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)電機組的故障穿越能力的系統(tǒng)和方法，小型發(fā)電機組以。
【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、燃氣為動力的)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。小型發(fā)電機組可被例如小型燃氣發(fā)動機、柴油機和/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，因為電力產(chǎn)生地非?？拷涫褂玫?。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)電機組進行分布式發(fā)電的日益增長的趨勢，許多電網(wǎng)規(guī)范需要小型發(fā)電機組提供增強的能力，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)電機組跳脫線路是可接受的且合乎需要的。在小型發(fā)電機組的穿透水平較低時這樣的操作對于電力供給沒有實際的損害影響。然而，隨著電力系統(tǒng)中的小型發(fā)電機組的穿透水平的增加，需要這些小型發(fā)電機組保持在線，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，其以機械的方式聯(lián)接在發(fā)動機上，以產(chǎn)生電功率。發(fā)電系統(tǒng)還包括連接在發(fā)電機和電網(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)連接的機械開關(guān)，以及用于協(xié)調(diào)地控制機械開關(guān)、固態(tài)開關(guān)和發(fā)動機點火的控制器。
[0006]根據(jù)本技術(shù)的另一實施例，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)連接的機械開關(guān)。該方法包括當(dāng)檢測到故障時控制機械開關(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械開關(guān)，并且在機械開關(guān)斷開之后通過固態(tài)開關(guān)為發(fā)電機電流提供旁路路徑。該方法還包括與固態(tài)開關(guān)協(xié)調(diào)地控制發(fā)動機的點火，發(fā)動機聯(lián)接在發(fā)電機上。
[0007]技術(shù)方案1.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括: 發(fā)電機，其以機械的方式聯(lián)接在發(fā)動機上，以產(chǎn)生電功率；
故障穿越系統(tǒng)，其連接在所述發(fā)電機和電網(wǎng)之間，所述故障穿越系統(tǒng)包括:
機械開關(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)地控制所述機械開關(guān)、所述固態(tài)開關(guān)和所述發(fā)動機的點火。
[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)動機包括燃氣渦輪或燃氣發(fā)動機或風(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)動機的點火，產(chǎn)生第二控制信號來控制所述機械開關(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)動機的點火。
[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械開關(guān)，并且在所述機械開關(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)電機停止下來，就保持所述機械開關(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)動機的點火。
[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)電機功率信號或速度信號或轉(zhuǎn)子角度信號或發(fā)動機功率或發(fā)動機轉(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)連接的機械開關(guān)，所述方法包括:
當(dāng)檢測到故障時控制所述機械開關(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械開關(guān)；
在所述機械開關(guān)斷開之后通過所述固態(tài)開關(guān)為發(fā)電機電流提供旁路路徑；且與所述固態(tài)開關(guān)協(xié)調(diào)地控制發(fā)動機的點火，所述發(fā)動機聯(lián)接在所述發(fā)電機上。
[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)動機包括燃氣渦輪或燃氣發(fā)動機或風(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)動機的點火達規(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)電機停止下來，就切斷所述機械開關(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)動機的點火。
[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)電機功率信號或速度信號或轉(zhuǎn)子角度信號或發(fā)動機功率或發(fā)動機轉(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
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機械開關(guān) 56控制器 58輸入信號 60原動機/發(fā)動機 62連接點(POC) 70發(fā)電機電流。
【具體實施方式】
[0029]如以下詳細論述的那樣，本發(fā)明的實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)電機至電網(wǎng)的連接點(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。在一個實施例中，電壓可低于5%，或者在另一實施例中，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。如果同時原動機繼續(xù)傳遞恒定的機械動力給發(fā)電機的話，那么這將導(dǎo)致發(fā)動機-電動機的旋轉(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60和連接在電網(wǎng)44上的發(fā)電機42。在一個實施例中，發(fā)電機42具有小的額定功率，例如小于10MW。此外，發(fā)電機以機械的方式聯(lián)接在原動機60上,原動機60可為渦輪或發(fā)動機。在一個實施例中，發(fā)動機60包括燃氣渦輪或燃氣發(fā)動機或風(fēng)力渦輪。在某些實施例中，發(fā)電機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，并且在其它實施例中，發(fā)電機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、機械開關(guān)54和控制器56。故障穿越系統(tǒng)46與發(fā)電機42串聯(lián)連接,而固態(tài)開關(guān)52與機械開關(guān)54彼此并聯(lián)連接。在一個實施例中，