专利名称：风力发电系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在交流励磁型风力发电系统的同步断路器发生故障的情况 下，检测同步断路器的故障并停止转换器(converter)的工作，由此保护交流励磁型风力 发电系统不受过电流和过电压伤害的装置及其控制方法。
背景技术：
发电装置中使用的交流励磁型发电机使用转换器以转差频率(slip frequency) (系统频率与旋转频率的差)对转子线圈进行交流励磁，由此能够利用转子的励磁使定子 侧产生的电压具有与系统频率相同的频率。并且，具有通过使转子的励磁频率(转差频率) 可变而能够使风车的转速可变，并且能够使电力变换器(電力変換器)的容量小于发电机 的容量等优点。但是，在交流励磁型发电机的同步断路器存在故障的情况下，发电机的工作模式 与断路器的开关状态不一致，由于定子过电压和转子过电流的影响，出现断路器之外的设 备也产生故障的问题。在专利文献1中，揭示了将系统电压和发电机的定子电压用于同步断路器闭合的 判断，但没有用于同步断路器的故障判断的先例。专利文献1 日本特开2009-27766号公报
发明内容
本发明中要解决的问题在于提供一种在交流励磁型风力发电系统的同步断路器 发生了故障的情况下，通过检测故障来停止转换器的工作，保护系统整体不受过电流和过 电压伤害的风力发电系统及其控制方法。为了解决上述问题，本发明提供一种风力发电系统，经由断路器将交流励磁型发 电机的定子连接到电力系统，在该交流励磁型发电机的转子上连接交流励磁用转换器，将 该交流励磁型发电机的转子连接到涡轮轮，以使用涡轮的动力使转子旋转，该风力发电系 统具备系统侧转换器，连接到该交流励磁型发电机的定子和电力系统；控制装置，将该系 统侧转换器的直流部分连接到所述交流励磁用转换器的直流部分，用于控制所述交流励磁 用转换器和所述系统侧转换器；以及单元，通过由该控制装置控制所述交流励磁用转换器 使所述交流励磁型发电机的定子电压与系统电压同步后闭合断路器；在该风力发电系统 中，所述控制装置具备根据所述断路器的工作信号和定子电压、系统电压判断故障的故障 检测单元，在检测出所述断路器的故障的情况下，停止所述系统侧转换器以及所述励磁用 转换器的工作。进而，本发明的特征在于在风力发电系统中，所述控制装置具有发送用于开关所 述断路器的断路器开关信号的单元，所述断路器具有发送用于向所述控制装置通知已经从 所述控制装置接受断路器开关信号的开关状态信号的单元。进而，本发明的特征在于在风力发电系统中，所述控制装置具有检测系统电压和定子电压的单元，以及取得该系统电压与该定子电压的差的单元，并具有在该系统电压与 该定子电压的差超过指定值的情况下判断为所述断路器的故障的功能。进而，本发明的特征在于在风力发电系统中，所述控制装置具有在对于所述断路 器开关信号所述开关状态信号在指定时间后未返回的情况下，判断为所述断路器的故障的单元。进而，本发明的特征在于在风力发电系统中，所述控制装置在检测出所述断路器 的故障的情况下将发生故障这一情况显示在监视器装置上。另外，为了解决上述问题，本发明提供一种风力发电系统的控制方法，该风力发电 系统经由断路器将交流励磁型发电机的定子连接到电力系统，在该交流励磁型发电机的转 子上连接交流励磁用转换器，将该交流励磁型发电机的转子连接到涡轮，以使用涡轮的动 力使转子旋转，该风力发电系统具备系统侧转换器，连接到该交流励磁型发电机的定子和 电力系统；控制装置，将该系统侧转换器的直流部分连接到所述交流励磁用转换器的直流 部分，用于控制所述交流励磁用转换器和所述系统侧转换器；以及单元，通过由该控制装置 控制所述交流励磁用转换器使所述交流励磁型发电机的定子电压与系统电压同步后闭合 断路器；在该风力发电系统的控制方法中，所述控制装置具备根据所述断路器的工作信号 和定子电压、系统电压判断故障的故障检测单元，在检测出所述断路器的故障的情况下，停 止所述系统侧转换器以及所述励磁用转换器的工作。进而，本发明的特征在于在风力发电系统的控制方法中，所述控制装置具有发送 用于开关所述断路器的断路器开关信号的单元，所述断路器具有发送用于向所述控制装置 通知已经从所述控制装置接受断路器开关信号的开关状态信号的单元。进而，本发明的特征在于在风力发电系统的控制方法中，所述控制装置具有检测 系统电压和定子电压的单元，以及取得该系统电压与该定子电压的差的单元，并具有在该 系统电压与该定子电压的差超过指定值的情况下判断为所述断路器的故障的功能。进而，本发明的特征在于在风力发电系统的控制方法中，所述控制装置具有在对 于所述断路器开关信号所述开关状态信号在指定时间后未返回的情况下，判断为所述断路 器的故障的单元。(发明效果)根据本发明，能够提供一种防止由同步断路器故障造成的过电流和过电压的交流 励磁型风力发电系统及其控制方法。
图1是风力发电装置的电路结构。图2是系统侧转换器208-1的控制结构。图3是发电机侧转换器208-2的控制结构。
图4是相位检测器THDET的说明图。图5是切换器SW的说明图。图6是断路器220的动作情况的说明图。图7是断路器220的动作情况1至4的流程图。图8是断路器220的动作情况5至8的流程图。
图9是监视器装置700的说明图。符号说明100电力系统；200风力发电装置；202发电机；204翼；206风车控制装置；208转 换器；210转换器控制装置；212齿轮；214，220，222断路器；216联结用变压器；218变压器 (控制电源用)；2M交流滤波器电路；2 直流电路；2^dV/dt抑制用电抗器；230位置检 测器；232a电压传感器；234a，234b，234c电流传感器；Qref无效电力指令值；I^ref有效电 力指令值；Run工作/停止指令值；VSY电压检测值；ISY电流检测值；IR，IG输出电流；VDC 直流电压信号；Cd电容器；SG1，SG2开关指令信号；SG3开关状态信号。
具体实施例方式使用图1说明本发明的一个实施例的装置结构。此外，图1是用单线连接图表示 多相交流电路的图。风力发电装置200经由送电线连接到电力系统100。风力发电装置200主要由交 流励磁型的发电机202、翼204、风车控制装置206、转换器(励磁装置)208、转换器控制装 置210构成。翼204经由齿轮212机械连接到发电机202的转子。发电机202的转子线圈电连 接到转换器208。风车控制装置206进行风速检测、翼204的角度控制、有效电力指令值I^ref的生 成、工作/停止等指令值Run的输出、无效电力指令值Qref等的工作指令信号OPS的运算。所述风车控制装置206生成的无效电力指令值Qref、有效电力指令值ft~ef、所述 工作/停止指令值Rim、翼角度指令值等各种工作信号OPS被传输到转换器控制装置210以 及翼角度改变装置。转换器控制装置210按照指令值调整转换器208的输出电压，控制发电机202与 电力系统100之间的电力(发电电力，无效电力)。所述转换器控制装置210的电源经由变压器218供应。下面，简单说明转换器(励磁装置)208和转换器控制装置210。发电机202的定 子侧的三相输出经由可通过外部信号SGl开关的例如断路器220、系统联结用变压器216和 断路器214连接到电力系统100。另外，系统联结用变压器216经由断路器222、交流滤波 器电路2 连接到系统侧转换器208-1。转换器208-1的直流电路2 还连接到转换器208-2的直流电路，所述转换器 208-2的交流输出经由用于抑制dV/dt的电抗器(reactor) 2 连接到发电机202的转子线圈。所述断路器214例如用于为保护风力发电装置200而在电流持续过大时断开断路 器214以截断电流，或者使风力发电装置200完全停止并从系统100电分离。发电机侧转换器208-2以及系统侧转换器208-1例如使用半导体开关元件(晶闸 管(thyristor)，GTO, IGBT, MOS, SiC等)构成，具有将交流转换为直流或将直流转换为交 流的功能。另外，所述系统侧转换器208-1的交流输入端子上，设置有由电抗器或电容器构 成的，使高次谐波电流、高次谐波电压发生衰减的交流滤波器电路224。
发电机202的旋转部分上，经由齿轮212连接有风力发电用的翼204，受到风的作 用力而旋转。另外，旋转部分上连接有检测旋转位置的例如编码器等位置检测器，输出转速 信号ω。检测出的转速信号ω输入到风车控制装置206和转换器控制装置210。接着，说明用于控制发电电力的线路以及装置。对于联结用变压器216的二次侧 的三相电压以及三相电流，分别利用电压传感器23 ，电流传感器23 将其值转换为低电 压的系统电压检测值VSY、低电压的电流检测值ISY，所述低电压的系统电压检测值VSY以 及电流检测值ISY被输入转换器控制装置210。所述转换器控制装置210根据系统电压检测 值VSY和电流检测值ISY计算系统输出的电力，控制转换器208以与有效电力指令值Pref、 无效电力指令值Qref—致。连接到所述转换器208-1、208_2的直流电路226的电容器Cd的电压利用电压传 感器转换为低电压的直流电压信号VDC，直流电压信号VDC被输入转换器控制装置210。另外，利用电流传感器234d检测转换器208-2的输出电流IR，利用电流传感器 234c检测转换器208-1的输入电流IG，输出电流顶以及输入电流IG被传输到转换器控制 装置210。另外，转换器控制装置210分别使用开关指令信号SG1、SG2控制断路器220、222， 另外，输出分别驱动控制由半导体开关元件构成的转换器208-1、208-2的脉冲信号P1、P2。所述控制装置210的发电机侧转换器208-2的控制具有用于控制输出电流顶的 电流控制系统，使用脉冲信号P2驱动转换器208-2，控制输出电流顶。接着，使用图2至图3说明控制装置210的系统侧转换器208_1的控制功能。图2表示转换器208-1的控制结构。转换器208_1具有将平滑电容器Cd的直流 电压信号VDC控制为恒定的功能。为此，转换器208-1检测系统电压检测值VSY的相位，使 用检测出的电压相位区分有效成分和无效成分对电流进行向量控制，以和系统交换有效电 力，控制直流电压。若发电机励磁用转换器208-2使用直流电力消耗平滑电容器Cd的能量并使直流 电压信号VDC下降，则系统侧转换器208-1的直流电压控制DCAVR调整有效电流Ipn (有 效电力成分)，对平滑电容器Cd进行充电，以使直流电压信号VDC保持恒定，相反，在电力 变换器208-2对直流电力进行充电，直流电压信号VDC上升的情况下，电力变换器208-1的 直流电压控制DCAVR为了将直流电力转换为交流电力并向电力系统放电而调整有效电流 Ipn (有效电力成分)，以使直流电压信号VDC保持恒定。在转换器208-1开始工作之前，从直流电压的初始充电电路(未图示)对直流电 压信号VDC充电，随后，作为断路器222的闭合指令的开关指令信号SG2被输出，转换器 208-1被连接到系统。所述系统电压检测值VSY被输入到相位检测器THDET和三相二相变换器32TRS。 所述相位检测器THDET计算跟踪系统电压的相位信号THS (THS 系统U相电压为正弦波时 的相位信号)，将所述相位信号THS输出到三相DQ坐标变换器3DQ、2DQ、二相三相旋转坐标 变换器DQ23。直流电压指令值VDCREF与所述直流电压信号VDC被输入到直流电压调整器 DCAVR(例如利用比例积分控制器PI构成)。所述直流电压调整器DCAVR以使输入的指令 值VDCREF与直流电压信号VDC的偏差达到零的方式调整输出的ρ轴电流指令值(有效电流指令值)Ipnstr，并输出到电流调整器ACR2。三相DQ坐标变换器3DQ根据输入的输入电流IG，使用(数学式1)所示的三相二 相转换式以及(数学式幻所示的旋转坐标转换式，计算P轴电流检测值Ipn(有效电流) 和q轴电流检测值Iqn (无效电流)，将ρ轴电流检测值Ipn输出到电流调整器ACR2，将q 轴电流检测值Iqn输出到电流调整器ACR1。此外，图2中的输入电流IG虽然用单线描绘， 但实际上是I⑶，IGV, IGff的三相交流成分。系统电压检测值VSY同样也是三相信号。此处，附加文字U、V、W表示三相交流的各相，例如，输入电流IG的U相电流记作 I⑶。以后电压等也是同样(系统电压检测值VSY的U相为VSYU等)。数学式权利要求
1.一种风力发电系统，经由断路器将交流励磁型发电机的定子连接到电力系统，在该 交流励磁型发电机的转子上连接交流励磁用转换器，将该交流励磁型发电机的转子连接到 涡轮，以利用涡轮的动力使转子旋转，该风力发电系统具备系统侧转换器，连接到该交流励磁型发电机的定子和电力系统；控制装置，将该系统侧转换器的直流部分连接到所述交流励磁用转换器的直流部分， 并且用于控制所述交流励磁用转换器和所述系统侧转换器；以及通过由该控制装置控制所述交流励磁用转换器使所述交流励磁型发电机的定子电压 与系统电压同步后闭合断路器的单元；其中，所述控制装置具备根据所述断路器的工作信号和定子电压、系统电压判断故障的故障 检测单元，在检测出所述断路器的故障的情况下，停止所述系统侧转换器以及所述励磁用 转换器的运转。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于所述控制装置具有发送断路器开关信号的单元，所述断路器开关信号用于开关所述断 路器，所述断路器具有发送开关状态信号的单元，所述开关状态信号用于向所述控制装置 通知已经从所述控制装置接受了断路器开关信号。
3.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于所述控制装置具有检测系统电压和定子电压的单元、以及取得该系统电压与该定子电 压的差的单元，并具有在该系统电压与该定子电压的差超过指定值的情况下判断为所述断 路器的故障的功能。
4.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于所述控制装置具有在对于所述断路器开关信号所述开关状态信号在指定时间后未返 回的情况下，判断为所述断路器的故障的单元。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的风力发电系统，其特征在于所述控制装置在检测出所述断路器的故障的情况下将发生故障这一情况显示在监视直上ο
6.一种风力发电系统的控制方法，该风力发电系统经由断路器将交流励磁型发电机的 定子连接到电力系统，在该交流励磁型发电机的转子上连接交流励磁用转换器，将该交流 励磁型发电机的转子连接到涡轮，以利用涡轮的动力使转子旋转，该风力发电系统具备系统侧转换器，连接到该交流励磁型发电机的定子和电力系统；控制装置，将该系统侧转换器的直流部分连接到所述交流励磁用转换器的直流部分， 并且用于控制所述交流励磁用转换器和所述系统侧转换器；以及通过由该控制装置控制所述交流励磁用转换器使所述交流励磁型发电机的定子电压 与系统电压同步后闭合断路器的单元；在该风力发电系统的控制方法中，所述控制装置具备根据所述断路器的工作信号和定子电压、系统电压判断故障的故障 检测单元，在检测出所述断路器的故障的情况下，停止所述系统侧转换器以及所述励磁用 转换器的工作。
7.根据权利要求6所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于所述控制装置具有发送断路器开关信号的单元，所述断路器开关信号用于开关所述断 路器，所述断路器具有发送开关状态信号的单元，所述开关状态信号用于向所述控制装置通知已经从所述控制装置接受了断路器开关信号。
8.根据权利要求6所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于所述控制装置具有检测系统电压和定子电压的单元、以及取得该系统电压与该定子电 压的差的单元，并具有在该系统电压与该定子电压的差超过指定值的情况下判断为所述断 路器的故障的功能。
9.根据权利要求6所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于所述控制装置具有在对于所述断路器开关信号所述开关状态信号在指定时间后未返 回的情况下，判断为所述断路器的故障的单元。
全文摘要
本发明提供一种风力发电系统及其控制方法，在交流励磁型发电机中，根据系统电压与定子电压的比较来推定是否有同步断路器故障，在有故障的情况下停止电力变换器的工作，由此防止由同步断路器故障造成的过电流和过电压。在交流励磁型风力发电系统的断路器发生了故障的情况下，检测断路器的故障并停止转换器的工作，由此保护交流励磁型风力发电系统不受过电流和过电压伤害的装置及其控制方法，其特征在于具备根据断路器的工作信号和定子电压、系统电压判断故障的故障检测单元，在检测出断路器故障的情况下，停止系统侧转换器以及励磁用转换器的工作。
文档编号H02H7/00GK102108942SQ20101060325
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月21日 优先权日2009年12月25日
发明者一濑雅哉, 中山靖章, 松竹贡, 清藤康弘, 目黑光, 酒井洋满 申请人:株式会社日立制作所