專利名稱：具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電系統(tǒng)及其操作方法，且特別涉及一種具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)及其操作方法。
背景技術：
在目前主流的風力發(fā)電系統(tǒng)中，風力機需要通過變流器來確保使風能轉化成頻率恒定的電能輸送到電網中。然而，在大型風力發(fā)電系統(tǒng)中所使用的設備都比較昂貴，而且也不宜更換，因此，風力發(fā)電系統(tǒng)乃至變流器系統(tǒng)的可靠性顯得至關重要。再者，大型風力發(fā)電系統(tǒng)經常使用在惡劣的氣候條件的環(huán)境，例如，在內陸的荒漠地帶或者在沿海地帶。然而，由于在這些環(huán)境操作下，風的變化是非常頻繁且劇烈，經常發(fā)生風暴或臺風，因此，使得風力發(fā)電系統(tǒng)的保護功能將受嚴峻的考驗。故此，風力發(fā)電變流器系統(tǒng)在電機超速情況下，會承受很高的電壓，導致系統(tǒng)損毀。請參見圖I為現有技術發(fā)電機的冗余保護系統(tǒng)的電路。發(fā)電機的冗余電制動器及保護系統(tǒng)的電路揭露于中華人民共和國公開專利(公開號為CN101087122A)中。冗余保護系統(tǒng)包括其中結合了兩個功率消耗路徑的系統(tǒng)。一條路徑包括發(fā)電機側轉換器111，另一條路徑包括剩余負載電阻器221。還可以設計發(fā)電機側轉換器111以適應發(fā)電機101的定額輸出額定功率，同時剩余負載電阻器221的大小以補償發(fā)電機側轉換器111的額定值與所需制動功率之間的差值。風輪機控制單元190進行發(fā)電機側轉換器111是否可使用的判定。如果發(fā)電機側轉換器111不能使用，則風輪機控制單元190使制動單元工作。若發(fā)電機側轉換器111可使用，則轉換器控制單元140進行所需制動功率大小的判定。如果所需制動功率小于發(fā)電機101的額定輸出功率，則轉換器控制單元140工作以在發(fā)電機側轉換器111中消耗功率。若所需制動功率超過輸出功率的情況下，使剩余負載電阻器221工作。因此，如何設計出一種具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)及其操作方法，當風機發(fā)生異常超速運轉時，以導入電阻保護單元或導入直流截波器，以消耗發(fā)電機所產生過余的能量，進而提供超載運轉的制動保護。甚或通過短路斷開熔斷器，使隔離發(fā)電機，乃為本案發(fā)明人所欲行克服并加以解決的一大課題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一目的在于提供一種具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)及其操作方法，以克服現有技術的問題。本發(fā)明的具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)，通過風機將風能轉換為機械能，再由風機帶動發(fā)電機以轉換機械能為電能，再將電能傳送至電網并聯運轉。風力發(fā)電系統(tǒng)包含電阻保護單元、熔斷器、發(fā)電機側轉換器、直流截波器、電網側轉換器、并網濾波器以及變壓器。電阻保護單元電性連接發(fā)電機。熔斷器電性連接電阻保護單元與發(fā)電機。發(fā)電機側轉換器電性連接熔斷器，以提供電能的交流至直流轉換。直流截波器電性連接發(fā)電機側轉換器。電網側轉換器電性連接直流截波器，以提供電能的直流至交流轉換。并網濾波器電性連接電網側轉換器，以提供電能的濾波。變壓器電性連接并網濾波器與電網，以轉換電能的電壓準位為電網并聯運轉所需的電壓準位。當風機發(fā)生第一級超速運轉時，導入電阻保護單元或直流截波器，以消耗發(fā)電機所產生過余的能量，進而提供超載運轉的制動保護；當發(fā)生第二級超速運轉時，則通過短路斷開熔斷器，使發(fā)電機側轉換器與發(fā)電機隔離。本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)的操作方法，包含下列步驟當發(fā)生第一級超速運轉時，導入電阻保護單元或直流截波器，以消耗發(fā)電機所產生過余的能量，進而提供超載運轉的制動保護。當發(fā)生第二級超速運轉時，則通過短路斷開熔斷器，使發(fā)電機側轉換器與發(fā)電機隔離。為了能更進一步了解本發(fā)明為達成預定目的所采取的技術、手段及功效，請參閱以下有關本發(fā)明的詳細說明與附圖，相信本發(fā)明的目的、特征與特點，當可由此得一深入且具體的了解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，并非用來對本發(fā)明加以限制者。


圖I為先前技術發(fā)電機的冗余保護系統(tǒng)的電路；圖2為本發(fā)明具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)的電路方塊圖；圖3為本發(fā)明利用導通三相可控整流電路以短路斷開熔斷器的電路方塊圖；圖4為本發(fā)明利用導通三相短路接觸器以短路斷開熔斷器的電路方塊圖；圖5為本發(fā)明具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)的操作方法的流程圖；及圖6為本發(fā)明發(fā)電機的轉速與輸出電壓的關系示意圖。其中，附圖標記說明如下[現有技術]風輪機100發(fā)電機101定子總線102變頻器103制動單元105發(fā)電機接觸器110發(fā)電機側轉換器111線路接觸器120電網側轉換器121DC 總線I3ODC 電容器131轉換器控制單元140電網180電網耦合變壓器181主開關182
風輪機控制單元190動態(tài)制動器210動態(tài)制動器電阻211制動截波器212急劇短路線路220剩余負載電阻器221剩余負載接觸器222[本發(fā)明]風力發(fā)電系統(tǒng)10電阻保護單元102熔斷器104發(fā)電機側轉換器106直流截波器108電網側轉換器110并網濾波器112變壓器114三相可控整流電路20三相短路接觸器30臨界電壓Vl空載電壓V2第一轉速S1第二轉速S2步驟S100 S300
具體實施例方式有關本發(fā)明的技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下請參見圖2為本發(fā)明具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)的電路方塊圖。其中，風力發(fā)電系統(tǒng)10為全功率變流風力發(fā)電系統(tǒng)(full-power converter wind power system)。風力發(fā)電系統(tǒng)10通過風機(未圖示)將風能轉換為機械能，再由風機帶動發(fā)電機(未標示)以轉換機械能為電能，再將電能傳送至電網(未圖示)并聯運轉。在一實施例中，發(fā)電機可為永磁式同步發(fā)電機(permanent-magnet synchronous generator),但不以此為限。風力發(fā)電系統(tǒng)10包含電阻保護單元(AC CiOWbar)102、熔斷器(fuse) 104、發(fā)電機側轉換器(generator-side converter) 106、直流截波器(DC chopper) 108、電網側轉換器(grid-side converter) 110、并網濾波器(grid-connected filter) 112 以及變壓器 114。電阻保護單元102電性連接發(fā)電機。熔斷器104電性連接電阻保護單元102與發(fā)電機。發(fā)電機側轉換器106電性連接熔斷器104，以提供電能的交流至直流轉換。本質上，發(fā)電機側轉換器106為交流轉直流轉換器(AC-to-DC converter)。直流截波器108電性連接發(fā)電機側轉換器106。本質上，直流截波器108為直流轉直流轉換器(DC-to-DCconverter)。電網側轉換器110電性連接直流截波器108，以提供電能的直流至交流轉換。本質上，電網側轉換器Iio為直流轉交流轉換器(DC-to-AC converter)。并網濾波器112電性連接電網側轉換器110，以提供電能的濾波。變壓器114電性連接并網濾波器112與電網，以轉換電能的電壓準位為電網并聯運轉所需的電壓準位。當風機發(fā)生第一級超速運轉時，導入電阻保護單元102，以消耗發(fā)電機所產生過余的能量，進而提供超載運轉的制動保護。在一實施例中，第一級超速運轉為當風機的轉速大于額定轉速，但不以此為限，其可根據風機制造廠商所提供的風機運轉參數予以調整。之后，若風機仍持續(xù)運轉在第一級超速運轉，則導入直流截波器108，以提供消耗發(fā)電機所產生過余的能量，進而提供超載運轉的制動保護。亦即，當導入電阻保護單元102后，仍無法消耗發(fā)電機所產生過余的能量，而使風機持續(xù)過載運轉時，則導入直流截波器108。再者，當風機的第一級超速運轉保護失效，而發(fā)生第二級超速運轉時，則通過短路斷開熔斷器104，使發(fā)電機側轉換器106與發(fā)電機隔離。在一實施例中，第二級超速運轉系為當風機的轉速大于額定轉速百分之十，但不以此為限，其可根據風機制造廠商所提供的風機運轉參數予以調整。也即，當電阻保護單元102與直流截波器108皆導入做為消耗發(fā)電機所產生過余的能量使用，仍無法使風機恢復正常轉速的運轉，甚至，風機的轉速仍持續(xù)增加而達到第二級超速運轉時，則通過短路斷開熔斷器104，使發(fā)電機側轉換器106與發(fā)電機隔離。因此，當風機發(fā)生第二級超速運轉時，利用對熔斷器104提供破壞性的強制短路斷開，以達到將發(fā)電機隔離，使發(fā)電機所產生的電能無法提供至電網，讓風力發(fā)電系統(tǒng)10不會因為風機超速運轉而造成異常供電。配合參見圖6為本發(fā)明發(fā)電機的轉速與輸出電壓的關系示意圖。如圖所示，具有兩條主要的示意曲線，包含臨界電壓Vl與空載電壓V2。其中，臨界電壓Vl系表示發(fā)電機的輸出電壓的安全限幅電壓值，另外，空載電壓V2表不發(fā)電機空載運轉時的輸出電壓。在本實施例中，上述的第一級超速運轉，表示風機運轉超過第一轉速SI時，也即，第一轉速SI的定義為當發(fā)電機的空載運轉的輸出電壓(即為空載電壓V2)達到發(fā)電機的輸出電壓的安全限幅電壓(即為臨界電壓VI)時，風機當時所運轉的轉速。此外，上述的第二級超速運轉，表示風機運轉超過第二轉速SI時，其中，如上所述，第二轉速SI系可定義為大于第一轉速的百分之十，但不以此為限，可根據風機制造廠商所提供的風機運轉參數予以調整。當風機發(fā)生第一級超速運轉之前，也即，當偵測到風機轉速不正常的加速狀況，還可利用修正風機的葉槳受風角度，使風機所接收的風能減少。如此，將使得風機的轉速能降低，而使風機恢復正常轉速的運轉。此外，當風機發(fā)生第二級超速運轉前的異常超速運轉，可分別通過上述三種方式(一、調整風機的葉槳受風角度；二、導入電阻保護單元102 ;以及，三、導入直流截波器108)，使得風機的轉速能降低，而使風機恢復正常轉速的運轉。更甚，所述的三種方式，不限定逐一各別實施，也即，可同時導入上述三種方式，或同時導入上述其中兩種方式。端視風機實際運轉的狀況或依現場操作人員的經驗予以決定。當風機發(fā)生第二級超速運轉時，在本發(fā)明中提出三種方式，以短路斷開熔斷器104，使發(fā)電機側轉換器106與發(fā)電機隔離，如下所述一、利用同時導通發(fā)電機側轉換器106的上橋臂(未標不)與下橋臂(未標不)，以短路斷開熔斷器104 ；二、利用同時導通三相可控整流電路20，以短路斷開熔斷器104(參見第三圖)；及
三、利用同時導通三相短路接觸器30，以短路斷開熔斷器104(參見第四圖)。本發(fā)明不以上述的實施例為限，只要能以短路斷開熔斷器104的電氣方式與其類似變化的實施例，皆應包含于本發(fā)明的范疇中。請參見圖5為本發(fā)明具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)的操作方法的流程圖。其中，風力發(fā)電系統(tǒng)可為全功率變流風力發(fā)電系統(tǒng)(full-power converter wind powersystem)，但不以此為限。風力發(fā)電系統(tǒng)系通過風機將風能轉換為機械能，再由風機帶動發(fā)電機以轉換機械能為電能，再將電能傳送至電網并聯運轉。在一實施例中，發(fā)電機系為永磁式同步發(fā)電機(permanent-magnet synchronous generator)。風力發(fā)電系統(tǒng)系包含電阻保護單元(AC crowbar)、熔斷器(fuse)、發(fā)電機側轉換器(generator-sideconverter)、直流截波器(DC chopper)、電網側轉換器(grid-side converter)、并網濾波器(grid-connected filter)以及變壓器。電阻保護單元電性連接發(fā)電機。熔斷器電性連接電阻保護單元與發(fā)電機。發(fā)電機側轉換器電性連接熔斷器，以提供電能的交流至直流轉換。本質上，發(fā)電機側轉換器為交流轉直流轉換器(AC-to-DC converter)。直流截波器108電性連接發(fā)電機側轉換器。本質上，直流截波器為直流轉直流轉換器(DC-to-DC converter)。電網側轉換器電性連接直流截波器，以提供電能的直流至交流轉換。本質上，電網側轉換器為直流轉交流轉換器(DC-to-ACconverter)。并網濾波器電性連接電網側轉換器，以提供電能的濾波。變壓器電性連接并網濾波器與電網，以轉換電能的電壓準位為電網并聯運轉所需的電壓準位。具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)操作方法的步驟包含當發(fā)生第一級超速運轉時，導入電阻保護單元或直流截波器(S100)，以消耗發(fā)電機所產生過余的能量，進而提供超載運轉的制動保護。其中，第一級超速運轉為當風機的轉速大于額定轉速。接著，判斷風機的第一級超速運轉保護是否失效而發(fā)生第二級超速運轉(S200)。在一實施例中，第二級超速運轉可為當風機的轉速大于額定轉速百分之十，但不以此為限，可根據風機制造廠商所提供的風機運轉參數予以調整。若風機的第一級超速運轉保護生效，且未進入第二級超速運轉，則代表完成超速運轉保護。反之，若風機進入第二級超速運轉，則通過短路斷開熔斷器(S300)，使發(fā)電機側轉換器與發(fā)電機隔離。也即，當電阻保護單元與直流截波器皆導入做為消耗發(fā)電機所產生過余的能量使用，仍無法使風機恢復正常轉速的運轉，風機的轉速仍持續(xù)增加而達到第二級超速運轉時，則通過短路斷開熔斷器，使發(fā)電機側轉換器與發(fā)電機隔離。當風機發(fā)生第二級超速運轉時，利用對熔斷器提供破壞性的強制短路斷開，以達到將發(fā)電機隔離，使發(fā)電機所產生的電能無法提供至電網，讓風力發(fā)電系統(tǒng)不會因為風機超速運轉而造成異常供電。當風機發(fā)生第一級超速運轉之前，還可利用修正風機的葉槳受風角度，使風機所接收的風能減少。如此，將使得風機的轉速能降低，而使風機恢復正常轉速的運轉。此外，當風機發(fā)生第二級超速運轉前的異常超速運轉，可分別通過如上所述三種方式(一、調整風機的葉槳受風角度；二、導入電阻保護單元；以及，三導入直流截波器)，用以使得風機的轉速能降低，而使風機恢復正常轉速的運轉。更甚，所述的三種方式，不限定逐一各別實施，也即，可同時導入上述三種方式，或同時導入上述其中兩種方式。端視風機實際運轉的狀況或依現場操作人員的經驗予以決定。當風機發(fā)生第二級超速運轉時，在本發(fā)明中提出三種方式，以短路斷開熔斷器，使發(fā)電機側轉換器與發(fā)電機隔離，如下所述一、利用同時導通發(fā)電機側轉換器的上橋臂(未標不)與下橋臂(未標不)，以短路斷開熔斷器；二、利用同時導通三相可控整流電路，以短路斷開熔斷器(參見圖3);及三、利用同時導通三相短路接觸器，以短路斷開熔斷器(參見圖4)。本發(fā)明不以上述的實施例為限，只要能以短路斷開熔斷器的電氣方式與其類似變化的實施例，皆應包含于本發(fā)明的范疇中。綜上所述，本發(fā)明具有以下的特征與優(yōu)點I、當風機發(fā)生第一級超速運轉時，可通過導入電阻保護單元、導入直流截波器或者，當風機發(fā)生第一級超速運轉之前，偵測到風機轉速不正常的加速狀況時，可調整風機的葉槳受風角度，以控制風機恢復正常轉速的運轉。再者，若當風機發(fā)生第二級超速運轉時，可利用同時導通發(fā)電機側轉換器的上橋臂與下橋臂、利用同時導通三相可控整流電路或利用同時導通三相短路接觸器，以短路斷開熔斷器，以控制風機恢復正常轉速的運轉；及2、若風機非為異常超速運轉時，而為正常例行的檢查或維修，可通過直接短路斷開熔斷器，使發(fā)電機無法轉動，而避免檢修過程中，電機側感應出危及檢修人員的電壓，導致傷亡的事情發(fā)生。以上所述僅為本發(fā)明較佳具體實施例的詳細說明與圖式，惟本發(fā)明的特征并不局限于此，并非用以限制本發(fā)明，本發(fā)明的所有范圍應以下述的申請專利范圍為準，凡合于本發(fā)明申請專利范圍的精神與其類似變化的實施例，皆應包含于本發(fā)明的范疇中，任何熟悉該項技藝者在本發(fā)明的領域內，可輕易思及的變化或修飾皆可涵蓋在以下本案的專利范圍。
權利要求
1.一種具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)，通過一風機將風能轉換為機械能，再由該風機帶動一發(fā)電機以轉換機械能為電能，再將電能傳送至一電網并聯運轉；該風力發(fā)電系統(tǒng)包含: 一電阻保護單元，電性連接該發(fā)電機； 一熔斷器，電性連接該電阻保護單元與該發(fā)電機； 一發(fā)電機側轉換器，電性連接該熔斷器，以提供電能的交流至直流轉換； 一直流截波器，電性連接該發(fā)電機側轉換器； 一電網側轉換器，電性連接該直流截波器，以提供電能的直流至交流轉換； 一并網濾波器，電性連接該電網側轉換器，以提供電能的濾波 '及 一變壓器，電性連接該并網濾波器與該電網，以轉換電能的電壓準位為該電網并聯運轉所需的電壓準位； 當該風機發(fā)生第一級超速運轉時，導入該電阻保護單元或該直流截波器，以消耗該發(fā)電機所產生過余的能量，進而提供超載運轉的制動保護；當發(fā)生第二級超速運轉時，則通過短路斷開該熔斷器，使該發(fā)電機側轉換器與該發(fā)電機隔離。
2.如權利要求I的具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)，其中利用同時導通該發(fā)電機側轉換器的一上橋臂與一下橋臂，以短路斷開該熔斷器。
3.如權利要求I的具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)，其中該風力發(fā)電系統(tǒng)還包含一三相可控整流電路，該三相可控整流電路與該熔斷器和該發(fā)電機側轉換器電性連接。
4.如權利要求3的具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)，其中利用同時導通該三相可控整流電路，以短路斷開該熔斷器。
5.如權利要求I的具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)，其中該風力發(fā)電系統(tǒng)還包含一三相短路接觸器，該三相短路接觸器系與該熔斷器和該發(fā)電機側轉換器電性連接。
6.如權利要求5的具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)，其中利用同時導通該三相短路接觸器，以短路斷開該熔斷器。
7.一種具有如權利要求1-6所述的超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)的操作方法，包含下列步驟 (a)當發(fā)生第一級超速運轉時，導入該電阻保護單元或該直流截波器，以消耗該發(fā)電機所產生過余的能量，進而提供超載運轉的制動保護；及 (b)當發(fā)生第二級超速運轉時，則通過短路斷開該熔斷器，使該發(fā)電機側轉換器與該發(fā)電機隔離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有超速保護的風力發(fā)電系統(tǒng)及其操作方法，通過風機將風能轉換為機械能，再由風機帶動發(fā)電機以轉換機械能為電能，再將電能傳送至電網并聯運轉。風力發(fā)電系統(tǒng)主要包含電阻保護單元、熔斷器以及直流截波器。當風機發(fā)生第一級超速運轉時，導入電阻保護單元或導入直流截波器，以消耗發(fā)電機所產生過余的能量，進而提供超載運轉的制動保護。再者，當風機的第一級超速運轉保護失效，而發(fā)生第二級超速運轉時，則通過短路斷開熔斷器，使隔離發(fā)電機。
文檔編號F03D9/00GK102983587SQ20111026428
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月7日 優(yōu)先權日2011年9月7日
發(fā)明者陸巖松, 陳俊, 羅雪肖 申請人:臺達電子企業(yè)管理(上海)有限公司