用于渦輪發(fā)電機(jī)的湍流防護(hù)系統(tǒng)和方法
【專利摘要】控制發(fā)電機(jī)(10)向終端系統(tǒng)提供的電力的方法，其中在從發(fā)電機(jī)輸出的電力過量期間內(nèi)將電力從所述發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)向到輔助系統(tǒng)(22)。轉(zhuǎn)向的電力儲存在能量庫(24)中，并且在從發(fā)電機(jī)輸出的功率較低的期間內(nèi)，通過使得能量庫放電而將轉(zhuǎn)向的電力返回給終端系統(tǒng)。電力的轉(zhuǎn)向和返回被控制以將輸送到終端系統(tǒng)的電力維持在期望的平均功率電平。電力從發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向還具有防止發(fā)電機(jī)產(chǎn)生過電壓電平的效果。
【專利說明】
用于渦輪發(fā)電機(jī)的湍流防護(hù)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于渦輪動力發(fā)電機(jī)、尤其是風(fēng)力或潮汐流渦輪發(fā)電機(jī)的湍流防護(hù)。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1示出了電力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的框圖，包括用于經(jīng)由變頻器14向電網(wǎng)12供應(yīng)電力的渦輪發(fā)電機(jī)10。渦輪發(fā)電機(jī)包括與電力發(fā)電機(jī)18耦合的渦輪機(jī)16。渦輪機(jī)16由流體、典型地空氣或水來驅(qū)動，渦輪機(jī)16的具體構(gòu)造典型地至少部分地取決于驅(qū)動流體。最常見類型的渦輪發(fā)電機(jī)10是由風(fēng)力或潮汐流/潮流驅(qū)動。
[0003]在使用時，渦輪機(jī)16驅(qū)動發(fā)電機(jī)18來通過AC電輸出信號而產(chǎn)生AC電力。大多數(shù)渦輪機(jī)能夠以可變轉(zhuǎn)子速度運(yùn)行，并且因此風(fēng)速或潮汐流率的變化會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出信號的頻率的相應(yīng)變化。變頻器14穩(wěn)定輸出信號的頻率以補(bǔ)償風(fēng)力或潮汐流的變化。特別地，變頻器14改變發(fā)電機(jī)輸出信號的頻率以適應(yīng)電網(wǎng)12的頻率要求。
[0004]然而，流體流率的變化可能很大，例如，對于典型的風(fēng)力或潮汐渦輪發(fā)電機(jī)，流體速度會圍繞均值變化達(dá)到40%，并且這會導(dǎo)致與電壓和功率控制有關(guān)的問題。
[0005]渦輪機(jī)16的轉(zhuǎn)速的變化會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)18所產(chǎn)生的電壓電平的相應(yīng)變化，尤其是在發(fā)電機(jī)18是永磁發(fā)電機(jī)的情況下。在許多情況下，渦輪葉片的節(jié)距是固定的，這加劇了該問題。對于具有可變節(jié)距轉(zhuǎn)子葉片的渦輪機(jī)，節(jié)距控制能夠補(bǔ)償湍流，但是是以節(jié)距機(jī)構(gòu)的磨損以及需要快速作用控制系統(tǒng)代價的。
[0006]針對該問題的一個解決方案是使用具有承受最高預(yù)期臨時高壓的容量的變頻器。然而，由于成本原因，這是不期望的。另一解決方案是在極端電壓偏移情形下將變頻器與發(fā)電機(jī)隔離以避免對變頻器的輸入級造成損壞。然而，這產(chǎn)生了非期望的對電網(wǎng)12供應(yīng)中斷并且產(chǎn)生了進(jìn)一步的如何管理變頻器的再連接的問題。
[0007]另一問題是流速的變化導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出的電力的變化。尤其是，能夠看出，渦輪發(fā)電機(jī)10的輸出電力隨著流速的三次方而變化。額外的能量與湍流相關(guān)聯(lián)，因為在每個短的間隔A T內(nèi)，當(dāng)流速高于均值時，νω_+δ，存在流速在相同程度上降低的相應(yīng)時間段，Vme3an-S。在那兩個間隔內(nèi)所輸送的能量與&1'.^_+3)3+&!'.^_-3)3成比例，后者等于2.ΔT.V3mean.{1+3.(δ/Vmean)2}且典型地代表了與穩(wěn)態(tài)流相比的4 % -5 %的額外電力。這可視為機(jī)會，而不是問題，但是需要采取措施來受益于該機(jī)會。一個選擇是在較高流動期間內(nèi)保持變頻器連接且在該期間內(nèi)傳輸最大電力。然而，這將涉及到具有極高額度值的變頻器。
[0008]波動的電力對于電網(wǎng)12的運(yùn)行是不期望的，但是與例如單個發(fā)電機(jī)或者少量的發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)12相比，這對于多個渦輪發(fā)電機(jī)的輸出在供應(yīng)電網(wǎng)之前聚集的渦輪群組而言不算問題。
[0009]將期望的是提供緩解上述問題的渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的第一方面提供了保護(hù)設(shè)備免于發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的過電壓的方法，所述方法包括:
[0011 ]監(jiān)測發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電壓電平；以及
[0012]響應(yīng)于確定所述電壓電平超過閾值而操作輔助系統(tǒng)以吸收來自所述發(fā)電機(jī)的無功功率。
[0013]在一些實施例中，該方法包括監(jiān)測發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電力?？蛇x地，所述方法包括:響應(yīng)于所述監(jiān)測的電力或所述監(jiān)測的電壓超過相應(yīng)的閾值電平而將來自所述發(fā)電機(jī)的輸出的電力中的至少一些轉(zhuǎn)向到輔助系統(tǒng);利用所述轉(zhuǎn)向的電力對至少一個儲能設(shè)備充電；以及響應(yīng)于所述監(jiān)測的電力或所述監(jiān)測的電壓在相應(yīng)的閾值電平以下而優(yōu)選地通過使得所述至少一個儲能設(shè)備放電來將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送給所述終端系統(tǒng)。
[0014]典型地，所述操作和/或所述轉(zhuǎn)向以及電力的輸送是響應(yīng)于所述發(fā)電機(jī)直接產(chǎn)生的電壓或電力的變化而執(zhí)行的。所述轉(zhuǎn)向優(yōu)選地涉及到將由所述發(fā)電機(jī)直接產(chǎn)生的電力中的至少一些轉(zhuǎn)向。所述轉(zhuǎn)向優(yōu)選地涉及到將所述至少一些電力轉(zhuǎn)向而遠(yuǎn)離變頻器的輸入。所述轉(zhuǎn)向優(yōu)選地涉及到至少將有功功率、優(yōu)選地為有功功率和無功功率，轉(zhuǎn)向到所述輔助系統(tǒng)。
[0015]所述輸送可涉及到將電力從輔助系統(tǒng)輸送到所述變頻器的輸入，或者輸送到所述變頻器的輸出。在一些實施例中，所述變頻器將電力經(jīng)由變壓器提供應(yīng)所述終端系統(tǒng)，其中所述輸送涉及到將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變壓器的與所述變頻器相同的一側(cè)。所述輸送可涉及到將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變壓器的與所述變頻器相同的繞組，或者輸送到所述變壓器的獨(dú)立于所述變頻器的繞組。在一些實施例中，所述輸送涉及到將電力從輔助系統(tǒng)輸送到所述變頻器的中間部。
[0016]所述變頻器典型地包括整流器-逆變器體系結(jié)構(gòu)。所述中間部位于所述整流器與所述逆變器之間。所述變頻器可包括所述整流器與逆變器之間的DC環(huán)節(jié)，所述輸送涉及到將電力從所述輔助電路輸送到所述DC環(huán)節(jié)。
[0017]在典型的實施例中，所述變頻器包括AC到DC到AC變頻器。所述變頻器有益地包括電子變頻器。
[0018]電力的所述轉(zhuǎn)向和輸送典型地分別涉及到載送所述電力的電信號的轉(zhuǎn)向和輸送。所述轉(zhuǎn)向典型地涉及到將來自所述發(fā)電機(jī)的輸出的AC電信號轉(zhuǎn)向。所述輸送涉及到將AC電信號從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述終端系統(tǒng)。
[0019]輔助電路典型地包括在所述充電之前執(zhí)行所述電信號的AC到DC整流的器件，所述充電涉及到通過任何適合的充電器件利用整流后的電信號對所述至少一個儲能設(shè)備充電。
[0020]所述放電涉及到從所述至少一個儲能設(shè)備放出DC電信號。典型地，提供了用于執(zhí)行所述放電電信號的DC到AC逆變以及將逆變后的AC信號輸送到所述終端系統(tǒng)的器件。所述AC電信號典型地包括多相AC電信號，典型地為3相AC電信號。
[0021]在典型的實施例中，所述終端系統(tǒng)包括供電網(wǎng)。
[0022]在從屬權(quán)利要求中記載了其它優(yōu)選的特征。
[0023]本發(fā)明的第二方面提供了發(fā)電系統(tǒng)，所述發(fā)電系統(tǒng)包括與終端系統(tǒng)耦合的發(fā)電機(jī)，以及配置為可選擇地向所述發(fā)電機(jī)的輸出提供感性負(fù)載的輔助系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括:
[0024]用于監(jiān)測發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓電平的監(jiān)測器件；以及
[0025]用于響應(yīng)于確定所述電壓電平超過閾值而操作所述輔助系統(tǒng)以從所述發(fā)電機(jī)吸收無功功率的操作器件。
[0026]優(yōu)選地，所述操作器件布置成，在確定所述發(fā)電機(jī)輸出的電壓電平低于所述閾值或第二閾值時，操作所述輔助電路而不從所述發(fā)電機(jī)吸收無功功率。
[0027]所述輔助系統(tǒng)典型地配置為向所述發(fā)電機(jī)提供無功負(fù)載例、如感性負(fù)載。
[0028]該系統(tǒng)可包括:用于響應(yīng)于所述監(jiān)測的電壓電平超過閾值電平而將來自所述發(fā)電機(jī)輸出的電力中的至少一些轉(zhuǎn)向到所述輔助系統(tǒng)的器件；以及用于利用所述轉(zhuǎn)向的電力對至少一個儲能設(shè)備充電的器件。
[0029]該系統(tǒng)可包括:用于響應(yīng)于所述電壓小于所述閾值或所述第二閾值，或者響應(yīng)于所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力低于閾值電平，而通過使得所述至少一個儲能設(shè)備放電來將電力從從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述終端系統(tǒng)的器件。
[0030]在優(yōu)選的實施例中，所述發(fā)電機(jī)是單個發(fā)電機(jī)，所述監(jiān)測、操作以及當(dāng)適用時的所述轉(zhuǎn)向和所述輸送在針對所述單個發(fā)電機(jī)而執(zhí)行的。
[0031]典型地，所述發(fā)電機(jī)包括響應(yīng)于驅(qū)動流體的流動而發(fā)出電力的渦輪發(fā)電機(jī)，并且其中所述監(jiān)測、操作和當(dāng)適用時的所述轉(zhuǎn)向和所述輸送是響應(yīng)于由于所述驅(qū)動流體的流率的波動引起的所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓電平的變化而執(zhí)行的。
[0032]典型地，電力從所述發(fā)電機(jī)經(jīng)由變頻器而提供給所述終端系統(tǒng)，并且所述操作器件被配置為操作所述輔助系統(tǒng)以便從所述變頻器的輸入處或者之前的位置吸收無功功率。
[0033]所述輔助系統(tǒng)可以可選擇地直接或間接地通過開關(guān)設(shè)備連接到所述發(fā)電機(jī)的輸出。輔助系統(tǒng)可包括一個或多個電感器或其它感性負(fù)載。輔助系統(tǒng)可包括用于對所述至少一個能量庫充電的器件。所述充電器件可包括AC到DC變換器。
[0034]本發(fā)明的第三方面提供了控制發(fā)電機(jī)向終端系統(tǒng)提供的的方法，所述方法包括:
[0035]監(jiān)測由所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力；
[0036]響應(yīng)于所述監(jiān)測的電力超過閾值電平而將來自所述發(fā)電機(jī)的輸出的電力中的至少一些轉(zhuǎn)向到輔助系統(tǒng)；
[0037]利用所述轉(zhuǎn)向的電力對至少一個儲能設(shè)備充電；
[0038]響應(yīng)于所述監(jiān)測的電力低于閾值電平，而通過使所述至少一個儲能設(shè)備放電從所述輔助系統(tǒng)向所述終端系統(tǒng)輸送電力。
[0039]優(yōu)選地，提供了用于控制電力的所述轉(zhuǎn)向和輸送以將向所述終端系統(tǒng)輸送的電力維持在期望的功率電平帶內(nèi)的器件。
[0040]優(yōu)選地，提供了用于控制所述電力的轉(zhuǎn)向和輸送以將向所述終端系統(tǒng)輸送的電力維持在期望的平均功率電平的器件。
[0041]本發(fā)明的第四方面提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，包括與終端系統(tǒng)耦合的發(fā)電機(jī)以及包括至少一個儲能設(shè)備的輔助系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括:
[0042]用于監(jiān)測發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力的監(jiān)測器件；
[0043]用于響應(yīng)于所述監(jiān)測電力超過閾值電平而將來自所述發(fā)電機(jī)的輸出的電力中的至少一些電力轉(zhuǎn)向到所述輔助系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器件；
[0044]用于利用所述轉(zhuǎn)向的電力對所述至少一個儲能設(shè)備充電的充電器件；
[0045]以及用于響應(yīng)于所述監(jiān)測的電力低于閾值電平，而通過使得所述至少一個儲能設(shè)備放電而從所述輔助系統(tǒng)向所述終端系統(tǒng)輸送電力的輸送器件。
[0046]通過閱覽下面的具體實施例的說明以及參考附圖，本發(fā)明的其它的有益的方面對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言將變得清楚。
【附圖說明】
[0047]現(xiàn)在通過示例的方式且參考附圖來描述本發(fā)明的實施例，在附圖中相似的標(biāo)記用于指代相似的部件，并且其中:
[0048]圖1是示出當(dāng)流體流速相對低或適中時的有功功率傳輸和無功功率傳輸?shù)陌l(fā)電機(jī)系統(tǒng)的框圖；
[0049]圖2是示出當(dāng)流體流速相對高時的有功功率傳輸和無功功率傳輸?shù)膱D1的系統(tǒng)的框圖；
[0050]圖3是具體實施本發(fā)明的一個方面的包括湍流補(bǔ)償系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的框圖，該圖示出了當(dāng)流體流速處于極端電平時的有功功率傳輸和無功功率傳輸；
[0051 ]圖4是示出當(dāng)流體流速相對低或適中時的有功功率傳輸和無功功率傳輸?shù)膱D3的系統(tǒng)的框圖，；
[0052]圖5是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第一實施例的示意圖；
[0053]圖6是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第二實施例的示意圖；
[0054]圖7是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第三實施例的示意圖；
[0055]圖8是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第四實施例的示意圖；
[0056]圖9是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第五實施例的示意圖；以及
[0057]圖10是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的第六實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0058]再次參考圖1，在正常操作條件下，例如，當(dāng)渦輪機(jī)16由具有相對低或適中的流速的流體驅(qū)動時，變頻器14工作，優(yōu)選地但不一定是通過矢量控制，使得有功功率從渦輪發(fā)電機(jī)10經(jīng)由變頻器14流到電網(wǎng)12，而無功功率從變頻器流到發(fā)電機(jī)10。參考圖2，在相對高流速的條件下，變頻器14配置為從渦輪發(fā)電機(jī)10吸收無功功率。這對發(fā)電機(jī)18具有弱磁效應(yīng)。結(jié)果，發(fā)電機(jī)18的端電壓降低，不超過變頻器電壓限值。這種控制形式可以擴(kuò)展到變頻器14的電流限值(和/或在可適用時的電壓限值)。在圖1和圖2所描述的條件下，不會發(fā)生來自渦輪發(fā)電機(jī)1的過電壓或過功率的問題。
[0059]現(xiàn)在參考圖3，示出了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)20，其類似于圖1和圖2所示的系統(tǒng)，但是其還包括用于湍流補(bǔ)償?shù)妮o助系統(tǒng)22。在優(yōu)選的實施例中，系統(tǒng)20還包括能夠儲存電能的能量庫
24。輔助系統(tǒng)22在渦輪發(fā)電機(jī)10與變頻器14之間的位置L處連接到系統(tǒng)20，例如，連接到發(fā)電機(jī)10的輸出或者變頻器10的輸入。輔助系統(tǒng)22被配置為使得其將無功阻抗提供給在位置L的系統(tǒng)20并且因此從渦輪發(fā)電機(jī)10吸收無功功率。特別地，輔助系統(tǒng)22被配置為和/或可操作為使得在驅(qū)動渦輪機(jī)16的流體流動可被視為極端(例如，在閾值電平以上)、且在沒有補(bǔ)償情況下會導(dǎo)致來自發(fā)電機(jī)10的過電壓或過功率的期間內(nèi)，其從發(fā)電機(jī)10吸收無功功率。輔助系統(tǒng)22所吸收的無功功率對發(fā)電機(jī)18具有弱磁效應(yīng)，這降低了發(fā)電機(jī)18的輸出電壓(與不存在輔助系統(tǒng)22的情況相比)，并且因此降低了變頻器14的輸入處的電壓電平。在典型的實施例中，開關(guān)(圖3未示出)被提供以將輔助系統(tǒng)22選擇性地連接到系統(tǒng)20以及將輔助系統(tǒng)22從系統(tǒng)20斷開連接。該開關(guān)由控制器(圖3中未示出)操作，控制器可以通過任何便利的方式來監(jiān)測渦輪發(fā)電機(jī)10的輸出和/或變頻器14的輸入處的電壓、電流和/或功率中的任一項或多項，并且操作開關(guān)以便當(dāng)監(jiān)測的特性(多個)超過相應(yīng)的閾值電平時連接或者斷開輔助系統(tǒng)22。相應(yīng)的閾值電平可通過變頻器14的電壓和/或電流限值和/或相對于期望的平均功率電平來確定。
[0060]在優(yōu)選的實施例中，輔助系統(tǒng)22被配置為從發(fā)電機(jī)10汲取有功功率(以及無功功率)，并且有益地將有功功率從發(fā)電機(jī)20傳輸?shù)诫娔軒?4。特別地，輔助系統(tǒng)22被配置為和/或可操作為使得當(dāng)驅(qū)動渦輪機(jī)16的流體流動可被視為極端(例如，在閾值電平以上)、且在沒有補(bǔ)償情況下會導(dǎo)致來自發(fā)電機(jī)10的過電壓或過功率的期間內(nèi)，其汲取有功功率。結(jié)果，當(dāng)輔助系統(tǒng)22在電路中時，經(jīng)由變頻器14傳輸?shù)诫娋W(wǎng)12的有功功率相應(yīng)地降低。因此，在優(yōu)選的實施例中，當(dāng)輔助系統(tǒng)22在電路中時，其降低變頻器14從發(fā)電機(jī)10接收到的電壓電平和功率電平。
[0061 ]在一些實施例中，或者在一種操作模式中，輔助電路被切換而進(jìn)入電路或者離開電路，取決于在渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)10的輸出處和/或變頻器14的輸入處檢測到的電壓電平。這樣做的目的是保護(hù)變頻器14免于導(dǎo)致極端流率的湍流期間內(nèi)的過電壓破壞，同時允許其被保持連接到發(fā)電機(jī)1且因此繼續(xù)向電網(wǎng)12供應(yīng)電力。為此，用于使輔助系統(tǒng)22接入電路的電壓閾值電平可以由變頻器14的電壓額度值來確定。任何適合的電壓監(jiān)測(未示出)可用來監(jiān)測電壓，并且可以方便地直接或間接測量相關(guān)的電壓。
[0062]在優(yōu)選的實施例中，或者在一種操作模式中，輔助電路22被切換而進(jìn)入電路或者離開電路，取決于在渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)10的輸出處和/或變頻器14的輸入處的功率電平?？蔀榇四康亩捎萌魏芜m合的功率計(未示出)。顯然，可以在系統(tǒng)20中任何方便的點處測量相關(guān)功率電平，例如直接從渦輪發(fā)電機(jī)10的輸出和/或在變頻器14的輸入處或者間接地從系統(tǒng)中的其它地方。當(dāng)輔助系統(tǒng)22在該操作模式中處于電路中時，其將來自發(fā)電機(jī)系統(tǒng)20的有功功率轉(zhuǎn)向到能量庫24。特別地，電力從發(fā)電機(jī)1的輸出，即在發(fā)電機(jī)18的輸出處、在變頻器14的輸入處或者從它們之間的位置被轉(zhuǎn)向。該方案的目的是通過在導(dǎo)致極端流率的湍流期間內(nèi)將來自發(fā)電機(jī)系統(tǒng)20的過量的有功功率進(jìn)行轉(zhuǎn)向來平滑提供給電網(wǎng)12的有功功率。為此，用于使輔助系統(tǒng)22處于電路中的功率閾值電平可通過期望的平均功率電平來確定。更一般地，輔助系統(tǒng)可被操作以將輸送到所述終端系統(tǒng)的電力維持在期望的功率電平帶內(nèi)，或者更特別地維持在期望的功率電平，尤其是在期望的平均功率電平。
[0063]有益地，因為輔助系統(tǒng)22吸收無功功率，所以發(fā)現(xiàn)，以這種方式操作輔助系統(tǒng)22還具有限制發(fā)電機(jī)10提供給變頻器14的電壓電平的效果，并且因此保護(hù)變頻器14免于過電壓破壞。
[0064]輔助系統(tǒng)22可通過任何方便的方式來設(shè)計，例如通過計算機(jī)模擬，從而展現(xiàn)出期望的電抗或電感以及引起期望量的有功功率傳輸。
[0065]有益地，儲存在能量庫24中的電能作為有功功率而被返回到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)20，如現(xiàn)在參考圖4更詳細(xì)說明的。典型地，在相對低或適中流體流動的期間內(nèi)，例如當(dāng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)20以如圖1所示的正常模式運(yùn)行時，將能量返回。能量可以輸送到系統(tǒng)20中的任何方便的點，例如在變頻器14的輸入處(或者更一般地在發(fā)電機(jī)10的輸出與變頻器14的輸入之間)，或輸送到變頻器14的輸入與輸出之間的點，或者輸送到電網(wǎng)12(或者其他終端系統(tǒng))，或者更一般地輸送到變頻器14的輸出之后的點，或者輸送到這些位置中的一個或多個的任意組合。在任意情形下，通過在相對低或適中流體流動的期間內(nèi)使得能量庫24放電，而使得返回的功率被輸送到電網(wǎng)12(或其它終端系統(tǒng))。
[0066]在典型的實施例中，開關(guān)(圖4中沒有示出)被提供以將輔助系統(tǒng)22選擇性地連接到系統(tǒng)20或者從系統(tǒng)20斷開連接，以便返回能量(取決于實施例，這可以是或者不是如上文參考圖3所描述的相同的開關(guān))。開關(guān)由控制器(圖4中沒有示出，但是典型地與參考圖3提及的控制器為相同的控制器)操作，該控制器可通過任何便利的方式來監(jiān)測渦輪發(fā)電機(jī)10的輸出和/或變頻器14的輸入處的電壓、電流和/或功率中的任一項或多項，并且操作開關(guān)以便當(dāng)監(jiān)測的特性(多個)滿足相應(yīng)的閾值電平時連接或斷開輔助系統(tǒng)22。
[0067]尤其優(yōu)選的是，儲存的能量返回發(fā)電機(jī)系統(tǒng)20，從而平滑提供給電網(wǎng)12的有功功率，以便補(bǔ)償湍流效應(yīng)。因此，當(dāng)控制器確定從發(fā)電機(jī)10輸出的功率降至閾值電平、例如期望的平均功率電平以下時，使得輔助系統(tǒng)22將能量返回系統(tǒng)20。切換輔助系統(tǒng)22以返回能量給系統(tǒng)22的功能可以在輔助系統(tǒng)22的輸出部之內(nèi)電子地實現(xiàn)。
[0068]因此，在優(yōu)選的實施例中，取決于檢測到的發(fā)電機(jī)10輸出的功率電平，使得輔助系統(tǒng)22將有功功率從系統(tǒng)20傳輸?shù)侥芰繋?4或者將儲存的能量返回給系統(tǒng)20，從而相對于期望的平均功率電平而平滑提供給電網(wǎng)12(或其他終端系統(tǒng))的有功功率。有益地，這被執(zhí)行以補(bǔ)償對于發(fā)電機(jī)10提供給電網(wǎng)12的(有功)功率的湍流效應(yīng)。因此，在相對短的時間段內(nèi)，典型地在秒數(shù)量級(例如，達(dá)到60秒)或者分鐘數(shù)量級(例如，達(dá)到60分鐘，但是更典型地達(dá)到近似10分鐘)內(nèi)，執(zhí)行儲存和返回能量的循環(huán)。
[0069]在圖3和圖4中，將輔助系統(tǒng)22作為一個單元示出，但是將意識到輔助電路22可以任何便利的方式實現(xiàn)并且可包括用于執(zhí)行吸收無功功率、傳輸有功功率到能量庫24以及將電能返回到系統(tǒng)20中的任一項或多項的相應(yīng)的獨(dú)立部分。各個部分能夠通過控制器獨(dú)立地操作。
[0070]輔助系統(tǒng)22優(yōu)選地設(shè)計成使得當(dāng)其正返回能量到系統(tǒng)20時、即在該模式下不提供感性負(fù)載給系統(tǒng)20，不吸收無功功率。
[0071]現(xiàn)在參考圖5至圖10，通過示例的方式描述了具體的實施例。相似的標(biāo)記用于指代相似的部件，并且相同或相似的描述適用于對于技術(shù)人員顯而易見的每個部件或者除非做出相反指示。每個實施例包括發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120包括發(fā)電機(jī)118，該發(fā)電機(jī)118是渦輪發(fā)電機(jī)的部分(雖然在圖5至10中沒有示出渦輪機(jī))，但是可替選地通過其它手段來驅(qū)動。
[0072]系統(tǒng)120包括變頻器114，典型地是ac-dc-ac變頻器。變頻器114可以是常規(guī)的。變頻器114包括通過DC環(huán)節(jié)136耦合的ac-dc變換器級132以及dc-ac逆變器級134 (其中每個均可以具有常規(guī)的構(gòu)造和操作)。變頻器114典型地是電子變頻器，即包括電子電路系統(tǒng)。優(yōu)選地，變換器132和逆變器134包括適當(dāng)構(gòu)造的電壓源逆變器138，但是其它常規(guī)的電子體系結(jié)構(gòu)可替選地使用。DC環(huán)節(jié)136典型地包括并聯(lián)且處在變換器132與逆變器134之間的電容器。
[0073]在每個實施例中，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120經(jīng)由電力變壓器130將電力供應(yīng)到電網(wǎng)(圖5至圖10中沒有示出)。典型地，變頻器114將電力供應(yīng)至變壓器130。在可選的實施例中，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可連接到其它終端系統(tǒng)，尤其是輸電網(wǎng)，而不是電網(wǎng)。
[0074]在發(fā)電機(jī)118是渦輪發(fā)電機(jī)的部分的實施例中，渦輪機(jī)可以是風(fēng)力渦輪機(jī)或潮汐流/潮流渦輪機(jī)。典型地，發(fā)電機(jī)118是永磁發(fā)電機(jī)，尤其是發(fā)電機(jī)118是風(fēng)力或潮汐流渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)的部件。渦輪機(jī)可以具有葉片，葉片具有固定或可變的節(jié)距。在優(yōu)選的實施例中，系統(tǒng)120包括與變頻器114連接的單個發(fā)電機(jī)118。典型地，發(fā)電機(jī)118(以及渦輪機(jī)，如果存在)被共同定位在共同的地點，例如在離岸渦輪機(jī)站。系統(tǒng)120單獨(dú)地或者與一個或多個其它發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(未示出)相結(jié)合地將電力饋給電網(wǎng)，或其它終端系統(tǒng)。
[0075]提供控制器140以根據(jù)需要控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120的運(yùn)行，尤其是變頻器114的相應(yīng)的級的操作。該控制可以是常規(guī)的。如下文更詳細(xì)說明，控制器14還方便地控制輔助電路122的運(yùn)行?？刂破?40可以采用任何適合的常規(guī)形式，例如，適當(dāng)編程的微處理器、微控制器或其它邏輯器件。
[0076]現(xiàn)在尤其參考圖5的實施例，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120包括輔助系統(tǒng)122，用于補(bǔ)償來自發(fā)電機(jī)118的可變輸出信號的效應(yīng)，后者尤其是由于湍流而引起的。在該情況下，輔助系統(tǒng)122的功能是降低發(fā)電機(jī)120輸出的電壓電平。輔助系統(tǒng)122包括無功負(fù)載，尤其是3相無功負(fù)載142，例如，3相電感器或其它感性負(fù)載。輔助系統(tǒng)122包括開關(guān)144，該開關(guān)144用于將輔助系統(tǒng)122可選擇地連接到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120、例如連接到發(fā)電機(jī)118的輸出，或者變頻器114的輸入，或者它們之間的點(其中任一個可以是電氣上相同的點)，或者將輔助系統(tǒng)122從其斷開。在該示例中，開關(guān)144包括3相開關(guān)。優(yōu)選地，開關(guān)144是固態(tài)開關(guān)。當(dāng)將輔助電路122連接到系統(tǒng)120時，負(fù)載142吸收來自發(fā)電機(jī)118的無功功率。這貢獻(xiàn)于發(fā)電機(jī)120中的弱磁效應(yīng)且允許變頻器114在來自發(fā)電機(jī)118的過電壓電平否則可能會損壞變頻器114的期間內(nèi)，例如在由湍流引起的過高流體流速的期間內(nèi)，仍連接到發(fā)電機(jī)118。提供電壓監(jiān)測器(未示出)以監(jiān)測(方便地直接或者間接)發(fā)電機(jī)118的輸出電壓?？刂破?40響應(yīng)于測量電壓而操作開關(guān)144，例如，取決于測量電壓是否超過閾值電平。
[0077]類似于圖5，在圖6的實施例中，輔助系統(tǒng)222可操作以降低發(fā)電機(jī)120輸出的電壓電平。輔助系統(tǒng)222包括ac-dc變換器246，例如為晶閘管橋接整流器的形式，其能夠作為開關(guān)運(yùn)行以將輔助系統(tǒng)222可選擇地連接到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120、例如連接到發(fā)電機(jī)118的輸出，或者變頻器114的輸入，或者它們之間的點，或者或其斷開連接。特別地，ac-dc變換器246當(dāng)接通和關(guān)斷時分別連接到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120或者從發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120斷開連接。方便地，控制器140控制ac-dc變換器246的運(yùn)行(在該示例中通過提供適當(dāng)?shù)男盘柦o晶閘管控制輸入)。為此，控制器140可選地提供相控整流器輸入，但是可替選地接通和關(guān)斷變換器246，取決于測量電壓是否超過閾值電平，如上文結(jié)合圖5所描述的。輔助系統(tǒng)222還包括無功功率，該無功功率有益地通過ac-dc變換器246來提供。當(dāng)通過晶閘管的相控切換來操作時，ac-dc變換器246充當(dāng)無功負(fù)載且從發(fā)電機(jī)118吸收無功功率，從而降低輸出電壓電平，如上所述。優(yōu)選地，輔助系統(tǒng)222包括在其dc側(cè)的電感器247，以確保在接通時通過晶閘管的連續(xù)電流。輔助系統(tǒng)222可通過電感器249與發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120耦合，以防止或者至少限制ac-dc變換器的切換操作與變頻器114的操作之間的任何干涉。電感器247有助于提供無功負(fù)載，但是這不是其主要功能。
[0078]在圖7的實施例中，輔助系統(tǒng)322包括能量庫324，該能量庫324包括至少一個儲能設(shè)備，例如，電容器組，或者優(yōu)選地超級電容器。系統(tǒng)322還包括無功負(fù)載和開關(guān)，方便地通過ac-dc變換器346聯(lián)合提供，例如如上文結(jié)合圖6所描述的。輔助電路322能夠在第一模式下運(yùn)行，在該第一模式下，輔助電路422從發(fā)電機(jī)118吸收無功功率。在第一模式下，輔助電路322連接到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120從而提供無功負(fù)載，例如如上文結(jié)合圖6所描述的。如上所述，這具有降低發(fā)電機(jī)118的輸出電壓電平的效果。在第一模式下，輔助系統(tǒng)322還將有功功率傳輸?shù)侥芰繋?24，在該示例中當(dāng)接通時經(jīng)由ac-dc變換器346，從而將能量儲存在庫324中。輔助系統(tǒng)優(yōu)選地包括在其dc側(cè)的電感器，以確保在接通時通過晶閘管的連續(xù)電流。有益地，輔助系統(tǒng)322在來自發(fā)電機(jī)118的過電壓電平否則可能會損壞變頻器114的期間內(nèi)，例如在由于過大流速的湍流引起過高流體流速的期間內(nèi)，在第一模式下(在控制器140的控制下)運(yùn)行。第一模式可以響應(yīng)于檢測到來自發(fā)電機(jī)118的上述閾值電壓電平而有效，如上文結(jié)合圖5和圖6所描述的。然而，優(yōu)選地，第一模式響應(yīng)于檢測到來自發(fā)電機(jī)118的上述閾值功率電平而有效，如上文結(jié)合圖3和圖4所描述的。為此，任何方便的功率計(未示出)可以被提供以監(jiān)測(直接地或者間接地)發(fā)電機(jī)118的功率輸出，控制器140響應(yīng)于檢測到的功率電平而操作系統(tǒng)322 ο可針對系統(tǒng)120內(nèi)的任何便利的點，例如在變頻器114的輸入側(cè)或輸出側(cè)，或者在變頻器114之內(nèi)，監(jiān)測和/或控制功率電平。
[0079]輔助系統(tǒng)322能夠在第二模式下(在控制器140的控制下)運(yùn)行，在第二模式中，儲存在能量庫324中的能量返回發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120，如上文結(jié)合圖3和圖4所描述的。輔助系統(tǒng)322包括dc-ac變換器348，其可操作(方便地通過控制器140)以將可從能量庫324得到的dc電壓或電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ac電壓或電流，以便在第二模式下返回系統(tǒng)120。在該示例中，dc-ac變換器348包括晶閘管橋接電路。便利地，控制器140控制dc-ac變換器348的操作(在該示例中通過提供適合的信號給晶閘管控制輸入)。便利地，ac-dc變換器346以及dc-ac變換器348被一起提供作為雙向變換器。優(yōu)選地，系統(tǒng)322在發(fā)電機(jī)118產(chǎn)生相對低功率的期間內(nèi)以第二模式操作，從而平滑發(fā)電機(jī)的輸出功率，如上文結(jié)合圖3和圖4所描述的?？商孢x地，輔助系統(tǒng)322可在發(fā)電機(jī)118的輸出電壓電平降至閾值電平以下的期間內(nèi)在第二模式下運(yùn)行。在該實施例中，輔助系統(tǒng)324，以及更特別地dc-ac變換器348，被布置成在變頻器114的輸入側(cè)將能量從能量庫324返回到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)120。
[0080]現(xiàn)在參考圖8的實施例，輔助系統(tǒng)422及其操作類似于圖7的輔助系統(tǒng)，除了系統(tǒng)422、并且尤其是dc-ac變換器448被布置成將儲存的能量返回到變頻器114的輸出側(cè)。在圖示的實施例中，能量庫424被并聯(lián)地設(shè)置在ac-dc變換器446與dc-ac變換器448之間。輔助系統(tǒng)422的輸出，以及更特別地dc-ac變換器448的輸出，可以通過連接到共同的變壓器繞組450(如圖所示)或者連接到變壓器130的共同側(cè)上的單獨(dú)的繞組或抽頭，而與變頻器114的輸出組合。
[0081]圖9的實施例類似于圖7和圖8的實施例，除了dc-ac變換器548包括電壓源逆變器之外。dc-ac變換器548、并且更具體地是電壓源逆變器的輸出，通過連接到變壓器130的共同側(cè)上的單獨(dú)的繞組552或者抽頭，而與來自變頻器114的輸出組合。優(yōu)選地，繞組552被構(gòu)造為提供比變頻器114經(jīng)由繞組144提供的電壓低的電壓。儲能設(shè)備524的操作在一系列電壓范圍內(nèi)是可能的，下限由變壓器繞組552的電壓來設(shè)定。
[0082]在圖10的實施例中，輔助系統(tǒng)622將儲存的能量從庫624返回到處于其ac-dc變換器級及其dc-ac反轉(zhuǎn)級之間的改進(jìn)后的變頻器614，方便地經(jīng)由DC環(huán)節(jié)636。這可以通過任何適合的能量耦合設(shè)備來實現(xiàn)，該能量耦合設(shè)備例如是這樣的變壓器，其具有連接到能量庫624的一個繞組654(初級)以及設(shè)置在變頻器614中的另一繞組656(次級)，后者優(yōu)選地與ac-dc變換級和dc-ac變換級之間的DC環(huán)節(jié)636并聯(lián)。這可以采用dc-dc變換器或反激式變換器的形式。反激式變換器工作如下:dc-dc變換器包括與變壓器的初級繞組串聯(lián)的以典型地為3kHz的高頻工作的開關(guān)。在接通期間內(nèi)，變壓器磁路中的磁通量增加，且在關(guān)斷期間內(nèi)，變壓器磁路中的磁通量減少并且在繞組中感生負(fù)電壓，使得凈電壓當(dāng)在完整的循環(huán)內(nèi)平均時具有均值零。變壓器次級具有等于初級電壓乘以次級與初級繞組匝數(shù)之比的感應(yīng)電壓。開關(guān)僅允許電流從能量庫流到變壓器初級。與次級繞組串聯(lián)連接的二極管允許電流從次級流到dc環(huán)節(jié)的正側(cè)。因此，從能量庫吸收功率并且將其以不同的電壓輸送到dc環(huán)節(jié)。
[0083]提供開關(guān)658以將繞組654連接到庫624或者將其斷開連接，從而允許庫624為繞組654賦能并且因此相應(yīng)地為繞組656賦能。控制器140根據(jù)是否要求將功率從能量庫傳遞到DC環(huán)節(jié)636而允許變頻器的開關(guān)658被操作或者不被操作。典型地，二極管660與次級繞組656串聯(lián)地設(shè)置。因此，在控制器140的控制下，與直接從發(fā)電機(jī)118提供的能量相比，來自庫624的能量能夠用于提高從變頻器614輸出的電壓或電力。優(yōu)選地，ac-dc變換器級以等于平均流體流速產(chǎn)生的功率的上限功率電平、或平均功率電平工作，但是當(dāng)流體流率低于平均值時其被降低。在該期間內(nèi)，能量能夠從能量庫624提供，如所描述的。為此，優(yōu)選的是，變頻器614的dc-ac變換器級具有比ac-dc級更高的容量。在優(yōu)選的實施例中，通過控制器140監(jiān)測功率，并且輔助系統(tǒng)622相應(yīng)地操作，以將進(jìn)入DC環(huán)節(jié)636的總功率電平維持在穩(wěn)定電平，例如對應(yīng)于期望的平均功率電平。
[0084]明顯地，圖5至圖9的實施例可以改型成常規(guī)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，因為變頻器114及其控制可以是常規(guī)的。而且，這些實施例的輔助系統(tǒng)可能會故障而不危害變頻器114的運(yùn)行。本發(fā)明的實施例可與中壓或高壓發(fā)電機(jī)和變頻器兼容。優(yōu)選的實施例使得能夠增加平均輸出功率，并且能夠用于補(bǔ)償湍流引起的功率偏移，同時減少電源切斷的發(fā)生率。
[0085]用于提供能量庫24的適合設(shè)備包括:超級電容器、電容器、電感器、飛輪、壓縮氣體設(shè)備、可充電電池。
[0086]本發(fā)明不限于本文所描述的實施例，其可被修改或改動，而不偏離本發(fā)明的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種保護(hù)設(shè)備免于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的過電壓的方法，所述方法包括: 監(jiān)測所述發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電壓電平；以及 響應(yīng)于確定所述電壓電平超過閾值，操作輔助系統(tǒng)以吸收來自所述發(fā)電機(jī)的無功功率。2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括:在確定所述發(fā)電機(jī)所輸出的所述電壓電平低于所述閾值或第二閾值時，操作所述輔助電路而不吸收來自所述發(fā)電機(jī)的無功功率。3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，進(jìn)一步包括:配置所述輔助系統(tǒng)以向所述發(fā)電機(jī)提供無功負(fù)載;在檢測到所述電壓超過所述閾值時，將所述輔助系統(tǒng)直接地或者間接地連接到所述發(fā)電機(jī)的輸出。4.如權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括:在確定所述電壓小于所述閾值或者第二閾值時，將所述輔助系統(tǒng)與所述發(fā)電機(jī)的所述輸出斷開連接。5.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，包括:響應(yīng)于所述監(jiān)測的電壓電平超過閾值電平，將來自所述發(fā)電機(jī)的輸出的電力中的至少一些轉(zhuǎn)向到所述輔助系統(tǒng)；以及利用所述轉(zhuǎn)向的電力對至少一個儲能設(shè)備充電。6.如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括:響應(yīng)于所述電壓小于所述閾值或所述第二閾值，或者響應(yīng)于由所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力低于閾值電平，通過使得所述至少一個儲能設(shè)備放電而將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述終端系統(tǒng)。7.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述發(fā)電機(jī)是單個發(fā)電機(jī)，所述監(jiān)測、操作以及當(dāng)適用時的所述轉(zhuǎn)向以及所述輸送是針對所述單個發(fā)電機(jī)而執(zhí)行的。8.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述發(fā)電機(jī)包括用于響應(yīng)于驅(qū)動流體的流動而生成電力的渦輪發(fā)電機(jī)，并且其中所述監(jiān)測、操作以及當(dāng)適用時的所述轉(zhuǎn)向和所述輸送響應(yīng)于由于所述驅(qū)動流體的流率的波動引起的所述發(fā)電機(jī)所生成的電壓電平的變化而被執(zhí)行。9.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述監(jiān)測、操作以及當(dāng)適用時的所述轉(zhuǎn)向和所述輸送響應(yīng)于在I秒與60秒之間的時間段內(nèi)或者I分鐘與10分鐘之間的時間段內(nèi)檢測到的所述發(fā)電機(jī)輸出電壓電平的變化而被執(zhí)行。10.如任一前述權(quán)利要求所述的方法，進(jìn)一步包括:經(jīng)由變頻器向所述終端系統(tǒng)提供來自所述發(fā)電機(jī)的所述電力，并且其中所述操作涉及操作所述輔助系統(tǒng)以從所述變頻器的輸入所處的位置或之前的位置吸收無功功率。11.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括與終端系統(tǒng)耦合的發(fā)電機(jī)、以及配置為可選擇地向所述發(fā)電機(jī)的輸出提供感性負(fù)載的輔助系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括: 用于監(jiān)測所述發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電壓電平的監(jiān)測器件；以及 用于響應(yīng)于確定所述電壓電平超過閾值而操作所述輔助系統(tǒng)以從所述發(fā)電機(jī)吸收無功功率的操作器件。12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述輔助系統(tǒng)布置成向所述發(fā)電機(jī)提供無功負(fù)載，并且所述輔助系統(tǒng)能夠通過所述操作器件直接地或者間接地可選擇地連接到所述發(fā)電機(jī)的輸出。13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述操作器件被配置為，在檢測到所述電壓超過所述閾值時，將所述輔助系統(tǒng)直接地或者間接地連接到所述發(fā)電機(jī)的所述輸出。14.如權(quán)利要求12或13所述的系統(tǒng)，其中所述操作器件被配置為，在確定所述電壓小于所述閾值或第二閾值時，將所述輔助系統(tǒng)從所述發(fā)電機(jī)的所述輸出斷開連接。15.如權(quán)利要求12至14中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)電機(jī)經(jīng)由變頻器連接到所述終端系統(tǒng)，并且其中所述輔助系統(tǒng)能夠通過所述操作器件直接地或者間接地可選擇地連接到所述變頻器的輸入所處的位置或者之前的位置。16.如權(quán)利要求12至15中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述變頻器包括整流器-逆變器體系結(jié)構(gòu)。17.如權(quán)利要求12至16中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述變頻器包括AC到DC到AC變頻器。18.如權(quán)利要求12至17中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述變頻器包括電子變頻器。19.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，包括:監(jiān)測由所述發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力；響應(yīng)于所述監(jiān)測的電力或所述監(jiān)測的電壓超過相應(yīng)的閾值電平，將來自所述發(fā)電機(jī)的輸出的所述電力中的至少一些轉(zhuǎn)向到所述輔助系統(tǒng)；利用所述轉(zhuǎn)向的電力對至少一個儲能設(shè)備充電；以及，響應(yīng)于所述監(jiān)測的電力或所述監(jiān)測的電壓低于相應(yīng)的閾值電平，而優(yōu)選地通過使得所述至少一個儲能設(shè)備放電而從所述輔助系統(tǒng)向所述終端系統(tǒng)輸送電力。
【文檔編號】F03D9/25GK105874198SQ201480072252
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月3日
【發(fā)明人】E·斯普納, S·考索恩
【申請人】開放水知識產(chǎn)權(quán)有限公司