专利名称：风力发电厂预测保护电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电厂及其操作，所述风力发电厂包括电路断路器和至少一 个风轮发电机。本发明特别地、但非限制性地涉及风力发电厂电路。
背景技术：
在发电工业中，电能产生涡轮机用于产生电能，以传递到称作电网的用户供电网 络。每种形式的涡轮机在制造和操作过程中都具有其自身的问题。例如，风轮机通常在经 严格的选择过程的多个位置处集聚地竖立，称作风力发电厂或风电场。该选择过程通常将 风轮机场设置在距离它们产生的电能的终端用户非常远的距离。各个风轮机通常组成多个风轮机，共同地称为馈电线路，从多个风轮机的输出集 合起来并经由分站供给到电网。分站包括分站变压器，所述分站变压器被设置成调节风电 场的输出(电压)，以匹配电网的要求。为了保护分站和电网免受由各个风轮机或馈电线路 引起的问题，例如由短路引起的瞬时短路电流，每个馈电线路通过单独的电路断路器即馈 电线路电路断路器连接到分站。电路断路器响应于馈电线路电流(I)的瞬变而切断，所述 馈电线路电流的输出始终由电流传感器监测。馈电线路的可接受的特性示例性地以图3的 级配曲线(grading curve) (I，t)示出，该曲线表明电路断路器仅在电流超过预定值预定的 可接受的时间时才切断。换言之，如果馈电线路的电流/时间特性高于图3中的曲线，电路 断路器将被切断。尽管电路断路器的迅速动作保护了分站和电网，但可在一些情况下由于负载从馈 电线路电路的移除而严重地损坏一个或多个风轮发电机(WTG)。这种损坏可以是电方面的 和机械方面的。每个风轮发电机位于它们的电路断路器之后，且受其自己的保护系统保护 以免遭损坏，但电路断路器的非期望的打开可将一些高的负载置于每个风轮发电机的机械 结构上。本发明可通过向风轮机预报告即将来临的事件而降低高的负载。也可由于极其高 的电流瞬变而损坏分站变压器或连接到风力发电厂内的电路的其他电气设备。本发明解决由于电路断路器的切断而对风轮发电机或风力发电厂造成损坏的问 题，且如上所述，本发明涵盖用于发电的任何类型的发电机。然而，将通过参看风轮发电机 和可避免的对风轮发电机或风轮机群的关键构件和风力发电厂内的其他电气设备的损坏 来描述本发明。风轮发电机中的构件包括特别是在电能产生中所涉及的那些构件，例如，叶片、轮 毂、齿轮箱(可选的)、塔架、发电机和电力变换器(可选的)和称作辅助构件的那些具有次 要特性的构件。下面参看图1和2描述所有上述构件。如果主电路由于电路断路器或馈电线路电路断路器的切断而掉线，可对风轮机和 辅助电路构件产生严重的破坏。例如，对于机械负载、动力传动系统振动、不受控制的性能， 如果未应用本发明，则需要更快速地响应来控制动力传动系统，例如更迅速的节距速度。然而，电路断路器已经在发电厂使用了许多年，这是因为风轮机的可能损坏与可 能是由短路引起的电网的损坏相比认为不太重要。
发明内容
该部分被提供用于以简单的方式介绍发明思想的选择，这些发明思想下面将在本 发明的具体实施方式
中进一步地描述。因此，该部分不是用于识别所要求保护的主题的关 键特征或基本特征，也不是用于帮助确定所要求保护的主题的范围。根据本发明的第一个方面，提供了一种操作风力发电厂的方法，所述风力发电厂 包括电路断路器和至少一个风轮发电机，所述风轮发电机可通过所述电路断路器电连接到 电网，所述方法包括以下步骤-借助于传感器探测要使电路断路器切断的至少一种情况；-在电路断路器断开之前向控制装置报告所述探测；以及-在所述电路断路器将所述至少一个风轮发电机从所述电网断开之前使所述至少 一个风轮发电机做好准备。优选地，探测装置基于电流传感器，其中，所述电流传感器感测通过所述电路断路 器的电流，所述情况与由传感器探测的电流相关。优选地，发电机控制装置被报告，且从确定电路断路器必须切断时起IOOms内、最 优选在50-100ms内采取措施。优选地，所采取的保护发电机的措施是风轮机的P和Q设定点的快速斜降。可选地，为保护单独的风轮发电机所采取的措施包括随后降低无功功率和/或 有效功率中的一个或多个，所述有效功率的降低通常通过改变使风轮机的空气动力学转子 叶片的桨距进行。在该实施例中，电路断路器在由传感器探测的电流⑴超过用于电路的电流级配 曲线时切断。优选地，所述发电厂还包括安装在所述至少一个风轮发电机与所述电路断路器之 间的附加电气设备。在一个实施例中，要使电路断路器切断的至少一种情况的探测由传感器通过间接 测量进行。 在一个优选实施例中，外部电路是用户供电电路或电网。根据本发明的第二个方面，提供了一种风力发电厂，包括电路断路器和至少一 个风轮发电机，所述风轮发电机可通过所述电路断路器电连接到电网，所述风力发电厂包 括-用于探测要使电路断路器切断的至少一种情况的装置；以及-控制装置，所述控制装置被设置成在所述电路断路器将所述至少一个风轮发电 机从所述电网断开之前使所述至少一个风轮发电机做好准备。优选地，传感器装置被设置成在电路断路器使所述至少一个风轮发电机从电网断 开之前向控制装置报告所述情况的探测。在一个实施例中，风力发电厂包括多个风轮发电机，所述多个风轮发电机组成一 个或多个单独的馈电线路，每个馈电线路具有馈电线路控制器、电路断路器、传感器和至少 一个风轮发电机，所述馈电线路控制器在电路断路器将馈电线路从至外部电路的输出端实 际断开之前采取措施来保护馈电线路内的每个发电机。
当通过参看下面结合附图所作的详细描述更好地理解附属特征中的许多特征时， 它们将变得更容易理解。优选的特征可按本领域的技术人员所显见的那样合适地组合，且 可与本发明的任何方面组合。
下面，参看附图更详细地描述本发明，附图包括图1是现有的风轮机的外部的示意图；图2是各种风轮机结构配置的简图；图3是根据本发明的一个方面的电能产生装置电路的级配曲线的图；图4是根据本发明的电能产生装置电路的电路图；图5是根据本发明的组合成馈电线路配置的图4所示的多个发电机的电路图；以 及图6是根据本发明的一个方面的图5的馈电线路或其中的图4所示的单个发电机 的操作方法的流程图。在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的特征。尽管本发明允许进行各种修改和采用替代形式，但在附图中示例性地示出了特定 的实施例且将在此详细地描述它们。然而，应当理解，本发明并不局限于所公开的特殊形 式。相反，本发明覆盖落入权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同替换 和替代方式。
具体实施例方式下面，仅示例性地描述本发明的实施例。这些实施例目前对申请人来说是实施本 发明的最佳方式，但它们不是实现本发明的唯一方式。在此，参看风轮发电机描述本发明，尽管它可利用任何发电机系统实施。关于附图，图1示出了现有的风轮发电机2的外部的示意图。图1示出了连接到 风轮机2的主轴6的风轮机转子4。机舱8又由风轮机塔架10支撑。机舱8和塔架10容 纳风轮机的大部分构件，包括风轮机或发电机控制器16，所述风轮机或发电机控制器是设 置成用于控制风轮机2的操作的计算机处理器。控制器16基于源自传感器或估算装置的 输入控制风轮机2中的所有设备。控制器16还控制风轮机转子的叶片的角度。风轮机2 被示出具有变压器12，所述变压器定位在地面上且可远离塔架10。通常，变压器位于机舱 或塔架中。变压器12也可看作是分站变压器。此外，如图5所示，分站变压器12可与多个 风轮机2连接，所述多个风轮机可组成馈电线路44，这将在下面更详细地讨论。在风轮发电机的外部，电流沿着缆14传递到分站变压器12，电网34从所述分站变 压器被供电。可选的风轮机变压器40将400-6000V范围内的发电机30的输出电压变换到 近似6-36kV的较高水平。分站变压器12将该电压变换到近似100-400kV的更高水平。图2示出了根据本发明的单个风轮发电机的不同配置方式。图2a_2c均具有发电 机30。发电机可以是AC感应发电机、具有激励绕组的同步发电机或永磁体同步发电机。所 列出的发电机类型是示例性的，本发明不应局限于这些类型的发电机。图2a示出了一种风轮发电机，其具有转子4、连接到齿轮箱28的主轴6，所述齿轮箱具有低速侧和高速侧，所述高速侧连接到发电机30。发电机的电输出在风轮机变压器40 中变换为较高的电压水平，该输出通过电路断路器38供送到电网34。图2b示出了另一种风轮发电机，其具有转子4、连接到齿轮箱28的主轴6，所述齿 轮箱具有低速侧和高速侧，所述高速侧连接到发电机30。发电机30的电输出供送给频率变 换器31，从而允许发电机30的输出频率相对于电网34处的近似固定的频率变化。频率变 换器31的输出在风轮机变压器40中变换到较高的电压水平，该输出通过电路断路器38供 给到电网34。图2c示出了具有连接到低速发电机30的转子4的另一风轮机。发电机的电输出 供给到频率变换器31，从而允许发电机30的输出频率相对于电网34处的近似固定的频率 变化。频率变换器31的输出在风轮机变压器40中变换到较高的电压水平，该输出通过电 路断路器38供给到电网34。风轮发电机2通过电路断路器38连接到电网34，从而使得风轮发电机可从电网断 开。为了维护需要可能需要从电网断开，但从电网断开还可以是电路断路器38中的过载电 流的结果。过载电流可由于风轮机中的或电网34中某处的短路而发生。电路断路器的任 一侧的短路的结果可损坏风轮机2的电构件和机械构件。本发明用于在电路断路器38断开风轮发电机或甚至断开风力发电厂时防止电气 设备和机械设备遭受可能发生的损坏。电路断路器38的断开将使风力发电厂内的系统产 生陡然变化，这又会产生电瞬变且会使高的机械负载作用于风轮机2。可导致风力发电厂中 的任何构件、尤其是电力变换器31和变压器12、40产生构件损坏的条件与高的瞬变密切相关。电路断路器38是自动操作的电开关，所述电开关被设计成用于防止电路由于过 载或短路而产生损坏。其基本功能是探测到故障状况，且通过切断、中断而断开电流。不像 仅操作一次然后必须更换的保险丝，电路断路器38可复位(手动或自动)，以恢复正常操 作。电路断路器38以各种尺寸制造，从保护单个家用电器的小型装置到被设计成用于保护 向整座城市供电的高压电路的大型开关设备。一些电路断路器38使用电磁线圈(电磁体)，所述电磁线圈的拉力随着电流的增 大而增大。电路断路器触头由卡锁件保持闭合。当电磁线圈中的电流增大超过电路断路器 的额定值时，所述电磁线圈的拉动将释放卡锁件，然后使触头可通过弹簧作用打开。芯由弹 簧限制，直到电流超过断路器额定值。热磁式电路断路器38包括具有瞬时响应大的电涌(短路)的电磁体和响应不是 特别大但长时间过载电流情况的双金属带的两项技术。中压电路断路器通常由电流感应保护继电器操作，所述电流感应保护继电器通过 电流变送器例如电流传感器42操作。中压电路断路器几乎总是使用单独的电流变送器和 保护继电器，而不依赖于内置的热或磁过载电流变送器。图3示出了电能产生装置电路的正常操作的级配曲线，所述电能产生装置电路包 括发电机30和电路断路器38。保护继电器确保当电路中的电流(I)超过容许电流预定时 间以上(级配曲线)时切断电路短路器38，如下所述。图4示出了根据本发明的电能产生装置电路的一个实施例，所述电能产生装置电 路包括单个成风轮发电机2的形式的发电机30。除了发电机30以外，电路还包括变压器40和控制器16，所述变压器40和控制器16在该实施例中位于机舱8内。此外，电路还包 括电路断路器38和电流传感器42。电路中的电流通过传感器42监测，且如上所述，如果 电流超过预定级配特征，切断电路断路器38。为了起着保护作用，级配曲线与控制器16相 配合，使得当通过电路断路器38的电流超过级配曲线(I，t)时，电路断路器38必须切断。 典型地，在风轮机实际断开之前引入50-100ms的延迟。该延迟可用于通过使受影响的馈电 线路中的风轮机2的P和Q设定点开始快速斜降而使风轮机做好准备断开。该控制动作将 降低切断时的机械方面和电方面的压力，或甚至确保所有受影响的风轮机的完全受控的停 止。图5示出了本发明的一个实施例，其中，多个单独的发电机30 (或风轮机2)组合 成单个馈电线路44，每个馈电线路配备一个用于保护该馈电线路中的发电机30(或风轮机 2)的电路断路器38。每个单独的发电机30通过变压器40连接到用于所述馈电线路44的输出端46。 每个输出端46连接到分站48。分站48包括分站电路断路器38和变压器12，所述变压器 产生适合于外部电路通常为电气线路或电网34的输出。该电路还包括馈电线路电路断路 器38和馈电线路控制器50，每个所述馈电线路控制器50设置成用于控制一个馈电线路44 内的每个发电机30的操作。在另一个实施例中，馈电线路还可具有馈电线路变压器12 (未 示出)。分站还可具有用于控制电压水平和无功功率的各种电气设备61，这种设备可以是 开关电容器、静止同步补偿器(statcom)等风力发电厂领域的技术人员公知的所有设备。 通常，分站还具有可与风力发电厂中的所有设备通信的厂或场控制器60，该厂控制器60可 用于在分站电路断路器38的切断情况下使风轮机2做好准备。如果风力发电厂设有馈电线路44，则馈电线路控制器50可与厂控制器60通信，所 述厂控制器又通过风轮机控制器16与风轮机2通信。馈电线路控制器50还可直接与风轮 机控制器16通信。传感器42经由光缆52连接到馈电线路控制器50，以提高它们之间的通信速度。 上述控制可包括控制用于发电的机构和上面所述的辅助构件的操作。它还可包括控制每 个风轮机2内的单个控制器16。在馈电线路44中出现内部故障(短路)的情况下，通过电路断路器38的电流超过 级配曲线(I，t)且电路断路器38必须切断。通常，在馈电线路实际断开之前引入50-100ms 的延迟。通过经由与厂控制器60的光纤连接(TCP/IP或其他任何通信协议)共享电路断 路器电流测量42值，控制器由于所述延迟而能够在电路断路器切断实际发生之前预测到 该电路断路器切断。在这50-100ms中，厂控制器60启动受影响的馈电线路中的风轮机的P 和Q设定点的快速斜降。该控制动作将降低切断时的机械方面和电方面的压力，或甚至确 保所有受影响的风轮机的完全受控的停止。图6是示出了馈电线路44内的每个风轮机2的操作方法的流程图，如上面参看图 4所述。特别地，它示出了一种根据本发明的操作方法，其中，每个馈电线路44内的从发电 机30到输出端46的电路中的电流通过电流传感器42监测(方框100)。如果电流未超过级配曲线，如图3所示，则不采取措施(方框102)且传感器42继 续监测电流(方框100)。然而，如果电流最可能由于短路而超过级配曲线，则电路断路器
838被切断(方框104)。然而，当出现电路断路器38必须切断的情况时，传感器42在实际断开之前经由信 道向馈电线路44内的馈电线路控制器50发送信号(方框106)。当接收到该信号时，馈电 线路控制器50采取措施，以在电路断路器38将发电机30从至外部电路34的输出端46实 际断开(方框110)之前改善电路断路器38的切断的影响(方框108)。特别地，控制器16、50或60命令每个发电机30的有效功率P和无功功率Q设定 点快速斜降。此外，对于不具有电力变换器31的风轮发电机来说，P的快速斜降需要转子4 的叶片的浆距角的变化。另外，具有电力变换器的风轮发电机可在电力变换器31内使P设 定点斜降，且使得风轮机转子4可在容许的范围内加速。这样，当电路断路器再连接时，风 轮机将准备好支持电网34。本发明的特征在于，通过厂控制器60、馈电线路控制器50或发电机控制器16采取 措施，以改善电路断路器38的切断的有害影响。为此，发明人必须首先确定在出现的可引 起电路断路器38切断的情况与发电机30从馈电线路44的输出端46实际断开之间具有延 迟。而且，他们还必须得出结论可采取积极措施来规避上述影响，这违背工业中的长期趋 势，因为许多年来这种延迟已经被认为是利用电路断路器38的不可避免的结果，这唯一的 弥补特征是，优选地短路否则会损坏分站48或电网34。尽管上述描述涉及风力发电厂，但这仅是示例性的。本发明可适用于任何涡轮机 系统，例如燃油或水电涡轮机或用于发电的其他任何涡轮机。总之，本发明涉及一种操作风力发电厂的方法，所述风力发电厂包括电路断路器 和至少一个风轮发电机，所述风轮发电机可通过所述电路断路器电连接到电网，所述方法 包括以下步骤借助于传感器探测要使电路断路器切断的至少一种情况；在电路断路器断 开之前向报告控制装置所述探测；以及在所述电路断路器将所述至少一个风轮发电机从所 述电网断开之前使所述至少一个风轮发电机做好准备。对于本领域的技术人员显而易见的是，在不失去所寻求的效果的前提下可扩展或 改变在此给出的任何范围或装置值。应当理解，上面描述的益处和优点可涉及一个实施方式或可涉及多个实施方式。 还应当理解，“单数”也可以指一个或多个。应当理解，优选实施例的上面描述仅是示例性的，且本领域的技术人员可进行多 种修改。上面的说明、示例和数据提供了本发明的示例性实施例的结构和使用的完整描述。 尽管上面以一定的特殊性或参看一个或多个单独的实施例描述了本发明的各个实施例，但 本领域的技术人员可在不脱离本发明的精神或范围的情况下对所公开的实施例进行多种 改变。
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权利要求
一种操作风力发电厂的方法，所述风力发电厂包括电路断路器和至少一个风轮发电机，所述风轮发电机可通过所述电路断路器电连接到电网，所述方法包括以下步骤 借助于传感器探测要使电路断路器切断的至少一种情况； 在电路断路器断开之前向控制装置报告所述探测；以及 在所述电路断路器将所述至少一个风轮发电机从所述电网断开之前使所述至少一个风轮发电机做好准备。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器包括适于感测通过所述电路断 路器的电流的电流变换器，且所述情况与由电流变换器探测的所述电流相关。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制装置被报告，且从确定电路断路器将切 断时起IOOms内采取措施。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述至少一个风轮发电机做好准备的步 骤包括使用于所述至少一个风轮发电机的P和Q设定点开始快速斜降。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述至少一个风轮发电机做好准备的步 骤包括向风力发电厂内的任何设备发送预警。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电路断路器适于在传感器探测到电流(I)超 过用于电路断路器的电流级配曲线时切断。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力发电厂还包括安装在所述至少一 个风轮发电机与所述电路断路器之间的附加电气设备。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，要使电路断路器切断的至少一种情况的探 测由传感器通过间接测量进行。
9.一种风力发电厂，包括电路断路器和至少一个风轮发电机，所述风轮发电机可通 过所述电路断路器电连接到电网，所述风力发电厂还包括用于探测要使电路断路器切断的 至少一种情况的传感器装置，其中，所述传感器装置被设置成在电路断路器将所述至少一 个风轮发电机从所述电网断开之前向控制装置报告所述探测，以及其中，所述控制装置被 设置成在所述电路断路器将所述至少一个风轮发电机从所述电网断开之前使所述至少一 个风轮发电机做好准备。
10.如权利要求9所述的风力发电厂，其特征在于，所述传感器装置包括适于感测通过 所述电路断路器的电流的电流变换器，且所述情况与由电流变换器探测的所述电流相关。
11.如权利要求9所述的风力发电厂，其特征在于，控制装置适于被报告，且适于从确 定电路断路器将切断时起IOOms内采取措施。
12.如权利要求9所述的风力发电厂，其特征在于，所述控制装置被设置成通过使用于 每个风轮发电机的P和Q设定点开始快速斜降来使所述至少一个风轮发电机做好准备。
13.如权利要求9所述的风力发电厂，其特征在于，所述控制装置被设置成通过向风力 发电厂内的任何设备发送预警使所述至少一个风轮发电机做好准备。
14.如权利要求9所述的风力发电厂，其特征在于，电路断路器适于在传感器探测到电 流(I)超过用于所述电路断路器的电流级配曲线时切断。
15.如权利要求9所述的风力发电厂，其特征在于，所述风力发电厂还包括安装在所述 至少一个风轮发电机与所述电路断路器之间的附加电气设备。
16.如权利要求9所述的风力发电厂，其特征在于，要使电路断路器切断的至少一种情况的探测由传感器通过间接测量进行。
17.如权利要求9所述的风力发电厂，其特征在于，风力发电厂还包括至少一个馈电线 路，所述至少一个馈电线路包括电路断路器、传感器、至少一个风轮发电机以及馈电线路 控制器，所述馈电线路控制器被设置成在电路断路器将至少一个风轮发电机从所述电网实 际断开之前使馈电线路内的每个风轮发电机做好准备。
全文摘要
本发明涉及一种操作风力发电厂的方法，所述风力发电厂包括电路断路器和至少一个风轮发电机，所述至少一个风轮发电机可通过所述电路断路器电连接到电网，所述方法包括以下步骤借助于传感器探测要使电路断路器切断的至少一种情况；在电路断路器断开之前向控制装置报告所述探测；以及在所述电路断路器将所述至少一个风轮发电机从所述电网断开之前使所述至少一个风轮发电机做好准备。
文档编号F03D9/00GK101936258SQ201010221268
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者K·S·瑟恩森, P·尼尔森 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司