或转子角度信号或发动机功率或发动机转矩或任何其组合。
[0026]技术方案20.根据技术方案12所述的方法，所述固态开关包括集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或用于交流的三极管(TRIAC)。
【附图说明】
[0027]当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优势，其中在所有附图中相似的标号表示相似的部件，其中:
图1是刚好在故障之前、故障期间和刚好在故障之后的电网规范所限定的电压分布的曲线图；
图2是发电系统的简图，其连接在电网上，并利用了根据本公开的各方面所述的故障穿越系统；且
图3(a)_3(e)是根据本公开的各方面所述的故障穿越操作的各个阶段的简图。
[0028]部件列表:
10示例电网规范电压分布的曲线图
12水平轴
14竖直轴
16故障前电压
18故障时电压
40发电系统
42发电机
44电网
46故障穿越系统 48变压器 50传输线路 52固态开关 54机械开关 56控制器 58输入信号 60原动机/发动机 62连接点(POC) 70发电机电流。
【具体实施方式】
[0029]如以下详细论述的那样，本发明的实施例用于提供一种用于连接在电网上的、具有低的惯性力矩的小型发电机组的故障穿越能力的系统和方法。
[0030]图1显示了在发电机至电网的连接点(POC)上的电网规范电压分布的一个示例的曲线图10。某些电网管理局期望，如果在POC上的电压高于所示的电压分布，则发电机不应脱离电网。然而，这是一种示例性的情形，并且电压分布的要求可因国家或电网管理局而不同。曲线图10显示了水平轴12和竖直轴14，水平轴12代表以毫秒为单位的时间，并且竖直轴14代表以额定电压的百分比为单位的电压。故障发生在O毫秒时。在故障之前，系统处于稳定状况，所以在P0C，即在O毫秒之前的故障前电压16是100%或I个单位。由于电网中的故障，在O毫秒处的电压18在故障开始时下降到低至5%。应该注意的是，在POC处的电压降依赖于故障至POC的距离、故障阻抗、故障类型、电网特性等等。在一个实施例中，电压可低于5%，或者在另一实施例中，电压可大于5%。
[0031]当电压下降至图1中所示的水平时，可能发电机不能在低电压状况期间为电网输出全部功率。如果同时原动机继续传递恒定的机械动力给发电机的话，那么这将导致发动机-电动机的旋转质量的加速，并且转子速度将增加。转子速度的增加将导致同步发电机转子角度的过度增加，这可导致失去同步性。因此，发电机将跳脱，并且不满足电网规范要求。
[0032]图2显示了发电系统40，其利用根据本发明一个实施例的故障穿越系统46而连接到电网44上。发电系统40包括原动机60和连接在电网44上的发电机42。在一个实施例中，发电机42具有小的额定功率，例如小于10MW。此外，发电机以机械的方式联接在原动机60上,原动机60可为涡轮或发动机。在一个实施例中，发动机60包括燃气涡轮或燃气发动机或风力涡轮。在某些实施例中，发电机42将通过功率电子转换器(未显示)而联接到电网44上，并且在其它实施例中，发电机42将在没有任何功率电子转换器的条件下而联接到电网44上。发电机42通过故障穿越系统46、变压器48和传输线路50而连接到电网44上。应该注意的是，图2中所示的布置仅仅是出于举例的目的；并且在另一实施例中，故障穿越系统46可连接在变压器48和电网44之间。应该注意的是，出于容易示出的目的，图2显示了电网系统的单线图。故障穿越系统46包括固态开关52、机械开关54和控制器56。故障穿越系统46与发电机42串联连接,而固态开关52与机械开关54彼此并联连接。在一个实施例中，