[发明专利]在电网中出现电压暂降的情况下对连接到所述电网的发电设施的变换器进行控制的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在电网中出现电压暂降时对连接到所述电网的电力设施的变换器进行控制的方法和系统，该电力设施的类型包括双馈异步型风力发电机。

背景技术

在可再生能源中，作为污染性更大的常规能源(例如那些从化石燃料中得到的能源，例如石油、天然气或煤炭)的实际替代能源的最佳候选者，风能一直稳步增长并且受到人们的关注。

风力设施数量的增加以及因此造成的连接到电网的风力发电机数量的增加引起了越来越多的问题，这减缓了所述增长。在这些问题之中，最重要的一个问题涉及风力发电机在面对电网电压突变(称为电压暂降)时的运行状态。

当前使用最广泛的风力发电机是变速风力发电机，由此已经实现了：机器在机械方面受阵风的影响较小，从而产生的电的波动较小，并且可以更加充分地利用能量。

具体而言，在这种类型的现有的同步或异步发电机中，为了产生可变的速度，选择第二种，这是由于同步发电机具有各种各样的缺点。同步发电机的缺点之一是，在将所发出的电供应给电网之前，它必需通过电子变换器变换。因此，所述变换器应该具有所需的尺寸，以支持风力发电机的总功率，这导致成本昂贵和体积庞大。它的功率损耗也造成风力发电机的总输出降低。与此相反，异步发电机改善了所述缺点。

使用最广泛的异步发电机是双馈异步发电机，其中定子绕组直接连接到电网，而转子经由变换器连接到电网，这允许控制发电机的有功功率和无功功率二者。由于通过转子的功率仅是通过定子功率的一小部分的事实， 因此变换器的成本和尺寸较小，并且产生较小的损耗。

虽然双馈异步发电机改善了风力发电机的许多特征，但是由于所述双馈异步发电机对电网中可能出现的故障(例如电压暂降)非常敏感的事实，降低了发电设施的鲁棒性。具体而言，连接到发电机转子的功率变换器是系统中的非常易损的部分，原因在于以下事实：当电压暂降出现在一条或几条线路上时，出现在所述功率变换器中的电流可能达到非常高的值，乃至毁坏所述功率变换器。

这一高电流是在电压暂降期间产生的，并且它是由于发电机的去磁而产生的，直到到达了与所述电压暂降期间存在的电压相对应的磁化新状态为止。在电压暂降期间出现在发电机中的这种瞬态状况产生了过电压，并由此产生了过电流，这在转子中产生了通量，在下文中称为自由通量。

在正常情况下，发电机的去磁是在定子的电阻中进行的，其中将磁能转换成热量。利用这种方式，瞬态的持续时间与定子的自然时间常数相关，该时间的数量级典型为一秒或几秒，这些时间足以在电压暂降的情况下损坏乃至毁坏变换器。

为了避免发电机变换器受到在电压暂降时出现的这些高电流的影响，典型的解决方案包括加快所述去磁过程，并且保护变换器使其免受由所述自由通量引起的相关过电压和过电流的影响。

为了加快该过程，可以在定子或转子中串联或并联连接固定电阻或可变电阻，这减少了去磁时间，或者，使用变换器。

使用最广泛的技术(被称为短路器)是以值非常低的电阻的使用为基础的，甚至达到短路，如果在定子或转子中检测到过电流，或者在转子或DC母线中检测到过电压，那么利用晶闸管桥将短路器与转子并联。虽然如此，该技术仍然具有各种各样的缺点，例如，由于所用的电阻值非常低的事实，一方面，去磁时间持续相当长，另一方面，如果发电机继续连接到电网，那么在发电机中会产生过电流，这意味着为了避免这些过电流，在电压返回到其标称值之前需要断开网络上的发电机并不再连接。利用这种方式，变换器以该技术获得了保护，但是要将发电机与网络断开，即使仅仅断开较短的时间段。

该技术的应用实例是文献WO 200403019中描述的系统，该文献提出在定子绕组与和其相连的电网之间包括电子开关，并且包括并联到定子或转子的去磁元件。所述去磁元件是可变电阻。在该系统中，如果在电压网络中检测到突变，那么将发电机与电网断开并且连接去磁元件。控制该元件，使得发电机连接器的电压与网络的新电压相等，这被称为发电机的磁化状态。利用这种控制，在短时间段内将定子通量设置成为对应于网络实际电压的通量值，从而在将发电机重新连接到网络之前，定子的感应电压与网络电压之间存在通量值及其相位的一致性。如果是这种情况，那么一旦这两个电压相等，就将发电机重新连接到网络并断开去磁元件。该实例除了需要将发电机与网络断开之外，在单相和/或两相电压暂降的情况下还会导致去磁单元的连续连接和断开。