[发明专利]用于发电系统的电力系统频率惯性

说明书

技术领域

本发明一般地涉及被用于为公用电网发电的发电单元的领域，并且更加具体地涉及用于确保发电单元的电网符合性的技术，包括在瞬态期间稳定功率。

背景技术

越来越多的发电单元例如风轮机、太阳能电池、燃料电池、波力系统等被连接到公用电网。随着包括大型同步发电机的传统的发电站被发电单元例如风轮机替代，对于用于公用电网的频率支持的需要变得更高。发电单元使用功率电子设备而被连接到公用电网，并且在功率和频率之间的直接联系丧失，由此在电网上的干扰可能导致更大的频率偏离。在以下使用了针对风轮机的质疑从而描述本发明的背景。然而，对于其中在公用电网和发电单元之间的接口是基于功率转换器的其它类型的发电单元例如太阳能电池、燃料电池、微型涡轮机、波力等而言，所述质疑是类似的。

风力涡轮发电机通常包括将风能转换成涡轮轴的旋转运动的风轮，涡轮轴依次地驱动发电机的转子以生产电力。现代风力涡轮发电机安装通常采取风电场的形式，该风电场具有被连接到公共风电场电力网的多个风力涡轮发电机。这个风电场电网或者直接地或者通过可以包括升压变压器的变电站而被连接到公用电网。

要求各个风轮机和风电场符合公用事业系统运营商的电能质量要求。经常被称作“电网要求”的这种电能质量要求可以一般地包括电压调整、频率调整、有功和无功功率控制、不间断运行，并且在一些情形中，在由突然的发电故障、线路故障或者快速施加大的负载的连接引起的瞬态情形中还包括功率渐增和提供热备用或者惯性。

从实用的观点，如果能够利用具有与在大型水力发电站或者热力发电站处应用的同步发电机相同的调整能力的、传统的同步发电机装配风力涡轮发电机，则这将是优选的。这种传统的同步发电机能够调节电压、有功和无功功率等。在瞬态中，同步发电机还可以提供调制有功功率以稳定电力系统和将频率恢复为它的额定数值的、另外的控制服务。

然而，传统的同步发电机并不良好地适合于在风轮机上使用，因为它们的非常僵硬的特性不与风轮机应用相兼容。为了近似同步发电机操作和能力，现代风力涡轮发电机通常使用功率电子逆变器来使得风力涡轮发电机输出与公用电网接口。在一种通常的方案中，风力涡轮发电机输出被直接地馈送到功率电子转换器，在此处涡轮频率被整流并且被转化成如公用事业系统所需要的固定频率。一种可替代的方案使用双馈异步发电机（DFAG），其中激励DFAG转子和定子绕组的变频功率电子逆变器被直接地耦合到公用事业系统。

在传统上，风力涡轮发电机已经通过使用电网测量器件、公用事业信号和在涡轮控制器内部的响应基准和算法的组合而被配置为对电网要求作出响应。

这种布置具有多个缺陷。首先，从系统运营商的角度看，对于电网要求的风力涡轮发电机响应通常成为黑箱。第二，反馈响应因素可以发生，其中风力涡轮发电机系统响应于自身产生的人为现象进行调整。进而，在通常的配置中，风轮机并不对于公用事业系统的频率稳定性作出贡献。

本发明的意图在于克服关于发电单元的上述限制并且提供控制技术从而发电单元能够以对于系统运营商透明的方式满足电网要求，包括对于公用事业系统的频率调整和功率波动稳定性作出贡献。

发明内容

本发明的示例性实施例包括一种发电系统，该发电系统包括操作时用于向公用事业系统供应电力的至少一个发电单元，和与该发电单元并行地操作的至少一个同步机器。该发电单元使用功率转换器与该公用事业系统对接。

电网测量器件位于同步机器和电网之间从而测量在同步发电机和电网之间交换的电流和功率。电网测量器件的输出利用通信而被传输到控制器，该控制器被布置用于作为由电网测量器件测量的功率和电流的函数调节该发电单元的输出功率。该控制器在本发明的一个实施例中是用于发电单元的内部控制器例如内部风轮机控制器等的集成部分。在另一实施例中，该控制器是使用在控制器和发电单元之间的通信装置的外部控制器。该发电单元被配置为作为电网测量器件的输出的函数向公用事业系统提供电流和功率，并且这样在失衡的情形中对于电网频率的稳定作出贡献。

该发电单元在本发明的一个优选实施例中是以下类型之一，风力涡轮发电机、太阳能电池、燃料电池、微型涡轮机、波力或者具有到电网的功率转换器接口的其它发电单元。

在本发明的一个优选实施例中，该发电系统包括并行地操作的多个发电单元，例如在风电场中的风轮机。在进一步的实施例中，该发电系统包括与用于电网支持的发电单元并行地操作的多个同步机器。