[發(fā)明專利]用于發(fā)電系統(tǒng)的電力系統(tǒng)頻率慣性

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200980150815.5
• 申請(qǐng)日: 2009-03-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102257721A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J.蒂斯泰德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西門(mén)子公司
• 主分類號(hào): H02P9/04
• 分類號(hào): H02P9/04;F03D7/02;F03D7/04;F03D9/00;G05F1/67;H02J3/04;H02J3/06;H02J3/38;H02P9/10
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 王岳;盧江

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般地涉及被用于為公用電網(wǎng)發(fā)電的發(fā)電單元的領(lǐng)域，并且更加具體地涉及用于確保發(fā)電單元的電網(wǎng)符合性的技術(shù)，包括在瞬態(tài)期間穩(wěn)定功率。

背景技術(shù)

越來(lái)越多的發(fā)電單元例如風(fēng)輪機(jī)、太陽(yáng)能電池、燃料電池、波力系統(tǒng)等被連接到公用電網(wǎng)。隨著包括大型同步發(fā)電機(jī)的傳統(tǒng)的發(fā)電站被發(fā)電單元例如風(fēng)輪機(jī)替代，對(duì)于用于公用電網(wǎng)的頻率支持的需要變得更高。發(fā)電單元使用功率電子設(shè)備而被連接到公用電網(wǎng)，并且在功率和頻率之間的直接聯(lián)系喪失，由此在電網(wǎng)上的干擾可能導(dǎo)致更大的頻率偏離。在以下使用了針對(duì)風(fēng)輪機(jī)的質(zhì)疑從而描述本發(fā)明的背景。然而，對(duì)于其中在公用電網(wǎng)和發(fā)電單元之間的接口是基于功率轉(zhuǎn)換器的其它類型的發(fā)電單元例如太陽(yáng)能電池、燃料電池、微型渦輪機(jī)、波力等而言，所述質(zhì)疑是類似的。

風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)通常包括將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成渦輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)輪，渦輪軸依次地驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子以生產(chǎn)電力。現(xiàn)代風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)安裝通常采取風(fēng)電場(chǎng)的形式，該風(fēng)電場(chǎng)具有被連接到公共風(fēng)電場(chǎng)電力網(wǎng)的多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)或者直接地或者通過(guò)可以包括升壓變壓器的變電站而被連接到公用電網(wǎng)。

要求各個(gè)風(fēng)輪機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)符合公用事業(yè)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的電能質(zhì)量要求。經(jīng)常被稱作“電網(wǎng)要求”的這種電能質(zhì)量要求可以一般地包括電壓調(diào)整、頻率調(diào)整、有功和無(wú)功功率控制、不間斷運(yùn)行，并且在一些情形中，在由突然的發(fā)電故障、線路故障或者快速施加大的負(fù)載的連接引起的瞬態(tài)情形中還包括功率漸增和提供熱備用或者慣性。

從實(shí)用的觀點(diǎn)，如果能夠利用具有與在大型水力發(fā)電站或者熱力發(fā)電站處應(yīng)用的同步發(fā)電機(jī)相同的調(diào)整能力的、傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)裝配風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，則這將是優(yōu)選的。這種傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)能夠調(diào)節(jié)電壓、有功和無(wú)功功率等。在瞬態(tài)中，同步發(fā)電機(jī)還可以提供調(diào)制有功功率以穩(wěn)定電力系統(tǒng)和將頻率恢復(fù)為它的額定數(shù)值的、另外的控制服務(wù)。

然而，傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)并不良好地適合于在風(fēng)輪機(jī)上使用，因?yàn)樗鼈兊姆浅＝┯驳奶匦圆慌c風(fēng)輪機(jī)應(yīng)用相兼容。為了近似同步發(fā)電機(jī)操作和能力，現(xiàn)代風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)通常使用功率電子逆變器來(lái)使得風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)輸出與公用電網(wǎng)接口。在一種通常的方案中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)輸出被直接地饋送到功率電子轉(zhuǎn)換器，在此處渦輪頻率被整流并且被轉(zhuǎn)化成如公用事業(yè)系統(tǒng)所需要的固定頻率。一種可替代的方案使用雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFAG），其中激勵(lì)DFAG轉(zhuǎn)子和定子繞組的變頻功率電子逆變器被直接地耦合到公用事業(yè)系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)上，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)已經(jīng)通過(guò)使用電網(wǎng)測(cè)量器件、公用事業(yè)信號(hào)和在渦輪控制器內(nèi)部的響應(yīng)基準(zhǔn)和算法的組合而被配置為對(duì)電網(wǎng)要求作出響應(yīng)。

這種布置具有多個(gè)缺陷。首先，從系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的角度看，對(duì)于電網(wǎng)要求的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)響應(yīng)通常成為黑箱。第二，反饋?lái)憫?yīng)因素可以發(fā)生，其中風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)于自身產(chǎn)生的人為現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)而，在通常的配置中，風(fēng)輪機(jī)并不對(duì)于公用事業(yè)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性作出貢獻(xiàn)。

本發(fā)明的意圖在于克服關(guān)于發(fā)電單元的上述限制并且提供控制技術(shù)從而發(fā)電單元能夠以對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商透明的方式滿足電網(wǎng)要求，包括對(duì)于公用事業(yè)系統(tǒng)的頻率調(diào)整和功率波動(dòng)穩(wěn)定性作出貢獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括一種發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)包括操作時(shí)用于向公用事業(yè)系統(tǒng)供應(yīng)電力的至少一個(gè)發(fā)電單元，和與該發(fā)電單元并行地操作的至少一個(gè)同步機(jī)器。該發(fā)電單元使用功率轉(zhuǎn)換器與該公用事業(yè)系統(tǒng)對(duì)接。

電網(wǎng)測(cè)量器件位于同步機(jī)器和電網(wǎng)之間從而測(cè)量在同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間交換的電流和功率。電網(wǎng)測(cè)量器件的輸出利用通信而被傳輸?shù)娇刂破鳎摽刂破鞅徊贾糜糜谧鳛橛呻娋W(wǎng)測(cè)量器件測(cè)量的功率和電流的函數(shù)調(diào)節(jié)該發(fā)電單元的輸出功率。該控制器在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中是用于發(fā)電單元的內(nèi)部控制器例如內(nèi)部風(fēng)輪機(jī)控制器等的集成部分。在另一實(shí)施例中，該控制器是使用在控制器和發(fā)電單元之間的通信裝置的外部控制器。該發(fā)電單元被配置為作為電網(wǎng)測(cè)量器件的輸出的函數(shù)向公用事業(yè)系統(tǒng)提供電流和功率，并且這樣在失衡的情形中對(duì)于電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定作出貢獻(xiàn)。

該發(fā)電單元在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中是以下類型之一，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池、燃料電池、微型渦輪機(jī)、波力或者具有到電網(wǎng)的功率轉(zhuǎn)換器接口的其它發(fā)電單元。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該發(fā)電系統(tǒng)包括并行地操作的多個(gè)發(fā)電單元，例如在風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)輪機(jī)。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，該發(fā)電系統(tǒng)包括與用于電網(wǎng)支持的發(fā)電單元并行地操作的多個(gè)同步機(jī)器。