[发明专利]具有超速保护的风力发电系统及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统及其操作方法，且特别涉及一种具有超速保护的风力发电系统及其操作方法。

背景技术

在目前主流的风力发电系统中，风力机需要通过变流器来确保使风能转化成频率恒定的电能输送到电网中。然而，在大型风力发电系统中所使用的设备都比较昂贵，而且也不宜更换，因此，风力发电系统乃至变流器系统的可靠性显得至关重要。再者，大型风力发电系统经常使用在恶劣的气候条件的环境，例如，在内陆的荒漠地带或者在沿海地带。然而，由于在这些环境操作下，风的变化是非常频繁且剧烈，经常发生风暴或台风，因此，使得风力发电系统的保护功能将受严峻的考验。故此，风力发电变流器系统在电机超速情况下，会承受很高的电压，导致系统损毁。

请参见图1为现有技术发电机的冗余保护系统的电路。发电机的冗余电制动器及保护系统的电路揭露于中华人民共和国公开专利(公开号为CN101087122A)中。冗余保护系统包括其中结合了两个功率消耗路径的系统。一条路径包括发电机侧转换器111，另一条路径包括剩余负载电阻器221。还可以设计发电机侧转换器111以适应发电机101的定额输出额定功率，同时剩余负载电阻器221的大小以补偿发电机侧转换器111的额定值与所需制动功率之间的差值。

风轮机控制单元190进行发电机侧转换器111是否可使用的判定。如果发电机侧转换器111不能使用，则风轮机控制单元190使制动单元工作。若发电机侧转换器111可使用，则转换器控制单元140进行所需制动功率大小的判定。如果所需制动功率小于发电机101的额定输出功率，则转换器控制单元140工作以在发电机侧转换器111中消耗功率。若所需制动功率超过输出功率的情况下，使剩余负载电阻器221工作。

因此，如何设计出一种具有超速保护的风力发电系统及其操作方法，当风机发生异常超速运转时，以导入电阻保护单元或导入直流截波器，以消耗发电机所产生过余的能量，进而提供超载运转的制动保护。甚或通过短路断开熔断器，使隔离发电机，乃为本案发明人所欲行克服并加以解决的一大课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种具有超速保护的风力发电系统及其操作方法，以克服现有技术的问题。

本发明的具有超速保护的风力发电系统，通过风机将风能转换为机械能，再由风机带动发电机以转换机械能为电能，再将电能传送至电网并联运转。风力发电系统包含电阻保护单元、熔断器、发电机侧转换器、直流截波器、电网侧转换器、并网滤波器以及变压器。

电阻保护单元电性连接发电机。熔断器电性连接电阻保护单元与发电机。发电机侧转换器电性连接熔断器，以提供电能的交流至直流转换。直流截波器电性连接发电机侧转换器。电网侧转换器电性连接直流截波器，以提供电能的直流至交流转换。并网滤波器电性连接电网侧转换器，以提供电能的滤波。变压器电性连接并网滤波器与电网，以转换电能的电压准位为电网并联运转所需的电压准位。

当风机发生第一级超速运转时，导入电阻保护单元或直流截波器，以消耗发电机所产生过余的能量，进而提供超载运转的制动保护；当发生第二级超速运转时，则通过短路断开熔断器，使发电机侧转换器与发电机隔离。

本发明的另一目的在于提供一种具有超速保护的风力发电系统的操作方法，包含下列步骤：当发生第一级超速运转时，导入电阻保护单元或直流截波器，以消耗发电机所产生过余的能量，进而提供超载运转的制动保护。当发生第二级超速运转时，则通过短路断开熔断器，使发电机侧转换器与发电机隔离。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为先前技术发电机的冗余保护系统的电路；

图2为本发明具有超速保护的风力发电系统的电路方块图；

图3为本发明利用导通三相可控整流电路以短路断开熔断器的电路方块图；

图4为本发明利用导通三相短路接触器以短路断开熔断器的电路方块图；

图5为本发明具有超速保护的风力发电系统的操作方法的流程图；及

图6为本发明发电机的转速与输出电压的关系示意图。

其中，附图标记说明如下：

[现有技术]

风轮机：100

发电机：101

定子总线：102

变频器：103

制动单元：105