專利名稱：用于同步多個(gè)發(fā)電機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于同步多個(gè)發(fā)電機(jī)的方法，這些發(fā)電機(jī)在正常操 作情況下以及在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下連接到公共電力網(wǎng)絡(luò)或供電網(wǎng)絡(luò)。 該方法特別適合用于但不限于由風(fēng)輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明特別適用于同步利用全額定功率變換器的發(fā)電機(jī)，其中 全額定功率變換器直接連接到鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)或超導(dǎo)
發(fā)電機(jī)的定子。
背景技術(shù)：
利用風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或利用齒輪箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，可以將 風(fēng)能裝化為電能。對(duì)于鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)或永磁發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，在發(fā)電 機(jī)定子端(定子端電壓)得到的交流頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度成正比例。 發(fā)電機(jī)各端子的電壓還作為速度的函數(shù)(以及對(duì)于鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī) 來(lái)說(shuō)，作為通量水平的函數(shù))而變化。
為了優(yōu)化能量獲取，風(fēng)輪機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)隨驅(qū)動(dòng)輪機(jī)葉 片的風(fēng)速而變化。為了限制在高風(fēng)速下的能量獲取，通過(guò)改變輪機(jī)葉 片的俯仰角來(lái)控制輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度。利用連接在發(fā)電機(jī)定子和供電 網(wǎng)絡(luò)之間的功率變換器可以使發(fā)電機(jī)的可變電壓和頻率與供電網(wǎng)絡(luò) 規(guī)定的恒定電壓和頻率相匹配。
圖1示出了一組風(fēng)輪機(jī)的示意圖。風(fēng)輪機(jī)la至li包括葉片和 發(fā)電機(jī)2，發(fā)電機(jī)2將一個(gè)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)、功率變換器和相關(guān)的控制電 路合并起來(lái)作為一個(gè)聯(lián)合單元。每個(gè)發(fā)電機(jī)2的輸出通過(guò)變壓器4 提供到本地并行連接6a至6d，其通過(guò)電力電纜8依次連接到供電網(wǎng) 絡(luò)或電力網(wǎng)絡(luò)10。圖1所示的傳統(tǒng)裝置有少量連接到本地并行連接 的風(fēng)輪機(jī)。例如，風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)la和lb并行連接到第一個(gè)本地并行 連接6a，風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)lc和ld并行連接到第二個(gè)本地并行連接6b，風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)le和If并行連接到第三個(gè)本地并行連接6c，風(fēng)輪機(jī) 發(fā)電機(jī)lg、 lh和li并行連接到第四個(gè)本地并行連接6d。
一些通常位于發(fā)電站的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12(也稱交流發(fā)電機(jī)) 也對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)10供電。圖中還示出了一些連接到供電網(wǎng)絡(luò)10的載荷 14，表示分布在供電網(wǎng)絡(luò)上的電力用戶。
利用網(wǎng)絡(luò)代碼來(lái)定義發(fā)電機(jī)在正常操作狀況以及網(wǎng)絡(luò)故障或瞬 變狀態(tài)下應(yīng)當(dāng)輸送到供電網(wǎng)絡(luò)10的基波功率和無(wú)功功率。例如，對(duì) 于聯(lián)合輸出大于50麗的大型風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，網(wǎng)絡(luò)代碼會(huì)要求該 機(jī)組在網(wǎng)絡(luò)故障下像傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12那樣工作。例如，對(duì)于聯(lián) 合輸出小于50 MW的小型風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)組會(huì)少很多限制要求。
在技術(shù)出版物中對(duì)風(fēng)輪機(jī)la至li的發(fā)電機(jī)2有完整的定義， 共同特征是一個(gè)單獨(dú)的同步信號(hào)Sin，其利用本地并行連接到功率變 換器的控制單元的主要交流電壓來(lái)控制在任何特定時(shí)刻輸送到本地 供電網(wǎng)絡(luò)的基波功率和無(wú)功功率的相位。然而，如果每一個(gè)發(fā)電機(jī)2 輸送的基波功率和無(wú)功功率不同時(shí)，利用單獨(dú)的同步信號(hào)會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定 性問題。如果風(fēng)輪機(jī)組通過(guò)一個(gè)或多個(gè)很長(zhǎng)的電力電纜連接到供電網(wǎng) 絡(luò)，會(huì)產(chǎn)生其它的穩(wěn)定性問題。這對(duì)于位于遠(yuǎn)處的，例如，海面上的 風(fēng)輪機(jī)組會(huì)是一個(gè)問題。
對(duì)于任何發(fā)電機(jī)來(lái)講，最需要的操作是在供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí) 的操作。由于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12是大型的發(fā)電機(jī)，他們會(huì)因?yàn)?自身大的旋轉(zhuǎn)慣性而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而，即使在供電網(wǎng)絡(luò)的電壓降到正 常工作電壓范圍之外的值包括零電壓時(shí)，他們內(nèi)部的電壓會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生 與發(fā)生故障之前同樣頻率的交流電流(實(shí)際上，在故障狀況期間，隨 著傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12的旋轉(zhuǎn)速度降低，交流電流的頻率可能會(huì)逐 漸降低)，因此對(duì)于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12不會(huì)存在這樣的問題。 因此，可以說(shuō)傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12由于他們的物理結(jié)構(gòu)而具有"頻 率-時(shí)間記憶"。
如上所述，風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)需要利用單獨(dú)的同步信號(hào)Sin來(lái)控制 輸送到本地供電網(wǎng)絡(luò)上的基波功率和無(wú)功功率的相位。在故障狀況期 間，當(dāng)本地供電網(wǎng)絡(luò)的交流電壓，以及在本地并行連接中的主要交流電壓降到正常工作電壓范圍之外包括零電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。 對(duì)于小風(fēng)輪機(jī)組來(lái)講，這是可以接受的，但是，如果風(fēng)輪機(jī)組被要求 作為傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12運(yùn)轉(zhuǎn)，那么，單獨(dú)的發(fā)電機(jī)在網(wǎng)絡(luò)故障 發(fā)生之前、網(wǎng)絡(luò)故障期間、網(wǎng)絡(luò)故障清除以及之后的正常操作期間必 須保持同步。對(duì)于所有的這些時(shí)期，風(fēng)輪機(jī)組的單獨(dú)的發(fā)電機(jī)必須向
供電網(wǎng)絡(luò)輸送或預(yù)備輸送在不同的標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)代碼中定義的要求的 基波功率和無(wú)功功率。采用單獨(dú)的利用本地并行連接上的主要交流電
壓的同步信號(hào)Sin不可能實(shí)現(xiàn)該功能。
圖3是供電網(wǎng)絡(luò)10在20個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)周期內(nèi)的電壓時(shí)間曲線圖。 供電網(wǎng)絡(luò)IO被配置為以50Hz工作，但可以理解的是下面的描述還適 合于被配置為以其它頻率，例如，60Hz工作的供電網(wǎng)絡(luò)。在第4供 電網(wǎng)絡(luò)周期發(fā)生了一個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)故障，該故障持續(xù)到在第12供電網(wǎng) 絡(luò)周期重新建立正常操作為止，因此，故障狀況持續(xù)了 8個(gè)供電網(wǎng)絡(luò) 周期，但實(shí)際上這可能取決于其它的因素，例如故障類型或瞬時(shí)類型 以及與供電網(wǎng)絡(luò)IO相關(guān)的保護(hù)設(shè)備(圖中未顯示)。在故障狀況期 間，供電網(wǎng)絡(luò)的保留電壓為20%，但應(yīng)該很容易理解的是，保留電壓 可以是正常工作范圍之外包含0%的任何電壓，這取決于故障情況。
圖4是連接到供電網(wǎng)絡(luò)10的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12產(chǎn)生的交流 電流的頻率時(shí)間曲線圖。圖5是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12的內(nèi)部電動(dòng)勢(shì) (emf)時(shí)間圖?？梢钥吹?，由于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12具有上文提及 的"頻率-時(shí)間記憶"，在故障狀況期間，交流電流的內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)和 頻率保持不變。
圖6是風(fēng)輪機(jī)組的單獨(dú)發(fā)電機(jī)2的功率(基波功率和無(wú)功功率) 時(shí)間曲線圖。從圖6可以清楚地看到，發(fā)電機(jī)2在故障狀況期間完全 停機(jī)， 一旦故障狀況在第12供電網(wǎng)絡(luò)周期被清除之后，發(fā)電機(jī)2需 要時(shí)間來(lái)再次開始輸出功率。
因此，需要一種改進(jìn)的方法來(lái)同步風(fēng)輪機(jī)組中的各個(gè)風(fēng)輪機(jī)的 發(fā)電機(jī)，以確保在網(wǎng)絡(luò)代碼中定義的任何狀況下同步由每個(gè)發(fā)電機(jī)輸 出的基波功率和無(wú)功功率。
同樣問題也涉及到包括由波動(dòng)、潮汐以及洋流系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的線性
電力設(shè)備的發(fā)電機(jī)。
發(fā)明內(nèi)容
廣義地講，本發(fā)明目的是復(fù)制傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的"頻率-時(shí)間記 憶"，使得即使在供電網(wǎng)絡(luò)的交流電壓在故障狀況期間下降至正常工 作范圍外的電壓值時(shí)，也能確保多個(gè)發(fā)電機(jī)保持同步并連接到供電網(wǎng) 絡(luò)或電力網(wǎng)絡(luò)。因此，本發(fā)明特別地適用于包括例如由風(fēng)、波動(dòng)、潮 汐和洋流驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)或線性電力設(shè)備并且通常接收單獨(dú)同步信號(hào)的 發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明提供一種同步多個(gè)發(fā)電機(jī)的方法，該多個(gè)發(fā)電機(jī)并行連 接到供電網(wǎng)絡(luò)，該方法包括產(chǎn)生具有與正常工作狀況下相同的頻率時(shí) 間模式的公共同步信號(hào)、并向每一個(gè)發(fā)電機(jī)提供該公共同步信號(hào)以控 制由發(fā)電機(jī)輸送到供電網(wǎng)絡(luò)上的功率電平(通常既包括基波功率也包 括無(wú)功功率)的步驟。
即使在供電網(wǎng)絡(luò)的正常工作狀況下，公共同步信號(hào)的使用也能 夠改善發(fā)電機(jī)和輸送到供電網(wǎng)絡(luò)的功率的穩(wěn)定性。然而，在直到故障 被清除為止供電網(wǎng)絡(luò)的交流電壓降低至正常工作范圍之外的供電網(wǎng) 絡(luò)故障狀況下，使用公共同步信號(hào)有特別的好處。這還包括供電網(wǎng)絡(luò) 交流電壓降低至零的狀況。
在故障狀況發(fā)生之前和之后的供電網(wǎng)絡(luò)正常工作狀況下，公共 同步信號(hào)可以被施加到每一個(gè)發(fā)電機(jī)上。
在一些情況下，在故障狀況發(fā)生之前的供電網(wǎng)絡(luò)正常工作狀況 下對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加公共同步信號(hào)以及在故障狀況被清除之后的
供電網(wǎng)絡(luò)正常工作狀況下對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加不同的公共同步信號(hào) 是有利的。在故障狀況被清除之后施加到每一個(gè)發(fā)電機(jī)上的公共同步 信號(hào)可以具有頻率不斷增大的頻率時(shí)間模式。這意味著就在故障被清
除之后的時(shí)間內(nèi)，允許交流電流頻率隨著傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)恢復(fù)和加速 而逐漸增大是可行的。
該方法優(yōu)選地包括在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施 加公共同步信號(hào)的步驟。在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間施加的公共同步信號(hào)可以和在供電網(wǎng)絡(luò)正常工作狀況期間施加的公共同步信號(hào)相同。另 一種方案是，每一個(gè)有相同或不同的頻率時(shí)間模式的一系列公共同步
信號(hào)可以在供電網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)操作狀況下，也就是，在故障狀況發(fā)生 之前、故障狀況期間以及故障被清除之后，順序地施加到發(fā)電機(jī)上。 在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加的公共同步信號(hào) 可以有一個(gè)與供電網(wǎng)絡(luò)先前的正常操作狀況下存在的頻率時(shí)間模式 相同的頻率時(shí)間模式。這確保了發(fā)電機(jī)彼此保持同步，并且對(duì)在供電
網(wǎng)絡(luò)上的任何傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備都是有效的，從而，在故障狀況期 間和故障狀況一旦被清除之后能夠以最佳水平向供電網(wǎng)絡(luò)輸送功率。
為達(dá)到該目的，可以存儲(chǔ)在供電網(wǎng)絡(luò)正常操作狀況下產(chǎn)生的公 共同步信號(hào)并在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間將其施加至每一個(gè)發(fā)電機(jī)。
通過(guò)在故障狀況期間施加一個(gè)具有不斷下降頻率的頻率時(shí)間模 式的公共同步信號(hào)，來(lái)高度接近地復(fù)制傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的"頻率-時(shí)間記憶"，在某些情況下是有用的。這允許交流電流頻率逐漸降低， 就像傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備在故障狀況期間逐漸慢下來(lái)那樣。
例如，頻率降低和回升(也就是快速或逐漸恢復(fù))至正常操作
頻率的實(shí)際速率的可以取決于網(wǎng)絡(luò)代碼的特定要求和供電網(wǎng)絡(luò)或電 力網(wǎng)絡(luò)的操作參數(shù)進(jìn)行選擇。
公共同步信號(hào)可以通過(guò)任何合適的方式施加到發(fā)電機(jī)上。例如， 公共同步信號(hào)可以是由控制器通過(guò)合適的無(wú)線發(fā)射機(jī)裝置發(fā)送的無(wú) 線信號(hào)(例如，諸如射頻(RF)信號(hào))。公共同步信號(hào)還可以是由控 制器通過(guò)電纜或光纖發(fā)送的電信號(hào)或光信號(hào)。公共同步信號(hào)還可以是 由與一個(gè)發(fā)電機(jī)相關(guān)的控制器產(chǎn)生的，從而被發(fā)送至風(fēng)輪機(jī)組的所有 其它發(fā)電機(jī)。對(duì)主要由公共同步信號(hào)至發(fā)電機(jī)的傳輸時(shí)間導(dǎo)致的硬件 延遲進(jìn)行補(bǔ)償是必要的。
在一些情況下，單獨(dú)的發(fā)電機(jī)可以優(yōu)先于公共同步信號(hào)而選擇 使用一個(gè)單獨(dú)的同步信號(hào)。例如，這會(huì)在公共同步信號(hào)有某種錯(cuò)誤的 情況下發(fā)生，從而確保發(fā)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明還提供了一種裝置，包含多個(gè)發(fā)電機(jī)，其以并行方式連 接到供電網(wǎng)絡(luò)，以及一個(gè)控制器，其適合于產(chǎn)生一個(gè)公共同步信號(hào)，
所述公共同步信號(hào)具有與供電網(wǎng)絡(luò)在正常操作狀況下相同的頻率時(shí) 間模式，并且該控制器適合于對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加該公共同步信號(hào)， 以控制發(fā)電機(jī)輸送到供電網(wǎng)絡(luò)的功率電平。
發(fā)電機(jī)優(yōu)選地以并行方式連接到本地并行連接。該本地并行連 接優(yōu)選地通過(guò)至少一條電纜連接到供電網(wǎng)絡(luò)。
控制器可以以多種不同方式實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò)利用電機(jī)以恒定 的速度驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)來(lái)以硬件的方式實(shí)現(xiàn)控制器，以這樣的 方式產(chǎn)生一個(gè)交流電壓，該交流電壓符合供電網(wǎng)絡(luò)的功率要求。從而， 該交流電壓可以被用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)公共同步信號(hào)，該信號(hào)表示在正常操 作狀況下的供電網(wǎng)絡(luò)的交流電壓。在供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的情況下，電 機(jī)可以繼續(xù)以恒定的速度驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，或者可以被關(guān)斷以允許交 流電流的頻率隨著旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的速度降低而降低。然而，控制器更 可能以電子電路的形式實(shí)現(xiàn)。
控制器通常由供電網(wǎng)絡(luò)直接供電，但是，必須有一個(gè)諸如電池 之類的輔助電源，這樣，在交流電壓降至正常操作范圍之外的故障狀 況下，它可以繼續(xù)工作。關(guān)于何時(shí)對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加一個(gè)相對(duì)存儲(chǔ) 導(dǎo)出的公共同步信號(hào)的決策將參照供電網(wǎng)絡(luò)的主要電壓狀況而進(jìn)行， 但還可以例如利用來(lái)自供電網(wǎng)絡(luò)操作者的外部輸入進(jìn)行決策。
每一個(gè)發(fā)電機(jī)包括一個(gè)功率變換器和一個(gè)相關(guān)的控制電路。在 該發(fā)明中，控制器優(yōu)選地適于向每一個(gè)功率變換器的控制電路施加公 共同步信號(hào)，以控制由發(fā)電機(jī)輸出到供電網(wǎng)絡(luò)的功率電平。
本發(fā)明還提供了多個(gè)風(fēng)輪機(jī)，每一個(gè)風(fēng)輪機(jī)包含一個(gè)具有定子 和轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)、功率變換器以及包括至少一個(gè)葉片以旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 子的輪機(jī)組件，其中，發(fā)電機(jī)以并行方式一起連接到供電網(wǎng)絡(luò)，并按 照上文所述的方法被同步。
圖1是示出了一組風(fēng)輪機(jī)、傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備和連接到供電 網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載的已知裝置的示意圖2是示出了一組風(fēng)輪機(jī)、傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備和連接到供電
網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載的裝置的示意圖，這里，風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)按照本發(fā)明的方法 被控制和同步；
圖3是一個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)在20個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)周期中的電壓時(shí)間曲線
圖4是在供電網(wǎng)絡(luò)故障期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備不降低旋轉(zhuǎn)速度 的情況下，由連接到供電網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備產(chǎn)生的交流電流的 頻率時(shí)間曲線圖5是在供電網(wǎng)絡(luò)故障期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備不會(huì)降低旋轉(zhuǎn)速 度的情況下，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)(emf)時(shí)間曲線圖6是連接到供電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)風(fēng)輪機(jī)組的單獨(dú)一個(gè)發(fā)電機(jī)的功 率時(shí)間曲線圖，其中利用根據(jù)本地并行連接中主要的交流電壓的單獨(dú) 的同步信號(hào)來(lái)控制發(fā)電機(jī)；
圖7是在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速 度不降低這一情況下中的連接到供電網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)風(fēng)輪機(jī)組的單獨(dú)一 個(gè)發(fā)電機(jī)的功率時(shí)間曲線圖，該發(fā)電機(jī)按照本發(fā)明被公共同步信號(hào)控 制。
圖8是在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度 降低并在故障被清除后快速恢復(fù)這一過(guò)程中，連接到供電網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備產(chǎn)生的交流電流的頻率時(shí)間曲線圖9是在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度 降低并在故障被清除后快速恢復(fù)這一過(guò)程中，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的內(nèi) 部電動(dòng)勢(shì)emf時(shí)間曲線圖io是在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度
降低并在故障被清除后快速恢復(fù)這一過(guò)程中，一個(gè)風(fēng)輪機(jī)組的連接到 供電網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)發(fā)電機(jī)的功率時(shí)間曲線圖，按照本發(fā)明該發(fā)電機(jī)由一 個(gè)公共同步信號(hào)控制；
圖ll是在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度 降低并在故障被清除后快速恢復(fù)這一過(guò)程中，連接到供電網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備產(chǎn)生的交流電流的頻率時(shí)間曲線圖12是在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度
降低并在故障被清除后快速恢復(fù)這一過(guò)程中，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的內(nèi) 部電動(dòng)勢(shì)emf時(shí)間曲線圖13是在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度
降低并在故障被清除后快速恢復(fù)這一過(guò)程中，一個(gè)風(fēng)輪機(jī)組的連接到 供電網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)發(fā)電機(jī)的功率時(shí)間曲線圖，按照本發(fā)明該發(fā)電機(jī)由一 個(gè)公共同步信號(hào)控制。
具體實(shí)施例方式
圖2示出了按照本發(fā)明的方法同步風(fēng)輪機(jī)組的示意圖。雖然本
說(shuō)明書集中于風(fēng)輪機(jī)的應(yīng)用，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯然本發(fā)明
有更廣泛的應(yīng)用。圖2的裝置在很多方面和圖1的裝置非常相似，同
樣的部件有同樣的參照數(shù)字。
每一個(gè)風(fēng)輪機(jī)la至li包含葉片和合并了功率變換器與控制電 路的發(fā)電機(jī)2。每一個(gè)發(fā)電機(jī)2的輸出通過(guò)變壓器4施加到一個(gè)本地 并行連接16，該本地并行連接16通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)電纜18依次連接到供 電網(wǎng)絡(luò)或電力網(wǎng)絡(luò)10。出于便于描述的目的，假定風(fēng)輪機(jī)組的輸出 足夠大，從而供電網(wǎng)絡(luò)10的網(wǎng)絡(luò)代碼可以要求在網(wǎng)絡(luò)故障期間該機(jī) 組像傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12那樣運(yùn)作。
電子控制器20導(dǎo)出一個(gè)公共同步信號(hào)Scom，其通過(guò)一系列電纜 被傳送到每一個(gè)發(fā)電機(jī)2 (或更具體的，傳送到每個(gè)功率變換器的控 制電路)。發(fā)電機(jī)2利用同步信號(hào)Scom控制在任意時(shí)刻輸送到供電 網(wǎng)絡(luò)10上的基波功率和無(wú)功功率的相位。
電子控制器20有一個(gè)代表供電網(wǎng)絡(luò)10主要電壓的輸入信號(hào)。 從而，在交流電壓降低至正常操作范圍之外的電壓值時(shí)，電子控制器 20可以立刻確認(rèn)供電網(wǎng)絡(luò)10上是否發(fā)生了故障。
同步信號(hào)Scom通常被直接連接到被單個(gè)同步信號(hào)Sin使用的同 一連接點(diǎn)。在這種情況下，同步信號(hào)Scom必然是有適當(dāng)電壓電平的 正弦波形的電壓信號(hào)，該電壓電平取決于特定的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)。從而， 同步信號(hào)Scom的波形將直接是圖7、 10和13中所示的波形。然而，
相關(guān)的電壓、頻率和相位數(shù)據(jù)通過(guò)任意類型的模擬或數(shù)字通信信號(hào)和協(xié)議被傳送到每一個(gè)發(fā)電機(jī)2。
在供電網(wǎng)絡(luò)10正常工作時(shí)，由電子控制器20導(dǎo)出的同步信號(hào) Scom的頻率和相位與供電網(wǎng)絡(luò)IO上的交流電壓的主要頻率和相位是 一樣的。同步信號(hào)Scom被傳送到每一個(gè)發(fā)電機(jī)2并被繼續(xù)存儲(chǔ)在電 子控制器20中。利用任何合適的電子存儲(chǔ)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)同步信號(hào) Scora通常的采樣和存儲(chǔ)。
如果供電網(wǎng)絡(luò)10出現(xiàn)故障狀況，那么，電子控制器20將立刻 開始將存儲(chǔ)的同步信號(hào)Scom傳送到每一個(gè)發(fā)電機(jī)2。從而，在供電 網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間傳送的存儲(chǔ)的同步信號(hào)Scom'的頻率和相位與在正 常工作狀況期間(也就是故障狀況發(fā)生之前)供電網(wǎng)絡(luò)10上的交流 電壓的主要頻率和相位是一樣的。這意味著在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間 由電子控制器20傳送的存儲(chǔ)的同步信號(hào)Scom'的相位可能和代表供 電網(wǎng)絡(luò)10上的主要電壓的輸入信號(hào)的相位不匹配。
一旦電子控制器20確認(rèn)故障狀況已經(jīng)被清除，它會(huì)立刻導(dǎo)出一 個(gè)新的同步信號(hào)Scom"，其頻率和相位與供電網(wǎng)絡(luò)10上的交流電壓 的主要頻率和相位是一樣的。從而，存儲(chǔ)的同步信號(hào)Scom'的頻率和 相位在典型地為一個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)周期的預(yù)定周期內(nèi)平穩(wěn)地改變成為新 的同步信號(hào)Scom"。
圖7是風(fēng)輪機(jī)組的一個(gè)單獨(dú)的發(fā)電機(jī)2的功率(基波功率和無(wú) 功功率)時(shí)間圖。在第1至4供電網(wǎng)絡(luò)周期期間，電子控制器20向 發(fā)電機(jī)2傳送同步信號(hào)Scom并存儲(chǔ)該同步信號(hào)。在第l至4供電網(wǎng) 絡(luò)周期期間被傳送到發(fā)電機(jī)2的同步信號(hào)的頻率和相位，與圖3中示 出的供電網(wǎng)絡(luò)上的交流電壓主要的頻率和相位是一樣的。在第4供電 網(wǎng)絡(luò)周期，電子控制器20確定發(fā)生了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)故障，并立即開始向 發(fā)電機(jī)2傳送存儲(chǔ)的同步信號(hào)Scom'。(為便于示例，假定在每個(gè)供 電網(wǎng)絡(luò)周期內(nèi)同步信號(hào)被采樣和存儲(chǔ)一次，在這種情況下，當(dāng)前存儲(chǔ) 的同步信號(hào)Scom'是在故障狀況發(fā)生之前的第3供電網(wǎng)絡(luò)周期期間存 儲(chǔ)的同步信號(hào)。)存儲(chǔ)的同步信號(hào)Scom'在第4至11供電網(wǎng)絡(luò)周期期 間被傳送。在第12供電網(wǎng)絡(luò)周期，電子控制器20確定故障狀況被清 除，并平穩(wěn)地變化以在預(yù)定周期內(nèi)傳送一個(gè)新的同步信號(hào)Scom"。新的同步信號(hào)Scom'的頻率和相位與供電網(wǎng)絡(luò)上的交流電壓的主要頻率和相位是一樣的(也就是故障被清除后的供電網(wǎng)絡(luò)上的交流電壓的頻率和相位)。圖7表明發(fā)電機(jī)2能夠完全以傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12 的工作方式在供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障之前、期間以及之后持續(xù)地輸出功率。
實(shí)際上，可以預(yù)料在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備 的旋轉(zhuǎn)速度降低并在故障被清除后快速恢復(fù)這一過(guò)程中傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電 力設(shè)備12所產(chǎn)生的交流電流的頻率會(huì)逐漸降低。這在圖8中示出， 其展示了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12產(chǎn)生的交流電流的頻率時(shí)間曲線圖。 在故障狀況的過(guò)程中，頻率從第4供電網(wǎng)絡(luò)周期的50Hz正常工作頻 率以基本上線性的方式逐漸降低到第12供電網(wǎng)絡(luò)周期的40Hz工作頻 率。當(dāng)故障被清除時(shí)，交流電流的頻率迅速恢復(fù)到50Hz正常工作頻 率。例如，如果傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12是小型的并被連接到其它大型 發(fā)電機(jī)，將發(fā)生這種情況。交流電流頻率的下降率將取決于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn) 電力設(shè)備12的性質(zhì)和特征。
圖9是在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12的旋轉(zhuǎn)速度降低的情況下的內(nèi)部 電動(dòng)勢(shì)時(shí)間圖。通過(guò)注意相鄰波峰和波谷間的間隔逐漸增加，可以看 到傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12的內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)頻率在故障狀況過(guò)程中逐漸降 低。
通過(guò)對(duì)應(yīng)的方式降低被傳送到發(fā)電機(jī)2中的同步信號(hào)的頻率， 可以復(fù)制由傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12產(chǎn)生的交流電流頻率的逐漸降低。 例如，電子控制器20可以傳送一個(gè)被修改的同步信號(hào)(其最初可選 擇地基于存儲(chǔ)的同步信號(hào)Scom'的頻率和相位)，其中，被修改的同 步信號(hào)的頻率以預(yù)定的速率被降低。在這種情況下，可以對(duì)被修改的 同步信號(hào)施加一個(gè)最低頻率限制。圖IO示出了被修改的同步信號(hào)如 何控制發(fā)電機(jī)2按照與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12完全相同的工作方式在 故障狀況期間以逐漸降低的頻率輸出功率。
在其它情況下，在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備的 旋轉(zhuǎn)速度降低并在故障被清除后快速恢復(fù)這一過(guò)程中，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力 設(shè)備12產(chǎn)生的交流電流的頻率可能逐漸降低。圖ll示出了這種情況，
圖11是由傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12產(chǎn)生的交流電流的頻率時(shí)間曲線圖。 在故障狀況過(guò)程中，頻率以基本上線性的方式從供電網(wǎng)絡(luò)正常的
50Hz工作頻率向第12供電網(wǎng)絡(luò)周期的40Hz工作頻率逐漸降低。當(dāng) 故障被清除時(shí)，交流電流的頻率逐漸提高，直到在第16供電網(wǎng)絡(luò)周 期達(dá)到供電網(wǎng)絡(luò)的正常工作頻率50Hz。交流電流頻率降低和提高的 速率取決于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12的性質(zhì)和特征。
圖12是在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12在故障狀況期間速度降低并在 故障清除后逐漸增加的情況下的內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)時(shí)間曲線圖。注意第4 和12供電網(wǎng)絡(luò)周期之間相鄰的波峰和波谷之間的間隔的逐漸增加， 可以看到傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12的內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)頻率逐漸降低。當(dāng)故障 被清除，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12的內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)頻率在第12和16供電 網(wǎng)絡(luò)周期之間逐漸提高。
通過(guò)相對(duì)應(yīng)的方式在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間降低以及在供電網(wǎng) 絡(luò)故障狀況之后提高被傳送到發(fā)電機(jī)2的同步信號(hào)的頻率，可以復(fù)制 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12產(chǎn)生的交流電流頻率的逐漸降低和恢復(fù)。例如， 電子控制器20可以傳送一個(gè)被改變的同步信號(hào)(其最初可選擇地基 于存儲(chǔ)的同步信號(hào)Scom的頻率和相位)，其中，被修改的同步信號(hào)
的頻率在故障狀況發(fā)生時(shí)以預(yù)定的速率降低，以及，被修改的同步信 號(hào)的頻率在故障清除之后以預(yù)定的速率提高。圖13示出了被修改的
同步信號(hào)如何控制發(fā)電機(jī)2以和傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電力設(shè)備12完全一樣的工 作方式在故障狀況過(guò)程中以逐漸降低的頻率和在故障清除之后以逐 漸提高的頻率來(lái)輸出功率。
通過(guò)傳送上文所述的公共同步信號(hào)，風(fēng)輪機(jī)組la至li的發(fā)電 機(jī)2可以保持到供電網(wǎng)絡(luò)10的連接，并保持彼此之間的同步，以便 在故障清除之后開始以正確的水平向供電網(wǎng)絡(luò)輸出功率。
同步信號(hào)Scom、 Scom和Scom"可以被施加到一組發(fā)電機(jī)2上或 被施加到幾組發(fā)電機(jī)上，每一組各自具有到供電網(wǎng)絡(luò)10的連接(例 如，電纜18)。
權(quán)利要求
1.一種用于同步多個(gè)一起并行連接到供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電機(jī)的方法，該方法包含以下步驟產(chǎn)生一個(gè)公共同步信號(hào)，其具有與正常工作狀況下的供電網(wǎng)絡(luò)的頻率時(shí)間模式相同的頻率時(shí)間模式；以及把該公共同步信號(hào)施加到每個(gè)發(fā)電機(jī)，以控制由發(fā)電機(jī)輸送到供電網(wǎng)絡(luò)的功率電平。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，在供電網(wǎng)絡(luò)的故障狀況發(fā) 生之前和之后的正常工作狀況下，把公共同步信號(hào)施加到每一個(gè)發(fā)電 機(jī)。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，在供電網(wǎng)絡(luò)的故障狀況發(fā) 生之前的正常工作狀況下，把公共同步信號(hào)施加到每一個(gè)發(fā)電機(jī)。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，此外還包括在故障被清除后對(duì)每 一個(gè)發(fā)電機(jī)施加一個(gè)公共同步信號(hào)的步驟。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，在故障被清除后施加到每 一個(gè)發(fā)電機(jī)的公共同步信號(hào)具有頻率不斷增加的頻率時(shí)間模式。
6. 如前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，此外還包括在供 電網(wǎng)絡(luò)故障期間對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加一個(gè)公共同步信號(hào)。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間 施加到每一個(gè)發(fā)電機(jī)的公共同步信號(hào)具有與供電網(wǎng)絡(luò)以前的正常工 作狀況期間的頻率時(shí)間模式相同的頻率時(shí)間模式。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的方法，此外還包括存儲(chǔ)公共同步信號(hào)的步驟，其中該公共同步信號(hào)在供電網(wǎng)絡(luò)的正常工作狀況期間產(chǎn) 生；以及在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況下對(duì)每個(gè)發(fā)電機(jī)施加該存儲(chǔ)的公共同步 信號(hào)的步驟。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況下施 加到每一個(gè)發(fā)電機(jī)的公共同步信號(hào)具有頻率不斷降低的頻率時(shí)間模 式。
10. —種裝置，其包含多個(gè)以并行方式一起連接到供電網(wǎng)絡(luò)的 發(fā)電機(jī)，以及適于產(chǎn)生公共同步信號(hào)的控制器，該公共同步信號(hào)具有 與供電網(wǎng)絡(luò)在正常工作狀況下的頻率時(shí)間模式相同的頻率時(shí)間模式；并且該控制器適于對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加該公共同步信號(hào)以控制發(fā)電 機(jī)輸送到供電網(wǎng)絡(luò)的功率電平。
11. 如權(quán)利要求io所述的裝置，其中，控制器適于在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況發(fā)生之前和之后的正常工作狀況下對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加公 共同步信號(hào)。
12. 如權(quán)利要求IO所述的裝置，其中，控制器適于在供電網(wǎng)絡(luò) 故障狀況發(fā)生之前的正常工作狀況下對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加公共同步 信號(hào)。
13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，控制器適于在供電網(wǎng)絡(luò) 故障狀況被清除之后對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加公共同步信號(hào)。
14. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況被清除之后施加到每一個(gè)發(fā)電機(jī)上的公共同步信號(hào)具有頻率不斷增加 的頻率時(shí)間模式。
15. 如權(quán)利要求10至14中任一所述的裝置，其中，控制器適于在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期間對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加公共同步信號(hào)。
16. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，在供電網(wǎng)絡(luò)故障狀況期 間施加到每一個(gè)發(fā)電機(jī)的公共同步信號(hào)具有與供電網(wǎng)絡(luò)以前的正常 工作期間的頻率時(shí)間模式相同的頻率時(shí)間模式。
17. 如權(quán)利要求15或16所述的裝置，其中，控制器適于存儲(chǔ)在供電網(wǎng)絡(luò)正常工作期間產(chǎn)生的公共同步信號(hào)，并在供電網(wǎng)絡(luò)故障期 間對(duì)每一個(gè)發(fā)電機(jī)施加該存儲(chǔ)的公共同步信號(hào)。
18. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，在供電網(wǎng)絡(luò)故障期間施 加到每一個(gè)發(fā)電機(jī)的公共同步信號(hào)具有頻率不斷降低的頻率時(shí)間模 式。
19. 如權(quán)利要求10至18中任一所述的裝置，其中，發(fā)電機(jī)以 并行的方式連接到本地并行連接。
20. 如權(quán)利要求19所述的裝置，其中，本地并行連接通過(guò)電纜 連接到供電網(wǎng)絡(luò)。
21. 如權(quán)利要求10至20任一所述的裝置，其中，控制器以電 子電路的形式實(shí)現(xiàn)。
22. 如權(quán)利要求10至21任一所述的裝置，其中，每一個(gè)發(fā)電 機(jī)包括一個(gè)與控制電路相關(guān)的功率變換器，其中所述控制器適于對(duì)每 個(gè)功率變換器的控制電路施加公共同步信號(hào)，以控制由發(fā)電機(jī)輸送到 供電網(wǎng)絡(luò)的功率電平。
23. —種多風(fēng)輪機(jī)，每一個(gè)風(fēng)輪機(jī)包括一個(gè)具有定子和轉(zhuǎn)子的 發(fā)電機(jī)、功率變換器以及包括至少一個(gè)葉片以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的輪機(jī)組件，其中，發(fā)電機(jī)以并行的方式一起連接到供電網(wǎng)絡(luò)并按照權(quán)利要 求1至9中任一所述的方法被同步。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于同步多個(gè)并行連接到供電網(wǎng)絡(luò)(10)的發(fā)電機(jī)(2)的方法。可以產(chǎn)生具有與供電網(wǎng)絡(luò)(10)在正常工作狀況下相同的頻率時(shí)間模式的公共同步信號(hào)。然后將此公共同步信號(hào)施加到每一個(gè)發(fā)電機(jī)(2)，以控制由發(fā)電機(jī)輸送到供電網(wǎng)絡(luò)(10)的功率電平。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101197502SQ20071019504
公開日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2007年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月9日
發(fā)明者艾里克·安東尼·劉易斯 申請(qǐng)人:康弗蒂姆有限公司