具有故障穿越能力的發(fā)電系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總地涉及電能轉(zhuǎn)換，并且更具體地說，涉及用于連接在電網(wǎng)上的、具有低的慣性力矩的小型發(fā)電機(jī)組的故障穿越能力的系統(tǒng)和方法，小型發(fā)電機(jī)組以。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，大部分電功率是在大型集中化的設(shè)施中產(chǎn)生的，例如化石燃料(以煤、燃?xì)鉃閯恿Φ?電廠、核電廠或水力電廠。這些傳統(tǒng)的電廠具有優(yōu)良的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，但通常長距離傳輸電力，并可能影響環(huán)境。分布式能源(DER)系統(tǒng)是小型發(fā)電機(jī)組(通常在3kW至10，OOOkff的范圍內(nèi))，其用于為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)提供一種備選或增強(qiáng)。小型發(fā)電機(jī)組可被例如小型燃?xì)獍l(fā)動機(jī)、柴油機(jī)和/或風(fēng)力渦輪驅(qū)動。DER系統(tǒng)減少了傳輸電力的能量損失量，因?yàn)殡娏Ξa(chǎn)生地非常靠近其使用地。DER系統(tǒng)還減少了必須建造的電力線路的尺寸和數(shù)量。然而，由于利用小型發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分布式發(fā)電的日益增長的趨勢，許多電網(wǎng)規(guī)范需要小型發(fā)電機(jī)組提供增強(qiáng)的能力，例如故障電壓穿越能力。
[0003]當(dāng)在電力系統(tǒng)中發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的電壓可在很短的期間(通常小于500毫秒)下降極大的量，直至清除故障。故障可為由于至少一個相導(dǎo)體被接地(接地故障)或由于兩個或多個相導(dǎo)體的短路而造成的。這些類型的故障可發(fā)生在閃電和風(fēng)暴期間，或者由于傳輸線路意外被接地而造成的。故障可導(dǎo)致極大的電壓下降事件。在過去，在這些無意造成的故障和大功率干擾的情況下，無論何時發(fā)生電壓下降，使小型發(fā)電機(jī)組跳脫線路是可接受的且合乎需要的。在小型發(fā)電機(jī)組的穿透水平較低時這樣的操作對于電力供給沒有實(shí)際的損害影響。然而，隨著電力系統(tǒng)中的小型發(fā)電機(jī)組的穿透水平的增加，需要這些小型發(fā)電機(jī)組保持在線，并穿越這種低壓狀況，并且與電網(wǎng)保持同步，從而能夠在清除故障之后繼續(xù)為電網(wǎng)供給功率。這與應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)組的要求是相似的。
[0004]因此,需要確定一種將解決如述問題的方法和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本技術(shù)的一個實(shí)施例，提供了一種發(fā)電系統(tǒng)。這種發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)，其以機(jī)械的方式聯(lián)接在發(fā)動機(jī)上，以產(chǎn)生電功率。發(fā)電系統(tǒng)還包括連接在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的故障穿越系統(tǒng)。故障穿越系統(tǒng)包括與固態(tài)開關(guān)并聯(lián)連接的機(jī)械開關(guān)，以及用于協(xié)調(diào)地控制機(jī)械開關(guān)、固態(tài)開關(guān)和發(fā)動機(jī)點(diǎn)火的控制器。
[0006]根據(jù)本技術(shù)的另一實(shí)施例，提供了一種將電功率從發(fā)電系統(tǒng)供給電網(wǎng)的方法。發(fā)電系統(tǒng)包括連接在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的故障穿越系統(tǒng)，其中故障穿越系統(tǒng)包括與固態(tài)開關(guān)并聯(lián)連接的機(jī)械開關(guān)。該方法包括當(dāng)檢測到故障時控制機(jī)械開關(guān)斷開，并且如果在預(yù)定的時間之前清除了故障則閉合機(jī)械開關(guān)，并且在機(jī)械開關(guān)斷開之后通過固態(tài)開關(guān)為發(fā)電機(jī)電流提供旁路路徑。該方法還包括與固態(tài)開關(guān)協(xié)調(diào)地控制發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火，發(fā)動機(jī)聯(lián)接在發(fā)電機(jī)上。
[0007]技術(shù)方案1.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括: 發(fā)電機(jī)，其以機(jī)械的方式聯(lián)接在發(fā)動機(jī)上，以產(chǎn)生電功率；
故障穿越系統(tǒng)，其連接在所述發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間，所述故障穿越系統(tǒng)包括:
機(jī)械開關(guān)，其與固態(tài)開關(guān)并聯(lián)連接；和
控制器，其用于協(xié)調(diào)地控制所述機(jī)械開關(guān)、所述固態(tài)開關(guān)和所述發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火。
[0008]技術(shù)方案2.根據(jù)技術(shù)方案I所述的系統(tǒng)，所述發(fā)動機(jī)包括燃?xì)鉁u輪或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)或風(fēng)力渦輪。
[0009]技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案I所述的系統(tǒng),所述控制器配置成產(chǎn)生第一控制信號來控制所述發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火，產(chǎn)生第二控制信號來控制所述機(jī)械開關(guān)，并產(chǎn)生第三控制信號來控制所述固態(tài)開關(guān)。
[0010]技術(shù)方案4.根據(jù)技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，所述控制器配置成當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障狀況時產(chǎn)生所述第一控制信號來部分地或完全地切斷所述發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火。
[0011]技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)方案4所述的系統(tǒng)，所述控制器配置成當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障狀況時產(chǎn)生所述第二控制信號來斷開所述機(jī)械開關(guān)，并且在所述機(jī)械開關(guān)斷開之前產(chǎn)生所述第三控制信號來閉合所述固態(tài)開關(guān)，從而在所述機(jī)械開關(guān)斷開時提供旁路路徑。
[0012]技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案5所述的系統(tǒng)，所述控制器配置成如果在預(yù)定的時間之前清除了故障狀況，就接通所述機(jī)械開關(guān)并切斷所述固態(tài)開關(guān)。
[0013]技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)方案6所述的系統(tǒng)，所述控制器配置成如果在所述預(yù)定的時間之后沒有清除故障狀況，并且所述發(fā)電機(jī)停止下來，就保持所述機(jī)械開關(guān)和所述固態(tài)開關(guān)處于不導(dǎo)通狀態(tài)。
[0014]技術(shù)方案8.根據(jù)技術(shù)方案4所述的系統(tǒng)，所述控制器配置成基于輸入信號來檢測故障狀況。
[0015]技術(shù)方案9.根據(jù)技術(shù)方案8所述的系統(tǒng),所述控制器基于所述輸入信號來控制所述發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火。
[0016]技術(shù)方案10.根據(jù)技術(shù)方案9所述的系統(tǒng),所述輸入信號包括電壓信號或電流信號或發(fā)電機(jī)功率信號或速度信號或轉(zhuǎn)子角度信號或發(fā)動機(jī)功率或發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩或任何其組口 ο
[0017]技術(shù)方案11.根據(jù)技術(shù)方案I所述的系統(tǒng)，所述固態(tài)開關(guān)包括集成門極換流晶閘管(IGCT)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或用于交流的三極管(TRIAC)。
[0018]技術(shù)方案12.—種將電功率從發(fā)電系統(tǒng)供給電網(wǎng)的方法，所述發(fā)電系統(tǒng)包括連接在發(fā)電機(jī)和所述電網(wǎng)之間的故障穿越系統(tǒng)，所述故障穿越系統(tǒng)包括與固態(tài)開關(guān)并聯(lián)連接的機(jī)械開關(guān)，所述方法包括:
當(dāng)檢測到故障時控制所述機(jī)械開關(guān)斷開，并且如果在預(yù)定的時間之前清除了故障就閉合所述機(jī)械開關(guān)；
在所述機(jī)械開關(guān)斷開之后通過所述固態(tài)開關(guān)為發(fā)電機(jī)電流提供旁路路徑；且與所述固態(tài)開關(guān)協(xié)調(diào)地控制發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火，所述發(fā)動機(jī)聯(lián)接在所述發(fā)電機(jī)上。
[0019]技術(shù)方案13.根據(jù)技術(shù)方案12所述的方法，所述發(fā)動機(jī)包括燃?xì)鉁u輪或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)或風(fēng)力渦輪。
[0020]技術(shù)方案14.根據(jù)技術(shù)方案12所述的方法，還包括當(dāng)檢測到故障時，部分地或完全地切斷所述發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火達(dá)規(guī)定的時間。
[0021]技術(shù)方案15.根據(jù)技術(shù)方案14所述的方法，包括如果在預(yù)定的時間之前清除了故障狀況就切斷所述固態(tài)開關(guān)。
[0022]技術(shù)方案16.根據(jù)技術(shù)方案15所述的方法，還包括如果在預(yù)定的時間沒有清除故障，并且所述發(fā)電機(jī)停止下來，就切斷所述機(jī)械開關(guān)和所述固態(tài)開關(guān)。
[0023]技術(shù)方案17.根據(jù)技術(shù)方案12所述的方法,基于輸入信號而檢測故障。
[0024]技術(shù)方案18.根據(jù)技術(shù)方案17所述的方法,基于所述輸入信號而控制所述發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火。
[0025]技術(shù)方案19.根據(jù)技術(shù)方案18所述的方法,所述輸入信號包括電壓信號或電流信號或發(fā)電機(jī)功率信號或速度信號或轉(zhuǎn)子角度信號或發(fā)動機(jī)功率或發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩或任何其組合。
[0026]技術(shù)方案20.根據(jù)技術(shù)方案12所述的方法，所述固態(tài)開關(guān)包括集成門極換流晶閘管(IGCT)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或用于交流的三極管(TRIAC)。
【附圖說明】
[0027]當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)說明時，將更好地理解本發(fā)明的這些以及其它特征、方面和優(yōu)勢，其中在所有附圖中相似的標(biāo)號表示相似的部件，其中:
圖1是剛好在故障之前、故障期間和剛好在故障之后的電網(wǎng)規(guī)范所限定的電壓分布的曲線圖；
圖2是發(fā)電系統(tǒng)的簡圖，其連接在電網(wǎng)上，并利用了根據(jù)本公開的各方面所述的故障穿越系統(tǒng)；且
圖3(a)_3(e)是根據(jù)本公開的各方面所述的故障穿越操作的各個階段的簡圖。
[0028]部件列表:
10示例電網(wǎng)規(guī)范電壓分布的曲線圖
12水平軸
14豎直軸
16故障前電壓
18故障時電壓
40發(fā)電系統(tǒng)
42發(fā)電機(jī)
44電網(wǎng)
46故障穿越系統(tǒng) 48變壓器 50傳輸線路 52固態(tài)開關(guān) 54機(jī)械開關(guān) 56控制器 58輸入信號 60原動機(jī)/發(fā)動機(jī) 62連接點(diǎn)(POC) 70發(fā)電機(jī)電流。
【具體實(shí)施方式】
[0029]如以下詳細(xì)論述的那樣，本發(fā)明的實(shí)施例用于提供一種用于連接在電網(wǎng)上的、具有低的慣性力矩的小型發(fā)電機(jī)組的故障穿越能力的系統(tǒng)和方法。
[0030]圖1顯示了在發(fā)電機(jī)至電網(wǎng)的連接點(diǎn)(POC)上的電網(wǎng)規(guī)范電壓分布的一個示例的曲線圖10。某些電網(wǎng)管理局期望，如果在POC上的電壓高于所示的電壓分布，則發(fā)電機(jī)不應(yīng)脫離電網(wǎng)。然而，這是一種示例性的情形，并且電壓分布的要求可因國家或電網(wǎng)管理局而不同。曲線圖10顯示了水平軸12和豎直軸14，水平軸12代表以毫秒為單位的時間，并且豎直軸14代表以額定電壓的百分比為單位的電壓。故障發(fā)生在O毫秒時。在故障之前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀況，所以在P0C，即在O毫秒之前的故障前電壓16是100%或I個單位。由于電網(wǎng)中的故障，在O毫秒處的電壓18在故障開始時下降到低至5%。應(yīng)該注意的是，在POC處的電壓降依賴于故障至POC的距離、故障阻抗、故障類型、電網(wǎng)特性等等。在一個實(shí)施例中，電壓可低于5%，或者在另一實(shí)施例中，電壓可大于5%。
[0031]當(dāng)電壓下降至圖1中所示的水平時，可能發(fā)電機(jī)不能在低電壓狀況期間為電網(wǎng)輸出全部功率。如果同時原動機(jī)繼續(xù)傳遞恒定的機(jī)械動力給發(fā)電機(jī)的話，那么這將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)-電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的加速，并且轉(zhuǎn)子速度將增加。轉(zhuǎn)子速度的增加將導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度的過度增加，這可導(dǎo)致失去同步性。因此，發(fā)電機(jī)將跳脫，并且不滿足電網(wǎng)規(guī)范要求。
[0032]圖2顯示了發(fā)電系統(tǒng)40，其利用根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的故障穿越系統(tǒng)46而連接到電網(wǎng)44上。發(fā)電系統(tǒng)40包括原動機(jī)60和連接在電網(wǎng)44上的發(fā)電機(jī)42。在一個實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)42具有小的額定功率，例如小于10MW。此外，發(fā)電機(jī)以機(jī)械的方式聯(lián)接在原動機(jī)60上,原動機(jī)60可為渦輪或發(fā)動機(jī)。在一個實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)60包括燃?xì)鉁u輪或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)或風(fēng)力渦輪。在某些實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)42將通過功率電子轉(zhuǎn)換器(未顯示)而聯(lián)接到電網(wǎng)44上，并且在其它實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)42將在沒有任何功率電子轉(zhuǎn)換器的條件下而聯(lián)接到電網(wǎng)44上。發(fā)電機(jī)42通過故障穿越系統(tǒng)46、變壓器48和傳輸線路50而連接到電網(wǎng)44上。應(yīng)該注意的是，圖2中所示的布置僅僅是出于舉例的目的；并且在另一實(shí)施例中，故障穿越系統(tǒng)46可連接在變壓器48和電網(wǎng)44之間。應(yīng)該注意的是，出于容易示出的目的，圖2顯示了電網(wǎng)系統(tǒng)的單線圖。故障穿越系統(tǒng)46包括固態(tài)開關(guān)52、機(jī)械開關(guān)54和控制器56。故障穿越系統(tǒng)46與發(fā)電機(jī)42串聯(lián)連接,而固態(tài)開關(guān)52與機(jī)械開關(guān)54彼此并聯(lián)連接。在一個實(shí)施例中，