风力发电系统和电力转换器的控制方法

专利名称：风力发电系统和电力转换器的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种向电力系统供电的发电系统，特别涉及一种风力发电 系统。
背景技术：
用于发电系统的二次励磁发电机(绕组式感应发电机)，通过使用电 力转换器对转子绕组以转差频率进行激励，从而可以向定子侧输出频率与 系统频率相同的交流电压，能够可变地控制转数。另外，使用二次励磁发 电机的发电系统具有以下优点可以使电力转换器的容量小于发电机容
然而，如果电力系统发生接地故障等电压降低的情况，二次励磁发电 机会动作而向故障点提供电流。这时，由于二次绕组上感生过大的电流， 与二次侧连接的励磁用电力转换器流有过大的电流，所以为了应对它，使 用使电力转换器的元件容量加大到与发电机的额定容量等同的程度或更 大的程度，或者设置使二次绕组短路的交流电抗等的方法。
目前，二次励磁发电机主要用于大规模发电系统，如果系统发生大规 模停电，会使用以下运行方法使电力转换器暂时停止，在系统电压恢复 正常之后再行起动。
专利文献1:特开平11-18486号公报
在欧洲等地，已经制定了一种规格，当系统出现故障时，风力发电系 统不与系统分离，并在系统故障中提供无效电流。系统运用者不断要求， 在系统电压降低的过程中控制无效电流并向电力系统提供的技术。如此， 通过在系统电压降低的过程中控制无效电流并向电力系统提供，非常利于 电力系统电力的稳定。
在使用二次励磁发电机的现有风力发电系统中，如果电力系统中发生
6电力降低等故障，使电力转换器停止，在电力系统的电压恢复之后，电力 转换器再次起动。这种控制方法存在的问题是在系统故障中，无法向电 力系统提供无效电流。

发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电系统，可以在系统故障中，向电 力系统提供无效电流。
本发明的特征之一是，在具备二次励磁发电机的风力发电系统中，在 系统故障中，在检测出定子电流减少之后，重新起动电力转换器，从而即 便在系统故障中，发电机也可以向电力系统输出无效电流。
根据本发明，可以提供一种风力发电系统，能够在系统故障中向电力 系统提供无效电流。


图1是电力系统和风力发电装置的电路构成的说明图。
图2是风力发电装置的构成说明图。 图3是转换器INV的构成图。 图4是转换器CNV的构成图。 图5是整流装置212的构成图。
图6是表示转换器CNV的控制的实施方法的说明图。
图7是表示转换器INV的控制的实施方法的说明图。
图8是相位检测器THDET的说明图。
图9是表示整流装置212的控制的实施方法的说明图。
图IO是切换器SW的说明图。
图11是表示运行模式的状态迁移说明图。
图12是表示通常运行时运行动作的说明图。
图13是表示异常检知时运行待机动作的说明图。
图M是表示系统异常时运行动作的说明图。
图中100—电力系统，200 —风力发电装置，201—发电机，202 —风 车，203 —风车控制装置，204—转换器，205 —转换器控制装置，206 —断路器，207—变压器，Qref—无效功率指令值，Pref—有效功率指令值，Run 一运行/停止指令值，PitcM—倾斜度指令，PTs、 PTg—电压检测器，Vs
一系统电压检测值
具体实施例方式
保护二次励磁发电机的励磁用电力转换器，不受系统扰乱所带来的过 电流的影响，进而将实现持续运行这一动作，作为是在消除发电机的系统 故障所带来的影响之后恢复运行。此外，在系统电压低于规定值的情况下， 通过用根据电压降低前的频率计算相位检测器的检测相位这一手段来实现。
用图1和图2，对本发明一实施例的装置构成(单线连线图)进行说 明。风力发电装置200，通过输电线与电力系统100连接。
风力发电装置200主要由以下部分构成发电机201、风车202、风 车控制装置203、转换器(converter:励磁装置)204、转换器控制装置205。
风车202，与发电机201的转子(通过齿轮等)机械连接。发电机201 的转子绕组，与转换器204电连接，此外，发电机201的定子通过断路器 206和变压器207等，与电力系统电连接。
风车控制装置203，进行风速检测和风车202的倾斜度控制、有效功 率指令值的运算和有效功率指令值Pref的输出、运行/停止等指令值Run 的输出、无效功率指令值Qref的传送等。
上述无效功率指令值Qref、上述有效功率指令值Pref、上述运行/停止 等指令值Run的各种指令值，被传送至转换器控制装置205。
转换器控制装置205，按照指令值控制转换器204，控制发电机201 与系统之间的电力(有效功率、无效功率)。此外，它还具有检测系统电 压低下和检测发电机定子电流的直流成分与交流成分出现过电流等故障 的功能，具备在检出故障时对转换器控制的运行模式进行变更的功能等。
下面，利用图2至图5，详细说明风力发电装置200。发电机201定 子侧的3相输出，与可通过外部信号Sgl开关的例如电磁接触器208的二 次侧连接。此外，电磁接触器208的一次侧，与第二电磁接触器209的一次侧连接。电磁接触器209的二次侧，经过由电容器Cn、电抗器(reactor) Ln构成的交流滤波电路，与转换器CNV连接。
转换器CNV的直流电路210，与转换器INV的直流电路210连接， 上述转换器INV的交流输出，通过电抗器Lr等与发电机201的转子绕组 电连接。此外，电磁接触器208的一次侧经断路器206和变压器207与电 力系统连接。
此外，将整流装置212，与上述励磁用转换器INV经电抗器Lx并联 连接。整流装置212，由整流器DOD和能量消耗装置CHP构成。整流器 DOD与发电机Gen的二次侧绕组端子连接。上述整流器DOD，其直流成 分包括电容器Cx。上述整流器DOD与上述电力转换器的直流成分210连 接，此外还与由半导体开关和电阻R构成的能量消耗装置CHP连接。
上述断路器206，例如为了保护风力发电机200，具备在电流持续过 大时断开断路器来切断电流的功能，和使风力发电机200完全停止来从系 统电分离的功能。
发电机侧转换器INV和系统侧转换器CNV，使用例如半导体开关元 件(可控硅、GTO、 IGBT、 MOS、 SiC等)构成，具有将交流转换成直流 或将直流转换成交流的功能。
此外，在上述系统侧转换器CNV的交流输出端子上，设置由电抗器 Ln和电容器Cn构成的衰减高频波电流、高频波电压的交流滤波器。
发电机201的转子上，经齿轮等与风力发电用的叶片连接，接受风力 并旋转。此外，转子与检测出旋转位置的例如编码器等的位置检测器211 连接，输出位置信号PLr。
下面，说明用来控制发电电力的布线和装置。断路器206的二次侧的 三相电压和三相电流，分别通过电压检测器PTs、电流传感器CTs，将其 值转换成低电压的系统电压检测值Vs、低电压的电流检测信号Is，上述低 电压的系统电压检测值Vs和Is被输入到转换器控制装置205。
此外，电磁接触器208的二次侧(电磁接触器208与发电机201的定 子之间)的电压，通过电压检测器PTg将其值转换成低电压的信号Vg， 并输出至转换器控制装置205。
与上述转换器INV、 CNV直流部210连接的电容器Cd的电压，由电压传感器转换成低电压的直流电压信号Edc，直流电压信号Edc被输入至 转换器控制装置205。
此外，转换器INV的输出电流Ir由电流传感器CTr检测出来，转换 器CNV的输出电流In由电流传感器CTn检测出来，电流检测值Ir和In 被传送至转换器控制装置205。
此外，风车控制装置203具有通信功能等，向转换器控制装置205发 送运行/停止指令值Run、有效功率指令值Pref、无效功率指令值Qref等 各种指令值，或检测出风车或系统的状态量与外部进行通信。
此外，转换器控制装置205，用信号Sgl、 Sg2分别控制电磁接触器 208、 209。此外，还输出对由半导体开关元件构成的转换器INV、 CNY 分别进行驱动控制的脉冲信号P一INV、 P_CNV。此外，转换器控制装置 205，利用信号P—CHP会控制整流装置212。
图3表示转换器INV的构成。转换器INV，由半导体元件等构成。这 里表示的是三相转换器的构成，由半导体元件(IGBT) Sll、 S12、 S21、 S22、 S3K S32构成。元件Sll、 S12构成U相的上下臂；元件S21、 S22 构成V相的上下臂；元件S31、 S32构成W相的上下臂。
通过导通和关断这些半导体元件，可以在交流端子产生三相交流电 压，通过调整该交流电压，可以控制输出的电流Ir。
用来导通和关断半导体元件的闸极(gate)信号P—INY，由转换器控 制装置205提供。闸极信号P一INV的注脚U，表示U相的信号P—INV一U， P_INV_V表示V相的闸极信号，P一INV一W表示W相的闸极信号。
U相的下臂元件S12的闸极信号，被输入上臂元件S11的反相信号(即 Sll导通时，元件S12关断)，同样，对于V相、W相的上下臂，下侧臂 被输入上侧臂的反相信号。为了形成反相信号，使用反相器NOT。虽然为 了构建上下臂短路防止期间，在闸极电路内，对闸极信号S11至S32附加 了被称为空载时间(deadtime)的期间，但在此予以省略。
为了停止半导体元件的导通与关断，使用了闸极封锁(gate block)信 号GB。该闸极封锁信号GB与脉冲信号P—INY —起被输入AND电路， 由于闸极停止时GB= "0"，所以这时半导体元件S11 S32与脉冲信号 P INV无关，全部都是关断状态。下面，图4表示转换器CNV的构成。转换器CNV由半导体元件等构 成。这里表示的是三相转换器的构成，由半导体元件(IGBT) 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S61、 S62构成W相的上下臂。
通过导通和关断这些半导体元件，可以在交流端子产生三相交流电 压，通过调整该交流电压，可以控制输出的电流In。
用来导通和关断半导体元件的闸极信号P—CNV，由转换器控制装置 205提供。闸极信号P一CNV的注脚U表示U相的信号P一CNV—U， P一CNV一V表示V相的闸极信号，P一CNV—W表示W相的闸极信号。
U相的下臂元件S42的闸极信号，被输入上臂元件S41的反相(即 S41导通时，元件S42关断)，同样，对于V相、W相的上下臂，下侧臂 被输入上侧臂的反相信号。为了形成反相信号，使用反相器NOT。为了构 建上下臂短路防止期间，虽然在闸极电路内对闸极信号S41至S62附加了 被称为空载时间的期间，但在此予以省略。
为了停止半导体元件的导通与关断，使用了闸极封锁信号GB。该闸 极封锁信号GB与脉冲信号P一CNV —起被输入AND电路，由于闸极停止 时GB二"0"，所以这时半导体元件S41 S62与脉冲信号P一CNV无关， 全部都是关断状态。
图5表示整流装置212的构成。整流器DOD由半导体元件等构成。 这里，整流器DOD表示由二极管Dll、 D12、 D2K D22、 D3K D32构 成的图。二极管整流器的直流成分与电容器C连接，还与能量消耗装置 CHP连接。能量消耗装置CHP,串联连接半导体元件(IGBT) S71和电 阻R，与二极管整流器DOD的直流部连接。
通过导通半导体元件S71 ，可以消耗从三相交流输入到直流部的能量， 防止直流部的过电压。该过电压防止功能，在例如吸收因系统的电压降低 而在发电机转子上产生的过电流的情况等下动作。
用于导通和关断半导体元件SW的闸极信号P_CHP，由转换器控制装 置205提供。
下面，利用图6至图10说明转换器控制装置205的功能。图6表示 转换器CNV的控制构成。转换器CNV，具有将平滑电容器Cd的直流电压Edc控制为恒定的功能。因此，转换器CNV，检测出系统电压检测值
Vs的相位，利用检测出的电压相位控制电流，与系统交换有效功率，控
制直流电压。
如果发电机励磁用转换器INV使用直流电来消耗平滑电容器的能量， 导致直流电压Edc降低，那么系统侧转换器CNV的直流电压控制进行动 作，使用交流电对平滑一电容器Cd进行充电使直流电压Edc保持恒定，相 反，如果电力转换器INV以直流电充电，导致直流电压Edc上升，则电力 转换器CNV的直流电压控制动作，将直流电转换成交流电后放电，使直 流电压Edc保持恒定。
转换器CNV在启动前，输出电磁接触器209的接通指令Sg2，使转 换器CNV与系统连接。
上述系统电压检测值Vs被输入相位检测器THDET和三相变二相转 换器32TRS。上述相位检测器THDET，以例如锁相环路(PLL:Phase Locked Lo叩)方式对跟随系统电压的相位信号THS进行运算，将上述相位信号 THS (THS:将系统U相电压设为正弦波时的相位信号)向三相变二相旋 转坐标转换器3DQ01、 3DQ02、 二相变三相旋转坐标转换器DQ23-01输 出。直流电压指令值Eref与上述直流电压检测值Edc，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)。以使输入的指令值 Eref与检测值Edc的偏差为零的方式，上述直流电压调整器DCAVR调整 输出的p轴电流指令值(电流指令值的有效成分)Ipnstr，向电流调整器 ACR1输出0
三相DQ坐标转换器3DQ01根据输入的电流In，利用式1所示的三 相变二相转换式和式2所示的旋转坐标转换式，计算p轴电流检测值Ipn (电流的有效成分)和q轴电流检测值Iqn (电流的无效成分)，将p轴 电流检测值Ipn向电流调整器ACR1输出，将q轴电流检测值Iqn向电流 调整器ACR2输出。
这里，注脚u、 v、 w表示三相交流电的各相，例如，U相电流In表 记为Inu。以下，电压等也是同样(U相的系统电压检测值Vs是Vsu等)。[式1]
卩<formula>formula see original document page 13</formula>(数2)
上述电流调整器ACR1 ，以使上述p轴电流指令值Ipnstr与上述p轴 电流检测值Ipn的偏差为零的方式，调整输出的p轴电压指令值VpnO，向 加法器301输出。同样，上述电流调整器ACR2，以使q轴电流指令值(=0) 与上述q轴电流检测值Iqn的偏差为零的方式，调整输出的q轴电压指令 值VqnO，向加法器302输出。这里，上述电流调整器(ACR1、 ACR2)， 例如可以由比例积分(PI)控制器构成。
上述三相变二相转换器32TRS,根据输入的系统电压检测值Vs，利 用式3所示的转换式，计算a成分Vsa和(3成分Vs(3，然后利用式4计算 p轴电压检测值(与系统电压矢量一致的相位成分)Vps和q轴电压检测 值(与上述p轴电压检测值Vps正交的成分)Vqs，并将它们分别输出至 上述加法器301、 302。'Va、、Vb,sin(THS) cos(THS) —cos(THS) sin(THS)Vpn、Vqn,(数5)[式6]广Vun、 广 cos(O) sin(O)、Wn 、Vwn乂cos(2兀/3) sin(2兀/3) Vcos(4兀/3) sin(4兀/3)乂Va(数6)上述脉冲计算器PWM1，根据输入的电压指令Vun、 Vvn、 Vwn，利 用脉宽调制方式，计算导通和关断构成上述电力转换器CNV的n个半导 体元件的闸极信号P一CNV，向上述电力转换器CNV输出。此外，根据闸极信号GB判定运行状态，产生PI复位信号(PI:比例 积分调整器)，在GB=0时输出PI复位信号，在GB=1时不输出PI复位 信号。这样，可以在转换器停止的GB-O的状态下，对控制器内的积分器 进行复位，能够在再起动时使积分器保持以前的值，或者防止积分器饱和 之类的状态，使再起动能够可靠执行。下面，利用图7，对转换器INV的控制进行说明。表示发电机的转数和位置的相位信号PLr，被输入旋转相位检测器 ROTDET。旋转相位检测器ROTDET，对相位信号的脉冲PLr进行计数， 并转换成相位信号，同时，每旋转一周用一次的脉冲(例如，ABZ方式的 编码器中为Z相脉冲)将相位信号清0，将没有溢出的0至360度相位信 号RTH输出至加法器303。相位信号RTH和同步控制器SYNC的输出相位信号LTH，由加法器 303相加形成相位信号TH，相位信号TH被与上述相位信号THS (在转换 器CNV的控制中说明过) 一起输入到励磁相位运算器SLDET。上述励磁相位运算器SLDET，将上述相位信号TH与THS相减，然 后乘以发电机的电极对数k倍(THR=k (THS—TH))，输出发电机的转 子的电角频率的相位信号THR。电力运算器PQCAL，利用与上述式1相同的转换矩阵，对系统电流Is进行转换，输入得到的(x轴电流Isou (3轴电流Is(3、用上述式3计算的 a轴电压检测值Vs(x、和P轴电压检测值Vsp，利用式7计算出系统的有 效功率Ps和无效功率Qs。[式7]Ps = 3 (Vs a x Is a +Vs 5 x Is ^ ) /2qs = 3(—Vsa xls^ +VSjS xlsa)/2 "'(数7)有效功率调整器APR,输入有效功率PS和风力发电装置的有效功率 指令值Pref，以使上述有效功率指令值Pref与上述功率检测值Ps的偏差 为零的方式，对输出的电流指令值IpO的有效成分进行输出。这里，虽然 就有效功率指令的例子进行说明，但在矢量指令的情况下，可以进行对矢 量指令乘以发电机的转数来转换成有效功率指令的控制。有效功率控制与 转矩控制不同，即便转数变化，也可以在不受其影响的情况下将输出功率 控制为恒定。此外，无效功率调整器AQR，输入无效功率Qs和风力发电装置的无 效功率指令值Qref，以使上述无效功率指令值Qref与上述功率检测值Qs 的偏差为零的方式，对输出的励磁电流指令值IqO进行输出。这里，上述 功率调整器APR、 AQR，也可以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电流指令值IpO和IqO，被输入切 换器SW。此外，发电机定子电流Ig，被输入至三相旋转坐标转换器3DQ03。三 相旋转坐标转换器3DQ03，利用式1和式2所示的转换式，将其分解为有 效成分电流Ipg和无效成分电流Iqg，并分别输入发电机电流调整器ACRP、 ACRQ。此外，发电机电流调整器ACRP,输入零作为定子有效电流指令值， 以使发电机定子电流的有效成分Ipg为零的方式，计算转子电流指令值 Ip2，输出至切换器SW。此外，发电机电流调整器ACRQ输入定子无效 电流指令值Iqg，以使发电机定子电流无效成分的电流成分Iqg与指令值 一致的方式，计算转子电流指令值Iq2，输出至切换器SW。下面，说明电压调整器AVR。电压调整器AVR将发电机定子电压 Vg的振幅值Vgpk作为反馈值，对系统电压检测值Vs的振幅值将通过滤波器FIL的值Vsref作为指令值输入，以使上述发电机Vg的振幅值与上 述指令值的偏差为零的方式，将励磁电流指令值Iql输出至上述切换器 SW。这里，上述电压调整器AVR例如可以由比例积分控制器构成。该电 压调整器AVR，在电磁接触器208为断开的状态下动作，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，调整从转换器INV流 向发电机201的二次绕组的励磁电流指令值。图IO表示切换器SW的构成。SW决定是否输出以下的哪个模式使 用上述功率调整器APR和AQR的输出(IpO和IqO)的通常发电运行模式； 对有效成分电流指令值使用零、对励磁电流指令值使用电压调整器的输出 Iql的系统同步运行模式；以及，使用对发电机的定子电流进行调整的定 子电流调整器ACRP、 ACRQ的输出(Ip2、 Iq2)的系统事故时运行模式。切换器SW在301接通之前(即在使发电机定子电压与系统电压同步 的电压同步运行时，接通信号SgO-"b")，对有效成分电流指令值使用 零，对励磁电流指令值使用电压调整器的输出Iql，在电磁接触器301接 通之后(接通信号SgO- "a"的状态)，选择各功率调整器APR、 AQR 的输出IpO、 IqO。此外，在进行通常发电时，运行模式MD信号是"1" 的状态，虽然选择了上述接通信号SgO下的指令值切换，但如果成为检测 出系统事故等而变成运行模式MD: "2"的状态，则作为上述定子的电流 调整器ACRP、 ACRQ的输出的Ip2、 Iq2被选择，从切换器SW输出。此外，同步控制器SYNC，具备以下功能在断路器208为断开状态 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， 判定发电机的电压振幅是否同步的功能；进而在系统电压与定子电压相位 不同的情况下，输出用于对其进行修正的相位修正信号LTH的功能；以 及判定系统电压与定子电压的相位是否处于规定范围并且同步的功能，并 且输出断路器的操作信号Sgl和控制切换信号SgO。在通过信号Sgl而使 断路器208处于接通的状态时，上述相位修正信号LTH保持该情况下的 数值。通过上述同步控制器的功能，发电机201可以在连接系统之前，与系 统电压同步，此外，可以在连接系统之后，对功率控制进行迅速的切换控制。三相旋转坐标转换器3DQ04，根据输入的电流Ir和转子的相位THR， 利用式8和式9所示的转换式，计算q轴电流检测值Iqr (励磁电流成分) 和p轴电流检测值Ipr (有效成分的电流成分)，将q轴电流检测值Iqr输 出至电流调整器ACR4，将p轴电流检测值Ipr输出至电流调整器ACR3。[式8]<formula>formula see original document page 17</formula>[式9]<formula>formula see original document page 17</formula>(数8)(数9)上述电流调整器ACR4，以使上述q轴电流指令值Iql或Iq0或Iq2 与上述q轴电流检测值Iqr的偏差为零的方式，调整输出的q轴电压指令 值Vqr。同样，上述电流调整器ACR3，以使上述p轴电流指令值Ipl或 Ip0或Ip2与上述p轴电流检测值Ipr的偏差为零的方式，调整输出的p轴 电压指令值Vpr。这里，上述电流调整器，例如可以由比例积分器构成。上述p轴电压指令值Vpr和上述q轴电压指令值Vqr，被输入二相变 三相旋转坐标转换器DQ23-02,上述二相变三相旋转坐标转换器DQ23-02 根据上述相位信号THR和上述各输入值，利用式10和式11所示的转换 式，计算上述转换器DQ23-02输出的电压指令值Vur、 Vvr、 Vwr，向脉 冲计算器PWM2输出。[式10]<formula>formula see original document page 17</formula>(数IO)<formula>formula see original document page 17</formula>(数11)上述脉冲计算器PWM2，根据输入的电压指令Vur、 Vvr、 Vwr，利用 脉宽调制方式，计算导通和关断构成上述转换器INV的m个半导体元件 的闸极信号PINV，向上述转换器INV输出。下面，利用图8，说明上述相位检测器THDET。相位检测器THDET， 输入系统电压检测值Vs，在三相变二相转换器32TRS中进行式3所示的 运算，转换成二相的电压信号Vsa和Vs(3。旋转坐标转换器ABDQ，输入 上述二相信号Vsa和Vs(3，利用式4所示的坐标转换式，计算Vps和Vqs。 如果计算出的相位THS与系统电压的U相一致，则利用Vqs变成零这一 情况，以Vqs变成零的方式修正相位。为此，将Vqs与零进行比较，生成 频率修正指令OMG0。当从电压降低检测器输入到保持器HOLD的保持 指令HLD表示保持时，输入到保持器HOLD的频率修正值OMG0被忽略， 前一次的频率值被输出。当保持信号不表示为保持时，输入的频率修正值 OMG0倍从保持器中输出。保持器HOLD的输出信号OMGl被输入积分 器，通过在积分器中积分，将频率信号OMGl转换为相位信号THS。相位检测器THDET，具有判定电压振幅，保持频率信号的功能。电 压振幅，根据上述二相的电压信号Vsoc和Vsp的平方和根计算。电压振幅 为通常时的10%以下时，由于电压检测精度低，电压降低检测器为了保持 频率信号，向上述保持器HOLD发送保持频率的保持指令HLD。在因系 统故障而使变压器系统侧的端子电压为零的情况下，在变压器发电机侧 (系统侧)所观察到的电压，在变压器的泄漏部分为10%左右，体系电流 为100%的情况下，出现通常的10%左右的电压。由此，如果在变压器发 电机侧所观察到的电压是10%左右，那么就可以预测整个体系已变为从系 统脱离的状态，所以，在系统电压为通常的10%以下的状态上保持频率。此外，对于为用系统电流Is与变压器207的漏阻抗之积计算出的电压 以下，由于是风力发电系统与系统电源无关而进行动作的单独运行状态， 所以在这种情况下，也要使保持器HOLD动作，输出内部频率信号OMG1 的保持信号。在系统电压降低、在短时间内要再次恢复的情况下，由于恢复时的电 压相位与用故障前的频率推定的相位之间偏差不大，所以，通过将相位设 为根据故障前的频率和故障发生后的经过时间来推定的相位，可以减小系 统电压恢复时的相位偏差。通过上述的频率保持功能，相位检测器即使在 电压降低的情况下，也可以推定相位，减小故障恢复时的相位偏差。下面，利用图9，说明上述整流装置212的动作。在系统扰乱、例如系统电压降低的情况下，电流因感应电压与系统电压的电压差AV而增加AI。这时，如果设二次励磁发电机的绕组比为a，则二次绕组上的电流增 加AI/a。当该AI/a的电流很大时，二次绕组上流入过大的电流。这时，通 过检知过电流，使上述闸极封锁信号GB成为GB=0，从而上述转换器 CNV、 INV会使半导体元件的开关动作停止。这时，由于在发电机的二次 侧，转换器INV与整流装置212经电抗器Lr、 Lx连接，所以流向Lr的电 流Ir和流向Lx的电流Ix按照电抗器之比分流。 [式12]Ir=(AI/a) XLx/(Lr+Lx) '"(数12)被如此分流的电流，使直流部分的电容器Cd和Cx充电，使直流电压 上升。当直流电压上升时，由于构成整流器DOD和电力转换器INV、CNV 的元件和电容器发生绝缘破坏，所以当直流电压超过规定值(例如通常时 的110%)时，上述能量消耗装置CHP起动。因此，如图9所示，在将直 流电压Edc与过电压电平Eref—OV进行比较，而直流电压Edc较大的情况 下，将导通("1")能量消耗装置CHP的IGBT元件的指令P—CHP输出。下面，利用图11至图14，说明图IO所示的运行模式。图11表示状 态迁移图。如图所示，在通常的发电运行模式中，运行模式MD设为"1"， 在电压降低等系统故障等被检知时，运行模式MD设为"2"。下面，利用图12至图14的流程图，表示发生故障时运行状态的动作。 图中的M1至M4，表示通向其它图的流程图的连接点。图12表示通常运行的流程图。首先，当运行开始指令被输入时，开 始以通常运行模式MD4运行。这时，闸极封锁信号GB是GB4，是闸 极封锁解除状态。运行中，不断对发电机定子电流Ig的过电流、转子电流 Ir的过电流、转换器INV的直流电压Edc的过电压进行监视，在检知到异 常时移至异常模式。下面，利用图13，对向异常模式的迁移进行说明。当系统异常被检知 时，首先将闸极封锁信号GB置为GB-O的状态。这样，如上所述，控制 的比例积分调整器被复位，此外，闸极信号P—INV、 P_CNV被忽略，构 成转换器INV和CNV的半导体开关元件全部变为关断状态。此外，计时 器开始动作。接着，对发电机定子电流Ig的过电流、转子电流Ir的过电流、转换器INV的直流电压Edc的过电压、发电机定子电流Ig的直流成 分进行监视，在没有异常、可以运行的情况下，移至下一个运行模式(图14)。这里，虽然表示的是监视发电机电流的直流成分的例子，但此外也 可以通过由发电机电路常数(电阻、电感)所决定的衰减时间常数T0来 判定。在这种情况下，可以使用借助计时器的时间监视，使用计时器值从 TO起经过这一情况，取代对发电机过大电流的异常去除监视。在异常一直持续，旦根据计数器值在经过了恢复等待时间后仍没去除 异常的情况下，移至停止处理，置GB-0，然后断开断路器208和206。 在计数器值没有达到恢复等待时间时，反复进行上述.异常监视和可以运行 的判断。下面，利用图14，对故障去除后的运行模式(MD="2")进行说明。 当故障造成的过电流和过电压被去除，并且已变为可运行的状态时，开始 以故障时运行模式MD-2运行。为此，置闸极信号GB-1。通过置运行模 式MD-2，控制像图IO所说明的那样，切换为发电机定子电流的控制。 以故障时运行模式MD-2开始运行之后，对发电机定子电流Ig的过电流、 发电机转子电流Ir的过电流、发电机定子的直流成分衰减、转换器INV 的直流电压过电压进行监视，在检知到异常的情况下，移至图13的异常 待机模式。假设由于系统故障导致系统电压的数次下降的情况，这时，暂 时迁移至图13的待机模式。在异常时运行模式下系统电压得到恢复的情 况下，如果通常运行移转等待时间己过，则对计时器复位，将有效功率和 无效电流(或无效功率)恢复到故障发生前的值，然后返回通常运行模式。 通常运行移转等待时间和功率的恢复的速率，由系统运行者的要求等决 定。此外，在返回通常运行模式时，平缓增加有效功率，同时平缓减少无 效电流(或无效功率)，重新回到故障前的值。这样，通过平缓地使有效 功率和无效电流(或无效功率)重新回到故障前的值，可以防止有效功率 和无效电流(或无效功率)的急剧改变所带来的过电流和过电压。在异常时运行模式下，系统电压没有得到恢复的情况下，在即便经过 恢复等待时间，系统电压也没有恢复的情况下，移至停止处理；在恢复等 待时间没有经过的情况下，继续异常时运行模式。在系统电压降低的过程中，发电机通过供给无效电流，从而使发电系 统连接点的电压上升。这时，转换器CNV也开始运行。这时，即便系统 电压完全降至为零，变压器的电感上连接点(变压器的二次侧)的电压上 升。这时，由于转换器CNV在运行，所以可以使用发电机的功率，将直流电压Edc控制为恒定。通过如上构成，风力发电系统可以进行如下所示的运行。 通过检测出定子电流的衰减、定子电流直流成分的减少之后再起动， 可以可靠地开始对故障中无效电流的输出控制。通过在系统故障中也运行转换器CNV，可以使用发电机电压来运行 转换器CNV，可以从发电机获得直流电压Edc的充电电流，即便长时间 停电，也可以维持直流并继续运行。通过在系统发生故障时，切换定子电流控制，从而可以将定子电流控 制为规定值。通过在系统电压急速恢复之类的情况下发生的过电流等大于转换器 保护水平的情况下，停止闸极，然后再起动，可以在故障恢复时也能可靠 地实现无效电流的供给。当系统电压降低时，特别是电压处于零的附近，通过将控制的相位检 测锁定，追踪根据系统电压降低前的相位和频率计算出的相位信号，可以 减小系统电压下降至零时的频率变动，此外防止系统电压恢复时的过电 流。
权利要求
1.一种风力发电系统，其中二次励磁发电机的定子与电力系统连接，所述二次励磁发电机的转子与交流励磁用电力转换器连接，所述转子与风车机械连接，与所述定子和所述电力系统连接的系统侧电力转换器的直流侧与所述交流励磁用电力转换器的直流侧连接，通过所述交流励磁用电力转换器对所述二次励磁发电机进行激励，所述二次励磁发电机向电力系统供给发电电力，包括控制机构，对所述交流励磁用电力转换器和所述系统侧电力转换器进行控制；系统故障检测器，检测出所述电力系统的电压降低，或所述定子电流直流成分的过电流，或所述定子电流的交流成分的过电流；定子电流检测器，检测出流至所述定子的电流；和转换器运行机构，在所述系统故障检测器检测出系统故障之后，当所述定子的电流低于规定值时，所述交流励磁用电力转换器开始激励所述二次励磁发电机。
2. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于， 所述转换器运行机构包括运行机构，其在所述系统故障检测器检测出系统故障之后，当所述定子电流的直流成分低于规定值时，所述交流励磁 用电力转换器开始激励所述二次励磁发电机。
3. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于， 所述转换器运行机构，包括时间测量机构，测量从所述系统故障检测器检测出系统故障起的经过时间；禾口运行机构，当经过比发电机电路常数决定的规定的衰减时间常数更长 的时间时，开始激励所述二次励磁发电机。
4. 根据权利要求i所述的风力发电系统，其特征在于，包括-电压检测器，检测出所述电力系统的电压；相位运算机构，计算所述控制装置追踪电力系统电压相位的电压相位 信号；和故障时相位运算机构，当所述系统故障检测器检测出系统故障时，根 据系统故障检测之前的电力系统的电压相位和频率，计算电压相位信号。
5. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，包括-电压检测器，检测出所述电力系统的电压；相位运算机构，计算所述控制装置追踪电力系统电压相位的电压相位信号；和故障时相位运算机构，当所述电力系统的电压降低至通常的10%以下 时，根据检测出所述电力系统电压下降之前的电力系统的电压相位和频 率，计算电压相位信号。
6. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，包括 系统异常检测机构，当系统电压的下降被去除且系统电压上升时，检测发电机的过电流、或所述电力转换器的过电流、或所述电力转换器的直 流电压的过电压；禾口转换器停止机构，当所述系统异常检测机构检测出所述系统异常时， 对所述交流励磁用电力转换器进行闸极锁定。
7. 根据权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于，包括 在所述系统异常解除之后，恢复所述交流励磁用电力转换器的的运行的运行机构。
8. 根据权利要求7所述的风力发电系统，其特征在于，包括 在恢复所述交流励磁用电力转换器的运行之后，平缓增加输出给电力系统的有效功率的机构；和，同时平缓减少无效功率或无效电流的机构。
9. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于， 为了在系统故障中将所述定子的电流控制为规定值，交流励磁用电力转换器具备调整所述转子的电流的机构。
10. —种电力转换器的控制方法，控制系统侧电力转换器和励磁用电力 转换器，来调整对电力系统提供的电力，其中，系统侧电力转换器与具备 机械连接在风车上的转子和连接在电力系统上的定子的二次励磁发电机 的定子相连，且将定子的交流电转换成直流电；励磁用电力转换器与所述 系统侧电力转换器的直流部连接，将所述直流部的直流电转换成交流电，并与所述转子连接，使用所述交流电对所述二次励磁发电机进行励磁，所 述电力转换器的控制方法中，在所述电力系统的电力下降、或所述定子电流的直流成分的过电流、 或所述定子电流的交流成分的过电流产生之后，当所述定子电流低于规定 值时，使所述励磁用电力转换器开始对所述二次励磁发电机进行励磁。
11. 根据权利要求IO所述的电力转换器的控制方法，其特征在于， 在所述电力系统的电力下降、或所述定子电流的直流成分的过电流、或所述定子电流的交流成分的过电流产生之后，当所述定子电流的直流成 分低于规定值时，使所述励磁用电力转换器开始对所述二次励磁发电机进 行励磁。
12. 根据权利要求IO所述的电力转换器的控制方法，其特征在于， 在所述电力系统的电力下降、或所述定子电流的直流成分的过电流、或所述定子电流的交流成分的过电流产生之后，当经过比由发电机电路常 数决定的规定的衰减时间常数还长的时间时，使所述励磁用电力转换器开 始对所述二次励磁发电机进行励磁。
13. 根据权利要求IO所述的电力转换器的控制方法，其特征在于， 在所述电力系统的电力下降、或所述定子电流的直流成分的过电流、或所述定子电流的交流成分的过电流产生时，根据所述电力系统的电力下 降、或所述定子电流的直流成分的过电流、或所述定子电流的交流成分的 过电流产生之前的电力系统的电压相位和频率，计算电压相位信号。
14. 根据权利要求IO所述的电力转换器的控制方法，其特征在于， 当所述电力系统的电压降低至通常的10%以下时，根据所述电力系统电压下降之前的电力系统的电压相位和频率，计算电压相位信号。
15. 根据权利要求IO所述的电力转换器的控制方法，其特征在于， 在系统电压从减少转为增加之后，在发电机的过电流、或所述电力转换器的过电流、或所述电力转换器的直流电压的过电压产生时，对所述励 磁用电力转换器进行闸极封锁。
16. 根据权利要求15所述的电力转换器的控制方法，其特征在于， 在所述发电机的过电流、或所述电力转换器的过电流、或所述电力转换器的直流电压的过电压解除之后，恢复所述励磁用电力转换器的运行。
17.根据权利要求16所述的电力转换器的控制方法，其特征在于， 在恢复所述交流励磁用电力转换器的运行之后，平缓增加输出给电力 系统的有效功率，并且，平缓减少无效功率或无效电流。
18.根据权利要求IO所述的电力转换器的控制方法，其特征在于，在所述电力系统的电力下降、或所述定子电流的直流成分的过电流、 或所述定子电流的交流成分的过电流产生时，为了将所述定子的电流控制 为规定值，用所述励磁用电力转换器调整所述转子的电流。
全文摘要
本发明提供一种风力发电系统，通过在电力系统发生故障时，从二次励磁发电机向电力系统提供无效电流，从而有助于电力系统的功率稳定化。其构成为在系统扰乱时暂时停止电力转换器，在检测出系统故障中出现在二次励磁发电机上的故障影响(定子过电流、定子直流成分、转子过电流等)已被消除之后，再次起动电力转换器，即便在系统故障中，也不会损坏风力发电系统的机器，可以安全地从二次励磁发电机向电力系统输出无效电流。
文档编号H02P9/14GK101316091SQ20081009987
公开日2008年12月3日 申请日期2008年5月30日 优先权日2007年5月30日
发明者一濑雅哉, 二见基生, 大原伸也, 松竹贡, 酒井洋满 申请人:株式会社日立制作所