用于脫離線狀電網(wǎng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)風(fēng)力系統(tǒng)的控制策略的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及適用于風(fēng)力發(fā) 電機(jī)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著石油和煤等化石能源供應(yīng)的減少W及恢復(fù)該些化石能源所需的價格 和勞動強(qiáng)度的增加，使得例如，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)能等替代能源對于滿足對電能的不 斷增加的需求而言變得越來越受歡迎。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種基于可再生能源的類型的供電裝 置，其能夠與傳統(tǒng)的發(fā)電形式競爭。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲取風(fēng)能并且W具有成本效益的、可 靠且安全的方式將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，使其適于傳輸?shù)角Ю镏狻?br>[0003]在操作中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可W包括多個旋轉(zhuǎn)葉片，所述旋轉(zhuǎn)葉片連接到轉(zhuǎn)子軸上并 且通過風(fēng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。葉片通過風(fēng)進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)會使轉(zhuǎn)子軸自旋，W生成驅(qū)動一個或多個發(fā)電 機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩或旋轉(zhuǎn)力，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。轉(zhuǎn)子軸或發(fā)電機(jī)安裝在位于衍架或管 狀培筒的頂部上的外殼或機(jī)艙中。在機(jī)艙中生成的電能經(jīng)由變壓器向下穿過培筒分布到共 用電網(wǎng)上。
[0004]風(fēng)能具有若干應(yīng)用，該些應(yīng)用的范圍從互連到公用電網(wǎng)上且將電能傳送到共用電 網(wǎng)上的較大風(fēng)力發(fā)電機(jī)場到可能進(jìn)行電網(wǎng)連接或可能不進(jìn)行電網(wǎng)連接的單個隔離的風(fēng)力 發(fā)電機(jī)。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可W用于為單個家庭或建筑物發(fā)電，或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)可W連接到 電網(wǎng)上，用于更廣泛的電力分配。風(fēng)力發(fā)電機(jī)到電網(wǎng)的互連可W基于裝置的尺寸、對總電力 供應(yīng)（風(fēng)力穿透（windpenetration))的貢獻(xiàn)的大小分成不同類別，而不管電是用于頻率 功率還是無功功率，W及與其他電源的整合程度。
[0005]對于與風(fēng)力發(fā)電機(jī)整合的電網(wǎng)系統(tǒng)，用來增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)的瞬態(tài)穩(wěn)定性的常規(guī)傳統(tǒng) 方案是使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)來將變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（而不是固定速度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)）互連到 系統(tǒng)中。DFIG通常具有用于電網(wǎng)整合的更多理想特性。典型地，DFIG用于變速發(fā)電（VSG) 系統(tǒng)中，W從風(fēng)電場等間歇性能源或可變能源中生成電能。
[0006] 與固定速度的系統(tǒng)相比，變速發(fā)電系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點在于，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)可 W比固定速度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲取更多的能量，因為取決于風(fēng)速，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)可最 佳旋轉(zhuǎn)速度運(yùn)行，在最佳旋轉(zhuǎn)速度下風(fēng)輪的氣動效率最高。因此，已證明DFIG技術(shù)是變速 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一種有效且具有成本效益的解決方案。DFIG目前是在兆瓦范圍中用于風(fēng)力發(fā) 電機(jī)系統(tǒng)的最廣泛使用的發(fā)電機(jī)類型。
[0007] 圖1中示出了由于其效率和可靠性而在大范圍的應(yīng)用中使用的DFIG的基本配置。 代表性DFIG系統(tǒng)的主要部件是；連接到公用電網(wǎng)上的定子；連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的相關(guān) 轉(zhuǎn)子；穿過滑環(huán)的轉(zhuǎn)子電氣連接件；轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器；線路側(cè)轉(zhuǎn)換器；連接兩個轉(zhuǎn)換器的直流 鏈；W及用于轉(zhuǎn)換器的控制器。例如，圖1說明了禪接到公用電網(wǎng)12上的用于電力分配的 風(fēng)力發(fā)電機(jī)10,并且包括禪接到DFIG18上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)14。DFIG18包括DFIG發(fā)電機(jī)19， 所述DFIG發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子16和定子20。
[000引轉(zhuǎn)子16提供轉(zhuǎn)子繞組22,用于在轉(zhuǎn)子16與背對背式DFIG轉(zhuǎn)換器24之間傳輸交 流功率。定子20具有禪接到電網(wǎng)12上的定子繞組26。轉(zhuǎn)換器24是背對背式結(jié)構(gòu)，該結(jié) 構(gòu)包括：轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器巧SC)電路28 ;DC中間電路30,所述電路提供具有電容C的DC總線 值B) ;W及線路側(cè)轉(zhuǎn)換器電路32。線路側(cè)轉(zhuǎn)換器（LSC)電路32禪接在定子繞組26與DC中 間電路30之間。
[0009] -些DFIG風(fēng)力系統(tǒng)由長電纜連接到電力網(wǎng)上。如果電路在運(yùn)行期間斷開，例如， 由開關(guān)、斷路器或保險絲的斷開所引起，那么該電路和運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)將會與電網(wǎng)分離 并且形成不接地的電力系統(tǒng)。該稱為"孤島效應(yīng)"。發(fā)電機(jī)速度和線路側(cè)電壓都將快速升 高，因為電網(wǎng)有功功率輸出通道被切斷并且葉片所吸收的風(fēng)能將會變?yōu)槿~片旋轉(zhuǎn)動能。在 不連接到電網(wǎng)的情況下，潤輪機(jī)無法輸出能量。由于線路側(cè)的電壓較高，因此直流鏈會在不 受控制的狀態(tài)下進(jìn)行充電。
[0010] 如果線路側(cè)繼續(xù)發(fā)電，那么直流鏈電容將會被過量充電。該會引起轉(zhuǎn)換器直流鏈 的過電壓，甚至可能會燒毀IGBT或發(fā)生IGBT爆炸。因此，電網(wǎng)故障需要發(fā)電機(jī)停止產(chǎn)生能 量，該也意味著不再具有控制葉片速度的抑制扭矩。
[0011] 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，如果DFIG在超過同步速度的狀態(tài)下運(yùn)行，該將使得發(fā)電機(jī)進(jìn)入 超速狀態(tài)，因為葉片系統(tǒng)會由于葉片產(chǎn)生的氣動扭矩而加速。因此，孤島效應(yīng)會在設(shè)備上產(chǎn) 生巨大的壓力，包括轉(zhuǎn)子側(cè)上的高電壓，該對于維修人員來說是非常危險的，因為維修人員 可能會無意地接觸仍然通電的電力系統(tǒng)的部分。該通常是引起重傷或甚至死亡的一個問題 所在。
[0012] 因此，例如安全性、可靠性、成本W(wǎng)及保持傳送到用戶的電力質(zhì)量等許多原因在公 用設(shè)施中防止孤島效應(yīng)的角度上排在前列。因此，當(dāng)存在孤島效應(yīng)情況時，需要實施抗孤島 效應(yīng)程序。
[0013] 為了保護(hù)DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)的敏感部件并且減輕孤島效應(yīng)的嚴(yán)重影響，例如，由于 電網(wǎng)故障引起，常規(guī)的解決方案是采用具有消弧電力的DFIG，如圖1所示。消弧電路34禪 接在轉(zhuǎn)子16與轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器28之間。
[0014] 消弧電路34由全波橋式整流器、功率電阻器W及絕緣口極雙極型晶體管（IGBT) 開關(guān)。在電網(wǎng)電壓下降期間，為了防止RSC28由于轉(zhuǎn)子電路中的過電流或直流鏈中的過電 壓而引起跳間，消弧開關(guān)34連接到DFIG18的轉(zhuǎn)子繞組22上。在正常運(yùn)行期間，消弧開關(guān) 34是斷開的。最初在電網(wǎng)故障期間，傳感器（未示出）檢測出過電壓。隨后，控制器（未示 出）觸發(fā)消弧電路34或者實施控制策略W降低過電壓，從而保護(hù)DFIG風(fēng)力系統(tǒng)。
[0015] 為了使消弧電路34中的轉(zhuǎn)子電流改變方向，可W在檢測出轉(zhuǎn)子16過電流或直流 鏈過電壓之后激活開關(guān)34,其中能量在電阻器中得到耗散，使得高電流峰值成功地遠(yuǎn)離轉(zhuǎn) 子側(cè)轉(zhuǎn)換器28改變方向，從而防止轉(zhuǎn)子16和背對背式轉(zhuǎn)換器24部件產(chǎn)生過高的電壓突 增。
[0016] 如圖1所示的傳統(tǒng)消弧電路由一組電阻器構(gòu)建，在發(fā)生中斷時所述電阻器與轉(zhuǎn)子 繞組并聯(lián)連接，W消耗功率或消除過電壓。消弧電路繞過轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器。有效的消弧控制 方案在需要時連接消弧電阻，并且使消弧電阻失效W恢復(fù)DFIG控制。該樣防止了IGBT的 過電壓并且可W耗散能量。在正常運(yùn)行中，開關(guān)是打開的并且電阻器被繞過。在發(fā)生故障 情況期間，開關(guān)是閉合的并且電阻器串聯(lián)連接到轉(zhuǎn)子繞組上。
[0017] 因此，需要提供一種對連接到公用電網(wǎng)上的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制W避免發(fā)電機(jī)產(chǎn) 生非計劃性孤島效應(yīng)的系統(tǒng)和方法。進(jìn)一步需要提供一種在DFIG與電網(wǎng)斷開或失去負(fù)載 時消除直流鏈、DFIG線路側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)中的過電壓并且降低DFIG過速的風(fēng)險的系統(tǒng)和方法。 還需要提供一種降低對動態(tài)斷路器值B)的容量需求的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 考慮到上述缺陷，存在對功率轉(zhuǎn)換器的控制能力W及DFIG和線路側(cè)W及轉(zhuǎn)子側(cè) 電感器的熱性能的需求，其中控制策略不需要任何硬件改變并且節(jié)約了動態(tài)斷路器成本。 此外，還存在對一種控制系統(tǒng)和方法的需求，所述控制系統(tǒng)和方法增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器和 線路側(cè)轉(zhuǎn)換器的作用并且利用發(fā)電機(jī)線路電感器和轉(zhuǎn)子電感器的熱性能。該種策略有助于 提高DFIG系統(tǒng)的安全性。
[0019] 在某些實施例中，提供一種用于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的控制器。在多個實施例中，所述 系統(tǒng)包括雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、背對背式轉(zhuǎn)換器W及控制器。所述DFIG包括；轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器；直 流鏈，所述直流鏈具有至少一個電容并且與轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器的輸出禪接；W及線路側(cè)轉(zhuǎn)換器， 所述線路側(cè)轉(zhuǎn)換器與直流鏈的輸出禪接。所述控制器配置用于對背對背式轉(zhuǎn)換器的功率、 DFIG的熱性能W及轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器和線路側(cè)轉(zhuǎn)換器的電感器進(jìn)行控制，W消除直流鏈中的過 電壓并且減小由于孤島效應(yīng)事件產(chǎn)生的過速。
[0020] 在某些實施例中，提供一種用于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。所述風(fēng)力發(fā)電機(jī) 包括：用于通過風(fēng)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子葉