專利名稱：風力發電系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在交流勵磁型風力發電系統的同步斷路器發生故障的情況 下，檢測同步斷路器的故障并停止轉換器(converter)的工作，由此保護交流勵磁型風力 發電系統不受過電流和過電壓傷害的裝置及其控制方法。
背景技術：
發電裝置中使用的交流勵磁型發電機使用轉換器以轉差頻率(slip frequency) (系統頻率與旋轉頻率的差)對轉子線圈進行交流勵磁，由此能夠利用轉子的勵磁使定子 側產生的電壓具有與系統頻率相同的頻率。并且，具有通過使轉子的勵磁頻率(轉差頻率) 可變而能夠使風車的轉速可變，并且能夠使電力變換器(電力変換器)的容量小于發電機 的容量等優點。但是，在交流勵磁型發電機的同步斷路器存在故障的情況下，發電機的工作模式 與斷路器的開關狀態不一致，由于定子過電壓和轉子過電流的影響，出現斷路器之外的設 備也產生故障的問題。在專利文獻1中，揭示了將系統電壓和發電機的定子電壓用于同步斷路器閉合的 判斷，但沒有用于同步斷路器的故障判斷的先例。專利文獻1 日本特開2009-27766號公報
發明內容
本發明中要解決的問題在于提供一種在交流勵磁型風力發電系統的同步斷路器 發生了故障的情況下，通過檢測故障來停止轉換器的工作，保護系統整體不受過電流和過 電壓傷害的風力發電系統及其控制方法。為了解決上述問題，本發明提供一種風力發電系統，經由斷路器將交流勵磁型發 電機的定子連接到電力系統，在該交流勵磁型發電機的轉子上連接交流勵磁用轉換器，將 該交流勵磁型發電機的轉子連接到渦輪輪，以使用渦輪的動力使轉子旋轉，該風力發電系 統具備系統側轉換器，連接到該交流勵磁型發電機的定子和電力系統；控制裝置，將該系 統側轉換器的直流部分連接到所述交流勵磁用轉換器的直流部分，用于控制所述交流勵磁 用轉換器和所述系統側轉換器；以及單元，通過由該控制裝置控制所述交流勵磁用轉換器 使所述交流勵磁型發電機的定子電壓與系統電壓同步后閉合斷路器；在該風力發電系統 中，所述控制裝置具備根據所述斷路器的工作信號和定子電壓、系統電壓判斷故障的故障 檢測單元，在檢測出所述斷路器的故障的情況下，停止所述系統側轉換器以及所述勵磁用 轉換器的工作。進而，本發明的特征在于在風力發電系統中，所述控制裝置具有發送用于開關所 述斷路器的斷路器開關信號的單元，所述斷路器具有發送用于向所述控制裝置通知已經從 所述控制裝置接受斷路器開關信號的開關狀態信號的單元。進而，本發明的特征在于在風力發電系統中，所述控制裝置具有檢測系統電壓和定子電壓的單元，以及取得該系統電壓與該定子電壓的差的單元，并具有在該系統電壓與 該定子電壓的差超過指定值的情況下判斷為所述斷路器的故障的功能。進而，本發明的特征在于在風力發電系統中，所述控制裝置具有在對于所述斷路 器開關信號所述開關狀態信號在指定時間后未返回的情況下，判斷為所述斷路器的故障的單元。進而，本發明的特征在于在風力發電系統中，所述控制裝置在檢測出所述斷路器 的故障的情況下將發生故障這一情況顯示在監視器裝置上。另外，為了解決上述問題，本發明提供一種風力發電系統的控制方法，該風力發電 系統經由斷路器將交流勵磁型發電機的定子連接到電力系統，在該交流勵磁型發電機的轉 子上連接交流勵磁用轉換器，將該交流勵磁型發電機的轉子連接到渦輪，以使用渦輪的動 力使轉子旋轉，該風力發電系統具備系統側轉換器，連接到該交流勵磁型發電機的定子和 電力系統；控制裝置，將該系統側轉換器的直流部分連接到所述交流勵磁用轉換器的直流 部分，用于控制所述交流勵磁用轉換器和所述系統側轉換器；以及單元，通過由該控制裝置 控制所述交流勵磁用轉換器使所述交流勵磁型發電機的定子電壓與系統電壓同步后閉合 斷路器；在該風力發電系統的控制方法中，所述控制裝置具備根據所述斷路器的工作信號 和定子電壓、系統電壓判斷故障的故障檢測單元，在檢測出所述斷路器的故障的情況下，停 止所述系統側轉換器以及所述勵磁用轉換器的工作。進而，本發明的特征在于在風力發電系統的控制方法中，所述控制裝置具有發送 用于開關所述斷路器的斷路器開關信號的單元，所述斷路器具有發送用于向所述控制裝置 通知已經從所述控制裝置接受斷路器開關信號的開關狀態信號的單元。進而，本發明的特征在于在風力發電系統的控制方法中，所述控制裝置具有檢測 系統電壓和定子電壓的單元，以及取得該系統電壓與該定子電壓的差的單元，并具有在該 系統電壓與該定子電壓的差超過指定值的情況下判斷為所述斷路器的故障的功能。進而，本發明的特征在于在風力發電系統的控制方法中，所述控制裝置具有在對 于所述斷路器開關信號所述開關狀態信號在指定時間后未返回的情況下，判斷為所述斷路 器的故障的單元。(發明效果)根據本發明，能夠提供一種防止由同步斷路器故障造成的過電流和過電壓的交流 勵磁型風力發電系統及其控制方法。
圖1是風力發電裝置的電路結構。圖2是系統側轉換器208-1的控制結構。圖3是發電機側轉換器208-2的控制結構。
圖4是相位檢測器THDET的說明圖。圖5是切換器SW的說明圖。圖6是斷路器220的動作情況的說明圖。圖7是斷路器220的動作情況1至4的流程圖。圖8是斷路器220的動作情況5至8的流程圖。
圖9是監視器裝置700的說明圖。符號說明100電力系統；200風力發電裝置；202發電機；204翼；206風車控制裝置；208轉 換器；210轉換器控制裝置；212齒輪；214，220，222斷路器；216聯結用變壓器；218變壓器 (控制電源用)；2M交流濾波器電路；2 直流電路；2^dV/dt抑制用電抗器；230位置檢 測器；232a電壓傳感器；234a，234b，234c電流傳感器；Qref無效電力指令值；I^ref有效電 力指令值；Run工作/停止指令值；VSY電壓檢測值；ISY電流檢測值；IR，IG輸出電流；VDC 直流電壓信號；Cd電容器；SG1，SG2開關指令信號；SG3開關狀態信號。
具體實施例方式使用圖1說明本發明的一個實施例的裝置結構。此外，圖1是用單線連接圖表示 多相交流電路的圖。風力發電裝置200經由送電線連接到電力系統100。風力發電裝置200主要由交 流勵磁型的發電機202、翼204、風車控制裝置206、轉換器(勵磁裝置)208、轉換器控制裝 置210構成。翼204經由齒輪212機械連接到發電機202的轉子。發電機202的轉子線圈電連 接到轉換器208。風車控制裝置206進行風速檢測、翼204的角度控制、有效電力指令值I^ref的生 成、工作/停止等指令值Run的輸出、無效電力指令值Qref等的工作指令信號OPS的運算。所述風車控制裝置206生成的無效電力指令值Qref、有效電力指令值ft~ef、所述 工作/停止指令值Rim、翼角度指令值等各種工作信號OPS被傳輸到轉換器控制裝置210以 及翼角度改變裝置。轉換器控制裝置210按照指令值調整轉換器208的輸出電壓，控制發電機202與 電力系統100之間的電力(發電電力，無效電力)。所述轉換器控制裝置210的電源經由變壓器218供應。下面，簡單說明轉換器(勵磁裝置)208和轉換器控制裝置210。發電機202的定 子側的三相輸出經由可通過外部信號SGl開關的例如斷路器220、系統聯結用變壓器216和 斷路器214連接到電力系統100。另外，系統聯結用變壓器216經由斷路器222、交流濾波 器電路2 連接到系統側轉換器208-1。轉換器208-1的直流電路2 還連接到轉換器208-2的直流電路，所述轉換器 208-2的交流輸出經由用于抑制dV/dt的電抗器(reactor) 2 連接到發電機202的轉子線圈。所述斷路器214例如用于為保護風力發電裝置200而在電流持續過大時斷開斷路 器214以截斷電流，或者使風力發電裝置200完全停止并從系統100電分離。發電機側轉換器208-2以及系統側轉換器208-1例如使用半導體開關元件(晶閘 管(thyristor)，GTO, IGBT, MOS, SiC等)構成，具有將交流轉換為直流或將直流轉換為交 流的功能。另外，所述系統側轉換器208-1的交流輸入端子上，設置有由電抗器或電容器構 成的，使高次諧波電流、高次諧波電壓發生衰減的交流濾波器電路224。
發電機202的旋轉部分上，經由齒輪212連接有風力發電用的翼204，受到風的作 用力而旋轉。另外，旋轉部分上連接有檢測旋轉位置的例如編碼器等位置檢測器，輸出轉速 信號ω。檢測出的轉速信號ω輸入到風車控制裝置206和轉換器控制裝置210。接著，說明用于控制發電電力的線路以及裝置。對于聯結用變壓器216的二次側 的三相電壓以及三相電流，分別利用電壓傳感器23 ，電流傳感器23 將其值轉換為低電 壓的系統電壓檢測值VSY、低電壓的電流檢測值ISY，所述低電壓的系統電壓檢測值VSY以 及電流檢測值ISY被輸入轉換器控制裝置210。所述轉換器控制裝置210根據系統電壓檢測 值VSY和電流檢測值ISY計算系統輸出的電力，控制轉換器208以與有效電力指令值Pref、 無效電力指令值Qref—致。連接到所述轉換器208-1、208_2的直流電路226的電容器Cd的電壓利用電壓傳 感器轉換為低電壓的直流電壓信號VDC，直流電壓信號VDC被輸入轉換器控制裝置210。另外，利用電流傳感器234d檢測轉換器208-2的輸出電流IR，利用電流傳感器 234c檢測轉換器208-1的輸入電流IG，輸出電流頂以及輸入電流IG被傳輸到轉換器控制 裝置210。另外，轉換器控制裝置210分別使用開關指令信號SG1、SG2控制斷路器220、222， 另外，輸出分別驅動控制由半導體開關元件構成的轉換器208-1、208-2的脈沖信號P1、P2。所述控制裝置210的發電機側轉換器208-2的控制具有用于控制輸出電流頂的 電流控制系統，使用脈沖信號P2驅動轉換器208-2，控制輸出電流頂。接著，使用圖2至圖3說明控制裝置210的系統側轉換器208_1的控制功能。圖2表示轉換器208-1的控制結構。轉換器208_1具有將平滑電容器Cd的直流 電壓信號VDC控制為恒定的功能。為此，轉換器208-1檢測系統電壓檢測值VSY的相位，使 用檢測出的電壓相位區分有效成分和無效成分對電流進行向量控制，以和系統交換有效電 力，控制直流電壓。若發電機勵磁用轉換器208-2使用直流電力消耗平滑電容器Cd的能量并使直流 電壓信號VDC下降，則系統側轉換器208-1的直流電壓控制DCAVR調整有效電流Ipn (有 效電力成分)，對平滑電容器Cd進行充電，以使直流電壓信號VDC保持恒定，相反，在電力 變換器208-2對直流電力進行充電，直流電壓信號VDC上升的情況下，電力變換器208-1的 直流電壓控制DCAVR為了將直流電力轉換為交流電力并向電力系統放電而調整有效電流 Ipn (有效電力成分)，以使直流電壓信號VDC保持恒定。在轉換器208-1開始工作之前，從直流電壓的初始充電電路(未圖示)對直流電 壓信號VDC充電，隨后，作為斷路器222的閉合指令的開關指令信號SG2被輸出，轉換器 208-1被連接到系統。所述系統電壓檢測值VSY被輸入到相位檢測器THDET和三相二相變換器32TRS。 所述相位檢測器THDET計算跟蹤系統電壓的相位信號THS (THS 系統U相電壓為正弦波時 的相位信號)，將所述相位信號THS輸出到三相DQ坐標變換器3DQ、2DQ、二相三相旋轉坐標 變換器DQ23。直流電壓指令值VDCREF與所述直流電壓信號VDC被輸入到直流電壓調整器 DCAVR(例如利用比例積分控制器PI構成)。所述直流電壓調整器DCAVR以使輸入的指令 值VDCREF與直流電壓信號VDC的偏差達到零的方式調整輸出的ρ軸電流指令值(有效電流指令值)Ipnstr，并輸出到電流調整器ACR2。三相DQ坐標變換器3DQ根據輸入的輸入電流IG，使用(數學式1)所示的三相二 相轉換式以及(數學式幻所示的旋轉坐標轉換式，計算P軸電流檢測值Ipn(有效電流) 和q軸電流檢測值Iqn (無效電流)，將ρ軸電流檢測值Ipn輸出到電流調整器ACR2，將q 軸電流檢測值Iqn輸出到電流調整器ACR1。此外，圖2中的輸入電流IG雖然用單線描繪， 但實際上是I⑶，IGV, IGff的三相交流成分。系統電壓檢測值VSY同樣也是三相信號。此處，附加文字U、V、W表示三相交流的各相，例如，輸入電流IG的U相電流記作 I⑶。以后電壓等也是同樣(系統電壓檢測值VSY的U相為VSYU等)。數學式權利要求
1.一種風力發電系統，經由斷路器將交流勵磁型發電機的定子連接到電力系統，在該 交流勵磁型發電機的轉子上連接交流勵磁用轉換器，將該交流勵磁型發電機的轉子連接到 渦輪，以利用渦輪的動力使轉子旋轉，該風力發電系統具備系統側轉換器，連接到該交流勵磁型發電機的定子和電力系統；控制裝置，將該系統側轉換器的直流部分連接到所述交流勵磁用轉換器的直流部分， 并且用于控制所述交流勵磁用轉換器和所述系統側轉換器；以及通過由該控制裝置控制所述交流勵磁用轉換器使所述交流勵磁型發電機的定子電壓 與系統電壓同步后閉合斷路器的單元；其中，所述控制裝置具備根據所述斷路器的工作信號和定子電壓、系統電壓判斷故障的故障 檢測單元，在檢測出所述斷路器的故障的情況下，停止所述系統側轉換器以及所述勵磁用 轉換器的運轉。
2.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于所述控制裝置具有發送斷路器開關信號的單元，所述斷路器開關信號用于開關所述斷 路器，所述斷路器具有發送開關狀態信號的單元，所述開關狀態信號用于向所述控制裝置 通知已經從所述控制裝置接受了斷路器開關信號。
3.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于所述控制裝置具有檢測系統電壓和定子電壓的單元、以及取得該系統電壓與該定子電 壓的差的單元，并具有在該系統電壓與該定子電壓的差超過指定值的情況下判斷為所述斷 路器的故障的功能。
4.根據權利要求1所述的風力發電系統，其特征在于所述控制裝置具有在對于所述斷路器開關信號所述開關狀態信號在指定時間后未返 回的情況下，判斷為所述斷路器的故障的單元。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的風力發電系統，其特征在于所述控制裝置在檢測出所述斷路器的故障的情況下將發生故障這一情況顯示在監視直上ο
6.一種風力發電系統的控制方法，該風力發電系統經由斷路器將交流勵磁型發電機的 定子連接到電力系統，在該交流勵磁型發電機的轉子上連接交流勵磁用轉換器，將該交流 勵磁型發電機的轉子連接到渦輪，以利用渦輪的動力使轉子旋轉，該風力發電系統具備系統側轉換器，連接到該交流勵磁型發電機的定子和電力系統；控制裝置，將該系統側轉換器的直流部分連接到所述交流勵磁用轉換器的直流部分， 并且用于控制所述交流勵磁用轉換器和所述系統側轉換器；以及通過由該控制裝置控制所述交流勵磁用轉換器使所述交流勵磁型發電機的定子電壓 與系統電壓同步后閉合斷路器的單元；在該風力發電系統的控制方法中，所述控制裝置具備根據所述斷路器的工作信號和定子電壓、系統電壓判斷故障的故障 檢測單元，在檢測出所述斷路器的故障的情況下，停止所述系統側轉換器以及所述勵磁用 轉換器的工作。
7.根據權利要求6所述的風力發電系統的控制方法，其特征在于所述控制裝置具有發送斷路器開關信號的單元，所述斷路器開關信號用于開關所述斷 路器，所述斷路器具有發送開關狀態信號的單元，所述開關狀態信號用于向所述控制裝置通知已經從所述控制裝置接受了斷路器開關信號。
8.根據權利要求6所述的風力發電系統的控制方法，其特征在于所述控制裝置具有檢測系統電壓和定子電壓的單元、以及取得該系統電壓與該定子電 壓的差的單元，并具有在該系統電壓與該定子電壓的差超過指定值的情況下判斷為所述斷 路器的故障的功能。
9.根據權利要求6所述的風力發電系統的控制方法，其特征在于所述控制裝置具有在對于所述斷路器開關信號所述開關狀態信號在指定時間后未返 回的情況下，判斷為所述斷路器的故障的單元。
全文摘要
本發明提供一種風力發電系統及其控制方法，在交流勵磁型發電機中，根據系統電壓與定子電壓的比較來推定是否有同步斷路器故障，在有故障的情況下停止電力變換器的工作，由此防止由同步斷路器故障造成的過電流和過電壓。在交流勵磁型風力發電系統的斷路器發生了故障的情況下，檢測斷路器的故障并停止轉換器的工作，由此保護交流勵磁型風力發電系統不受過電流和過電壓傷害的裝置及其控制方法，其特征在于具備根據斷路器的工作信號和定子電壓、系統電壓判斷故障的故障檢測單元，在檢測出斷路器故障的情況下，停止系統側轉換器以及勵磁用轉換器的工作。
文檔編號H02H7/00GK102108942SQ20101060325
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月21日 優先權日2009年12月25日
發明者一瀨雅哉, 中山靖章, 松竹貢, 清藤康弘, 目黑光, 酒井洋滿 申請人:株式會社日立制作所