專利名稱：發電機控制系統及方法
技術領域：
本發明的主題是用于在電網中的電壓降期間控制與電網連接的發電機的系統和方法。
背景技術：
近來，與電網連接的風力發電機和風場的數量顯著增長。出于此原因，電網連接要求變得日益嚴格，結果是風力發電機控制系統變得日益復雜。具體地，電網連接要求要求風力發電機在電網中的短持續時間的電壓降期間表現良好。背靠背變流器是用于將發電機與電網連接的已知裝置。背靠背變流器包括通過DC鏈路連接的發電機側變流器和電網側變流器。背靠背變流器用于DFIG(雙饋感應發電機)系統中，在該情況下背靠背變流器將發電機的轉子與電網連接，而且在全變流器系統中，在該情況下，背靠背變流器將發電機的定子與電網連接。DFIG和全變流器系統兩者均是現有技術的部分。更具體地，由于DFIG提供了多種優于大多數其它系統的經濟和技術方面的優勢，所以DFIG現在被廣泛地采用。在DFIG中，如果不采取措施，電網中的電壓降產生過渡相，造成轉子繞組中的過電壓，這對于發電機側變流器而言是破壞性的。因此，為了滿足電網連接的要求，DFIG系統包括這樣的裝置一方面，所述裝置允許在過渡相中保持發電機與電網連接，另一方面，保持對風力渦輪機的控制。該裝置通常稱為“電撬”或“電撬單元”。國際專利申請PCT/ES2006/000264公開了電撬單元，當檢測到電網中的電壓降時，激活電撬單元。電撬單元基本上通過短路來降低轉子繞組處的電壓，因此保護背靠背變流器的發電機側變流器。近來，日益嚴格的電網連接要求要求較短的過渡相。然而，如果過早地去激活電撬單元，則破壞性電壓可能仍存在于轉子繞組中。因此，對于用于與電網連接的發電機的控制系統仍存在需求。
發明內容
通常，背靠看變流器設計成管理電力變換系統所要求的額定容量(在全變流器中為100%的風力渦輪機電力，并且在DFIG中為30%的風力渦輪機電力)。因此，背靠背變流器(例如，IGBT)的反并聯二極管被評估為不能承受在電壓降情況下可能出現的過電流，并且因此，在發電機側變流器不與發電機斷開連接的情況下可能出現故障。為了解決該問題，本發明的第一方案描述了發電機控制系統，其包括背靠背變流器，所述背靠背變流器連接在發電機和電網之間，并且發電機控制系統進一步包括與發電機側變流器并聯的整流器件，所述整流器件串聯地連接在發電機和背靠背變流器的DC鏈路之間。該新技術允許背靠背變流器在整個電壓降期間處于控制中，從而與現有的電撬系統相比能夠更早地將無功功率注入電網中。另外，背靠背變流器無需設計并制造為具有耐受極高電流的能力，因此更加經濟且更易于制造。整流器件將發電機側的三相電壓和電流轉換成DC電壓和電流。優選地，整流器件包括包括二極管的電橋；包括IGBT的電橋；或包括晶閘管的電橋。在整流器件包括有源元件(IGBT、晶閘管或其它元件)的情況下，可使整流器件工作以在檢測到電網中的電壓降之后的選定瞬間啟動本發明的控制系統。因此，本發明的控制系統提供了發電機和與發電機側變流器并聯的DC鏈路之間的備選連接，允許發電機側的過能量進入DC鏈路，同時保持發電機側變流器處的電壓足夠低以防止其故障。根據優選的實施方案，本發明進一步包括與整流器件串聯連接的半導體器件。半導體器件主要用于避免如下問題當不存在電壓降時，電流從DC鏈路朝向發電機側返回，這是當使用一些類型的整流器件可能出現的問題。優選地，半導體器件包括兩個晶閘管或二極管，每個晶閘管或二極管分別連接DC鏈路的正極和負極和整流器件。當由有源元件形成時，半導體器件可進一步用于在檢測到電網中的電壓降之后在選定瞬間使本發明的控制系統運行。輸送到DC鏈路的過能量可以多種方式來處理。例如，可使其朝向電網通過電網側變流器。根據另一優選的實施方案，本發明進一步包括與DC鏈路連接的能量耗散器件。能量耗散器件可以為任何類型(電容性的、電感性的或電阻性的)，而在優選的實施方案中，能量耗散器件為電阻性的，例如斬波電路，在該情況下耗散過能量。可選地，能量耗散器件可以為電容性的，在該情況下過能量被吸收并且隨后在電網中的電壓降之后釋放。作為附加的優勢，由于常規的背靠背變流器的DC鏈路通常包括電容器組，所以電容性的能量耗散器件可以并入電容器組中。優選地，通過本發明的系統控制的發電機與風力渦輪機連接。在本發明的另一優選的實施方案中，發電機為雙饋感應發電機(DFIG)，整流器件則與發電機的轉子連接。在現有技術的系統中，由于發電機的定子與電網連接，過電壓以及因此在發電機的轉子中引起的過電流可能太高而使得常規的背靠背變流器不能承受。因此，發電機側變流器斷開連接，除非其具有處理這種狀況的能力。在電撬置于轉子和發電機側變流器之間的情況下，所述過電流會耗散，防止所述過電流流經變流器。本發明允許該電流流入DC鏈路，而不損壞發電機側變流器，額外優勢是在電壓降期間內保持對背靠背變流器的控制。該優勢使得變流器系統能夠迅速恢復發電機控制并且提高風力渦輪機對跨過的低電壓的表現。例如，在優選的而非限制性的實施方案中，在檢測到電網電壓降之后在短時間段內將無源功率供給電網。在方面的又一優選的實施方案中，以全變流器模式來控制發電機，整流器件則與發電機的定子連接。在全變流器系統中，發電機不與電網直接連接，因此系統的表現不如DFIG系統中那樣嚴格。然而，本發明還進一步提供了功率變流器的二極管的額外容量。因此，在過速度(以及因此可能的永磁發電機中的過電壓)或者過負荷發生的情況下，本發明可以支撐背靠背變流器來耐受這種情況，使得較大量的電流流經發電機側變流器而流到DC鏈路。本發明的第二方案涉及通過背靠背變流器來控制與電網連接的發電機的方法，其中，響應于電網中的電壓降，發電機通過與發電機側變流器并聯設置的整流器件與背靠背變流器的DC鏈路連接，用于朝向DC鏈路傳導發電機中的過能量。在優選的實施方案中，通過與DC鏈路連接的電阻性耗散器件來耗散過能量。在另一優選的實施方案中，過能量通過背靠背變流器的電網側變流器傳送到電網中。在又一優選的實施方案中，發電機中的過能量由與DC鏈路連接的電容性耗散器件吸收并且隨后一旦電網已從電壓降恢復就釋放。
圖Ia示出了與電網連接的風力發電機的現有技術的DFIG控制系統 。圖Ib示出了與電網連接的風力發電機的現有技術的全變流器控制系統。圖2示出了與雙饋感應發電機連接的本發明的優選實施方案的控制系統。
具體實施例方式現在將參照附圖來說明本發明的優選實施方案。圖Ia示出了根據現有技術的與風力渦輪機連接并且包括電撬單元(100)的DFIG。當在電網(104)中發生電壓降時，激活電撬單元(100)，從而耗散過能量。另一方面，圖Ib示出了與風力渦輪機連接并且以全變流器模式控制的發電機。圖2示出了具有本發明的控制系統(I)的雙饋感應發電機(3)。如現有技術，發電機(3)的轉子通過背靠背變流器(2)與電網(4)連接。背靠背變流器(2)包括發電機側變流器(2a)、DC鏈路(2b)和電網側變流器(2c)。另一方面，發電機(3)的定子與電網(4)
直接連接。在該實施例中，本發明的系統(I)進一步包括整流器件(5)和半導體器件￠)，整流器件(5)和半導體器件(6)串聯地連接在發電機(3)的轉子和DC鏈路(2b)之間，與轉子側變流器(2a)并聯連接。該實施例的整流器件(5)包括二極管橋，而半導體器件(6)包括晶閘管，所述晶閘管分別連接DC鏈路(2b)的正極和負極和整流器件(5)。如本申請中之前所說明的，輸送到DC鏈路⑵的過能量可通過電網側變流器(2c)傳送到電網(4)。然而，還可以設置與DC鏈路(2b)連接的耗散器件(7)。這些耗散器件(7)可以為電阻性的，在該情況下過能量被耗散。例如，可以采用斬波電路。耗散器件(7)還可以為電容性的，在該情況下，過能量被吸收并且隨后一旦電網(4)已從電壓降恢復就釋放。注意的是，在該情況下，電容性耗散器件(7)還可以集成到通常與現有技術的DC鏈路連接的常規的電容器組中。
權利要求
1.發電機控制系統(I)，包括連接在發電機(3)和電網(4)之間的背靠背變流器(2)，其特征在于進一步包括與所述發電機側變流器(2a)并聯的、串聯地連接在所述發電機(3)和所述背靠背變流器⑵的所述DC鏈路(2b)之間的整流器件(5)。
2.根據權利要求I所述的發電機控制系統(1)，其中所述整流器件(5)選自包括二極管的電橋、包括IGBT的電橋以及包括晶閘管的電橋。
3.根據權利要求1-2中任一項所述的發電機控制系統(I)，其進一步包括串聯地連接所述整流器件(5)的半導體器件(6)。
4.根據權利要求3所述的發電機控制系統(I)，其中所述半導體器件(6)包括兩個晶閘管或二極管，所述晶閘管或二極管均分別連接所述DC-鏈路(2b)的正極和負極、以及所述整流器件(5)。
5.根據前述權利要求中任一項所述的發電機控制系統(I)，進一步包括連接所述DC-鏈路(2b)的能量耗散器件(7)。
6.根據權利要求5所述的發電機控制系統(I)，其中所述能量耗散器件(7)是電阻性的。
7.根據權利要求6所述的發電機控制系統(I)，其中所述能量耗散器件(7)包括斬波電路。
8.根據權利要求5所述的發電機控制系統(I)，其中所述能量耗散器件(7)是電容性的。
9.根據前述權利要求中任一項所述的發電機控制系統(I)，所述發電機為雙饋感應發電機，其中所述整流器件(5)與所述發電機(3)的轉子連接。
10.根據權利要求1-8中任一項所述的發電機控制系統(I)，所述發電機以全變流器模式控制，其中所述整流器件(5)與所述發電機(3)的定子連接。
11.根據前述權利要求中任一項所述的發電機控制系統(I)，其中所述發電機(3)與風力渦輪機連接。
12.—種借助于背靠背變流器(2)控制連接電網(4)的發電機(I)的方法，其特征在于，響應于所述電網(4)中的電壓降，執行通過整流器件(5)和半導體器件(6)將所述發電機(3)與背靠背變流器(2)的DC鏈路(2b)連接的步驟，所述整流器件(5)和半導體器件(6)設置并聯所述發電機側變流器(2a)以使所述發電機(3)處的過能量能夠朝向所述DC鏈路(2b)流動。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述過能量通過與所述DC-鏈路(2b)連接的電阻性耗散器件(7)耗散。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述過能量通過所述背靠背變流器(2)的電網側變流器(2c)傳送到所述電網(4)。
15.根據權利要求12所述的方法，其中所述過能量由與所述DC鏈路(2b)連接的電容性耗散器件(7)吸收并且隨后一旦所述電網(4)已從所述電壓降恢復就釋放。
全文摘要
本發明說明了用于在電網中的電壓降期間控制與電網連接的發電機的系統和方法，所述系統包括背靠背變流器(2)，其連接在發電機(3)和電網(4)之間，而且與發電機側變流器(2a)并聯連接；整流器件(5)，其串聯地連接在發電機(3)和背靠背變流器(2)的DC鏈路(2b)之間，從而提供使發電機側的過能量進入DC鏈路(2b)的備選方式。
文檔編號H02P9/10GK102986131SQ201080066575
公開日2013年3月20日 申請日期2010年4月29日 優先權日2010年4月29日
發明者D·舒萊·洛佩斯, I·加門迪亞·奧拉雷加, J·科洛馬·卡拉霍拉, J·馬約爾·盧薩雷塔, J·埃洛里亞加·里昂諾斯, A·卡卡·馬約爾 申請人:英格蒂姆能源科技有限公司