專利名稱：風力發電機及在電網故障后將變壓器連接到電網的方法
技術領域：
本發明大體涉及用于風力發電機的方法和系統，確切地說，涉及用于保護風力發電機和風場在電網恢復后免受浪涌電流(inrush current)的方法和系統。
背景技術：
一般而言，風力發電機包括渦輪機，所述渦輪機具有轉子，所述轉子包括具有多片葉片的可旋轉輪轂組件。所述葉片將風能轉變成機械轉動扭矩，使得通過轉子驅動一個或多個發電機。發電機有時通過齒輪箱以可旋轉的方式連接到轉子，但并非總是如此。齒輪箱提升轉子固有的低旋轉速度，以使發電機有效地將旋轉機械能轉換成電能，電能經由至少一個電氣連接饋送到公用電網中。還存在無齒輪的直接驅動式風力發電機。轉子、發電機、齒輪箱以及其他部件通常安裝在外殼或機艙內，所述外殼或機艙位于底座的頂部上，所述底座可為桁架或管狀塔筒。一些風力發電機配置包括雙饋感應發電機(DFIG)。此類配置還可包括功率轉換器，用以將所生成的電力的頻率轉換成大體上與公用電網頻率相似的頻率。此外，此類轉換器以及DFIG還在公用電網與發電機之間傳輸電力，并且將發電機勵磁功率從與公用電網電連接的其中一個連接傳輸到繞線發電機轉子。或者，一些風力發電機配置包括，但不限于，感應發電機、永磁(PM)同步發電機和電勵磁同步發電機，以及開關磁阻發電機的替代類型。這些替代配置還可包括功率轉換器，用以轉換上述頻率并且在公用電網與發電機之間傳輸電力。已知的風力發電機具有多個機械和電氣部件。每個電氣和/或機械部件可具有獨立或不同于其他部件的運行限制，例如，電流、電壓、功率，和/或溫度限制。此外，已知的風力發電機通常被設計和/或組裝成具有預定的額定功率限制。為了在此類額定功率限制內運行，電氣和/或機械部件可以所述運行限制的較大界限運行。此運行可導致風力發電機運行效率低，而且風力發電機的發電能力可能未得到充分利用。幾乎每個發電廠，無論是核電廠、熱電廠、水力發電站、煤發電站、燃氣發電站還是在下文中還稱為風場的風力發電站，均通過將機械能轉換成電力的一個或多個發電機生成電流。通常，發電機的電力經由變壓器饋送到公用電網。例如，風場的風力發電機的發電機通常連接到單個變壓器，所述單個變壓器經由變電站的主變壓器連接到公用電網。當公用電網在斷電之后恢復時，風力發電機的單個變壓器仍連接并且都同時通電。這可產生非常高的浪涌電流峰值。因此，變電站中的主變壓器可因多余的保護繼電器跳閘而與公用電網斷開連接。此外，浪涌電流峰值可導致配電系統中發生共振和/或振蕩，和/或導致變壓器繞組的機械負載較高，從而減少變壓器的使用壽命。據此，需要減少發電廠，尤其是風場，的浪涌電流和/或提高浪涌電流保護。
發明內容
—方面，提供一種風力發電機。所述風力發電機包括變壓器，所述變壓器具有低壓側和高壓側。所述變壓器經配置以將所述變壓器的所述低壓側的電壓提升到外部電網的電壓。所述風力發電機進一步包括發電單元，所述發電單元連接到所述變壓器的所述低壓側，且經配置以將交流電饋送到所述變壓器的所述低壓側。所述風力發電機的充電裝置連接到所述變壓器的所述低壓側，且經配置以在所述發電單元未將交流電饋送到所述變壓器的所述低壓側時，對所述變壓器的所述低壓側充電。所述的風力發電機進一步包括開關，所述開關連接在所述外部電網與所述變壓器的所述高壓側之間，且經配置以斷開和閉合所述變壓器的所述高壓側與所述外部電網之間的連接。其中所述充電裝置包括控制器，所述控制器連接到所述開關，且經配置以發布閉合所述開關。所述的風力發電機進一步包括電壓開關柜，所述電壓開關柜包括所述開關和電壓互感器，所述電壓互感器包括連接到所述外部電網的高壓側以及低壓側，其中所述充電裝置連接到所述電壓互感器的所述低壓側。其中所述充電裝置包括逆變器，所述逆變器連接到所述變壓器的所述低壓側，且經配置以將至少一個上升交流電輸出信號輸出到所述變壓器的所述低壓側。其中所述逆變器經配置以將所述至少一個上升交流電輸出信號大體上斜升到所述發電單元的額定電壓。其中所述充電裝置包括連接到所述逆變器的能量緩沖器，所述能量緩沖器可用所述外部電網的電力進行充電。其中所述充電裝置包括控制器，所述控制器經配置以檢測所述外部電網的恢復情況以控制所述逆變器，從而使所述至少一個上升交流電輸出信號大體上與所述外部電網同相。所述的風力發電機進一步包括連接到所述外部電網的傳感器以及連接到所述傳感器控制器，所述控制器經配置以控制所述逆變器，從而使所述至少一個上升交流電輸出信號大體上與所述外部電網同相。其中所述充電裝置經配置以在所述變壓器的所述低壓側的電壓已達到預定值之后使所述開關閉合。另一方面，提供一種風場。所述風場包括風場電網；以及主變壓器，其連接到所述風場電網，且經配置以將所述風場電網的電壓提升到所述風場所連接的公用電網的電壓。所述風場進一步包括至少一個風力發電機、變壓器，以及開關。所述至少一個風力發電機包括內部電網；發電單元，其連接到所述內部電網，且經配置以將額定電壓的交流電饋送到所述內部電網；以及連接到所述內部電網的充電裝置。所述變壓器連接到所述風力發電機的所述內部電網，且經配置以將所述發電單元的所述額定電壓提升到所述風場電網的所述電壓。所述開關連接在所述風場電網與所述變壓器之間，且經配置以斷開和閉合所述變壓器與所述風場電網之間的連接。所述充電裝置經配置以在所述開關斷開時將交流電饋送到所述風場的所述內部電網。其中所述充電裝置包括逆變器，所述逆變器經配置以在所述發電單元未將交流電饋送到所述內部電網時，將所述內部電網的電壓斜升到所述額定電壓。其中所述充電裝置包括控制器，所述控制器連接到所述開關，且經配置以使所述開關閉合。又一方面，提供一種用于在電網故障后將變壓器連接到電網的方法。所述方法包括檢測所述電網的恢復情況；緩沖所述電網的能量；以及用所緩沖的能量對所述變壓器的低壓側充電，同時所述變壓器的高壓側與所述電網斷開連接，以便所述變壓器的所述高壓側與所述電網大體上同相。所述方法進一步包括連接所述變壓器的所述高壓側和所述電網。其中對所述變壓器的所述低壓側充電包括將所述變壓器的所述低壓側的電壓斜升到預定值。其中連接所述變壓器的所述高壓側包括在通過充電裝置對所述變壓器的所述低壓側充電后，使連接在所述電網與所述變壓器的所述高壓側之間的開關閉合。所述的方法進一步包括使發電機與所述變壓器的低壓側同步。其中所述發電機為風力渦輪發電機。其中檢測所述電網的所述恢復情況包括測量額外變壓器的低壓側的信號，所述額外變壓器的高壓側連接到外部電網。其中所述額外變壓器為開關柜的電壓互感器。本發明的其他方面、優點和特征在從屬權利要求、具體說明和附圖中顯而易見。
本說明書的其余部分參考附圖，針對所屬領域的一般技術人員，完整且可實現地詳細揭示了本發明，包括其最佳模式，其中圖1為示例性風力發電機的一部分的透視圖。圖2為適用于圖1所不的風力發電機的不例性電氣和控制系統的一部分的不意圖。圖3為根據一項實施例的風力發電機的示意圖。圖4為根據另一項實施例的風力發電機的示意圖。圖5為根據又一項實施例的風力發電機的示意圖。圖6為根據再一項實施例的風力發電機的示意圖。圖7為根據一項實施例的用于風力發電機的充電裝置的示意圖。圖8為根據另一項實施例的用于風力發電機的充電裝置的示意圖。圖9為根據一項實施例的風場的示意圖。圖10為根據一項實施例的用于在電網故障后將變壓器連接到電網的流程圖。
權利要求
1.一種風力發電機，包括 變壓器，其包括低壓側和高壓側，且經配置以將所述低壓側的低壓提升到外部電網的聞壓; 發電單元，其連接到所述變壓器的所述低壓側，且經配置以將交流電饋送到所述變壓器的所述低壓側；以及 充電裝置，其連接到所述變壓器的所述低壓側，且經配置以在所述發電單元未將交流電饋送到所述變壓器的所述低壓側時，對所述變壓器的所述低壓側充電。
2.根據權利要求1所述的風力發電機，進一步包括開關，所述開關連接在所述外部電網與所述變壓器的所述高壓側之間，且經配置以斷開和閉合所述變壓器的所述高壓側與所述外部電網之間的連接。
3.根據權利要求2所述的風力發電機，其中所述充電裝置包括控制器，所述控制器連接到所述開關，且經配置以發布將所述開關閉合。
4.根據權利要求2或3所述的風力發電機，進一步包括電壓開關柜，所述電壓開關柜包括所述開關和電壓互感器，所述電壓互感器包括連接到所述外部電網的高壓側以及低壓側，其中所述充電裝置連接到所述電壓互感器的所述低壓側。
5.根據前述權利要求中任一權利要求所述的風力發電機，其中所述充電裝置包括逆變器，所述逆變器連接到所述變壓器的所述低壓側，且經配置以將至少一個上升交流電輸出信號輸出到所述變壓器的所述低壓側。
6.根據權利要求5所述的風力發電機，其中所述逆變器經配置以將所述至少一個上升交流電輸出信號大體上斜升到所述發電單元的額定電壓。
7.根據權利要求5或者6所述的風力發電機，其中所述充電裝置包括連接到所述逆變器的能量緩沖器，所述能量緩沖器可用所述外部電網的電力進行充電。
8.—種風場,包括 風場電網； 主變壓器，其連接到所述風場電網，且經配置以將所述風場電網的電壓提升到與所述風場并網的公用電網的電壓； 前述權利要求中任一權利要求所述的至少一個風力發電機，變壓器的高壓側(152)連接到所述風場電網。
9.一種用于在電網故障后將變壓器連接到電網的方法，包括 檢測所述電網的恢復情況； 緩沖所述電網的能量； 用所緩沖的能量對所述變壓器的低壓側充電，同時所述變壓器的高壓側與所述電網斷開連接，以便所述變壓器的所述高壓側大體上與所述電網同相；以及 連接所述變壓器的所述高壓側和所述電網。
10.根據權利要求9所述的方法，其中對所述變壓器的所述低壓側充電包括將所述變壓器的所述低壓側的電壓斜升到預定值。
全文摘要
本發明提供一種風力發電機。所述風力發電機包括變壓器，所述變壓器具有低壓側和高壓側。所述變壓器經配置以將所述變壓器的所述低壓側的電壓提升到外部電網的電壓。所述風力發電機進一步包括發電單元，所述發電單元連接到所述變壓器的所述低壓側，且經配置以將交流電饋送到所述變壓器的所述低壓側。所述風力發電機的充電裝置連接到所述變壓器的所述低壓側，且經配置以在發電機未將交流電饋送到所述變壓器的所述低壓側時，對所述變壓器的所述低壓側充電。
文檔編號H02J3/28GK103001245SQ20121034207
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月14日 優先權日2011年9月16日
發明者A.朗格爾 申請人:通用電氣公司