[发明专利]用于风力涡轮的无功功率控制的系统和方法

说明书

一种用于操作功率生成系统来向负载提供有效功率和无功功率的方法和相关联的系统，其包括用具有开关元件的功率转换器从发电机接收功率和在发电机转子速度的操作范围内生成无功功率。在发电机转子速度改变且接近同步速度时，生成控制命令来将功率转换器中的开关元件的开关频率从第一开关频率减小到第二开关频率，其中功率转换器的无功功率输出在第二开关频率下保持或增加。

技术领域

本公开内容大体上涉及风力涡轮，且更特别地涉及通过控制双馈感应发电机(DFIG)系统中转子侧转换器(RSC)的开关频率来增强风力涡轮的无功功率能力的系统和方法。

背景技术

大体上，在风力涡轮的操作期间，风冲击转子叶片，且叶片将风能转换为驱动低速轴的机械转矩。低速轴驱动齿轮箱，该齿轮箱随后提高低速轴的低旋转速度，以增加的旋转速度驱动高速轴，其中高速轴可旋转地驱动发电机转子。在许多常规的风力涡轮配置中，发电机电联接到双向功率转换器，该双向功率转换器包括经由调节的DC链路连结到线路侧转换器(LSC)的转子侧转换器(RSC)。RSC和LSC中的每个典型地包括脉宽调制开关装置组，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT模块)。LSC将DC链路上的DC功率转换为AC输出功率，该AC输出功率与来自发电机定子的功率组合来提供多相功率，该多相功率具有基本保持在电网总线的频率(例如50Hz或60Hz)处的频率。

上文系统大体上被认为是双馈感应发电机(DFIG)系统，该系统的操作原理包括转子绕组经由滑环连接到电网且功率转换器控制转子电流和电压。转子电压和电流的控制使发电机能够在风力涡轮速度变化(例如，转子频率可不同于电网频率)时保持与电网频率同步。而且，来自DFIG系统的无功功率的主要来源是经由发电机来自RSC(发电机定子侧无功功率)和来自LSC(发电机线路侧无功功率)。使用功率转换器(特别是RSC)来控制转子电流/电压使得可能独立于发电机的旋转速度来调整从RSC馈送到电网的无功功率(和有效功率)。另外，发电机能够输入或输出无功功率，这允许系统在电网上极端电压波动期间支持电网。

典型地，在稳态和瞬态状况期间由风场向电网供应的无功功率的量通过由电网操作者指示的代码要求来确定，其中风场控制器确定对风场内每个风力涡轮所提的无功功率需求。每个风力涡轮处的本地控制器在发电机源之间(例如，在发电机侧无功功率与线路侧无功功率之间)接收和分配无功功率需求。

在发电机速度接近同步速度时，转子基频接近DC(其中IGBT的热循环最大)，导致在同步速度处或附近转子侧IGBT的峰值温度。这导致RSC的总输出电流能力的降低，且因此导致RSC的无功功率能力上的降低。典型地，对于所有转子速度，DFIG功率转换器的转子侧上的开关频率保持在升高的频率(例如，约2000或3000Hz)处。虽然对于同步发电机转子速度处或附近的大多数操作速度，该升高的开关频率是期望的，它在IGBT中生成峰值温度和热循环应力且限制DFIG系统的无功功率能力。

另外，因为电流谐波通过发电机从转子侧馈送到定子侧且然后直接到输电公用电网，DFIG发电机在同步速度处或附近操作更加复杂。这些谐波必须控制到由公用电网谐波要求所指示的水平。

编号为8,853,876的美国专利描述一种用于操作风力涡轮中的DFIG功率生成系统的系统和方法。当发电机在同步速度处或附近时，生成控制命令来将功率转换器中的开关元件的开关频率控制到基本等于负载基频的所调整的开关频率。通过随着发电机速度上的减小来减小开关频率，可减小开关元件中的功率损耗。随着功率损耗上的此类减小，还可减小开关元件中的温升，这可提供功率转换器的输出电流能力方面的额外裕度且还可增加开关元件的构件寿命。另外，通过使开关频率与电网的基频紧密匹配，还可获得馈通到转换器的线路侧的谐波量上的减小，从而减小到电网的谐波失真。

编号为9,625,921的美国专利描述一种用于调节功率转换器中的IGBT的温度来减小热应力和延长装置寿命的方法。当IGBT不在预定温度范围内时，修改装置的开关频率以使IGBT在温度范围内。