[發明專利]用于產生針對電網的電壓變化的慣性響應的系統和方法

有效

• 申請號: 201280037751.X
• 申請日: 2012-05-14
• 公開（公告）號: CN103718410B
• 公開（公告）日: 2016-10-12
• 發明（設計）人: G·C·塔爾諾夫斯基
• 申請（專利權）人: 維斯塔斯風力系統集團公司
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 韓宏;陳松濤

技術領域

本申請總體涉及發電系統，更具體地，涉及用于提供來自風力系統的對電網電壓變化的慣性響應的系統、方法和計算機程序產品。

背景技術

交流（AC）電網一般包括由同步機構成的網絡，同步機是通過傳輸線網絡耦合的，傳輸線將同步機所發電力輸送給多個客戶。通常用于在電網中發電的類型的同步機包括可移動磁元件或轉子以及若干包括定子的固定導電線圈。為了發電，將轉子耦合至被稱為原動機的旋轉動力源，并將定子耦合至負載。在原動機向轉子施加轉矩時將引起轉子相對于定子的旋轉，從而向負載提供電力。轉子相對于定子的運動將使定子暴露于變化的磁通量下，其將在定子內感應出交流，并由此向負載提供電力。由此在同步機的輸出端子處將原動機提供的旋轉功率轉換為電力，輸出端子處的交流的相位和頻率與轉子的角速度和位置相關。

同步機的轉子和定子之間的功率交換也可以被相反操作。如果通過諸如作為發電機操作的另一同步機的外部動力源在定子中產生了具有與轉子的超前相位關系的電流，則由定子產生的變化的磁通量將在轉子中產生轉矩。由此，同步機可以作為將旋轉能轉化為電能的發電機來操作（發電模式），或者可以作為將電能轉化為旋轉能的電動機來操作（電動機運行模式），這取決于端子電壓的相位和轉子的角位置之間的關系。由于轉子位置和端子電壓之間的這一關系，在將兩個同步機并聯連接并使其作為發電機來工作，從而為共同的負載供電時，同步機之間的電相互作用通常將使轉子的頻率變得同步。

當前電網中的發電主要是通過將多個同步機/原動機組合或者將多個同步發電機以并聯的形式耦合至電網而提供的。在典型的電網中，很多同步發電機位于多個發電廠，它們利用各種能源為原動機提供動力。通常采用的原動機的示例包括利用通過礦物燃料燃燒或者來自核反應的熱量而產生的蒸汽推動的渦輪機、水力發電渦輪機和燃氣渦輪機。同步發電機在不同的地理位置操作，從而在多個電網連接點為電網提供電力。因而，由電網提供的集合負載要遠大于任何單獨的同步發電機的額定輸出。由于單個同步發電機的容量和電網容量的這一差異，單個同步發電機通常對電網頻率不具有可觀的影響。因而，現有的電網頻率將在很大程度上決定著連接至電網的同步發電機的轉子的角速度。

在希望同步發電機向電網提供更多電力時，增大原動機的輸出，其將使得額外的轉矩被施加到同步機的轉子。所增大的轉矩將轉子的角位置相對于端子電壓定子場的相位向前推進。單獨作用的場電流所產生的內電壓與同步發電機的端子電壓之間的負載角（又被稱為位移角）所造成的增大將導致提供給電網的電力的增大。負載角和電力輸出之間的關系與同步發電機的旋轉質量中存儲的動能結合作用，從而向電網給予固有的飛輪效應。

飛輪效應起著穩定機構的作用，其通過向電網電壓瞬態提供所謂的慣性響應而有助于電網安全且可靠的運行。這一慣性響應是同步發電機對電網瞬態狀況的固有的有功功率輸出響應，其有助于在總電網消耗和向電網提供的總功率之間保持功率平衡。例如，電網上的負載的突然增大通常將導致同步發電機的端子處的電壓頻率的降低，其最初將引起負載角的增大。負載角增大的直接結果包括：（1）轉子提供的抑制性轉矩增大；以及（2）同步發電機的瞬時功率輸出增大。增大的抑制性轉矩將抵抗由原動機提供的轉矩，從而引起轉子減速，由此使負載角開始降回到其事件前值。然而，同步發電機的轉動慣量將限制轉子的角加速度，其將限制負載角隨著同步發電機中存儲的動能被傳送至電網而發生變化的速率。類似地，電網負載的突然降低可能導致降低的負載角，從而使瞬時同步發電機輸出降低，并導致過多的電力生產被同步發電機的旋轉質量中存儲的動能的增大所吸收。

因而，同步發電機的旋轉質量提供了慣性響應，其將放緩電網頻率響應于負載和生產電力之間突然的不平衡而發生變化的速率。通過釋放以及存儲來自發電機的旋轉質量的動能，同步發電機提高了電網穩定性并且為原動機留出了對電力不平衡做出響應的時間。相對于電力需求的變化而言，電網中的總旋轉質量越大，電網頻率響應于功率不平衡而發生的變化也就越慢。因此，通常鏈接有較大數量的同步發電機的電網通過為原動機調速器和主頻控制留下了更多的時間來對功率需求的變化做出響應，從而提供更加穩定的頻率控制。