[發(fā)明專利]用于風(fēng)力渦輪的電力系統(tǒng)頻率慣性

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980155761.1
• 申請日: 2009-03-10
• 公開（公告）號: CN102301584A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: J.蒂斯泰德
• 申請（專利權(quán)）人: 西門子公司
• 主分類號: H02P9/10
• 分類號: H02P9/10;H02P9/42;F03D7/02;F03D7/04;F03D9/00;G05F1/67;H02J3/38
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉春元;李家麟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明通常涉及用于為公用電網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力渦輪發(fā)電機的領(lǐng)域，并且更特別地涉及用于確保風(fēng)力渦輪發(fā)電機的電網(wǎng)相容性的技術(shù)，包括在瞬態(tài)條件期間穩(wěn)定功率的技術(shù)。

背景技術(shù)

風(fēng)力渦輪發(fā)電機通常包括將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為渦輪軸的旋轉(zhuǎn)運動的風(fēng)輪，其繼而驅(qū)動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子來產(chǎn)生電力。

現(xiàn)代風(fēng)力渦輪發(fā)電機設(shè)施通常采用風(fēng)電場的形式，該風(fēng)電場具有連接至公共風(fēng)電場電力網(wǎng)的多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機。該風(fēng)電場電網(wǎng)直接或通過可以包括升壓變壓器的變電站而連接至公用電網(wǎng)。

需要獨立的風(fēng)力渦輪和風(fēng)電場以符合公用系統(tǒng)運營商的電力品質(zhì)要求。經(jīng)常表示為“電網(wǎng)要求”的此類電力品質(zhì)要求通常可以包括電壓調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)、有功和無功功率控制、故障不脫網(wǎng)運行（fault?ride-through）以及在某些情況中還包括功率斜升和旋轉(zhuǎn)備用或慣性的供應(yīng)以防由突然的發(fā)電失效、快速應(yīng)用大負(fù)載的線路故障或連接引起的瞬態(tài)條件。

從公用事業(yè)的視點來看，如果可以利用具有與在大水電站或熱電站處應(yīng)用的同步發(fā)電機相同的調(diào)節(jié)能力的經(jīng)典同步發(fā)電機來安裝風(fēng)力渦輪發(fā)電機將是優(yōu)選的。此類經(jīng)典同步發(fā)電機能夠調(diào)節(jié)電壓、有功和無功功率等。在瞬態(tài)條件中，同步發(fā)電機也可以提供附加的控制服務(wù)，該附加的控制服務(wù)調(diào)制有功功率以穩(wěn)定電力系統(tǒng)并將頻率恢復(fù)到其標(biāo)稱值。

然而，經(jīng)典同步發(fā)電機不能很好地適于在風(fēng)力渦輪上使用，因為它們非常僵硬的特性與風(fēng)力渦輪應(yīng)用不兼容。為了近似同步發(fā)電機的操作和能力，現(xiàn)代風(fēng)力渦輪發(fā)電機通常使用電力電子逆變器以將風(fēng)力渦輪發(fā)電機輸出與公用電網(wǎng)對接。在一個普通方法中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機輸出被直接饋送到電力電子轉(zhuǎn)換器，其中將渦輪頻率矯正并逆變?yōu)楣孟到y(tǒng)所需要的固定頻率。一種替代方法使用具有變頻電力電子逆變器的雙饋式異步發(fā)電機（DFAG），該變頻電力電子逆變器激勵直接耦合至公用系統(tǒng)的DFAG轉(zhuǎn)子和定子繞組。

傳統(tǒng)上，風(fēng)力渦輪發(fā)電機已被配置為通過使用電網(wǎng)測量設(shè)備、公用信號以及渦輪控制器內(nèi)部的響應(yīng)參考和算法來響應(yīng)電網(wǎng)要求。

該布置具有多個缺點。首先，從系統(tǒng)操作者的角度看，針對電網(wǎng)要求的風(fēng)力渦輪發(fā)電機響應(yīng)通常變成黑盒。其次，在風(fēng)力渦輪發(fā)電機系統(tǒng)響應(yīng)于自產(chǎn)生人工元素（self-created?artifact）進行調(diào)節(jié)時可能發(fā)生反饋響應(yīng)元素。此外，在正常的配置中，風(fēng)力渦輪對公用系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定沒有貢獻。

本發(fā)明的目的是克服對于風(fēng)力渦輪系統(tǒng)的上述限制并且提供控制技術(shù)，使得風(fēng)力渦輪可以以對系統(tǒng)操作者透明的方式來滿足電網(wǎng)要求，包括對用于公用系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)和功率擺動穩(wěn)定有所貢獻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的示例性實施例包括一種風(fēng)力渦輪系統(tǒng)，該風(fēng)力渦輪系統(tǒng)包括可操作用于向公用系統(tǒng)提供風(fēng)力渦輪電力的至少一個風(fēng)力渦輪發(fā)電機以及與該風(fēng)力渦輪發(fā)電機并聯(lián)操作的至少一個同步發(fā)電機。該風(fēng)力渦輪發(fā)電機使用功率轉(zhuǎn)換器與公用系統(tǒng)對接。

電網(wǎng)測量設(shè)備位于同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間，從而測量同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間交換的電流和功率。電網(wǎng)測量設(shè)備的輸出借助于通信向控制器傳輸，該控制器被布置用于根據(jù)由電網(wǎng)測量設(shè)備測量的功率和電流來調(diào)整風(fēng)力渦輪的輸出功率。在本發(fā)明的一個實施例中，控制器是內(nèi)部風(fēng)力渦輪控制器的集成部件。在另一實施例中，控制器是在控制器和風(fēng)力渦輪之間使用通信裝置的外部控制器。該風(fēng)力渦輪被配置為根據(jù)電網(wǎng)測量設(shè)備的輸出向公用系統(tǒng)提供電流和功率并且這樣如果不平衡則對電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定有所貢獻。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，風(fēng)電系統(tǒng)包括在風(fēng)電場中操作的多個風(fēng)力渦輪。在其他實施例中，風(fēng)電系統(tǒng)包括與風(fēng)力渦輪并聯(lián)的多個同步發(fā)電機用于電網(wǎng)支持。

本發(fā)明將同步發(fā)電機的固有慣性響應(yīng)的優(yōu)點與控制來自風(fēng)力渦輪的輸出功率的可能性進行組合。風(fēng)力渦輪被配置為根據(jù)在同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間交換的功率和電流流而向公用系統(tǒng)提供電流和功率。在諸如負(fù)載不平衡的動態(tài)條件期間影響在同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間交換的功率和電流的流。功率和電流流的測量值與電網(wǎng)的不平衡成比例，并且因此響應(yīng)于公用電網(wǎng)的不平衡而將該測量值用于調(diào)整風(fēng)力渦輪的輸出功率以用于穩(wěn)定。

該布置將同步發(fā)電機的固有慣性響應(yīng)與增加或減少風(fēng)力渦輪的輸出功率的可能性進行組合，用于電網(wǎng)頻率的快速穩(wěn)定和恢復(fù)。同步發(fā)電機的慣性響應(yīng)對電網(wǎng)的穩(wěn)定有連續(xù)貢獻，并且為了在電網(wǎng)擾動的初始階段中提供慣性響應(yīng)，不需要控制動作。

此外，同步發(fā)電機的慣性響應(yīng)防止了在公用電網(wǎng)上有微小頻率擾動的情況中設(shè)置針對風(fēng)力渦輪的過度控制動作。緊接在相位頻率擾動的初始之后是通過使用來自電網(wǎng)測量設(shè)備的功率和電流重新評估而調(diào)整風(fēng)力渦輪的輸出功率。