用于脱离线状电网的双馈感应发电机风力系统的控制策略的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及双馈感应发电机领域。更具体地说，本发明涉及适用于风力发 电机的双馈感应发电机。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着石油和煤等化石能源供应的减少W及恢复该些化石能源所需的价格 和劳动强度的增加，使得例如，由风力发电机产生的风能等替代能源对于满足对电能的不 断增加的需求而言变得越来越受欢迎。风力发电机是一种基于可再生能源的类型的供电装 置，其能够与传统的发电形式竞争。因此，风力发电机获取风能并且W具有成本效益的、可 靠且安全的方式将风能转化成电能，使其适于传输到千里之外。
[0003]在操作中，风力发电机可W包括多个旋转叶片，所述旋转叶片连接到转子轴上并 且通过风进行旋转。叶片通过风进行的旋转会使转子轴自旋，W生成驱动一个或多个发电 机的旋转扭矩或旋转力，从而将机械能转化成电能。转子轴或发电机安装在位于衍架或管 状培筒的顶部上的外壳或机舱中。在机舱中生成的电能经由变压器向下穿过培筒分布到共 用电网上。
[0004]风能具有若干应用，该些应用的范围从互连到公用电网上且将电能传送到共用电 网上的较大风力发电机场到可能进行电网连接或可能不进行电网连接的单个隔离的风力 发电机。因此，风力发电机可W用于为单个家庭或建筑物发电，或者风力发电机可W连接到 电网上，用于更广泛的电力分配。风力发电机到电网的互连可W基于装置的尺寸、对总电力 供应（风力穿透（windpenetration))的贡献的大小分成不同类别，而不管电是用于频率 功率还是无功功率，W及与其他电源的整合程度。
[0005]对于与风力发电机整合的电网系统，用来增强电网系统的瞬态稳定性的常规传统 方案是使用双馈感应发电机来将变速风力发电机（而不是固定速度的风力发电机）互连到 系统中。DFIG通常具有用于电网整合的更多理想特性。典型地，DFIG用于变速发电（VSG) 系统中，W从风电场等间歇性能源或可变能源中生成电能。
[0006] 与固定速度的系统相比，变速发电系统的一个主要优点在于，变速风力发电机可 W比固定速度的风力发电机获取更多的能量，因为取决于风速，变速风力发电机可最 佳旋转速度运行，在最佳旋转速度下风轮的气动效率最高。因此，已证明DFIG技术是变速 风力发电机的一种有效且具有成本效益的解决方案。DFIG目前是在兆瓦范围中用于风力发 电机系统的最广泛使用的发电机类型。
[0007] 图1中示出了由于其效率和可靠性而在大范围的应用中使用的DFIG的基本配置。 代表性DFIG系统的主要部件是；连接到公用电网上的定子；连接到风力发电机上的相关 转子；穿过滑环的转子电气连接件；转子侧转换器；线路侧转换器；连接两个转换器的直流 链；W及用于转换器的控制器。例如，图1说明了禪接到公用电网12上的用于电力分配的 风力发电机10,并且包括禪接到DFIG18上的风力发电机14。DFIG18包括DFIG发电机19， 所述DFIG发电机包括转子16和定子20。
[000引转子16提供转子绕组22,用于在转子16与背对背式DFIG转换器24之间传输交 流功率。定子20具有禪接到电网12上的定子绕组26。转换器24是背对背式结构，该结 构包括：转子侧转换器巧SC)电路28 ;DC中间电路30,所述电路提供具有电容C的DC总线 值B) ;W及线路侧转换器电路32。线路侧转换器（LSC)电路32禪接在定子绕组26与DC中 间电路30之间。
[0009] -些DFIG风力系统由长电缆连接到电力网上。如果电路在运行期间断开，例如， 由开关、断路器或保险丝的断开所引起，那么该电路和运行的风力发电机将会与电网分离 并且形成不接地的电力系统。该称为"孤岛效应"。发电机速度和线路侧电压都将快速升 高，因为电网有功功率输出通道被切断并且叶片所吸收的风能将会变为叶片旋转动能。在 不连接到电网的情况下，润轮机无法输出能量。由于线路侧的电压较高，因此直流链会在不 受控制的状态下进行充电。
[0010] 如果线路侧继续发电，那么直流链电容将会被过量充电。该会引起转换器直流链 的过电压，甚至可能会烧毁IGBT或发生IGBT爆炸。因此，电网故障需要发电机停止产生能 量，该也意味着不再具有控制叶片速度的抑制扭矩。
[0011] 在风力发电机中，如果DFIG在超过同步速度的状态下运行，该将使得发电机进入 超速状态，因为叶片系统会由于叶片产生的气动扭矩而加速。因此，孤岛效应会在设备上产 生巨大的压力，包括转子侧上的高电压，该对于维修人员来说是非常危险的，因为维修人员 可能会无意地接触仍然通电的电力系统的部分。该通常是引起重伤或甚至死亡的一个问题 所在。
[0012] 因此，例如安全性、可靠性、成本W及保持传送到用户的电力质量等许多原因在公 用设施中防止孤岛效应的角度上排在前列。因此，当存在孤岛效应情况时，需要实施抗孤岛 效应程序。
[0013] 为了保护DFIG风力发电机的敏感部件并且减轻孤岛效应的严重影响，例如，由于 电网故障引起，常规的解决方案是采用具有消弧电力的DFIG，如图1所示。消弧电路34禪 接在转子16与转子侧转换器28之间。
[0014] 消弧电路34由全波桥式整流器、功率电阻器W及绝缘口极双极型晶体管（IGBT) 开关。在电网电压下降期间，为了防止RSC28由于转子电路中的过电流或直流链中的过电 压而引起跳间，消弧开关34连接到DFIG18的转子绕组22上。在正常运行期间，消弧开关 34是断开的。最初在电网故障期间，传感器（未示出）检测出过电压。随后，控制器（未示 出）触发消弧电路34或者实施控制策略W降低过电压，从而保护DFIG风力系统。
[0015] 为了使消弧电路34中的转子电流改变方向，可W在检测出转子16过电流或直流 链过电压之后激活开关34,其中能量在电阻器中得到耗散，使得高电流峰值成功地远离转 子侧转换器28改变方向，从而防止转子16和背对背式转换器24部件产生过高的电压突 增。
[0016] 如图1所示的传统消弧电路由一组电阻器构建，在发生中断时所述电阻器与转子 绕组并联连接，W消耗功率或消除过电压。消弧电路绕过转子侧转换器。有效的消弧控制 方案在需要时连接消弧电阻，并且使消弧电阻失效W恢复DFIG控制。该样防止了IGBT的 过电压并且可W耗散能量。在正常运行中，开关是打开的并且电阻器被绕过。在发生故障 情况期间，开关是闭合的并且电阻器串联连接到转子绕组上。
[0017] 因此，需要提供一种对连接到公用电网上的发电机系统进行控制W避免发电机产 生非计划性孤岛效应的系统和方法。进一步需要提供一种在DFIG与电网断开或失去负载 时消除直流链、DFIG线路侧和转子侧中的过电压并且降低DFIG过速的风险的系统和方法。 还需要提供一种降低对动态断路器值B)的容量需求的系统和方法。
【发明内容】
[0018] 考虑到上述缺陷，存在对功率转换器的控制能力W及DFIG和线路侧W及转子侧 电感器的热性能的需求，其中控制策略不需要任何硬件改变并且节约了动态断路器成本。 此外，还存在对一种控制系统和方法的需求，所述控制系统和方法增强了转子侧转换器和 线路侧转换器的作用并且利用发电机线路电感器和转子电感器的热性能。该种策略有助于 提高DFIG系统的安全性。
[0019] 在某些实施例中，提供一种用于双馈感应发电机的控制器。在多个实施例中，所述 系统包括双馈感应发电机、背对背式转换器W及控制器。所述DFIG包括；转子侧转换器；直 流链，所述直流链具有至少一个电容并且与转子侧转换器的输出禪接；W及线路侧转换器， 所述线路侧转换器与直流链的输出禪接。所述控制器配置用于对背对背式转换器的功率、 DFIG的热性能W及转子侧转换器和线路侧转换器的电感器进行控制，W消除直流链中的过 电压并且减小由于孤岛效应事件产生的过速。
[0020] 在某些实施例中，提供一种用于双馈感应发电机的风力发电机。所述风力发电机 包括：用于通过风转动的转子叶