專(zhuān)利名稱(chēng)：用于控制發(fā)電系統(tǒng)的功率流的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)的功率流的系統(tǒng)，尤其涉及一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)的功率流的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
包括功率變換器的發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成全部發(fā)電設(shè)備的較大部分。包括功率變換器的發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)輪機(jī)、汽輪機(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、水力發(fā)電系統(tǒng)或燃料電池。發(fā)電系統(tǒng)有代表性地補(bǔ)充傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備，如柴油發(fā)電機(jī)組或大型渦輪發(fā)電機(jī)，其直接耦合到電網(wǎng)，而沒(méi)有使用固態(tài)的功率變換級(jí)。
耦合到發(fā)電設(shè)備的典型的功率變換器具有集成的耗能元件，其起保護(hù)作用。這些耗能元件從電力系統(tǒng)消耗能量，典型地是轉(zhuǎn)換成熱能。例如，在風(fēng)輪機(jī)中，耦合到功率變換器的耗能負(fù)載，在電網(wǎng)故障期間保護(hù)功率變換級(jí)和發(fā)電機(jī)。在正常工作期間這些耗能負(fù)載保留不用。
在交流(AC)應(yīng)用系統(tǒng)中的功率不平衡，導(dǎo)致頻率和/或電壓偏離額定值，或者頻率和電壓在指定的公差帶以外。如果應(yīng)用系統(tǒng)的電壓和/或頻率在指定的公差帶以外，負(fù)載設(shè)備和發(fā)電設(shè)備可能被損壞。例如，盡管依據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)可能允許更高的值，電壓的公差帶可以是在額定電壓值的±10％的范圍內(nèi)。類(lèi)似地，例如，頻率的公差帶可以是在額定頻率值的±5％的范圍內(nèi)。
尤其在小型電網(wǎng)中，其沒(méi)有被耦合到大型的應(yīng)用系統(tǒng)，(也被稱(chēng)為“孤立電網(wǎng)”)，為了給電網(wǎng)提供穩(wěn)定性，電力需求和電力生產(chǎn)需要匹配。在具有發(fā)電設(shè)備的孤立電網(wǎng)中，該發(fā)電設(shè)備包括的功率變換器通常表示全部發(fā)電系統(tǒng)的較大部分，負(fù)載突變，如負(fù)載脫落，可能導(dǎo)致在公差帶范圍外的暫態(tài)電壓和頻率。由于傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備(例如，柴油發(fā)電機(jī))或可選的發(fā)電設(shè)備，如風(fēng)輪機(jī)、燃料電池等，在瞬時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電時(shí)都太慢。此外，負(fù)載突變給電網(wǎng)中所有的旋轉(zhuǎn)發(fā)電單元施加額外的壓力，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、軸承和齒輪的提前達(dá)到使用壽命。
因此，需要一種能夠更快控制發(fā)電系統(tǒng)的電功率不平衡的技術(shù)。此外，也期望一種能夠控制發(fā)電系統(tǒng)的電輸出功率的系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)方面，提供一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)的功率流的方法。該方法包括，在包括變換器的發(fā)電設(shè)備中產(chǎn)生或消耗電功率，以維持電網(wǎng)預(yù)定的電壓和頻率。電功率被傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，或從電網(wǎng)接收；并且這樣傳輸?shù)碾姽β实碾娏骱碗妷罕桓袦y(cè)。基于該感測(cè)的電流或電壓，確定電網(wǎng)的頻率。當(dāng)該感測(cè)電壓落入預(yù)定的電壓范圍以外或該確定的頻率落入預(yù)定的頻率范圍以外時(shí)，控制電網(wǎng)側(cè)的變換器，以通過(guò)調(diào)度功率流到補(bǔ)償電路來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓和頻率。
根據(jù)本實(shí)施例的另一方面，提供一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)的功率流的方法。該方法包括產(chǎn)生或消耗電功率以維持電網(wǎng)預(yù)定的電壓和頻率。電功率被傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，或從電網(wǎng)接收；并且這樣傳輸?shù)碾姽β实碾娏骱碗妷罕桓袦y(cè)?；谠摳袦y(cè)的電流或電壓，確定傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的的電功率的頻率。當(dāng)該感測(cè)的電壓落到預(yù)定的電壓范圍以外或該確定的頻率落到預(yù)定的頻率范圍以外時(shí)，控制電網(wǎng)側(cè)的變換器，以通過(guò)返回發(fā)電機(jī)中的功率流來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓和頻率。
根據(jù)本實(shí)施例的另一方面，提供一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)的功率流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電網(wǎng)側(cè)變換器，其被構(gòu)造成以預(yù)定的電壓和頻率向電網(wǎng)注入或從電網(wǎng)接收電功率。電流傳感器可通信地耦合到電網(wǎng)，并被構(gòu)造成在電網(wǎng)的預(yù)定位置處檢測(cè)電流。電壓傳感器可通信地耦合到電網(wǎng)，并被構(gòu)造成在電網(wǎng)的預(yù)定位置處檢測(cè)電壓?？刂齐娐繁粯?gòu)造成基于檢測(cè)所得的電網(wǎng)電流或電壓，確定傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的電功率的頻率。該控制電路還被構(gòu)造成，當(dāng)感測(cè)的電壓落到預(yù)定的電壓范圍以外或該確定的頻率落到預(yù)定的頻率范圍以外時(shí)，控制電網(wǎng)側(cè)的變換器，以通過(guò)調(diào)度功率流到補(bǔ)償電路來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓和頻率。
根據(jù)本實(shí)施例的另一方面，提供一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)的功率流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電網(wǎng)側(cè)變換器，其被構(gòu)造成以預(yù)定的電壓和頻率注入或接收電功率，并傳輸該電功率到電網(wǎng)。電流傳感器可通信地耦合到電網(wǎng)，并被構(gòu)造成在電網(wǎng)的預(yù)定位置處檢測(cè)電流。電壓傳感器可通信地耦合到電網(wǎng)，并被構(gòu)造成在電網(wǎng)的預(yù)定位置處檢測(cè)電壓?？刂齐娐繁粯?gòu)造成基于檢測(cè)所得的電網(wǎng)電流或電壓，確定傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的電功率的頻率。該控制電路還被構(gòu)造成當(dāng)感測(cè)的電壓落到預(yù)定的電壓范圍以外或該確定的頻率落到預(yù)定的頻率范圍以外時(shí)，控制電網(wǎng)側(cè)的變換器，以通過(guò)返回發(fā)電機(jī)中的功率流來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓和頻率。
當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)勢(shì)將更好理解，其中在所有附圖中相同的標(biāo)號(hào)代表相同的部分，其中圖1是根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)示例性方面的發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖；圖2是根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)示例性方面的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖，該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有多個(gè)位于風(fēng)電廠中的風(fēng)輪機(jī)；圖3是根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)示例性方面的電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖；圖4是根據(jù)圖2描述的電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的進(jìn)一步的概略圖；以及圖5是說(shuō)明根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)示例性方面的，涉及控制發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)穩(wěn)定性示例性步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式
如下詳細(xì)討論的，本發(fā)明的多個(gè)方面提供一種系統(tǒng)和方法，其在負(fù)載波動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的功率的電壓和頻率，以控制發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)輸出功率。在示出的實(shí)施例中，發(fā)電系統(tǒng)包括配備在發(fā)電系統(tǒng)中的補(bǔ)償電路。主要參考圖1-5，下面討論本技術(shù)的具體實(shí)施例。
參考圖1，示出了一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，其通常由參考標(biāo)記10表示。在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，發(fā)電系統(tǒng)10包括電力發(fā)電機(jī)11，其具有風(fēng)輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)13、或水力發(fā)電系統(tǒng)15、或汽輪機(jī)系統(tǒng)17、或燃料電池系統(tǒng)19、或太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)21、或它們的適合共同給電網(wǎng)20供給電功率的組合。電力發(fā)電機(jī)11產(chǎn)生電力輸出23。
在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，提供多個(gè)輔助電源，如柴油發(fā)電機(jī)38、燃料電池40、汽輪機(jī)41、水力發(fā)電機(jī)45等，以便為電網(wǎng)20供應(yīng)電功率。電網(wǎng)20的指定功率輸出電平可以基于與電網(wǎng)20相連并向其供應(yīng)電功率的輔助電源功率的上升/下降(ramp-up/ramp-down)能力。
在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，系統(tǒng)10包括耦合到電力發(fā)電機(jī)11的電網(wǎng)側(cè)功率變換器42。該變換器42被配置成變換從電力發(fā)電機(jī)11傳輸?shù)墓β?，并傳輸該功率到電網(wǎng)20。如本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的，變換器42可以包括單相逆變器、多相逆變器、或多電平逆變器、或平行結(jié)構(gòu)、或其組合。在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，雖然說(shuō)明了一個(gè)電網(wǎng)20，但是系統(tǒng)10可以給多個(gè)電網(wǎng)供電，或更一般地，給不同的負(fù)載供電。類(lèi)似地，在某些其它的實(shí)施例中，可以使用多個(gè)功率變換器，以將DC功率信號(hào)變換成AC功率信號(hào)，并傳輸該信號(hào)到電網(wǎng)20。
系統(tǒng)10包括電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)43，其適合通過(guò)注入電網(wǎng)20或從電網(wǎng)20接收功率，來(lái)控制電功率電網(wǎng)的電壓和/或頻率。電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)43包括感測(cè)電路44，其具有可通信地耦合到電網(wǎng)20的電流傳感器46和電壓傳感器48。控制電路50被構(gòu)造成從電流傳感器46和電壓傳感器48接收電流和電壓信號(hào)，并基于檢測(cè)所得的電流和/或電壓，確定電網(wǎng)20的頻率和功率流，其中檢測(cè)所得的電流和/或電壓是以本領(lǐng)域技術(shù)人員通常已知的任何合適方式在電網(wǎng)20中檢測(cè)的。
控制電路50可以包括處理器，其具有硬件電路和/或軟件，它們使對(duì)來(lái)自感測(cè)電路44的信號(hào)的處理以及對(duì)電網(wǎng)20頻率的計(jì)算變得容易。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，處理器36包括一定范圍內(nèi)的電路類(lèi)型，如微處理器、可編程邏輯控制器、邏輯模塊、以及輔助電路，如存儲(chǔ)設(shè)備、信號(hào)接口、輸入/輸出模塊等。
在一個(gè)典型的實(shí)施例中，具有卸載(dump load)電阻器54和卸載電容器56的補(bǔ)償電路52被集成到電力發(fā)電機(jī)11中。補(bǔ)償電路52適于消耗電功率。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)20的頻率超出預(yù)定頻率范圍時(shí)，控制電路50激勵(lì)功率變換器42產(chǎn)生從電網(wǎng)20到電力發(fā)電機(jī)的反向功率流。多余的功率通過(guò)卸載電阻器54被消耗。多余的功率可以被暫時(shí)存儲(chǔ)在卸載電容器56中。因此，功率需求和所產(chǎn)生功率之間的瞬時(shí)差值被平衡了。例如，在短時(shí)負(fù)載波動(dòng)狀態(tài)期間，補(bǔ)償電路52消耗多余的電功率，以穩(wěn)定電網(wǎng)20的電功率的電壓和頻率，而不需要調(diào)節(jié)發(fā)出功率或輔助發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電。尤其在低風(fēng)量的情況下，為了調(diào)節(jié)負(fù)載，可以利用功率變換器42的全部容量。在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，有一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，即，在永久磁體發(fā)電機(jī)中，在例如緊急的情況下，停止發(fā)電機(jī)也需要有補(bǔ)償電路52。
現(xiàn)在參考圖2，說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)13。在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)13包括風(fēng)電場(chǎng)12，其具有多個(gè)風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)14、16、18，它們適于共同給電網(wǎng)20供應(yīng)電功率。風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)14、16、18各自包括裝有葉片的轉(zhuǎn)子22、24和26，它們把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其被用來(lái)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)耦合到轉(zhuǎn)子22、24、26的電力發(fā)電機(jī)，以產(chǎn)生電力輸出28、30和32。
在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，單個(gè)風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)的功率輸出被耦合到低壓或中壓交流或直流配電網(wǎng)34，以產(chǎn)生共同的風(fēng)電場(chǎng)功率輸出36。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，配電網(wǎng)34優(yōu)選直流網(wǎng)絡(luò)。該功率輸出在被提供給電網(wǎng)20之前，可以被變壓器(未示出)升高電壓。共同的功率輸出36可以基于單個(gè)風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)所處的風(fēng)力環(huán)境而顯著變化。本技術(shù)的實(shí)施例起控制網(wǎng)絡(luò)功率輸出的作用，其中該網(wǎng)絡(luò)功率輸出以電網(wǎng)20可以接受的等級(jí)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)20，而無(wú)需減少風(fēng)電場(chǎng)12的總的功率輸出36。
在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，系統(tǒng)10包括耦合到網(wǎng)絡(luò)34的電網(wǎng)側(cè)功率變換器42。變換器42被構(gòu)造成變換從網(wǎng)絡(luò)34傳輸?shù)墓β?，并傳輸該功率到電網(wǎng)20。如果網(wǎng)絡(luò)34是一個(gè)交流網(wǎng)絡(luò)，需要一個(gè)交流到交流變換器。系統(tǒng)10包括電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)43，其適于通過(guò)注入或從電網(wǎng)20接收的電功率，來(lái)控制電網(wǎng)的電壓和/或頻率。電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)43包括補(bǔ)償電路52，其具有集成在風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)14、16、18的至少一個(gè)中，或位于功率變換器42中心附近的卸載電阻器54和卸載電容器56。電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)43的作用與上面所述的類(lèi)似。
參考圖3，該圖說(shuō)明了電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)43。通常參考圖3，風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)包括渦輪部分58，其適合把風(fēng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(TAero)，以及包括發(fā)電機(jī)部分60，其適合把由渦輪部分58產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成電能。提供傳動(dòng)系62以將渦輪部分32耦合到發(fā)電機(jī)部分34。
渦輪部分58包括轉(zhuǎn)子22和耦合到轉(zhuǎn)子22的渦輪轉(zhuǎn)子軸64。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)系62被從轉(zhuǎn)子軸64傳送到發(fā)電機(jī)軸66。在某些實(shí)施例，如圖3所示的實(shí)施例中，傳動(dòng)系62包括齒輪箱68，其被構(gòu)造成從耦合到轉(zhuǎn)子軸64的低速軸70傳送轉(zhuǎn)矩到耦合到發(fā)電機(jī)軸66的高速軸72。發(fā)電機(jī)軸66被耦合到電力發(fā)電機(jī)74的轉(zhuǎn)子。隨著渦輪轉(zhuǎn)子22的速度的波動(dòng)，發(fā)電機(jī)74的輸出功率的頻率也變化。發(fā)電機(jī)74產(chǎn)生氣隙轉(zhuǎn)矩，也被稱(chēng)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩(TGen)，其對(duì)抗渦輪轉(zhuǎn)子22的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩(TAero)。
如上面討論的，電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)43適合于通過(guò)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)20的電功率來(lái)控制電網(wǎng)的電壓和頻率。感測(cè)電路44被構(gòu)造成檢測(cè)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)20的電流和電壓?？刂齐娐?0被構(gòu)造成從感測(cè)電路44接收電流和電壓信號(hào)，并基于在電網(wǎng)20上檢測(cè)的檢測(cè)所得的電流和/或電壓，確定傳輸?shù)诫娋W(wǎng)20的電功率的頻率。
補(bǔ)償電路52被集成到變換器42中，并適合于消耗電功率。在一個(gè)實(shí)例中，當(dāng)檢測(cè)的電壓超過(guò)預(yù)定電壓，和/或檢測(cè)所得的電網(wǎng)20的電功率的頻率超過(guò)預(yù)定頻率時(shí)，控制電路50激勵(lì)功率變換器42產(chǎn)生從電網(wǎng)20到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向功率流。該預(yù)定頻率可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的閾值頻率或額定頻率。多余的功率通過(guò)補(bǔ)償電路52被消耗。
參考圖4，說(shuō)明了根據(jù)圖3的方面的電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)43。在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，變換器42被構(gòu)造成把從電源傳送來(lái)的交流功率信號(hào)變換成另一個(gè)交流功率信號(hào)，并給電網(wǎng)20傳送該作為結(jié)果的交流信號(hào)。控制電路50被構(gòu)造成從感測(cè)電路44接收電流和電壓信號(hào)，并基于檢測(cè)所得的電流和/或電壓，確定傳輸?shù)诫娋W(wǎng)20的電功率的頻率。
控制電路50可以進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)庫(kù)76、算法78、和處理器80。數(shù)據(jù)庫(kù)76可以被配置用于存儲(chǔ)關(guān)于發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)定信息。例如，數(shù)據(jù)庫(kù)76可以存儲(chǔ)有關(guān)風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量、每個(gè)功率發(fā)電機(jī)的功率輸出、輔助電源的數(shù)量、每個(gè)輔助電源的功率輸出、功率需求、產(chǎn)生的功率、風(fēng)速等信息。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)76可以配置用于存儲(chǔ)由上述的電流和電壓傳感器實(shí)際感測(cè)/檢測(cè)所得的信息，以及頻率數(shù)據(jù)。通常作為可執(zhí)行程序被存儲(chǔ)在適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器中的算法78，使處理來(lái)自上述的電流和電壓傳感器的信號(hào)(如，頻率計(jì)算)更容易。
處理器80可以包括一定范圍的電路類(lèi)型，如微處理器、可編程邏輯控制器、邏輯模塊等。處理器80結(jié)合算法78可以被用于執(zhí)行各種與確定傳輸?shù)诫娋W(wǎng)20的電功率的電壓、電流和頻率有關(guān)的計(jì)算操作。在某些實(shí)施例中，控制電路50可以輸出數(shù)據(jù)到用戶(hù)接口(未示出)。用戶(hù)接口使從用戶(hù)到控制電路50的輸入更容易，并提供這樣一種機(jī)構(gòu)，即用戶(hù)可以通過(guò)它操縱來(lái)自控制電路50的數(shù)據(jù)和所感測(cè)的特性。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的，用戶(hù)接口可以包括命令行接口、菜單驅(qū)動(dòng)接口。、和圖形用戶(hù)界面。
在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，當(dāng)檢測(cè)所得的電網(wǎng)20的電功率的頻率超出預(yù)定頻率范圍時(shí)，控制電路50激勵(lì)變換器42產(chǎn)生從電網(wǎng)20到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向功率流。在一個(gè)典型實(shí)施例中，補(bǔ)償電路的卸載控制電路82被觸發(fā)，有利通過(guò)卸載電阻器54消耗多余的功率。在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)檢測(cè)所得的電網(wǎng)20的電功率的頻率超出預(yù)定頻率范圍時(shí)，控制電路50激勵(lì)變換器42產(chǎn)生從電網(wǎng)20到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向功率流，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)被有效操作為消耗能量的負(fù)載。因此，多余的功率被消耗，并且電網(wǎng)的電功率的功率和頻率被調(diào)節(jié)。然而在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)檢測(cè)所得的頻率低于預(yù)定頻率時(shí)，更大數(shù)量的功率被提供給電網(wǎng)20。
參考圖5，說(shuō)明了涉及控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)穩(wěn)定性的示例性步驟的流程圖。該方法包括通過(guò)多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)共同給電網(wǎng)提供電功率，如步驟84所示。風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電功率也通過(guò)多個(gè)輔助電源被提供給電網(wǎng)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的，這種“輔助電源”實(shí)際上可以是電網(wǎng)的基本電力能源，并可能包括基于燃料電池的電廠、核電廠、水電廠、地?zé)犭姀S等等。
如步驟86所示，傳輸?shù)诫娋W(wǎng)或在電網(wǎng)中預(yù)定位置處的電功率的電壓和頻率被檢測(cè)。特別地，在當(dāng)前預(yù)期的實(shí)施例中，單獨(dú)的電流傳感器檢測(cè)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的電流，并且電壓傳感器檢測(cè)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的電壓?？刂齐娐窂碾娏鱾鞲衅骱碗妷簜鞲衅鹘邮针娏骱碗妷盒盘?hào)，并基于檢測(cè)所得的電流和/或電壓，確定傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的電功率的頻率。然后，如步驟88所示，檢測(cè)所得的電壓和預(yù)定電壓進(jìn)行比較，并且檢測(cè)所得的電功率的頻率和預(yù)定頻率進(jìn)行比較。當(dāng)檢測(cè)所得的電壓落到預(yù)定電壓范圍以外，和/或在電網(wǎng)20檢測(cè)所得的電功率的頻率落到預(yù)定頻率范圍以外時(shí)，控制電路50激勵(lì)變換器42產(chǎn)生從電網(wǎng)20到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向功率流。在該舉例說(shuō)明的典型實(shí)施例中，當(dāng)檢測(cè)所得的電壓超過(guò)預(yù)定電壓(或超過(guò)預(yù)定電壓確定量和/或確定時(shí)間段)，和/或在電網(wǎng)中檢測(cè)所得的電功率的頻率超過(guò)預(yù)定頻率(或更一般地，當(dāng)頻率之間的差值超過(guò)公差)時(shí)，控制電路激勵(lì)功率變換器產(chǎn)生從電網(wǎng)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向功率流，如步驟90所示。如步驟92所示，多余的功率通過(guò)卸載電阻器54被消耗。因此，功率需求和產(chǎn)生的功率之間的瞬時(shí)差值被平衡。如步驟94所示，通過(guò)消耗過(guò)多的功率，調(diào)節(jié)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的電功率的功率和頻率。如上所述，在某些實(shí)施例中，可以通過(guò)產(chǎn)生從電網(wǎng)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向功率流，有效地將風(fēng)力發(fā)電機(jī)操作為電動(dòng)機(jī)，以驅(qū)動(dòng)其它應(yīng)用設(shè)備，從而平衡功率需求和產(chǎn)生的功率之間的瞬時(shí)差值。
當(dāng)檢測(cè)所得的電壓和/或檢測(cè)所得的頻率在期望范圍內(nèi)時(shí)，周期如上所述地重復(fù)。即，風(fēng)輪機(jī)的正常生產(chǎn)和供電重新開(kāi)始。上面提及的步驟對(duì)具有多個(gè)給單獨(dú)電網(wǎng)供給電功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也同樣適用。依賴(lài)于負(fù)載情況，可能需要一些風(fēng)輪機(jī)來(lái)供給或消耗電功率，而不需要其余的風(fēng)輪機(jī)來(lái)供給或消耗電功率。因此，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解的，不需要提供電功率的風(fēng)輪機(jī)的補(bǔ)償電路可以被操作為負(fù)載接收器，以消耗多余的功率，而其余的風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行在最佳運(yùn)行狀態(tài)。所得的控制模式有利于電網(wǎng)中的電功率的電壓和頻率的穩(wěn)定性。盡管在該舉例說(shuō)明的實(shí)施例中，控制模式被描述為關(guān)于風(fēng)輪機(jī)的，但是在某些其它實(shí)施例中，本實(shí)施例的方面對(duì)其它電力發(fā)電機(jī)同樣適用。
這里只說(shuō)明和描述了本發(fā)明的某些特征，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)進(jìn)行許多修改和變化。因此，可以理解，所附權(quán)利要求旨在覆蓋所有落在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)主旨范圍內(nèi)的修改和變化。
元件列表10 發(fā)電系統(tǒng)11 電力發(fā)電機(jī)12 風(fēng)電場(chǎng)13 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)14 風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)15 水力發(fā)電系統(tǒng)16 風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)17 汽輪機(jī)系統(tǒng)18 風(fēng)輪機(jī)發(fā)電機(jī)19 燃料電池系統(tǒng)20 電網(wǎng)21 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)22 裝有葉片的轉(zhuǎn)子23 功率輸出24 裝有葉片的轉(zhuǎn)子26 裝有葉片的轉(zhuǎn)子28 電力輸出30 電力輸出
32 電力輸出34 中壓配電網(wǎng)絡(luò)36 功率輸出38 柴油發(fā)電機(jī)40 燃料電池41 汽輪機(jī)42 功率變換器43 電網(wǎng)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)44 感測(cè)電路45 水力發(fā)電機(jī)46 電流傳感器48 電壓傳感器50 控制電路52 補(bǔ)償電路54 卸載電阻器56 卸載電容器58 渦輪部分60 發(fā)電機(jī)部分62 傳動(dòng)系64 渦輪轉(zhuǎn)子軸66 發(fā)電機(jī)軸68 齒輪箱70 低速軸72 高速軸74 發(fā)電機(jī)76 數(shù)據(jù)庫(kù)78 算法80 處理器82 卸載控制電路84 產(chǎn)生期望的電網(wǎng)輸出功率的步驟
86 檢測(cè)電網(wǎng)輸出功率的電網(wǎng)頻率和電壓的步驟88 比較檢測(cè)所得電壓和預(yù)定電壓以及檢測(cè)所得的電功率的頻率和預(yù)定頻率的步驟90 切換變換器以提供反向電功率流的步驟92 從電網(wǎng)向卸載饋送電功率的步驟94 調(diào)節(jié)電網(wǎng)輸出功率的頻率和電壓的步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)(10)的功率流的方法，包括產(chǎn)生或消耗電功率，以維持預(yù)定的電網(wǎng)電壓和頻率；傳輸電功率到電網(wǎng)(20)；感測(cè)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(20)的電功率的電流或電壓；基于該感測(cè)所得的電流和電壓，確定電網(wǎng)(20)的頻率和傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(20)的功率；以及當(dāng)該感測(cè)所得的電壓超出預(yù)期的電壓范圍以外，或該確定的頻率超出預(yù)期的頻率范圍以外時(shí)，控制電網(wǎng)側(cè)的變換器(42)，以通過(guò)調(diào)度功率流到補(bǔ)償電路(52)來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)(20)的電壓和頻率。
2.權(quán)利要求1的方法，包括通過(guò)補(bǔ)償電路(52)消耗電功率。
3.權(quán)利要求1的方法，其中控制電網(wǎng)側(cè)的變換器(42)以調(diào)節(jié)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(20)的電功率的電壓和頻率包括，產(chǎn)生從電網(wǎng)(20)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向功率流。
4.權(quán)利要求1的方法，包括通過(guò)多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(14，16，18)產(chǎn)生電功率。
5.一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)(10)的功率流的系統(tǒng)(43)，包括電網(wǎng)側(cè)變換器(42)，其被構(gòu)造成以預(yù)定的電壓和頻率產(chǎn)生電功率，并傳輸該電功率給電網(wǎng)(20)；電流傳感器(46)，其被可通信地耦合到電網(wǎng)(20)，并被構(gòu)造成在電網(wǎng)(20)的預(yù)定位置處檢測(cè)電流；電壓傳感器(48)，其被可通信地耦合到電網(wǎng)(20)，并被構(gòu)造成在電網(wǎng)(20)的預(yù)定位置處檢測(cè)電壓；以及控制電路(50)，其被構(gòu)造成基于檢測(cè)所得的傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(20)的電流或電壓，確定傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(20)的電功率的功率和頻率，并且，當(dāng)感測(cè)所得的電壓超出預(yù)期電壓范圍以外或該確定的頻率超出預(yù)期頻率范圍以外時(shí)，控制電網(wǎng)側(cè)的變換器(42)，以通過(guò)補(bǔ)償電路(52)調(diào)節(jié)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(20)的電功率的電壓和頻率。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)(43)，其中電網(wǎng)(20)被耦合到風(fēng)輪機(jī)。
7.權(quán)利要求6的系統(tǒng)(43)，其中補(bǔ)償電路(52)被集成在風(fēng)輪機(jī)中。
8.權(quán)利要求6的系統(tǒng)(43)，其中補(bǔ)償電路(52)被構(gòu)造成當(dāng)感測(cè)所得的電壓超過(guò)預(yù)定電壓或確定的頻率超過(guò)預(yù)定頻率時(shí)，消耗電功率。
9.權(quán)利要求5的系統(tǒng)(43)，其中當(dāng)感測(cè)所得的電壓超過(guò)預(yù)定電壓或確定的頻率超過(guò)預(yù)定頻率時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的變換器(42)被控制以產(chǎn)生從電網(wǎng)(20)到風(fēng)輪機(jī)的反向功率流。
10.權(quán)利要求5的系統(tǒng)(43)，其中發(fā)電系統(tǒng)(10)包括至少一個(gè)輔助電源，其被耦合到電網(wǎng)(20)，并被配置成用于產(chǎn)生功率。
全文摘要
一種用于控制發(fā)電系統(tǒng)(10)的功率流的方法，包括產(chǎn)生或消耗電功率，以維持預(yù)定的電網(wǎng)電壓和頻率。電功率被傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(20)；并且這樣傳輸?shù)碾姽β实碾娏骱碗妷罕桓袦y(cè)。基于該感測(cè)所得的電流或電壓，確定電網(wǎng)(20)的頻率和傳輸?shù)诫娋W(wǎng)(20)的功率。當(dāng)該感測(cè)所得的電壓超出預(yù)定的電壓范圍以外或該確定的頻率超出預(yù)定的頻率范圍以外時(shí)，控制電網(wǎng)側(cè)的變換器(42)，以通過(guò)補(bǔ)償電路(52)調(diào)節(jié)電網(wǎng)(20)的電壓和頻率。
文檔編號(hào)H02J3/38GK1964153SQ20061016059
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月31日
發(fā)明者R·泰希曼 申請(qǐng)人:通用電氣公司