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发电机控制系统及方法

阅读：1003发布：2020-08-12

专利汇可以提供发电机控制系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明说明了用于在电网中的电压降期间控制与电网连接的发电机的系统和方法，所述系统包括：背靠背变流器(2)，其连接在发电机(3)和电网(4)之间，而且与发电机侧变流器(2a)并联连接；整流器件(5)，其串联地连接在发电机(3)和背靠背变流器(2)的DC链路(2b)之间，从而提供使发电机侧的过能量进入DC链路(2b)的备选方式。，下面是发电机控制系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.发电机控制系统(1)，包括连接在发电机(3)和电网(4)之间的背靠背变流器(2)，其特征在于进一步包括：与所述发电机侧变流器(2a)并联的、串联地连接在所述发电机(3)和所述背靠背变流器(2)的所述DC链路(2b)之间的整流器件(5)。
2.根据权利要求1所述的发电机控制系统(1)，其中所述整流器件(5)选自：包括二极管的电桥、包括IGBT的电桥以及包括晶闸管的电桥。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的发电机控制系统(1)，其进一步包括：串联地连接所述整流器件(5)的半导体器件(6)。
4.根据权利要求3所述的发电机控制系统(1)，其中所述半导体器件(6)包括两个晶闸管或二极管，所述晶闸管或二极管均分别连接所述DC-链路(2b)的正极和负极、以及所述整流器件(5)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的发电机控制系统(1)，进一步包括连接所述DC-链路(2b)的能量耗散器件(7)。
6.根据权利要求5所述的发电机控制系统(1)，其中所述能量耗散器件(7)是电阻性的。
7.根据权利要求6所述的发电机控制系统(1)，其中所述能量耗散器件(7)包括斩波电路。
8.根据权利要求5所述的发电机控制系统(1)，其中所述能量耗散器件(7)是电容性的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的发电机控制系统(1)，所述发电机为双馈感应发电机，其中所述整流器件(5)与所述发电机(3)的转子连接。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的发电机控制系统(1)，所述发电机以全变流器模式控制，其中所述整流器件(5)与所述发电机(3)的定子连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的发电机控制系统(1)，其中所述发电机(3)与风力涡轮机连接。
12.一种借助于背靠背变流器(2)控制连接电网(4)的发电机(1)的方法，其特征在于，响应于所述电网(4)中的电压降，执行通过整流器件(5)和半导体器件(6)将所述发电机(3)与背靠背变流器(2)的DC链路(2b)连接的步骤，所述整流器件(5)和半导体器件(6)设置并联所述发电机侧变流器(2a)以使所述发电机(3)处的过能量能够朝向所述DC链路(2b)流动。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述过能量通过与所述DC-链路(2b)连接的电阻性耗散器件(7)耗散。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述过能量通过所述背靠背变流器(2)的电网侧变流器(2c)传送到所述电网(4)。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述过能量由与所述DC链路(2b)连接的电容性耗散器件(7)吸收并且随后一旦所述电网(4)已从所述电压降恢复就释放。

说明书全文

发电机控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明的主题是用于在电网中的电压降期间控制与电网连接的发电机的系统和方法。

背景技术

[0002] 近来，与电网连接的风力发电机和风场的数量显著增长。出于此原因，电网连接要求变得日益严格，结果是风力发电机控制系统变得日益复杂。具体地，电网连接要求要求风力发电机在电网中的短持续时间的电压降期间表现良好。

[0003] 背靠背变流器是用于将发电机与电网连接的已知装置。背靠背变流器包括通过DC链路连接的发电机侧变流器和电网侧变流器。背靠背变流器用于DFIG(双馈感应发电机)系统中，在该情况下背靠背变流器将发电机的转子与电网连接，而且在全变流器系统中，在该情况下，背靠背变流器将发电机的定子与电网连接。DFIG和全变流器系统两者均是现有技术的部分。

[0004] 更具体地，由于DFIG提供了多种优于大多数其它系统的经济和技术方面的优势，所以DFIG现在被广泛地采用。在DFIG中，如果不采取措施，电网中的电压降产生过渡相，造成转子绕组中的过电压，这对于发电机侧变流器而言是破坏性的。

[0005] 因此，为了满足电网连接的要求，DFIG系统包括这样的装置：一方面，所述装置允许在过渡相中保持发电机与电网连接，另一方面，保持对风力涡轮机的控制。该装置通常称为“电撬”或“电撬单元”。国际专利申请PCT/ES2006/000264公开了电撬单元，当检测到电网中的电压降时，激活电撬单元。电撬单元基本上通过短路来降低转子绕组处的电压，因此保护背靠背变流器的发电机侧变流器。

[0006] 近来，日益严格的电网连接要求要求较短的过渡相。然而，如果过早地去激活电撬单元，则破坏性电压可能仍存在于转子绕组中。因此，对于用于与电网连接的发电机的控制系统仍存在需求。

发明内容

[0007] 通常，背靠看变流器设计成管理电力变换系统所要求的额定容量(在全变流器中为100％的风力涡轮机电力，并且在DFIG中为30％的风力涡轮机电力)。因此，背靠背变流器(例如，IGBT)的反并联二极管被评估为不能承受在电压降情况下可能出现的过电流，并且因此，在发电机侧变流器不与发电机断开连接的情况下可能出现故障。

[0008] 为了解决该问题，本发明的第一方案描述了发电机控制系统，其包括背靠背变流器，所述背靠背变流器连接在发电机和电网之间，并且发电机控制系统进一步包括与发电机侧变流器并联的整流器件，所述整流器件串联地连接在发电机和背靠背变流器的DC链路之间。

[0009] 该新技术允许背靠背变流器在整个电压降期间处于控制中，从而与现有的电撬系统相比能够更早地将无功功率注入电网中。另外，背靠背变流器无需设计并制造为具有耐受极高电流的能力，因此更加经济且更易于制造。

[0010] 整流器件将发电机侧的三相电压和电流转换成DC电压和电流。优选地，整流器件包括：包括二极管的电桥；包括IGBT的电桥；或包括晶闸管的电桥。在整流器件包括有源元件(IGBT、晶闸管或其它元件)的情况下，可使整流器件工作以在检测到电网中的电压降之后的选定瞬间启动本发明的控制系统。

[0011] 因此，本发明的控制系统提供了发电机和与发电机侧变流器并联的DC链路之间的备选连接，允许发电机侧的过能量进入DC链路，同时保持发电机侧变流器处的电压足够低以防止其故障。

[0012] 根据优选的实施方案，本发明进一步包括与整流器件串联连接的半导体器件。半导体器件主要用于避免如下问题：当不存在电压降时，电流从DC链路朝向发电机侧返回，这是当使用一些类型的整流器件可能出现的问题。优选地，半导体器件包括两个晶闸管或二极管，每个晶闸管或二极管分别连接DC链路的正极和负极和整流器件。当由有源元件形成时，半导体器件可进一步用于在检测到电网中的电压降之后在选定瞬间使本发明的控制系统运行。

[0013] 输送到DC链路的过能量可以多种方式来处理。例如，可使其朝向电网通过电网侧变流器。根据另一优选的实施方案，本发明进一步包括与DC链路连接的能量耗散器件。能量耗散器件可以为任何类型(电容性的、电感性的或电阻性的)，而在优选的实施方案中，能量耗散器件为电阻性的，例如斩波电路，在该情况下耗散过能量。可选地，能量耗散器件可以为电容性的，在该情况下过能量被吸收并且随后在电网中的电压降之后释放。作为附加的优势，由于常规的背靠背变流器的DC链路通常包括电容器组，所以电容性的能量耗散器件可以并入电容器组中。

[0014] 优选地，通过本发明的系统控制的发电机与风力涡轮机连接。

[0015] 在本发明的另一优选的实施方案中，发电机为双馈感应发电机(DFIG)，整流器件则与发电机的转子连接。

[0016] 在现有技术的系统中，由于发电机的定子与电网连接，过电压以及因此在发电机的转子中引起的过电流可能太高而使得常规的背靠背变流器不能承受。因此，发电机侧变流器断开连接，除非其具有处理这种状况的能力。在电撬置于转子和发电机侧变流器之间的情况下，所述过电流会耗散，防止所述过电流流经变流器。本发明允许该电流流入DC链路，而不损坏发电机侧变流器，额外优势是在电压降期间内保持对背靠背变流器的控制。该优势使得变流器系统能够迅速恢复发电机控制并且提高风力涡轮机对跨过的低电压的表现。例如，在优选的而非限制性的实施方案中，在检测到电网电压降之后在短时间段内将无源功率供给电网。

[0017] 在方面的又一优选的实施方案中，以全变流器模式来控制发电机，整流器件则与发电机的定子连接。在全变流器系统中，发电机不与电网直接连接，因此系统的表现不如DFIG系统中那样严格。然而，本发明还进一步提供了功率变流器的二极管的额外容量。因此，在过速度(以及因此可能的永磁发电机中的过电压)或者过负荷发生的情况下，本发明可以支撑背靠背变流器来耐受这种情况，使得较大量的电流流经发电机侧变流器而流到DC链路。

[0018] 本发明的第二方案涉及通过背靠背变流器来控制与电网连接的发电机的方法，其中，响应于电网中的电压降，发电机通过与发电机侧变流器并联设置的整流器件与背靠背变流器的DC链路连接，用于朝向DC链路传导发电机中的过能量。

[0019] 在优选的实施方案中，通过与DC链路连接的电阻性耗散器件来耗散过能量。

[0020] 在另一优选的实施方案中，过能量通过背靠背变流器的电网侧变流器传送到电网中。

[0021] 在又一优选的实施方案中，发电机中的过能量由与DC链路连接的电容性耗散器件吸收并且随后一旦电网已从电压降恢复就释放。附图说明

[0022] 图1a示出了与电网连接的风力发电机的现有技术的DFIG控制系统。

[0023] 图1b示出了与电网连接的风力发电机的现有技术的全变流器控制系统。

[0024] 图2示出了与双馈感应发电机连接的本发明的优选实施方案的控制系统。

具体实施方式

[0025] 现在将参照附图来说明本发明的优选实施方案。

[0026] 图1a示出了根据现有技术的与风力涡轮机连接并且包括电撬单元(100)的DFIG。当在电网(104)中发生电压降时，激活电撬单元(100)，从而耗散过能量。另一方面，图1b示出了与风力涡轮机连接并且以全变流器模式控制的发电机。

[0027] 图2示出了具有本发明的控制系统(1)的双馈感应发电机(3)。如现有技术，发电机(3)的转子通过背靠背变流器(2)与电网(4)连接。背靠背变流器(2)包括发电机侧变流器(2a)、DC链路(2b)和电网侧变流器(2c)。另一方面，发电机(3)的定子与电网(4)直接连接。

[0028] 在该实施例中，本发明的系统(1)进一步包括整流器件(5)和半导体器件(6)，整流器件(5)和半导体器件(6)串联地连接在发电机(3)的转子和DC链路(2b)之间，与转子侧变流器(2a)并联连接。该实施例的整流器件(5)包括二极管桥，而半导体器件(6)包括晶闸管，所述晶闸管分别连接DC链路(2b)的正极和负极和整流器件(5)。

[0029] 如本申请中之前所说明的，输送到DC链路(2)的过能量可通过电网侧变流器(2c)传送到电网(4)。然而，还可以设置与DC链路(2b)连接的耗散器件(7)。这些耗散器件(7)可以为电阻性的，在该情况下过能量被耗散。例如，可以采用斩波电路。耗散器件(7)还可以为电容性的，在该情况下，过能量被吸收并且随后一旦电网(4)已从电压降恢复就释放。注意的是，在该情况下，电容性耗散器件(7)还可以集成到通常与现有技术的DC链路连接的常规的电容器组中。

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