专利名称：：在电网中出现电压暂降的情况下对连接到所述电网的发电设施的变换器进行控制的方法...的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于在电网中出现电压暂降时对连接到所述电网的电力设施的变换器进行控制的方法和系统，该电力设施的类型包括双馈异步型风力发电机。
背景技术：
：在可再生能源中，作为污染性更大的常规能源(例如那些从化石燃料中得到的能源，例如石油、天然气或煤炭)的实际替代能源的最佳候选者，风能一直稳步增长并且受到人们的关注。风力设施数量的增加以及因此造成的连接到电网的风力发电机数量的增加引起了越来越多的问题，这减缓了所述增长。在这些问题之中，最重要的一个问题涉及风力发电机在面对电网电压突变(称为电压暂降)时的运行状态o当前使用最广泛的风力发电机是变速风力发电机，由此已经实现了机器在机械方面受阵风的影响较小，从而产生的电的波动较小，并且可以更加充分地利用能量。具体而言，在这种类型的现有的同步或异步发电机中，为了产生可变的速度，选择第二种，这是由于同步发电机具有各种各样的缺点。同步发电机的缺点之一是，在将所发出的电供应给电网之前，它必需通过电子变换器变换。因此，所述变换器应该具有所需的尺寸，以支持风力发电机的总功率，这导致成本昂贵和体积庞大。它的功率损耗也造成风力发电机的总输出降低。与此相反，异步发电机改善了所述缺点。使用最广泛的异步发电机是双馈异步发电机，其中定子绕组直接连接到电网，而转子经由变换器连接到电网，这允许控制发电机的有功功率和无功功率二者。由于通过转子的功率仅是通过定子功率的一小部分的事实，因此变换器的成本和尺寸较小，并且产生较小的损耗。虽然双馈异步发电机改善了风力发电机的许多特征，但是由于所述双馈异步发电机对电网中可能出现的故障(例如电压暂降)非常敏感的事实，降低了发电设施的鲁棒性。具体而言，连接到发电机转子的功率变换器是系统中的非常易损的部分，原因在于以下事实当电压暂降出现在一条或几条线路上时，出现在所述功率变换器中的电流可能达到非常高的值，乃至毁坏所述功率变换器。这一高电流是在电压暂降期间产生的，并且它是由于发电机的去磁而产生的，直到到达了与所述电压暂降期间存在的电压相对应的磁化新状态为止。在电压暂降期间出现在发电机中的这种瞬态状况产生了过电压，并由此产生了过电流，这在转子中产生了通量，在下文中称为自由通量。在正常情况下，发电机的去磁是在定子的电阻中进行的，其中将磁能转换成热量。利用这种方式，瞬态的持续时间与定子的自然时间常数相关，该时间的数量级典型为一秒或几秒，这些时间足以在电压暂降的情况下损坏乃至毁坏变换器。为了避免发电机变换器受到在电压暂降时出现的这些高电流的影响，典型的解决方案包括加快所述去磁过程，并且保护变换器使其免受由所述自由通量引起的相关过电压和过电流的影响。为了加快该过程，可以在定子或转子中串联或并联连接固定电阻或可变电阻，这减少了去磁时间，或者，使用变换器。使用最广泛的技术(被称为短路器)是以值非常低的电阻的使用为基础的，甚至达到短路，如果在定子或转子中检测到过电流，或者在转子或DC母线中检测到过电压，那么利用晶闸管桥将短路器与转子并联。虽然如此，该技术仍然具有各种各样的缺点，例如，由于所用的电阻值非常低的事实，一方面，去磁时间持续相当长，另一方面，如果发电机继续连接到电网，那么在发电机中会产生过电流，这意味着为了避免这些过电流，在电压返回到其标称值之前需要断开网络上的发电机并不再连接。利用这种方式，变换器以该技术获得了保护，但是要将发电机与网络断开，即使仅仅断开较短的时间段。该技术的应用实例是文献WO200403019中描述的系统，该文献提出在定子绕组与和其相连的电网之间包括电子开关，并且包括并联到定子或转子的去磁元件。所述去磁元件是可变电阻。在该系统中，如果在电压网络中检测到突变，那么将发电机与电网断开并且连接去磁元件。控制该元件，使得发电机连接器的电压与网络的新电压相等，这被称为发电机的磁化状态。利用这种控制，在短时间段内将定子通量设置成为对应于网络实际电压的通量值，从而在将发电机重新连接到网络之前，定子的感应电压与网络电压之间存在通量值及其相位的一致性。如果是这种情况，那么一旦这两个电压相等，就将发电机重新连接到网络并断开去磁元件。该实例除了需要将发电机与网络断开之外，在单相和/或两相电压暂降的情况下还会导致去磁单元的连续连接和断开。根据现有技术，本发明的目的是为公知的风力发电机组提供一种短路器的替代方案，以在电压暂降的情况下控制其运行状态。该备选方案应当保证风力发电机不与其所连接的电网断开，从而克服了在电压暂降时因为将风力发电机与网络断开并将其连接到网络而产生的缺点。具体而言，本发明的目的在于发电设施变换器能够承受电压暂降的偶然情况，而不会被损伤且无需将其断开。
发明内容本发明的目的是在出现电压暂降的情况下控制发电设施的变换器的方法，其克服了前述缺点，适用于包括至少一个连接到电网的诸如风力发电机之类的发电设施，所述发电机是由两个绕组形成的双馈异步发电机，所述两个绕组是直接连接到所述网络的定子中的绕组以及转子中的绕组，在正常情况下，由所述变换器以受控形式为所述转子中的绕组馈电，所述变换器在其上施加了被称为设定点电流的预定电压电流。实质上，该方法的特征在于，在出现电压暂降时，变换器施加新的设定点电流，该新的设定点电流是将被称为去磁电流的新项加在先前的设定点电流上的结果，该去磁电流在转子绕组中产生与自由通量相反的通量，所述自由通量Tsi不是由定子电压的正分量(directcomponent)产生的自由通量，因此降低了变换器连接器中的电压。根据本发明的另一特征，所述去磁电流与发电机定子的自由通量Tsi的值成比例，该值被估计为所述发电机定子中的磁通量的值平s与和定子电压的正分量相关的定子通量的值的差，被称为强制通量^f。针对提供所考虑问题的解决方案的目的，还披露了一种用于实现根据本发明所述的方法的系统，该系统包括至少一个连接到电网的双馈异步发电机，其中在正常情况下，由变换器以受控方式对转子绕组馈电，所述变换器施加被称为设定点电流的预定电压电流，其中所述变换器由控制单元控制。实质上，该系统的特征在于所述控制单元包括辅助模块，该辅助模块包括第一单元，用于估计定子通量的值；第二单元，用于在网络中出现电压暂降时估计与定子电压的正分量相关的定子通量，其被称为强制通量；第三单元，其计算定子通量与先前估计的强制通量之间的差值；第四单元，即乘法器，其将先前计算的差值乘以因子K2，以产生去磁电流；以及第五单元，其用于求先前的设定点电流的值与先前计算的去磁电流的值之和。根据本发明的另一特征，因子K2小于1。附图以非限制性示例的方式示出了本发明的系统和方法的优选实施例。在所述附图中图1是常规发电设施的控制的示意图2是执行根据本发明的方法的系统的方框图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f和图3g分别是在出现三相电压暂降的情况下根据现有技术的示例性风力发电机中出现的主要电气变量的发展变化的曲线图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f和图4g分别是在出现两相电压暂降的情况下根据现有技术的示例性风力发电机中出现的主要电气变量的发展变化的曲线图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f和图5g分别是在出现三相电压暂降的情况下且在应用根据本发明的控制方法的情况下示例性风力发电机中出现的主要电气变量的发展变化的曲线图；以及图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f和图6g分别是在出现两相电压暂降的情况下且在应用根据本发明的控制方法的情况下示例性风力发电机中出现的主要电气变量的发展变化的曲线图。具体实施例方式连接到电网的大多数风力发电机包括双馈异步发电机11。所述发电机含有两个绕组，艮P,直接连接到网络8的定子中的绕组、和转子13中的绕组，为该转子13提供变换器22，在正常情况下变换器22以受控形式为发电机1馈送电流，这允许调节发电机1的有功功率和无功功率二者。如图1示意性所示，控制单元7以常规方式执行变换器22的控制，控制单元7利用期望的有功功率P'和无功功率Q'向转子绕组13施加期望的转子电流或设定点电流4b(参见图2)。所述控制单元7还包括被称为控制环的部分，具体而言为电流环，其对设定点电流4b和实际电流4a进行连续比较，以便使电流调节器向变换器22施加精确电压Vr，从而消除两个电流之间的差异。在这种特定情况下，根据图2示意性示出的本发明的方法，在出现电压暂降的情况下，在经计算用于获得期望的有功功率和无功功率的设定点电流4b(也称为功率设定点电流)处，向其添加一项以降低变换器连接器22中的电压。在下文中，将这个新项称为去磁电流4c。具体而言，如所述图2的实例所示，在出现电压暂降时，变换器22施加的转子电流值是将与所谓的自由通量vi/si同相的去磁电流4c加在设定点电流4b上所得的结果，自由通量v|/si是在异步发电机11中存在的自由通量，并且它不是由定子电压的正分量引起的。利用这种方式所计算的去磁电流4c在转子绕组13中产生与所述自由通量^i相反的通量，因此降低了变换器连接器22中的电压。在网络8中出现电压暂降状况期间，电流环将实际电流4a与新的设定点电流4b'进行比较，新的设定点电流包括与自由通量i|/si同相的去磁电流4c。该去磁电流4c允许使异步发电机11的转子的瞬态感应中的所有或大部分电压下降，这降低了变换器22看到的电压，从而不会超过所述变换器22的最大值。同一图2所示的图示出了实现本发明的前述实施例的变体，其在控制单元7中包括辅助模块70，该辅助模块70具有-第一单元71，用于估计定子通量vj/s的值；-第二单元72，用于估计与定子电压的正分量相关的定子通量，其被称为强制通量1|%;-第三单元73，其计算先前分别在第一单元和第二单元中估计的定子通量(i(/s)和强制通量(\|/Sf)之间的差值；-第四单元，即乘法器，其将先前计算的差值乘以因子K2，以产生去磁电流4c;以及-第五单元，其用于求设定点电流的值与先前计算的去磁电流的值之和。对于所述总通量^和强制通量v|%的值，可以根据定子电流和转子电流并使用现有技术中的公知方法来获得前者，同时对于三相电压暂降的情况，可以利用下面的表达式来估计后者的模，即强制通量的模，该模与定子电压的正分量相关在式中，is是定子电流；W是网络电压的频率；Rs是定子电阻；Vs是定子电压；^f是所述强制通量。在不对称电压暂降(单相和两相)的情况下，网络电压8含有逆分量，其使得在异步定子发电机1中出现与所述分量相关的通量。为了降低变换器连接器22中的电压，去磁电流4c也必需与所述通量相反。在这些情况下，先前为单元72提供的表达式不再有效，这是因为它没有考虑到网络电压的逆分量。可能的选择是利用现有技术中公知的滤波技术分成两个分量，即构成网络8的电压的正分量和逆分量。对于第三单元73，它包括比较器，该比较器负责产生先前分别在第一单元和第二单元71和72中估计的定子通量和强制通量之间的差值。该差值结果提供了发电机定子1的所述自由通量Ai的值，然后将其乘以常数Kl(Lm/Ls，其中Lm是发电机1的互感，而Ls是发电机定子1的电感)以获得发电机转子的自由通量的值。在第四单元74中，将获得的值乘以常数K2，该常数K2是出于所述目的为乘法器提供的。最终获得的值是去磁电流4c的值，其与自由通量成比例，但符号相反，将其加到设定点电流4b来确定去磁电流4c的值。使该去磁电流4c超前90。到由发电机l的所述自由通量感应的电压。与在转子13内循环的去磁电流4c相关的分量在转子13中感应出与所述自由通量相反的额外通量，从而降低了在变换器连接器22中感应的电压。通过引入去磁电流4c的正确值，可以避免变换器的最大允许电压。如果是这种情况，就保护了变换器22，不必对其进行去活，因此不必将发电机1与网络8断开。应用实例作为应用实例，下面我们描述在使用具有可变电阻的短路器(crowbar)9(现有技术中的一种典型技术)的情况下且在使用本发明提出的技术的情况下1.5MW风力发电机的运行状态。针对电网中最常见的电压暂降类型即由于网络相中的两相短路而造成的三相电压暂降和两相电压暂降，分析发电机的运行状态。所述发电机1包括具有下列特征的绕线式转子异步发<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>在如下所述的所有情形中，所述发电设施的整流变换电路的变换器22利用1200V的DC母线电压进行工作。利用具有可变电阻的短路器进行保护在电压暂降的情况下，当转子电流或DC母线的电压超过某一水平(在实例中分别为1130A或1300V)时，短路器被激活，通过时变电阻使转子13短路。图3a到图3g表示在80%的三相电压暂降的情况下变量的发展变化。图6a描绘了网络8的电压的有效值，注意观察在时刻t=0.25s处出现的电压暂降。接下来，图3b、图3c和图3d分别示出了定子、转子和变换器22中的电流有效值的发展变化。在出现电压暂降的时间点处，这三个电流开始迅速升高。当转子电流超过预设值时，控制单元7激活短路器，并且转子电流开始经过短路器。通常，在短路器激活时，变换器被去活，并且它的电流被抵消，如图3d所示，利用这种方式保护了变换器，从而不会在转子中出现高达3500A的过电流。在图3e中，我们可以观察到由短路器施加的电阻值。常规上，使持续时间约为100ms的预编程电阻跟随短路器。，一旦过去该时间，就去活该短路器，停止驱动，转子电流然后开始重新经过被重新激活的变换器。另一方面，图3f示出了变换器的DC母线电压的发展变化，图3g示出了发电机l的扭矩的发展变化，其中可以观察出在短路器激活的时间内，产生的最大扭矩(扭矩浪涌)是发电机1的标称扭矩的2.5倍。图4a到图4g表示在80%深度的两相电压暂降情况下的各种电气变量的发展变化。在这种情况下，除了出现类似于先前情况的过电流和扭矩浪涌之外，在图4g中，我们可以清楚地看出，在整个电压暂降期间应当如何相继地连接和断开所述短路器以保护整流变换电路2的变换器，这与先前的情况不同，在先前的情况中仅激活短路器一次。这意味着将要在整个电压暂降期间去活变换器，从而失去对发电机1的控制。如本发明的
背景技术：
所述，对于电网8的稳定而言，不希望出现这种运行状态。通过引入去磁电流4c来进行保护在这种情况下，发电机1使电流4b'在转子中循环，该电流4b'包括与去磁电流4c相关的分量，引入该去磁电流4c来降低发电机1的通量并利用这种方式降低整流变换电路的变换器连接器中出现的电压。按照图2所示的方法来计算去磁电流4c，其中首先计算定子的总通量平s，随后或同时根据定子中的电压和电流并利用下面的表达式来计算强制通量Tsf:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>这个表达式允许将保护技术用于三相电压暂降和不对称电压暂降。引入由此在减法单元72中计算的强制通量的值，获得自由通量之和以及与电压逆分量相关的通量的二倍之和。然后，将该结果乘以常数K1-Lm/Ls(在该实例中等于0.94)以获得转子通量的值。最后，将该最后的通量乘以等于0.5的因子K2，获得去磁电流4c，K2是为了补偿所有逆通量和一半的自由通量而计算的。图5a到图5g示出了在出现80%的三相电压暂降时发电机1的各种电气变量的发展变化。图5a表示电网8的电压的有效值。在时刻1=0.253处，出现了三相电压暂降，这使得电压下降到其标称值的20%。图5b和图5c分别示出了定子和转子中电流的有效值的发展变化(在这种情况下，其与变换器中的相同)。如前一种情况下描述的附图那样，在出现电压暂降时，电流开始迅速增加。图5d和图5e示出了设定点电流4b和去磁电流4c，二者加在一起给出了新的设定点电流4b'，使该新的设定点电流4b'在发电机l的转子中循环。将电流沿轴d和q分解。瞬间消除设定点电流以方便对发电机1的控制。可以观察到去磁电流的频率在50Hz左右。这是因为所述电流与自由通量成比例的事实，在三相电压暂降的情况下，转子将自由通量看作是转子旋转的旋转通量，在该图的情况下，频率为60Hz。在图5f中，示出了变换器的DC母线上的电压的发展变化。图5g示出了在电压暂降的第一时刻产生的最大扭矩(扭矩浪涌)是如何小于利用短路器获得的最大扭矩的，在这种情况下后者为标称扭矩的1.5倍。图6a到图6g类似于前述的附图，只是它们对应于深度为80%的两相暂降。可以观察出，与使用短路器9的情况不同，基于本发明的方案是如何也对两相暂降起作用的，从而将电流和电压保持在对各种系统部件不构成危险的值。还应当强调的是，与三相暂降的情况相比，流经发电机的转子13的去磁电流4c的频率在两相暂降的情况下较大，如图6e所示。原因在于，在不对称电压暂降(单相或双相)中出现了逆通量，转子13将该逆通量看作是频率等于转子13的旋转频率与电网8的频率之和的旋转通量，在该实例的情况下，频率为110Hz=60Hz+50Hz。权利要求1、一种在电网(8)中出现电压暂降的情况下控制包括至少一个连接到所述电网(8)的诸如风力发电机之类的发电机(1)的发电设施的变换器(22)的方法，所述发电机是由两个绕组形成的双馈异步发电机(11)，所述两个绕组是直接连接到所述网络的定子中的绕组以及转子(13)中的绕组，在正常情况下，由所述变换器以受控形式为所述转子(13)中的绕组馈电，所述变换器在其上施加了被称为设定点电流(4b)的预定电压电流；其特征在于，在出现电压暂降的情况下，所述变换器施加新的设定点电流(4b′)，所述新的设定点电流(4b′)是将被称为去磁电流(4c)的新项加在先前的设定点电流上的结果，该去磁电流(4c)在转子绕组中产生与自由通量相反的通量，所述自由通量Ψsi不是由定子电压的正分量产生的自由通量，因此降低了变换器连接器中的电压。2、根据前一权利要求所述的方法，其特征在于所述去磁电流(4c)与发电机定子的自由通量Ai的值成比例，该值被估计为所述发电机定子中的磁通量的值A与和定子电压的正分量相关的定子通量的值的差，被称为强制通量^sf。3、用于实现根据权利要求1所述的方法的系统，尤其适用于包括至少一个连接到电网(8)的双馈异步发电机(11)的发电设施，其中在正常情况下由变换器(22)以受控形式为转子绕组(13)馈电，所述变换器(22)施加了被称为设定点电流(4b)的预定电压电流，其中所述变换器(22)由控制单元(7)控制，其特征在于所述控制单元包括辅助模块(70)，所述辅助模块(70)包括第一单元(71)，用于估计定子通量(i|/s)的值；第二单元(72)，用于在网络中出现电压暂降时估计与定子电压的正分量相关的定子通量，被称为强制通量(vj/Sf);第三单元(73)，其计算所述定子通量(？s)和先前估计的强制通量(甲sf)之间的差值；第四单元(74)，其将先前计算的差值乘以因子K2，以产生去磁电流(4c);以及第五单元(75)，用于求所述设定点电流(4b)与先前计算的去磁电流(4c)的值之和。4、根据前一权利要求所述的系统，其特征在于K2小于1。全文摘要在电网中出现电压暂降的情况下对包括至少一个连接到所述电网的诸如风力发电机之类的发电机的发电设施的变换器进行控制的方法和系统，该发电机是由两个绕组形成的双馈异步发电机，所述两个绕组是直接连接到电网的定子中的绕组以及转子中的绕组，在正常情况下，由变换器为所述转子中的绕组馈电，该变换器在其上施加了被称为设定点电流的预定电压电流。在出现电压暂降的情况下，变换器施加新的设定点电流，该新的设定点电流是将去磁电流加在先前的设定点电流上的结果，该去磁电流在转子绕组中产生与自由通量相反的通量，从而降低了变换器连接器中的电压。文档编号H02P27/04GK101351958SQ200680049578公开日2009年1月21日申请日期2006年12月27日优先权日2005年12月30日发明者E·古比比利亚沃纳,J·洛佩斯塔韦纳,L·M·马罗约帕洛莫,P·桑奇斯古皮德申请人:那瓦拉公立大学