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量。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功电流。系统运用者不断要求，在系统电压降低的过程中控制无功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功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功电流。
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，向电力系统提供无功电流。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功电流。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功电流。
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10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14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-无功功率指令值，Pref-有功功率指令值，Run-运行/停止指令值，Pitch*-倾斜度指令，PTs, PTg-电压检测器，Vs-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。[实施例1]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、有功功率指令值的运算和有功功率指令值I^ref的输出、运行/停止等指令值Rim的输出、无功功率指令值Qref 的传送等。上述无功功率指令值Qref、上述有功功率指令值ft^ef、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(有功功率、无功功率)。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Cru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D0D，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h由电流传感器CTn检测出来，电流检测值Ir和h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Rim、有功功率指令值ft^ef·、无功功率指令值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、CNV分别进行驱动控制的脉冲信号P_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) S11、S12、S21、S22、S31、S32构成。元件S1US12 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_INV，由转换器控制装置205提供。闸极信号P_INV的注脚U，表示U相的信号P_INV_U，P_INV_V表示V相的闸极信号，P_ INV_ff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Sll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Sll至S32附加了被称为空载时间(dead time)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_INV —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Sll 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化。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_CNV的注脚U表示U相的信号P_CNV_U，P_CNV_V表示V相的闸极信号，P_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_CNV —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 S41 S62与脉冲信号P_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、D21、D22、D31、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S71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，与系统交换有功功率，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 Loop)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ρ轴电流指令值(电流指令值的有效成分)Ipnstr， 向电流调整器ACRl输出。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ρ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ρ轴电流检测值Ipn向电流调整器ACRl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h表记为hu。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]
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；和运行机构，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，计算所述控制装置跟随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，计算所述控制装置跟随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；和转换器停止机构，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功功率的机构；和，同时平缓减少无功功率或无功电流的机构。
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。
10.一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10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10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10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10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10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功功率，并且，平缓减少无功功率或无功电流。
18.根据权利要求10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功电流，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功电流。
文档编号H02M3/155GK102163950SQ20111009670
公开日2011年8月24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