[发明专利]用于在低市电网电压条件下运行风力涡轮机的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及对从风力涡轮机到电网的输出电流进行控制，特别涉及用于在电网电压由于变化的电网条件而变化的条件下控制电流的系统和方法，例如，当风力涡轮机经历故障以及从故障中恢复时。

背景技术

风力涡轮机是一种能量转换装置，其将风中的动能转换为电能，由连接到市电网的用户使用。这种类型的能量转换典型地涉及使用风旋转涡轮机叶片，涡轮机叶片又直接或通过齿轮箱旋转交流(AC)发电机的转子。

AC发电机的主要电气输出来自其定子。来自定子的输出可直接连接到电网，或通过电力转换器传送。现有技术中的系统的一种通用发电机为双馈感应发电机(DFIG)，其中，来自定子的输出受到在其转子中的电流的控制。这样的系统中的定子可直接连接到电网，因为受到转子控制的定子电压和频率可被强制匹配于电网电压和频率。

非DFIG发电机，例如同步发电机或鼠笼式感应发电机，也可用作风力涡轮机系统中的发电机，其提供受控的有功和无功功率。当这些机器类型用在可变速度配置中时，完全转换器(full converter)用在定子输出和市电网之间，因为发电机的输出频率不受控制。完全转换器将定子的AC输出整流为DC，接着，在与电网电压和频率匹配的等级上将DC逆变回为AC。

可从风力涡轮机获得并供到市电网的电力为风速、风力涡轮机转子特性、风力涡轮机以及相关联的设备的效率、电网中的损耗以及配电系统和连接于其上的负载的特性的函数。由于风速和负载波动，电网中的电压等级可能变化。类似地，由于大多数电力传输部件具有相当大的无功部件，电网中的电压也是连接到电网的部件以及负载的无功特性的函数。

为了防止对设备的损坏，电网电压必须被保持在某个容许范围内，当这些限制值被超过时，必须采取动作。对于标称电压+/-5％或类似的数量级上的变化，可变量的无功的供给者或吸收者用于补偿由于电网无功性质的电压变化。

当发生短路型电网故障时，电网电压可能下降到远远低于正常水平，除其它的以外，由于过大的电流和机械应力，可潜在地损坏发电设备。如公知的那样，功率等于电压乘以电流。因此，如果存在电压的下降且功率不减少，电流将会急剧上升。

为了保护免受损坏，如果电压中的下降对于相当大的时间段存在，断路器或类似于保险丝的装置将包含故障的电网部分与电源隔离。包含故障的电网部分的隔离称为“清除(clearing)”。

使用恒定功率控制器(有功与无功)的风力涡轮机和/或风电场特别容易受到过大的电流的损坏。如果功率控制环不能足够快地响应，输出电流将会出现尖峰，以便保持固定的功率等级并补偿下降的电压。为了保护免受高电流损坏，许多现有技术中的系统将故障电流期间的输出电流限制到最大预设值，由此使得由于高电流引起的潜在的损坏最小化。

本发明对于保护使用通常被描述为恒定电流或受控电流源的控制概念。本说明书中使用的术语“恒定电流”或“受控电流”可解释为意味着恒定或受控电流通过实质上固定的比例因子与命令或基准相关联，且实质上不依赖于电流被馈送的电压。

作为恒定或受控电流源运行的风力涡轮机的功率输出与电网电压直接成比例地变化。因此，故障期间的电压经历变化的输出功率的两个阶段。当电压响应于故障下降时，输出功率处于最小值，已经经过从完整功率到低得多的等级的实质上陡峭的转变。在故障被清除之后，电网电压上升，这从风力涡轮机要求增大的量的输出功率，直到功率被恢复到故障前的水平。

过去，更为常见的是通过将受到故障影响的涡轮机从电网断开来保护涡轮机。然而，随着用于发电的风力涡轮机的数量增多，增大了其对电网总电力的相对贡献，出现的实际要求风力涡轮机保持连接，以便在故障期间以及在电网从故障恢复时帮助支撑电网，也就是说，根据需要提供有功或无功电流。

支撑要求通常涉及通过试图升高系统电压并使将风力涡轮机引回在线发电需要的时间最小化来抵消故障的影响。另外，尽管看起来违反直觉，被影响的风力涡轮机继续以与故障之前存在的实质上相同的量值提供输出电流而不减小它是有利的。标准化的输出电流最好能够致动保护装置，并因此可能缩短隔离故障的时间。

在故障过程中保持风力涡轮机连接并提供电力的另一动机是减小在故障清除后使断开的涡轮机重新回到在线需要的时间。如果风力涡轮机转子可以以故障前的速度或接近故障前的速度保持运行，完全回到在线的时间可大大缩短。相反，如果负载被减小，如同在故障条件下一样，将会使得涡轮机的叶片迅速加速，除非采取某些步骤来解决问题，否则，损坏将会发生。