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
能源供应的减少以及恢复这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以具有成本效益的、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，风力发电机可以包括多个旋转
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，以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桁架或管状塔筒的顶部上的
外壳或
机舱中。在机舱中生成的电能经由
变压器向下穿过塔筒分布到共用电网上。
[0004] 风能具有若干应用，这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，风力发电机可以用于为单个家庭或
建筑物发电，或者风力发电机可以连接到电网上，用于更广泛的电力分配。风力发电机到电网的互连可以基于装置的尺寸、对总电力供应(风力穿透(wind penetration))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，以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，以从风
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，变速风力发电机可以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，变速风力发电机可以以最佳旋转速度运行，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；
以及用于转换器的
控制器。例如，图1说明了耦接到公用电网12上的用于电力分配的风力发电机10，并且包括耦接到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。
[0008] 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具有耦接到电网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(RSC)
电路28；DC中间电路30，所述电路提供具有电容C的DC总线(DB)；以及线路侧转换器电路32。线路侧转换器(LSC)电路32耦接在定子绕组26与DC中间电路30之间。
[0009] 一些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。这称为“
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，
涡轮机无法输出能量。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。这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，这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，这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，这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。这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、成本以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耦接在转子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
电阻器以及绝缘
门极双极型晶体管(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闸，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或者实施控制策略以降低过电压，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，可以在检测出转子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，以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以恢复DFIG控制。这样防止了IGBT的过电压并且可以耗散能量。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以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(DB)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以及DFIG和线路侧以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。这种策略有助于提高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、背对背式转换器以及控制器。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耦接；以及线路侧转换器，所述线路侧转换器与直流链的输出耦接。所述控制器配置用于对背对背式转换器的功率、DFIG的热性能以及转子侧转换器和线路侧转换器的电感器进行控制，以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
转子叶片、双馈感应发电机、背对背式转换器以及控制器。所述DFIG可旋转地耦接到转子叶片上用于发电。背对背式转换器包括：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耦接；以及线路侧转换器，所述线路侧转换器与直流链的输出耦接。所述控制器配置用于对背对背式转换器的功率、DFIG的热性能以及转子侧转换器和线路侧转换器的电感器进行控制，以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。
[0021] 在某些实施例中，提供一种用于抵制孤岛效应而对风力发电机进行控制以防止过电压和过速情况的方法，所述方法包括：通过双馈感应发电机的旋转来发电；监测风力发电机与公用电网的输电线之间的连接；监测公用电网电压的变化；以及响应于孤岛效应事件期间公用电网电压的变化，运行控制器以防止过电压和过速情况。
[0022] 下文参考
附图对各项实施例的其他特征和优点以及结构和操作进行更加详细的描述。应注意，本发明不限于本
说明书中所描述的具体实施例。此类实施例仅出于说明性目的而呈现在本说明书中。相关领域的技术人员基于本说明书中所包含的教示将会了解另外的实施例。
附图说明
[0023] 图1是DFIG风力系统的基本配置的方
框图；
[0024] 图2是根据本发明的各项实施例的DFIG风力系统的一个实例的示意性方框图；
[0025] 图3是图2所示的DFIG风力系统的电路图；以及
[0026] 图4是根据各项实施例的控制器的一个实例的方框图；
[0027] 图5是描绘根据各项实施例的DFIG风力系统的矢量图；
[0028] 图6是描绘根据各项实施例的DFIG风力系统的矢量图；
[0029] 图7是描绘根据各项实施例的DFIG风力系统的矢量图；
[0030] 图8是描绘根据各项实施例的DFIG风力系统的矢量图；以及
[0031] 图9是实践本发明的一项实施例的示例性方法的
流程图。
[0032] 本发明可以采用以各种部件以及部件的布置和各种过程操作以及过程操作的布置的形式。在附图中对本发明进行说明，在附图中相同的参考编号可以指示各个附图中的对应或类似部分。附图仅用于说明优选实施例的目的，且不应将其视作对本发明的限制。考虑到以下对附图的可行性描述，本发明的新颖方面对所属领域的技术人员而言应该是明显的。
具体实施方式
[0033] 以下具体实施方式在本质上仅仅是示例性的，而并不意图限制本说明书中所揭示的应用和用途。此外，并不意图受前述背景技术或者发明内容或者以下具体实施方式中所列举的任何理论的约束。尽管本说明书中主要结合DFIG风力系统对本发明技术的各项实施例进行描述，但是这些概念也适用于具有转换器的其他类型的风力发电机系统，例如，全功率转换器风力系统或具有转换器的其他类似系统。除了风力发电机技术以外，这些概念还适用于
水力发电机和
太阳能。
[0034] 本说明书中所描述的实施例包括提供控制策略的风力发电机系统，所述控制策略将线路侧电压、转子侧电压以及直流链电压控制到正常水平。控制策略也会防止发电机速度增加，方式是改变转子磁通量链路、调节转换器线路侧的待用输出功率以及利用发电机和电感器的
热容。这种控制方案增强了在关闭风力发电机或执行电力网恢复之前的DFIG系统的安全性。
[0035] 因此，某些实施例提供一种对连接到电力系统上的发电机系统进行控制以避免发电机产生非计划性孤岛效应的系统和方法。进一步的实施例提供一种在DFIG脱离电网或失去负载期间消除直流链、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。另外的实施例也可以提供一种降低对DB(动态断路器)的容量需求的系统和方法。
[0036] 各项实施例提供一种充分利用功率转换器的控制能力以及DFIG和线路侧转子侧电感器的热性能的系统和方法。这种控制策略不需要任何硬件变化或
修改。因此，这节约了动态断路器的成本。进一步的实施例提供一种控制系统和方法，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。这种策略有助于提高DFIG系统的安全性。
[0037] 本说明书中所用的术语“过电压”旨在表示超过预定电压水平(例如，参考电压水平)的电压水平。这种参考电压水平可以根据最大电压水平进行设置，所述最大电压水平可以应用于风力发电机的电气部件和／或辅助部件。本说明书所用的术语“叶片”旨在表示在相对于周围
流体进行运动时提供反作用力的任意装置。
[0038] 本说明书中所用的术语“风力发电机”旨在表示利用风能生成旋转能，具体而言，将风的动能转化成机械能的任意装置。本说明书中所用的术语“风力发电机”旨在表示利用由风能产生的旋转能生成电能，具体而言，将由风的动能转化来的机械能转化成电能的任意风力发电机。
[0039] DFIG风力系统200的一项示例性实施例，所述DFIG风力系统耦接到公用电网204上，用于进行电力分配。所述DFIG风力系统200包括耦接到DFIG208上的风力发电机206。DFIG208包括DFIG发电机210，所述DFIG发电机包括转子212和定子214。系统200包括可操作地耦接到风力发电机206和DFIG发电机210上的
齿轮箱216。DFIG208的转子绕组耦接到背对背式转换器220上，而DFIG208的定子绕组耦接到公用电网204上。
[0040] 转换器220是背对背式结构，该结构包括：转子侧转换器电路224；DC中间电路226，所述电路提供具有电容C的Dc总线(DB)；以及线路侧转换器电路228。线路侧转换器电路228耦接在DFIG208的定子绕组与DC中间电路226之间。
[0041] 在图2中，公用电网204使发电机定子214(如外圆所表示)的绕组通电。典型地，所述电网供应三相交流电。在转子侧，风力驱动的叶片组件206驱动转子轴，例如，通过齿轮箱216。这样生成机械力以转动DFIG转子212(如内圆所表示)。转子的电连接是穿过滑环的。
[0042] 除了触发定子绕组之外，来自公用电网的三相电力连接到AC／DC线路或电网侧转换器228上。电力断路器等开关机构230可以提供于到达定子214的电网和连接件与电网或线路侧转换器228之间。转子绕组产生的交流电被供应到AC／DC转子侧转换器220上。两个功率转换器224和228由DC总线226连接。在说明的实施例中，转换器224和228中的每一者都可以使用绝缘门极双极型晶体管，但是也可以使用其他转换装置，例如，SCR或MOSFET。
[0043] 在各项实施例中，风力发电机系统200可以包括电气和控制系统，所述电气和控制系统包括
涡轮机控制器202，如图4所示。涡轮机控制器202可以包括至少一个处理器和
存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道，并且可以包括至少一个计算机。本说明书所用的术语计算机不限于计算机领域所提及的集成电路，而是泛指处理器、
微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、
专用集成电路和其他可编程电路，且本说明书中所用的这些术语可互换使用。
[0044] 在示例性实施例中，存储器可以包括，但不限于，计算机可读媒体，例如，
随机存取存储器(RAM)。或者，也可以使用一个或多个存储装置，例如，
软盘、压缩光盘
只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)，和／或数字多功能光盘(DVD)。此外，在示例性实施例中，额外的输入通道可以是，但不限于，与操作员
接口相关联的计算机
外围设备，例如，
鼠标和
键盘。此外，在示例性实施例中，额外的输出通道可以包括，但不限于，操作员接口监视器。
[0045] 用于涡轮机控制器的处理器处理从多个电气和
电子装置传输的信息，所述装置可以包括，但不限于，电压和电流变换器。RAM和／或存储装置对将由处理器执行的信息和指令进行存储和传输。
[0046] RAM和／或存储装置也可以用于在处理器执行指令期间存储临时变量、静态(即，不变的)信息和指令，或其他中间信息，并将上述内容提供给处理器。所执行的指令包括，但不限于，贮存内容转换和／或比较器
算法。对指令序列的执行并不限于硬件电路系统和
软件指令的任意特定组合。
[0047] 在各项实施例中，涡轮机控制器202配置用于从一个或多个电压和电流传感器中接收多个电压和电流测量
信号。此外，涡轮机控制器配置用于监测和控制与风力发电机200相关联的至少一些运行变量。电压和电流传感器电耦接到促进电气和控制系统的运行的电气和控制系统的任何部分。
[0048] 控制器202的目标是：1)增强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。(这种策略有助于提高DFIG系统的安全性)，2)在DFIG脱离电网或失去负载期间，消除直流链、DFIG电网侧和转子侧中的过电压并且降低DFIG过速的风险，以及3)降低对动态断路器的容量需求。
[0049] 控制器202监测许多系统变量的信号，并且对图2所示的DFIG风力系统的线路转换器224和转子转换器228的运行进行控制。图2示出了DFIG风力系统200的基本配置的示例性实施例。在此实例中，远侧开关SW230由于故障接地和DFIG208以电容器负载CL运行而发生跳闸。
[0050] 图3中示出了图2的等效电路图。如图4所示的控制器202可以监测如图2至图3中所表示的变量，其中，
[0051] Rs是发电机定子电阻器，
[0052] Rr是发电机转子电阻器，
[0053] R1是L1电阻器，
[0054] R2是L2电阻器，
[0055] Is是发电机定子电流，
[0056] Ir是发电机转子电流，
[0057] Im是励磁电流，
[0058] Ic是负载电流，
[0059] Ix是线路侧转换器输出电流，
[0060] Lm是发电机磁通量感应系数。忽略发电机磁通量
泄漏，
[0061] L1是包括在转子侧转换器中的电感器，
[0062] L2是包括在线路侧转换器中的电感器，
[0063] CL是电容器负载，以及
[0064] Cx是线路侧转换器等效电容器。
[0065] 图5说明了图2中的DFIG风力发电系统200的矢量图。在图5中，Em是定子感应电压，其中
[0066]
[0067] 现在根据图5，发电机在自励状态下运行。电流Is几乎等于Ic并且与励磁电流Im具有相同方向。由于Ic，Em会比故障接地状态之前的Em大。因此，可以随着经受Ic或CL电容的Em的增加而产生过电压。
[0068] 为了将Em重新建立至正常的运行水平并且使Em摆脱过电压水平状态，控制系统必须将Im降低至正常水平。控制系统可以降低图5中的Ir或如图6所示改变Ir的方向。
[0069] 在图6所示的DFIG风力系统的矢量图中，Im=Is+Ir。控制系统可以通过将图5所示的Ir的方向变化到图6所示的方向而计算出合适的Im。Ir的方向变化会使Em降低回到正常水平并且可以消除直流链过电压的风险。
[0070] 如图7所示，为了提供发电机安全性并且防止转子侧发生过电压，控制系统对发电机速度进行限制以防止过速或者延迟发电机以防止过速。系统对线路侧转换器228进行控制以输出其电容中的最大Ix。Ix方向与Ic方向相同。
[0071] 同时，系统必须增大Ir以获得合适的Im，并且防止Em达到过电压水平。如图7所示，系统可以获得较大的Ix、Is和Ir，(其中Is=Ix+Ic)。
[0072] 因此，系统产生较大的功率损耗，所述功率损耗从以下方程式中计算出：P≈Ix2*R2+Is2*Rs+Ir2*(Rr+R1)，从而获得较大的扭矩以限制发电机速度，从而防止过速或者延迟发电机从而防止过速。
[0073] 另一方面，如果DFIG风力系统由长电缆连接到电力网上并且由于长电缆而使Ic非常大，那么Ir本身可能不足以补偿Ic(超出发电机容量)。系统可以控制Ix以协助对Ic的补偿，如图8所示。
[0074] 在涉及具有较长传输距离的较大风电场的情况下，补偿Ic的需求可能会增加，因为(1)长AC电缆生成大量的电容电流，这会显著降低电缆的传输容量并且需要较大的无功功率补偿；以及／或者(2)AC连接在风电场与电网之间引起同步操作，因此电网上发生的故障会直接影响风电场，反之亦然。
[0075] 图9是说明根据本教示的用于防止风力发电机过电压和过速的示例性控制策略方法900的流程图。在方框910处，步骤开始。随后，通过DFIG风力发电机发电机产生电能。在方框920处，执行检查以确定DFIG是否脱离电网或失去负载。如果在方框920处DFIG连接到电网上，那么步骤进入到方框990并且终止。
[0076] 如果在方框920处DFIG脱离电网或失去负载，那么步骤进入到方框930并且执行检查以确定电网电压水平是否过高。如果在方框930处电网电压水平不是过高；那么步骤进入到方框990并且终止。如果在方框930处电网水平过高，那么步骤进入到方框940。在方框940中，系统对Ir或Ix进行调节以降低Im。在方框950中，执行检查以确定电网电压水平是否过高。如果在方框950处电网电压水平过高，那么步骤返回到方框940。
[0077] 如果在方框950处电网水平不是过高，那么步骤进入到方框960。在方框960处，执行检查以确定是否对发电机进行加速。如果在方框960中确定不对发电机进行加速，那么步骤进入到方框990并且终止。如果在方框960处确定对发电机进行加速，那么步骤进入到方框970。在方框970处，步骤增大Ir和Ix并且Im保持恒定。在方框980中，检查是否输出最大Ix。如果在方框980处未输出最大Ix，那么步骤返回到方框960。如果在方框980中输出最大Ix，那么步骤进入到方框990并且终止。
[0078] 事实上，对叶片进行变距(feathering blade)可以伴随图9所示的工作流程以限制发电机的增加的速度，直到电网恢复或DFIG跳闸为止。在紧急事故停机过程中或者只要在风速超过最大额定速度时，对叶片进行变距会使转子停止。在风力发电机的构建和维护过程中，通常对叶片进行变距以在发生阵风的情况下减小不必要的旋转扭矩。叶片距控制是几乎所有大型现代
水平轴风力发电机的特征。在运行时，随着风速的变化，风力发电机的控制系统对叶片距进行调节以将转子速度保持在运行极限内。
[0079] 上述装置和方法协助控制系统防止过电压和过速。具体而言，控制系统采用线路侧转换器或转子侧转换器以获得合适的Im，从而消除电网过电压。为了获得较大的功率消耗，控制系统也会增加Ix和Ir，同时保持Im恒定。这样会减缓发电机加速并且消除直流链过电压，并且将电网电压控制到正常水平。所有这些特征会共同地或独立地增加DFIG系统的安全性。
[0080] 所属领域的技术人员将明白，在不脱离本教示的范围的前提下，可以对本发明的过
电压保护装置和方法进行各种修改和改变。通过实例的方式，根据本教示的过电压保护装置可以与全功率转换器风力系统、多相风力系统或包括转换器的其他类似系统一起使用。
[0081] 尤其根据前述教示，所属领域的技术人员可以提供包含在本发明中的替代性实施例、实例以及修改。此外，应理解，用于描述本发明的术语意图作为说明性词语而不是限制性词语。
[0082] 所属领域的技术人员还将认识到，在不脱离木发明的范围和精神的情况下，可以对上述优选和替代性实施例的多种调整和修改进行配置。因此，应理解，在随附
权利要求书的范围内，可以使用除本说明书中具体说明的方式之外的其他方式来实践本发明。
